Een nieuwe laser speckle angular Measurement (SAM) techniek gedetailleerd in een paper in Licht:wetenschap en toepassingen laat zien hoe hellingsfoutmetingen drastisch kunnen worden verminderd. Dit is belangrijk omdat röntgenspiegels veel worden gebruikt voor synchrotronstralingsfaciliteiten, Röntgenlasers met vrije elektronen en astronomische röntgentelescopen. Echter, korte golflengten en begrazingsincidentie stellen strikte grenzen aan de toelaatbare hellingsfouten. Hoewel geavanceerde polijsttechnieken spiegels hebben geproduceerd met hellingsfouten (onder 50 nrad root mean square (rms)), veel bestaande metrologische technieken hebben moeite om ze te meten. Aanvullend, SAM is compact, goedkoop en integreert met de meeste bestaande röntgenspiegel-metrologie-instrumenten.

De krant, "Nano-precisie metrologie van röntgenspiegels met laser spikkel hoekmeting, " geschreven door Dr. Hongchang Wang, Simone Moriconi en Prof. Kawal Sawhney van de groep Optics and Metrology bij Diamond Light Source, beschrijft een nieuw meetinstrument en technieken die hun team heeft ontwikkeld. Gebaseerd op spikkelhoekmeting (SAM), het kan vele beperkingen van de huidige metrologische technieken overstijgen en een ongekende nauwkeurigheid bieden voor het karakteriseren van sterk gebogen röntgenspiegels van hoge kwaliteit.

Moderne synchrotronstralingsfaciliteiten en röntgenvrije-elektronenlasers bieden zeer heldere röntgenstralen voor geavanceerd wetenschappelijk en industrieel onderzoek. De succesvolle exploitatie en het efficiënte gebruik van röntgenstralen hangt af van de kwaliteit van de gebruikte optica. Röntgenspiegels zijn kritische optische componenten en worden veel gebruikt vanwege hun uitzonderlijke eigenschappen van hoge efficiëntie en inherente achromaticiteit. De hoogtefout (oppervlakteafwijkingen van het ideale profiel) van röntgenspiegels verslechteren onvermijdelijk het golffront en de brandpuntsprestaties. Voor de meest veeleisende röntgentoepassingen zoals extreme energieresolutie of nanofocus, de vereiste hoogtefout is vaak minder dan 1 nm rms. De fabricage en metrologie van röntgenspiegels stellen dus grote uitdagingen.

Dr. Hongchang Wang, Senior Optics Scientist en hoofdauteur van de studie, legt de voordelen van de nieuwe techniek uit:"Het op spikkels gebaseerde metrologie-instrument, SAM, die we hebben ontwikkeld is een compacte, goedkoop instrument dat eenvoudig te integreren is met de meeste andere bestaande röntgenspiegel-metrologie-instrumenten. belangrijk, het maakt nauwkeurige meting mogelijk van sterk gebogen spiegels in twee dimensies met een nauwkeurigheid van nanometers. Dit is een functie die de meeste bestaande metrologie-instrumenten missen en overbrugt de kloof in hun mogelijkheden door de gemeenschap van röntgenspiegelmetrologieën. De Quote, "Als je het niet kunt meten, je kunt het niet verbeteren, " is met name het geval bij de fabricage en karakterisering van supergepolijste röntgenspiegels."

In de paper laat het team zien dat de hoeknauwkeurigheid van hellingsfoutmetingen kan worden teruggebracht tot 20nrad rms door gebruik te maken van een geavanceerd subpixelvolgalgoritme. Het team zegt dat deze nieuwe nano-metrologiemethode mogelijk nieuwe mogelijkheden kan openen om supergepolijste röntgenspiegels van de volgende generatie te ontwikkelen, wat ook de ontwikkeling van synchrotronstraling zal bevorderen, vrije elektronenlasers, X-ray nanosondes, coherentiebehoud, astronomische fysica en telescopen.

Co-auteur van het artikel over deze nieuwe metrologietechniek, Prof. Kawal Sawhney, Principal Beamline Scientist en Optics and Metrology groepsleider bij Diamond, voegt toe:"Dit nieuwe instrument zal de mogelijkheden van ons ultramoderne metrologielaboratorium in Diamond verbeteren en ons in staat stellen om de extreem hoogwaardige röntgenspiegels die nodig zijn voor gebruik met de geplande upgrade van Diamond naar een lage -emissie Diamond-II-bron. Verkopers van röntgenspiegels zullen dit nieuwe instrument ook aantrekkelijk vinden omdat het hen in staat zal stellen optica van nog betere kwaliteit te fabriceren dan nu het geval is."

Zeer nauwkeurige röntgenspiegels worden voortdurend verbeterd en ontwikkeld om gelijke tred te houden met de wereldwijde upgrades van synchrotrons naar diffractiebeperkte opslagringen. Om de beperkingen van de huidige metrologische technieken te overwinnen, het team ontwikkelde deze nieuwe optische SAM-scankop en -aanpak, erkennen dat nauwkeurigere metingen van spiegelfiguren essentieel zullen zijn voor röntgenspiegels van de volgende generatie, zodat ze kunnen profiteren van verbeterde lichtbronnen en aan nieuwe eisen kunnen voldoen.

De SAM-configuratie is bedrieglijk eenvoudig (Fig. 1). 2D willekeurige intensiteitspatronen (speckle) worden gegenereerd door een laser door een diffuser te laten schijnen en ze kunnen worden behandeld als meerdere potloodstralen met verschillende kenmerken. Omdat elk spikkelpatroon unieke eigenschappen heeft, de spikkel kan worden behandeld als een set van meerdere golffrontmarkeringen. Variaties van spiegelhelling over het gemeten gebied van de spiegel verschuiven het spikkelpatroon. De hellingsvariatie van het te testen oppervlak (SUT) kan vervolgens op nanoradiaal niveau in twee dimensies worden gemeten door de spikkelverplaatsing nauwkeurig te volgen met een geavanceerd subpixelalgoritme.

De SAM kan eenvoudig worden geïnstalleerd op een bestaand ex-situ metrologieportaal. Het kan 2D-oppervlakteprofielen genereren, het verstrekken van rijke informatie over het oppervlakteprofiel van röntgenspiegels. Naast het grotere scanhoekbereik en de uitstekende herhaalbaarheid, hoge precisie wordt bereikt. Het SAM-instrument kan mogelijk ook worden gebruikt voor het meten van ringkern, ellipsoïde en paraboloïde spiegels door 2D-rasterscans van SAM over het gehele spiegeloppervlak uit te voeren. Eindelijk, het SAM-instrument is niet beperkt tot synchrotron-röntgenspiegels, maar kan ook worden toegepast op vrije vorm optica en op hoogwaardige spiegels op andere gebieden, zoals extreme ultraviolette lithografie en laserontsteking.

Het wordt steeds uitdagender voor de momenteel beschikbare metrologische technieken om de nieuwste inspanningen te sturen om de productiekwaliteit van röntgenspiegels te verbeteren. De nieuwe techniek en het op SAM gebaseerde instrument gebruiken een zeer groot aantal spikkels en zorgen voor betere statistieken en minder willekeurige ruis, zelfs in een enkel beeld. Deze opmerkelijke eigenschap maakt het mogelijk dat de voorgestelde SAM-metrologietechniek op grote schaal kan worden gebruikt voor superprecieze metrologie en de vooruitgang van de volgende generatie röntgenspiegels.

Laurent Chapon, Directeur Exacte Wetenschappen bij Diamond opmerkingen; "Deze opwindende nieuwe techniek van spikkelhoekmeting, intensief ontwikkeld door leden van Diamond's Optics and Metrology Group, de mogelijkheden van de huidige meetinstrumenten kunnen uitbreiden. Voor de volgende generatie röntgenspiegels, nodig om gelijke tred te houden met nieuwe röntgenbronnen en de steeds toenemende vraag naar meer coherentie en scherper scherpstellen, SAM zal een tijdige hulpbron zijn."

Diamond's Optics and Metrology Group heeft zijn Test Beamline (B16) gebruikt om deze geavanceerde benadering voor röntgenbeeldvorming en metrologie te ontwikkelen. Onlangs, een op spikkels gebaseerde omnidirectionele differentiële fase en donkerveldbeeldvorming is aangetoond en gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Het team is nu succesvol overgedragen, deze spikkeltechniek van röntgen naar zichtbaar lichtgebied.