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01 导读

近日，来自英国钻石光源的王洪昌团队，研发了一种利用激光散斑原理进行面形计量的装置SAM，能够显著提高对X射线反射镜的斜率误差的测量精度，极大地拓展了目前能够进行测量的反射镜的曲率半径范围。而且，这种新型的测量方案可以安装在现有的其他X射线反射镜测量平台，为开发下一代超抛光X射线反射镜提供了新的可能性，对同步辐射，天文观测等领域具有重要的意义。

该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement”，王洪昌为论文的第一作者和通讯作者。

图1 王洪昌(左)正在指导博士生Simone Moriconi(右)进行SAM装置调试

02 研究背景

X射线在现代前沿科学与工业研究中具有重要的地位，如X射线望远镜就是天文观测领域中的重要工具，它能够有效测量宇宙中微弱的X射线源，以帮助天文学家们进行深空观测。X射线的开发与利用取决于光学元件的质量，而在多种X射线光学器件中，X射线反射镜因其高效和固有的消除色差的特性被广泛使用。

在实际应用中，X射线反射镜的高度误差(实际表面距离理想轮廓的偏差)难以避免地会降低反射镜的波前和聚焦性能。比如，超高能量分辨率或者纳米聚焦等应用对X射线镜面形精度提出严苛要求，所需的高度误差往往都要求低于1纳米，这对X射线反射镜的制造与测量提出了重大挑战。

在过去数十年间，X射线反射镜的制造技术的准确性和精度一直在不断地进步，EEM抛光技术(elastic emission machining)和离子束加工技术使制造亚纳米高度误差和斜率误差的X射线反射镜成为可能。然而，由于当前的测量技术的局限无法有效指导制造技术进一步提高精度，现有的X射线反射镜仍然无法满足同步加速器或下一代X射线望远镜等前沿应用的需求。因此，如果要成功地制造出超高精度的X射线反射镜，对镜面的测量技术的改进是必不可少的，也是极其关键的。

03 创新研究

目前常用的X射线反射镜的主要测量方法可分为拼接干涉测量技术和反射式轮廓测量技术的方法。基于拼接的方法精度取决于多个区域的重叠测量，然而将相邻区域拼接在一起的过程十分复杂，且会受到累积系统误差的影响。而反射式轮廓测量设备如长程轮廓仪(long trace profiler,LTP)和纳米光学测量仪(nanometer optical metrology,NOM)的方法尽管在不断地提高测量精度，但自动准直仪(autocollimator,AC)的锯齿偏差会干扰NOM对偏转角的测量，且NOM有限的斜率测量范围也使其无法测量曲率半径小于5m的镜面。

为了克服现有测量技术的上述局限性，本研究提出了一种基于散斑角测量(Speckle Angular Measurement,SAM)的测量方案。散斑，即二维随机强度图案，是激光通过散射体产生的。反射镜面测量区域上镜面斜率的变化则会改变散斑图案。通过使用亚像素算法精确跟踪散斑位移，就可以在二维纳米弧度水平上测量被测表面(surface under test,SUT)的斜率变化(图2)。研究团队提出的SAM可以采用两种不同的数据处理模式，分别可以对待测表面的斜率和局部曲率半径进行测量(图3)。

为了验证SAM方法的原理，研究团队利用SAM对用EEM技术抛光的高质量椭圆形X射线反射镜进行了测量。模式1和模式2两种数据处理模式均能够达到更高的测量精度(图4)，并且研究团队所提出的算法使得能够使用更小的扫描步长，从而实现小于0.5mm的空间分辨率(图5)，这极大地提高了测量的灵活性，有利于高精度X射线反射镜的进一步发展，从而为同步加速器和天文观测等技术的发展开辟了新的可能性。

图2 散斑角测量(SAM)方案的实验装置示意图。SAM仪器连接到扫描台，当散斑投射到被测表面(surface under test,SUT)的不同部分时，反射镜表面的散斑图案会发生变化。通过采用亚像素跟踪算法，就能够从两个散斑子集图像(f和g)之间的散斑位移计算角度变化。滑架的俯仰误差是用自准直仪(autocollimator,AC)测量的，SUT斜率的变化是从SAM和AC角度得出的。