大口径传输反射镜的研究进展

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求,探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400mm口径K9反射类坯片精密退火工艺,形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜,并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后,综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400mm口径传输反射镜在1053nm处以45°入射时,其表面粗糙度优于99.8%,面形PV值小于λ/3(λ=1 053nm),损伤阈值大于30J/cm2(5ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置,有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。     

Error analysis of the parameters for non-coaxial grazing X-ray microscope

A non-coaxial grazing X-ray microscope, consisting of four spherical mirrors, is designed for diagnosis of inertial confinement fusion (ICF). The aberrations and imaging quality of the microscope are analyzed. To acquire excellent imaging quality, suitable tolerances for manufacturing and assembling the microscope are necessary. This paper researches the changes of Gauss parameters and aberrations due to component and subsystem parameters (such as the radius of the mirror, angle between mirrors, grazing angle, object distance, etc.). Here, spot diagrams and modulation transfer function (MTF) are first adopted to quantitatively evaluate the imaging quality of the microscope. Suitable manufacturing tolerances of components and assembly tolerances of the system are established on the basis of the discussion and analysis. A set of non-coaxial grazing X-ray microscopes is manufactured based on the tolerances. In site tests of ICF, the images with high resolution are obtained by the microscope. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2006, 14(1): 34–42 [译自: 光学精密工程]     

非共轴掠入射X射线显微镜参数的误差分析

设计了一套由4个反射镜组成的非共轴掠入射X射线显微镜,分析了该系统的像差和成像质量。为了研制出高质量的设备,需要制定合理的加工和装配公差。研究了由于元件和结构参数(反射镜的半径,物距,掠入射角等)的误差而引起的高斯参数和像差的变化。首次用点列图和调制传递函数来定量评价图像质量降低的程度,并在此基础上制定了合理的加工和装配公差。在这些公差的约束下,研制成一套非共轴掠入射X射线显微镜,在激光引爆的惯性约束聚变的诊断实验中,用该系统获得了高质量的图像。     

软X射线多层膜设计中表面粗糙度对反射率的影响

给出了一种改进的软X射线波段的多层膜设计方法.在设计过程中,考虑了反射镜基底和各膜层之间的均方(RMS)粗糙度对反射率的影响 ;在Stearns提出的散射理论的基础上给出了粗糙界面的数学模型.文中以波长为λ=1.03nm的软X射线为例进行设计,设计结果表明 :要使波长为λ=1.03nm的多层膜的反射率大于10%,反射镜基底的均方粗糙度不应超过0.6nm.实验中选择几块表面粗糙度为 0.5nm(RMS)的熔石英平面镜作为基底来制作适用于该波长的、层对数超过70的多层膜.然后在的入射角下测量反射率,测得的值为10%,这与采用本设计方法得到的计算结果一致.该反射镜作为X射线谱仪的分光元件被应用于惯性约束聚变(ICF)的过程诊断中.     

Single-point diamond turning of electroless nickel for flat X-ray mirror

X-ray mirrors require a super-smooth surface to prevent strong X-ray scattering. We examined the fabrication possibility of the X-ray mirror by single-point diamond turning (SPDT) for electroless nickel. The stable and unstable cutting modes for the electroless nickel were obtained by observing the relative position of a diamond tool for machining. A super-smooth surface of 0.95 nm rms was achieved within the stable cutting mode. The surface roughness of the electroless nickel mirror measured with an optical profiler was compared with the X-ray reflectivity measurement. The electroless nickel mirror could be successfully used as a soft X-ray reflector and a low-pass filter for the hard X-rays.     

亚纳米量级光滑表面的超精密抛光

软Ｘ射线光学的发展，对光学元件表面提出超光滑要求，为此我们开展了使用锡磨盘的超精密抛光方法研究。本文介绍锡磨盘磨削的实验装置及主要结果。利用这种方法已加工出表面粗糙度优于０．３ｎｍ的超光滑表面     

长春光机所软X射线-极紫外波段光学研究

综述了我所软X射线-极紫外波段关键技术的研究进展。描述了软X射线-极紫外波段光源技术,研制了工作波段为6~22 nm的微流靶激光等离子体光源;介绍了光子计数成像探测器技术,研制出了有效直径为25 mm,等效像元分辨率为0.3 mm的极紫外波段探测器;开展了超光滑表面加工、检测技术的研究,研制了超光滑表面抛光机,加工出高面形精度的超光滑表面,面形精度为6 nm(RMS值),表面粗糙度达0.6 nm(RMS值);进行了软X射线-极紫外波段多层膜技术的研究,研制出13 nm处反射率为60%的多层膜反射镜,150 mm口径反射镜的反射率均匀性优于±2.5%;最后,讨论了软X射线-极紫外波段测量技术研究,研制出该波段反射率计,其测量范围为5~50 nm,光谱分辨率好于0.2 nm,测量重复性好于±1%。在上述关键技术研究基础上,研制出了极紫外波段成像仪和空间极紫外波段太阳望远镜,这些仪器在我国空间科学研究项目中发挥了作用。     

Computer Controlled Polishing of the Off-axis Aspheric Mirrors

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｏｏｂｔａｉｎ ｇｏｏｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｗｉｄｅＦＯＶ ,ｍａｎｙｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｅｒｓｃｈｏｓｅＴＭＡｏｆｆ -ａｘｉｓａｓ ｐｈｅｒｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｐａｃｅｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓ.Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｈａｖｅｎｏｔｂｅｅｎｍａｄｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｕｎｔｉｌｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｒｅ ｃｅｎｔｌｙｔｏｏｋｐｌａｃｅｉｎｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ ,ｃ…     

矩形离轴非球面反射镜的数控加工

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形离轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CCOS工艺参数计算方法.被加工工件分别为165mm×100mm的矩形凸面离轴非球面和770mm×200mm的矩形轻量化凹面离轴非球面,设计精度分别为任意100mm,200mm子孔径面形精度优于0.025λRMS(λ=632.8nm).经检验,工件的加工精度满足了设计要求,分别达到了0.023λRMS和0.013λRMS.     

大型X射线光学仪器:单层镜和多层镜的制造与表征

150~500 mm长度的各种X射线光学元件可用于光束导引,光束调整,以及单色化。本文介绍了两种不同的大型X射线反射镜。第一种为单层反射镜,这种反射镜以2°掠入射角在软X射线区(50~200 eV)起全反射镜作用,可用于自由电子激光器,如德国汉堡的FLASH。第二种是多层镜,由于它的布喇格反射特性,适于作为反射镜以0.4~1°的入射角用于硬X射线区(20~50 keV),如层析光束线的同步辐射存储环中。两种反射镜都用最新物理汽相淀积法制备,并用磁控溅射来实现X射线光学应用所需要的优良光学品质。这一淀积工艺使不同批次的镀膜稳定性良好,有利于实际反射镜在优质衬底上的最后淀积。单层镜和多层镜在它们的相关能量范围内都有很高的反射率,表面粗糙度也很低,且在整个光学波长区这些特性表现均匀。文中所叙相关研究都是借助X射线反射计量(XRR)法,透射电子显微镜(TEM)、光学轮廓仪(OP),以及原子力显微镜(AFM)完成的。     

大尺寸轻型碳化硅质镜体的制造与材料性能测试

利用凝胶注模(gel-casting)成型工艺制备了620 mm和700 mm×300 mm的碳化硅(SiC)轻型反射镜素坯,经过脱模、干燥、脱脂和反应烧结等工艺,制备了反应烧结SiC(RB-SiC)镜体。镜体经过加工和测试,结果表明:制备的RB-SiC内部结构均匀致密;力学性能和热学性能优异,抗弯强度、断裂韧性和热膨胀系数分别达到了350 MPa、 4.1 MPa·m^1/2和2.67×10^－6/K;镜体经抛光后的表面粗糙度RMS值可优于3 nm,适合用于制备空间用大尺寸轻型反射镜。     

Optimization of a Wolter type I mirror for a soft X-ray microscope

The demand for an X-ray microscope has received much attention because of the desire to study living cells under high resolution. A Wolter type I mirror used for soft X-ray microscope optics has a number of advantages. Although much progress has been made, it is still not easy to fabricate this mirror and satisfy the surface roughness and figure error requirements. From the mirror fabrication point of view, it is necessary to see the mirror design and the tolerance budget, especially with respect to the surface roughness and the figure errors. This paper deals with the design and optimization of a Wolter type I microscope mirror. The optimization was carried out by choosing an optimum central grazing incidence angle for which a merit function had the maximum value. The image quality of the mirror was also examined. A smaller diameter gave better image quality because of the Abbe sine condition. Finally, the figure errors for the axial and the radial directions were simulated by sinusoidal deformation waves, and the figure tolerance was obtained.     

Imaging characteristics of an axisymmetric, grazing incidence x-ray microscope designed for laser fusion research

We report herein the first demonstration of the x-ray imaging characteristics of an axisymmetric x-ray microscope designed for laser fusion diagnostics. The design, fabrication, and evaluation of a grazing incidence hyperboloid/ellipsoid x-ray mirror pair are discussed. Initial data relating the measured mirror surface profiles, the estimated surface roughness, and mechanical alignment of the x-ray mirror pair to the observed spatial resolution are presented. A revised fabrication approach, utilizing a single point diamond turning feedback technique and resulting in improved resolution, is also discussed.     

Development of optics for x-ray phase-contrast imaging of high energy density plasmas

Phase-contrast or refraction-enhanced x-ray radiography can be useful for the diagnostic of low-Z high energy density plasmas, such as imploding inertial confinement fusion (ICF) pellets, due to its sensitivity to density gradients. To separate and quantify the absorption and refraction contributions to x-ray images, methods based on microperiodic optics, such as shearing interferometry, can be used. To enable applying such methods with the energetic x rays needed for ICF radiography, we investigate a new type of optics consisting of grazing incidence microperiodic mirrors. Using such mirrors, efficient phase-contrast imaging systems could be built for energies up to ～100?keV. In addition, a simple lithographic method is proposed for the production of the microperiodic x-ray mirrors based on the difference in the total reflection between a low-Z substrate and a high-Z film. Prototype mirrors fabricated with this method show promising characteristics in laboratory tests.     

固着磨料加工碳化硅反射镜的初步实验研究

本文采用了一种有别于传统的加工碳化硅反射镜的工艺---固着磨料加工工艺。此工艺不但可以利用大颗粒金刚石磨料快速加工出较好的镜面质量,而且由于其固着磨料与工件相对运动关系固定,有利于精确加工。在工艺实验中,分别测得了W7,W5,W3.5,W1.5固着磨料丸片在特定转速和压力下对碳化硅材料的去除特性。通过多组去除量曲线,我们得出此工艺不仅有着较高的去除率,而且其稳定性非常良好。另外在表面粗糙度结果方面,最初使用W7丸片获得了粗糙度为42.758nm rms的镜面。我们不断减小所用丸片的粒度,工件表面粗糙度随之减小。在使用W1.5丸片抛光后,最终获得了粗糙度为1.591nm rms的光滑镜面。实验结果表明,固着磨料加工碳化硅反射镜工艺在某些加工阶段内可以取代传统的散粒磨料加工工艺,有着良好的应用前景。     

反应连接230mm口径RB-SiC反射镜

针对传统工艺难以制备口径大于1.2m的整块反射镜的问题,提出了反应连接制备大口径RB-SiC反射镜的工艺。该工艺在素坯阶段实现连接,一次反应烧结完成坯体的致密化和镜体的连接。采用该工艺制备了230mm口径的RB-SiC反射镜,并使用FSGJ-2光学数控机床对反射镜进行了研磨、粗抛光和精抛光加工,其镜面面形精度RMS值达到了λ/50(λ=632.8nm)。在环境温度(20±3)℃检测了连接反射镜,其面形变化RMS值小于λ/300,热循环试验前后连接反射镜面形没有明显变化;连接镜体表面在焊缝处粗糙度Ra<3.3nm,连接层与基体的显微结构基本相似,热性能相匹配。研究结果表明,用新型反应连接技术制成的RB-SiC反射镜可以满足空间光学应用要求。     

X射线—极紫外光学中的超精密加工及其应用

短波光学技术的发展对高精密超光滑表面提出了严格要求。在X射线—极紫外光学中,光学元件表面粗糙度均方根值必须达到埃量级。制造这样表面的超精加工包括切割、研磨和抛光等工艺过程。本文介绍一种制造X射线望远镜中非球面镜的复制方法。     

X射线—极紫外光学中的超精密加工及其应用

短波光学技术的发展对高精密超光滑表面提出了严格要求。在X射线—极紫外光学中,光学元件表面粗糙度均方根值必须达到埃量级。制造这样表面的超精加工包括切割、研磨和抛光等工艺过程。本文介绍一种制造X射线望远镜中非球面镜的复制方法。     

表面改性非球面碳化硅反射镜的加工

为了获得高质量光学表面的非球面碳化硅(SiC)反射镜,对碳化硅反射镜表面改性技术以及离子束辅助沉积(IBAD)Si改性后的非球面碳化硅反射镜的加工技术进行研究。首先,简要介绍了碳化硅反射镜表面改性技术以及本文所采用的离子束辅助沉积(IBAD)Si的改性方法。然后,通过采用氧化铈、氧化铝以及二氧化硅等各种抛光液对离子束辅助沉积(IBAD)Si的碳化硅样片进行抛光试验。试验结果表明氧化铈抛光液的抛光效率较高,使用二氧化硅抛光液抛光后的样片表面质量最好。最后,在上述实验的基础上,采用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对尺寸为650mm×200mm的表面改性离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜进行加工,最终的检测结果表明离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）优于λ/50（λ=0.6328μm）,表面粗糙度优于1nm（Rq值）,满足设计技术指标的要求。     

应用双摆动技术加工离轴碳化硅反射镜

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺。介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响。建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较。给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性。应用双摆动技术加工了一个224mm×108mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633nm)。因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展。