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。     

极紫外及X射线波段超光滑反射镜的超精密加工与检测

极紫外、X射线为微观物质认识、宏观空间探测提供了高精度的观测手段,但这类观测的实现需要大量高精度光学反射元件的支撑。由于极紫外、X射线在光学表面更易发生散射,其光学反射镜基底的精度需求和制作技术也明显区别于长波元件。近年来,同济大学精密光学工程技术研究所建立了极紫外、X射线反射元件基底的超精密加工与检测平台,研发了超光滑非球面的离子束修形技术,提出了基于泽尼克多项式的随机离轴旋转绝对检测方法,形成了极紫外、X射线光学用反射镜基底的高精度全流程研制技术,并将该技术成功地应用于国内和国际短波光学大科学装置中。本文综述了本课题组在极紫外、X射线用反射镜制作领域中的研究进展。     

微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术

微结构光学功能元件在航空航天、机械电子、光学以及光电子领域都具有非常重要的应用价值和极其广阔的应用前景,针对其大批量复制用模具的超精密磨削加工技术也越来越受到重视。微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术不同于传统的磨削加工技术,是在模具表面加工制造出各种不同形貌、不同尺度、不同维数并具有不同光学功能的微小几何结构。结合目前国内外微结构表面超精密制造技术的研究和发展,对微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术进行综述。介绍超精密磨削加工技术在微结构表面制造中的应用,分析目前微结构光学功能元件模具超精密磨削加工中存在的关键技术问题,并对微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工发展趋势进行预测。     

X射线聚焦镜的超精密制造

X射线聚焦镜用于收集和汇聚宇宙中X射线辐射,是X射线天文卫星观测载荷的核心部件。本文采用镍基底电铸复制方法,在包括化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及脱模的全工艺链上进行了大量工艺探索和装备研发,并最终完成了X射线聚焦镜的批量超精密制造。实验结果表明,聚焦镜模具加工精度-表面粗糙度小于0.5 nm RMS,面形精度优于0.5μm,镜片角分辨率为33.5″HPD(能量半高宽),验证了工艺的可靠性和先进性。     

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     

电化学和化学加工法制备铝基体超双疏表面

通过电化学和化学加工技术在铝基体上制备出超双疏(超疏水-超疏油)表面,并用扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、能量色散X射线光谱仪和光学接触角测量仪对所得样品表面的微观形貌、化学成分和润湿性进行了分析.研究结果表明,电化学和化学加工后的铝样品表面存在由微米级的长方形凸台铝结构和纳米级的针状勃姆石、氧化铝结构所构成的二元微纳米粗糙结构;此样品表面在氟化处理前显示超亲水-超亲油性;经氟化处理后,样品表面转变为超双疏性,水、甘油、花生油、十六烷在样品表面的接触角分别为166.6°、164.7°、160.1°和157.7°,滚动角分别为2.0°、2.0°、4.0°和3.5°;二元微纳米粗糙结构的获得及表面能的降低是铝表面获得超双疏性的必要条件.与已有方法相比,电化学和化学加工技术具有简单、高效、安全、成本低等优点.     

超光滑表面软X射线光学元件的加工工艺与检测

本文叙述了工作在软X射线波段的光学元件的加工工艺与检测。谈到研究目的、背景和我国的研究概况。着重介绍了长春光机所近期工作的新进展。作者结合实例介绍了超光滑加工工艺方法、特点和超光滑表面粗糙度及面形的检测。测量结果表明,表面粗糙度优于0.5nm RMS,达到了世界先进水平。文章最后提出了今后三年的研究课题与目标。     

微束XRF系统中X射线聚焦光学元件研究

高性能X射线聚焦光学元件是实现亚微米分辨率微束X射线荧光分析系统(XRF)的关键器件。给出一种新型的微束XRF系统设计结构,介绍两种典型的X射线聚焦光学元件:X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的结构与光学参数。数值计算比较了X射线聚焦毛细管透镜和X射线组合折射透镜的光学聚焦性能。分析结果体现了X射线聚焦组合透镜作为聚焦光学元件在焦斑大小、透过率、强度增益和检测范围等方面的优势。     

超精密光学元件制造技术

<正>在科学和工程技术领域,超精密光学元件的制造技术正在成为关注的热点,其发展把超精密制造技术推进到传统机械制造不可企及的高度。对超精密光学元件尚无严格的定义,通常沿用机械制造的概念,将达到一定面型精度和表面粗糙度状态的     

X、Y方向非等R值微小非球面模具超精密磨削试验

基于模压成型技术的复杂曲面光学玻璃透镜制造难度较大,主要制约因素是高精度复杂曲面光学模具的加工难度大。文中针对典型的高精度X、Y方向非等R值微小非球面模具,进行斜轴单点CXZB四轴联动超精密磨削试验,通过加工路径规划、磨削补偿、磨削表面测量与评价,验证了加工方法的可行性。研究发现,X、Y方向非等R值微小非球面模具PV值控制在0.38μm以下,表面粗糙度分别为Ra5 nm和Rz39 nm,加工表面呈光学镜面,模具加工质量完全满足后续的玻璃模压成型要求。     

单通道和多通道毛细管光学元件－技术发展水平和应用

毛细管光学元件在X射线分析中的应用已有20多年的历史,在这段时间里,毛细管光学元件的制作技术发生了很大的变化。上世纪90年代初,使用的是组装的毛细管光学元件,目前,集成的多通道毛细管光学元件已广泛地应用于市场销售的X射线分析设备中。这些元件的毛细管直径在微米量级,其光学性质可以根据几何光学的光线追迹计算进行描述。最近,由于多通道毛细管制作技术的改进,已成功制成了200 nm及以下通道尺寸的毛细管光学元件。在这样小的通道尺寸下,观察到了X射线辐射的波动效应。最后文章介绍了毛细管光学元件在X射线微荧光分析和微衍射方面的应用。     

弯晶X射线光学

近年来,人们付出很大精力研制新的具有独特性能的同步辐射装置和自由电子激光器,而飞秒激光等离子源可提供具有高峰值亮度的超短X射线脉冲,用来作为波荡器辐射的补充X射线源。此外,所有最新型的X射线源的诊断和应用也都需要专用X射线光学元件或仪器。X射线光谱测量是激光聚变应用中最重要的等离子诊断方法之一,该方法根据实验目的,可获得单色X射线图像或与空间或时间分辨相组合的高分辨率图像。已经研制出拥有多达10个环状弯晶的高精单色成像仪,用以研究激光聚变实验中的内爆过程并通过获得的数据对等离子体参数的时间分辨图做出评估。大功率飞秒激光器可提供实用的相对价格不高的大功率X射线脉冲源,但需要有发光效率,能量分布,以及热电子传输方面的信息来实现理想K层辐射线或者连续X射线输出的最大化,以便得到相当于同步辐射输出的峰值亮度。把这些新的射线源与弯晶光学元件相组合,可完成亚皮秒时间量级的衍射实验。激光泵浦的X射线探针实验已经展示了若干晶体在250 fs内的结构变化。作者所在研究所使用光线追踪和布拉格反射方法设计了1D或2D或1D与2D结合的弯晶X射线光学仪器。在仪器制备过程中,非常注重晶体完整,反射选择的优化,弯曲精确,以及成像和反射特性的测量,还使用X射线形貌相机和衍射仪对分析器晶体的相关特性做了测试。     

高分辨率X射线衍射光学元件

评述了BESSY研制的用于X射线聚焦的各种衍射光学元件。基于布拉格-菲涅耳光学元件,设计了高效高分辨率X射线聚焦和色散光学元件。描述了对长焦距布拉格-菲涅耳透镜与可变曲率半径反射镜组合所做的实验研究。用一块反射菲涅耳波带板作聚焦和色散光学元件进行了短脉冲X射线吸收谱(XAS)的测量。     

Absolute interferometric test for high numerical-aperture spherical concave surfaces: Gravitational effect

Spherical concave surfaces with high numerical apertures are required in industry for lithography optics at ultraviolet and X-ray wavelengths. Among the systematic errors in these spherical-surface test, the gravitational deformation has not been separated from the other optical aberrations. We utilized a two-surface comparison method to quantify the gravitational deformation in a vertical Fizeau interferometer. Certain aberrations vary with rotation around the optical axis. We averaged the ordinary aberrations and isolated the aberration caused by gravitational deformation. Experimental results show that a 4-in concave surface with an F-number 0.75 reveals to have a gravitational deformation of 7 nm peak-to-valley.     

The Effect of Surface Roughness on Fluid Drainage from Metal Surfaces

Measurements on the drainage of several mineral oils and a diester from vertical metal surfaces of different roughnesses have been carried out. Metals studied were low-carbon steel, aluminum, and silver-copper alloy (90 Ag-10 Cu). The method was adapted from one devised by Bikerman and applied by him to stainless steel, in which mineral oil retention by rough surfaces was compared with retention by smooth surfaces. High correlation has been obtained between surface roughness, as measured by a stylus instrument, and thickness of an apparently stagnant layer of oil. The correlation is highest when the roughness is measured in the direction of drainage. Equations for calculating the total thickness and volume of fluid retained by smooth surfaces have been reconfirmed.     

用热解石墨晶体作色散和聚焦光学元件的激光等离子体源的超快X射线光谱仪

由于激光等离子X射线源的光子通量显著低于同步辐射源的光子通量且射线为所有方向的各向同性辐射,所以,很需要具有大的集光立体角和高的积分反射率的光学元件,用热解石墨(PG)晶体作色散和聚焦元件可满足上述要求。由于PG晶体为嵌镶结构,所以可给出很高的积分反射率,而PG薄膜还可安装在任意形状的模具上构成任意形状的光学元件。此外,特殊形状的嵌镶聚焦使这些晶体甚至在弯曲的情况下,也可作为高分辨率X射线光学元件。基于上述元件特性,可以设计出有高集光效率的色散光学元件,用于激光等离子体源超快X射线光谱检测。文中描述了PG弯晶在一台改型的von HAMOS光谱仪中的应用,使用这台光谱仪,测量了飞秒激光器产生等离子体发射的X射线的光谱分布。讨论了产生的X射线在时间分辨扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析中的应用。实验表明,通过优化晶体特性和光谱仪几何设置,可以实现对过渡金属K边的高分辨率EXAFS测量。     

长春光机所软X射线成像望远镜和同步辐射光束线研制技术的发展现状

本文概述了我所12年(1978～1990)来在软X射线成像望远镜和同步辐射光束线以及短波段光学中有关单元技术研究的发展现状。指出了限制软X射线光学技术发展的主要问题,提出发展软X射线成像和同步辐射反射光学技术应开展的主要研究工作。     

Adhesion and Friction Enhancement of Film-Terminated Structures against Rough Surfaces

A number of biomimetic and bioinspired micron-scale surface structures have been developed in recent years with unique surface properties such as highly enhanced and switchable adhesion and friction against smooth surfaces. However, few studies have examined the effect of roughness on mechanisms for property enhancement, although this is of critical importance for applications. Here, we investigate the effect of roughness on adhesion and friction of a family of film-terminated fibrillar and ridge/channel microstructures. Although increasing roughness uniformly attenuates adhesion and friction, we find that the film-terminated structures maintain their enhancement compared to flat controls against a variety of rough surfaces (including natural stones). The principal mechanisms underlying property enhancement against smooth surfaces remain operative against rough surfaces. We show how the effect of roughness on surface mechanical properties of structured surfaces can be understood as a combination of known effects due to structure and roughness.