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01 導讀

近日，來自英國鉆石光源的王洪昌團隊，研發了一種利用激光散斑原理進行面形計量的裝置SAM，能夠顯著提高對X射線反射鏡的斜率誤差的測量精度，極大地拓展了目前能夠進行測量的反射鏡的曲率半徑范圍。而且，這種新型的測量方案可以安裝在現有的其他X射線反射鏡測量平臺，為開發下一代超拋光X射線反射鏡提供了新的可能性，對同步輻射，天文觀測等領域具有重要的意義。

該文章發表在國際頂尖學術期刊《Light: Science & Applications》，題為“Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement”，王洪昌為論文的第一作者和通訊作者。

圖1 王洪昌(左)正在指導博士生Simone Moriconi(右)進行SAM裝置調試

02 研究背景

X射線在現代前沿科學與工業研究中具有重要的地位，如X射線望遠鏡就是天文觀測領域中的重要工具，它能夠有效測量宇宙中微弱的X射線源，以幫助天文學家們進行深空觀測。X射線的開發與利用取決于光學元件的質量，而在多種X射線光學器件中，X射線反射鏡因其高效和固有的消除色差的特性被廣泛使用。

在實際應用中，X射線反射鏡的高度誤差(實際表面距離理想輪廓的偏差)難以避免地會降低反射鏡的波前和聚焦性能。比如，超高能量分辨率或者納米聚焦等應用對X射線鏡面形精度提出嚴苛要求，所需的高度誤差往往都要求低于1納米，這對X射線反射鏡的制造與測量提出了重大挑戰。

在過去數十年間，X射線反射鏡的制造技術的準確性和精度一直在不斷地進步，EEM拋光技術(elastic emission machining)和離子束加工技術使制造亞納米高度誤差和斜率誤差的X射線反射鏡成為可能。然而，由于當前的測量技術的局限無法有效指導制造技術進一步提高精度，現有的X射線反射鏡仍然無法滿足同步加速器或下一代X射線望遠鏡等前沿應用的需求。因此，如果要成功地制造出超高精度的X射線反射鏡，對鏡面的測量技術的改進是必不可少的，也是極其關鍵的。

03 創新研究

目前常用的X射線反射鏡的主要測量方法可分為拼接干涉測量技術和反射式輪廓測量技術的方法。基于拼接的方法精度取決于多個區域的重疊測量，然而將相鄰區域拼接在一起的過程十分復雜，且會受到累積系統誤差的影響。而反射式輪廓測量設備如長程輪廓儀(long trace profiler,LTP)和納米光學測量儀(nanometer optical metrology,NOM)的方法盡管在不斷地提高測量精度，但自動準直儀(autocollimator,AC)的鋸齒偏差會干擾NOM對偏轉角的測量，且NOM有限的斜率測量范圍也使其無法測量曲率半徑小于5m的鏡面。

為了克服現有測量技術的上述局限性，本研究提出了一種基于散斑角測量(Speckle Angular Measurement,SAM)的測量方案。散斑，即二維隨機強度圖案，是激光通過散射體產生的。反射鏡面測量區域上鏡面斜率的變化則會改變散斑圖案。通過使用亞像素算法精確跟蹤散斑位移，就可以在二維納米弧度水平上測量被測表面(surface under test,SUT)的斜率變化(圖2)。研究團隊提出的SAM可以采用兩種不同的數據處理模式，分別可以對待測表面的斜率和局部曲率半徑進行測量(圖3)。

為了驗證SAM方法的原理，研究團隊利用SAM對用EEM技術拋光的高質量橢圓形X射線反射鏡進行了測量。模式1和模式2兩種數據處理模式均能夠達到更高的測量精度(圖4)，并且研究團隊所提出的算法使得能夠使用更小的掃描步長，從而實現小于0.5mm的空間分辨率(圖5)，這極大地提高了測量的靈活性，有利于高精度X射線反射鏡的進一步發展，從而為同步加速器和天文觀測等技術的發展開辟了新的可能性。

圖2 散斑角測量(SAM)方案的實驗裝置示意圖。SAM儀器連接到掃描臺，當散斑投射到被測表面(surface under test,SUT)的不同部分時，反射鏡表面的散斑圖案會發生變化。通過采用亞像素跟蹤算法，就能夠從兩個散斑子集圖像(f和g)之間的散斑位移計算角度變化。滑架的俯仰誤差是用自準直儀(autocollimator,AC)測量的，SUT斜率的變化是從SAM和AC角度得出的。