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第13卷 第5期强激光与粒子束V o l.13,N o.5 2001年9月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S Sep.,2001 文章编号:100124322(2001)0520525204单发实验测量软X射线多层膜反射镜反射特性Ξ王 伟, 倪元龙, 万炳根, 孙今人, 吴 江, 王 琛, 孙玉琴, 周关林, 顾 援, 王世绩(上海激光等离子体研究所高功率激光物理国家实验室,上海201800) 摘 要: 提出了一种单发实验测量软X射线波段多层膜反射镜反射特性的简易方法。
实验采用激光等离子体软X射线源作为光源,用平焦场光栅谱仪分光,在光路中引入掠入射镜以消除高级次谱的影响,用软X光CCD记录,在一发激光打靶实验中,测量了设计中心波长为13.9nm的M o Si多层膜反射镜的反射特性。
关键词: M o Si多层膜反射镜;反射率;软X射线;激光等离子体 中图分类号:O434.14 文献标识码:A 软X光的应用十分普遍,近年来软X射线激光的研究也取得了重要的进展并开始得到了应用。
软X射线多层膜反射镜,因其具有高的反射率和窄的带宽而在天文、显微成像[1]、软X射线激光双程放大[2]、软X射线激光应用[3]等方面起着重要作用。
这些应用大都要求软X射线反射镜的反射峰值处在特定波长,对反射率峰值和带宽也有一定的要求。
由于制作工艺复杂,反射镜的反射特性可能会与理论设计值有很大不同,为此非常有必要对反射镜的反射特性进行实验标定。
目前用于测量多层膜反射镜反射特性的软X射线源主要有同步辐射源和激光等离子体源两种[4,5]。
两者所用的测量方法基本相同:首先经单色仪分光的X射线入射在待测镜子上,用专用探测器测量经镜子反射的光强;然后移开镜子,测量入射光强;对入射角和波长分别进行扫描,得到反射镜的反射特性曲线。
由于同步辐射光源较弱,测量往往采用累计的方法。
而使用在一定波段内准连续的激光等离子体X射线源,亮度则要高得多。
3国家863惯性约束聚变领域资助课题。
1997年6月13日收到原稿,1997年8月13日收到修改稿。
黄天暄,男,1969年2月出生,硕士,研究实习员。
函数拟合法用于软X 光能谱回推黄天暄 郑志坚 孙可煦(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,成都525信箱,610003) 摘 要 应用函数拟合法处理软X 光宽带能谱仪的实验数据并回推出软X 光能谱分布,给出了函数拟合的基本算法和几种常用的拟合函数形式。
关键词 软X 光能谱 宽带能谱仪 函数拟合 在激光等离子体相互作用实验中[1,2],以0.35Λm 激光在1014～1015W c m -2功率密度下辐照金(A u )盘靶。
激光等离子体产生的X 光能量主要集中在0.1～1.5keV 的软X 光能区,以谱线发射为主。
由于谱线密集,在连续光谱上呈现出N 、O (A u 能级)带。
在惯性约束聚变(I CF )金空腔靶中,通过吸收和再发射,X 光辐射场与光性厚腔壁物质进行多次能量交换,原来非平衡的X 光能谱会逐渐接近平衡谱(即黑体辐射P lanck 谱)。
因此我们需要测量X 光能谱分布及其时间行为,加深对X 光转换和X 光辐射输运等物理机制的理解。
然后对能谱积分计算X 光总能量,获取X 光转换效率和辐射积分等效温度等重要物理量。
由滤片和X 光二极管(XRD )阵列构成的软X 光宽带能谱仪是上述强脉冲X 光能谱诊断的主要设备。
为标定和解谱方便,在上述X 光能区,利用各种滤片物质的K 或L 吸收边分光。
但谱仪的能道位置和数目都受到滤片本身特性的限制,尤其各道能窗很宽,所以称为宽带谱仪。
由于谱仪测量道数有限,一般只能应用函数拟合法[3]从测量信号回推软X 光能谱。
并且要求测量道数不能小于拟合函数中待定参数的个数。
在使用活化技术测量反应堆中子能谱时,可见类似情形。
Sand 迭代方法是回推中子能谱的主要方法,同样适应于软X 光解谱[4,5],美国LLNL 实验室至今仍把它作为求解X 光能谱的手段之一。
软X射线-真空紫外傅里叶变换光谱仪及其光谱分辨率研究李志刚
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】1998(000)005
【摘要】无
【总页数】1页(P84)
【作者】李志刚
【作者单位】无
【正文语种】中文
【相关文献】
1.软X射线-真空紫外大电流空阴极光源的研究 [J], 王淑荣;唐玉国
2.一种光谱分辨率可调的新型空间调制傅里叶变换光谱仪 [J], 廉玉生;廖宁放;吕航;吴文敏;董志刚
3.高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究 [J], 于磊;林冠宇;曲艺;王淑荣;汪龙祺
4.软X射线-真空紫外波段光谱光源研究 [J], 陈波;尼启良;曹健林;李福田;陈星旦
5.软X射线傅里叶变换光谱仪原理及结构特性研究 [J], 李志刚;王淑荣;李福田
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软X射线光栅研发及弱散射超材料和高分辨荧光显微成像的研究的开题报告一、研究背景及意义近年来，随着科技的不断进步和实验技术的不断更新，科学家们对于物质世界的了解也越来越深入。
其中，近代物理学特别是光学方面的研究取得了显著的成果，为开展基础物理研究和应用技术提供了有力支撑。
软X射线光栅是一种新型的X射线光学元件，它具有高分辨率、高灵敏度、高成像速度等优点，因此在物理学、化学、材料科学、生命科学等领域得到了广泛的应用。
同时，弱散射超材料和高分辨荧光显微成像也是当前最为热门的研究领域之一。
超材料可以通过调控介电常数、磁导率等参数，实现对电磁波的完全控制和操纵，从而在电磁波相位和振幅控制等方面展现出巨大潜力。
高分辨荧光显微成像则能够对细胞生命过程中的重要参数进行非常精确的测量和跟踪，对于神经科学、癌症治疗等领域都有重要的应用价值。
因此，本研究旨在研发软X射线光栅并将其应用于弱散射超材料和高分辨荧光显微成像中，探索柔性X射线光学元件在不同领域的应用价值和的研究方法。
二、研究内容和方法1.软X射线光栅的制备和性能测试。
本研究将采用激光干涉法制备软X射线光栅，并对其进行成像测试和比较分析。
主要包括对光栅波前畸变、成像分辨率、增透率、对比度等性能参数的测试和评价。
2.软X射线光栅在弱散射超材料及荧光显微成像中的应用研究。
将软X射线光栅适配于弱散射超材料的制备中，探究其在超材料的光学性能调控、耐热性、稳定性等方面的实际效果和应用价值。
并在荧光探针的测量和分析中应用软X射线光栅，进一步提高荧光显微成像的分辨率和稳定性。
3.基于软X射线光栅的其他应用研究。
除弱散射超材料和荧光显微成像外，软X射线光栅还具有广泛的应用前景。
本研究将对其在材料分析、生命科学、光子学等领域的潜在应用方向进行前瞻性探讨。
三、研究预期结果1.创新性研发软X射线光栅，通过制备和性能测试发现其在X射线控制和成像方面的优秀性能。
2.将软X射线光栅适配于弱散射超材料的制备中并进行实际应用，探究X射线光栅在超材料的光学性能调控，耐热性和稳定性等方面的效果和应用价值。
摘要在半导体制造工艺中，高温激光等离子体极紫外辐射被认为是下一代光刻技术最有前景的候选者。
锡和钆元素是目前为止极紫外光源中，中心波长分别为13.5nm和6.7nm、2%带宽内转化效率最高的靶材。
其发生的4d-4f和4p-4d跃迁，即n=4-n=4的不可分辨跃迁阵列(UTA)是形成带内辐射的主要机制。
其中Sn8+到Sn13+的离子跃迁及Gd12+到Gd25+的离子跃迁分别构成了锡和钆极紫外辐射光谱的主要成分，它们具有相似的光谱性质。
对其光谱性质的研究是极紫外光源的主要内容之一。
另外，激光等离子体产生极紫外辐射的同时，会产生一定量的碎屑。
碎屑主要由较大微粒、熔融液滴、中性粒子和高能离子组成。
产生的碎屑会沉积在光源的光学收集系统表面，对其造成严重的损伤和影响，致使反射率降低、寿命减少，影响长期工作的稳定性；另一方面，产生的碎屑也会对产生的极紫外光辐射强烈的吸收，限制了光源的转化效率。
因此，极紫外光源碎屑的动力学及减缓碎屑方法也是极紫外光源研究中亟待解决的问题之一。
基于以上，本论文在实验室前期研究的基础上，研究和总结了钆靶激光等离子光源的碎屑动力学特性，并使用磁场，缓冲气体方法对碎屑的减缓规律进行了研究。
还在实验室首次开展了激光等离子体极紫外光源的光谱性质研究。
设计、搭建了用于光谱探测的极紫外平焦场光谱仪，利用高次谐波方法和吸收边等方法对其进行了测试、标定，并对得到的极紫外光源光谱的初步实验结果进行了分析。
关键词:极紫外光源激光等离子体平焦场光谱仪碎屑缓冲光谱ABTRACTExtreme ultraviolet radiation（EUV）from high temperature laser-produced plasmas(LPPs) are considered as the most promising source candidate for next generation lithography. Particularly, in the investigation of the extreme ultraviolet source, people are focusing the Tin and Gd targets. Main reason of the choice comes from the fact that they provide high conversion efficiency in 2% bandwidth centered at 13.5nm and 6.7nm separately. For, Tin target, we consider 1s22s22p63s23p63d104s2as atomic core, 4p64d n as ground state, it occurs 4d-4f and 4p-4d transitions. That is unresolved transition array(UTA).The in-band radiation comes from Sn8+ and Sn13+ .For Gd target, it has the same spectral properties as Tin . The in-band radiation comes from Gd12+ and Gd25+.However, with the interaction between laser and material, it produces a lot of debris. The composition of debris is cluster, neutral particles, molten droplets and energetic ions. On one hand, debris will deposit on the surface of optical system, which causes serious damage and effects, resulting in reducing reflectivity and lifetime. On the other hand, debris will absorb EUV radiation, which limits the conversion efficiency of EUV source. As a consequence, we must research the dynamic process of debris to find the appropriate method reducing kinetic energy and the number of debris.In this paper, we not only find the way how to mitigate the debris ,but also design flat-field spectrometer to get EUV spectrum. Utilizing the condition of applying a ambient gas, magnetic field and combined effect to mitigate debris. The experiment results demonstrate all of three methods are effective, but combined effect is the optimum. By design, testing, calibration, we built a flat-field spectrometer and got the EUV spectrum of Tin, Gd, doped Gd target with increasing laser density.Key word: EUV radiation laser-produced plasma flat-field spectrometer mitigating debris spectrum目录摘要 (I)ABTRACT (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2激光等离子体极紫外(LPPS source)光源简介 (2)1.3研究目的意义及国内外发展现状 (6)1.4论文内容及结构 (8)1.5本章小结 (9)第二章激光等离子体光源实验的相关理论 (10)2.1等离子体物理基本理论 (10)2.2用于极紫外平场光栅光谱仪检测的高次谐波理论 (13)2.3用于平场光栅光谱仪标定的元素吸收边理论 (15)2.4实验所用真空系统的一些基本知识 (17)2.5本章小结 (18)第三章极紫外光源工作过程中伴随的碎屑污染问题 (19)3.1主要的实验装置 (19)3.2不同激光能量辐照下钆离子碎屑的动能、数量以及角分布特点 (20)3.3缓冲气体对钆离子碎屑的阻挡作用研究 (24)3.4一定强度的磁场对钆离子碎屑的阻挡作用研究 (27)3.5磁场与背景气体共同作用钆离子碎屑阻挡效果的研究 (29)3.6本章小结 (31)第四章用于探测极紫外光源光谱的平像场光谱仪的设计、检验以及标定 (33)4.1极紫外平像场光栅光谱仪的设计思路 (33)4.2平像场光栅光谱仪的结构和调试 (34)4.2平场光栅光谱仪的精确标定 (38)4.3本章小结 (41)第五章激光等离子体极紫外光谱性质研究的初步结果 (42)5.2不同收集角度所获得的极紫外辐射光谱性质的研究 (46)5.3本章小结 (47)第六章全文总结与展望 (48)6.1全文总结 (48)6.2展望 (49)致谢 (50)参考文献 (51)第一章绪论1.1引言随着21世纪科学技术的迅猛发展，人们的生活逐步进入到信息化、电子化、智能化时代。
专利名称：掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪专利类型：实用新型专利
发明人：张杰,陈正林,彭晓昱
申请号：CN02294156.8
申请日：20021227
公开号：CN2608962Y
公开日：
20040331
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种掠入射软X射线和极紫外线平场谱仪，该谱仪主要由光学系统、真空系统、图像采集系统、支撑系统等组成；光学系统主要由超环面镜、狭缝、平场光栅等组成。
该谱仪灵敏度高，摄谱范围大，图像采集系统中使用CCD相机，可实现空间分辨光谱的实时采集；该谱仪中各光学元件都安装在相应的精密调节装置上，稳定性好，结构紧凑，精度高，调节方便，操作简单、高效；该谱仪各部件之间耦合精度高，工作稳定可靠；整个谱仪通过模拟光源进行调节，调节方法简单，使用方便；该谱仪可广泛用于热等离子体的无干扰诊断。
申请人：中国科学院物理研究所
地址：100080 北京市海淀区中关村南三街8号
国籍：CN
代理机构：北京律诚同业知识产权代理有限公司
代理人：王凤华
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CNIC-01393CAEP-0030软X光平焦场光栅光谱仪及其实验应用A SOFT X-RAY FLAT FIELD GRATINGSPECTROGRAPH AND ITS EXPERIMENTALAPPLICATIONS（In Chinese）中国核情报中心China Nuclear Information Centre倪元龙：中国工程物理研究院高级工程师，1962年毕业于东南大学电子工程系。
NI Yuanlong: Senior engineer of the China Academy of Engineering Physics. Graduated from the Department of Electronic Engineering, SoutheastUniversity in 1962.CNIC-01393CAEP-0030软X光平焦场光栅光谱仪及其实验应用倪元龙毛楚生（中国工程物理研究院，成都，610003）摘要介绍了用于X光激光研究的软X光平焦场光栅光谱仪的原理、结构及实验应用结果。
此类谱仪有两种：一种是采用名义刻线为1200 l/mm的变间距光栅，摄谱范围为5～50 nm；另一种采用2400 l/mm的变间距光栅，摄谱范围达1～10 nm。
着重对前一种谱仪的实验应用作了介绍。
得到了用软X光底片记录时，谱分辨率为0.01 nm；与软X光扫描相机配合，作时间分辨记录时，谱分辨为0.05 nm，时间分辨本领为30 ps。
最后还对该谱仪利用凹柱镜及凹球镜的消象散结构作了介绍，也给出了放大率为 5 倍和空间分辨本领达到25 µm的实验结果。
1A Soft X-Ray Flat Field Grating Spectrograph and ItsExperimental Applications（In Chinese）NI Yuanlong MAO Chusheng（China Academy of Engineering Physics, Chengdu, 610003）ABSTRACTThe principle, structure, and application results of a flat field grating spectrograph for X-ray laser research is presented. There are two kinds of the spectrograph. One uses a varied space grating with nominal line spacing 1200 l/mm, the spectral detection range is 5～50 nm, and another uses a 2400 l/mm varied line space grating, detection range is 1～10 nm. The experimental results of the former is introduced only. Both experimental results of this instrument using the soft X-ray film and a streak camera as the detecting elements are given. The spectral resolutions are 0.01 nm and 0.05 nm, respectively. The temporal resolution is 30 ps. Finally, the stigmatic structure of the spectrograph is introduced, which uses cylindrical mirror and spherical mirror as a focusing system. The magnification is 5, spatial resolution is 25 µm. The experimental results are given as well.2引 言目前，在实验室内获得的X 光激光波长大多在3～50 nm 区间，属软X 光波段，只能用光栅光谱仪测量。
工作在软X 光波段的反射式光栅谱仪[1, 2]，均采用掠入射方式（入射角大于85°）以提高X 光的反射效率。
这种谱仪通常采用间距（光栅常数）恒定的凹面光栅作分光成像元件，这就必须满足罗兰圆结构的要求[3]，它的记录面为一圆柱面，不能直接与接收面为平直的软X 光扫描相机耦合，对时间分辨记录带来很多困难。
我们研制的软X 光平焦场光栅谱仪[4]，类似于卢瑟福实验室的同类谱仪[5]。
它利用一块变间距的凹面光栅作分光成像元件。
利用这种光栅在特定的入射角下具有平焦场的特性，可用平直的底片或CCD 作时间积分记录，或直接与软X 光扫描相机耦合，作时间分辨记录。
这类谱仪按摄谱范围分有两种：一种采用名义刻线密度为1200 l/mm 的变间距光栅，入射角为87°，摄谱范围为5～50 nm ；另一种则采用2400 l/mm 的变间距光栅，入射角为88.5°，摄谱范围为1～10 nm 。
这两种谱仪的结构，除光栅与入射角不同外，其余均相同。
本文着重对1200 l/mm 的变间距光栅光谱仪作了介绍，并给出了在类Ne 锗软X 光激光实验中测量的结果。
此外，为了克服掠入射谱仪的像散，我们还介绍了在进入谱仪前的光路中附加一块凹柱面镜及一块凹球面镜，来实现消像散的原理及实验结果。
1 原理及结构对任一种光栅谱仪，当入射光束与衍射光束分别处在法线两侧时，其衍射光束与波长 λ 的关系满足光栅方程d K /sin sin λβα=− (1)式中 α 为入射角，β 为衍射角，d 为光栅间距；K = 0，±1，±2，……等整数，为光谱级次（一般取K = 1）。
对于普通的等间距凹面光栅，d 是常量。
于是对某一确定的波长 λ 和光谱级次 K 来说，衍射角 β 仅取决于入射角d 。
使用这种光栅的谱仪，当狭缝S 和光栅G 均位于直径等于光栅凹面曲率半径R 的罗兰圆上时，其衍射光束会聚的焦面也必处于此圆上，如图1a 所示。
a. 恒间距光栅b. 变间距光栅图1 两种凹面光栅成像比较1但当采用变间距光栅VG 时，情况就不同了。
由于d 成了变量，于是衍射角 β 既与α 有关又与d 有关。
通过变化d 就可调节 β。
如果d 的变化规律设计得当，就有如图1b 所示那样，使某一波段的衍射光交点几乎处在一平直的焦面上，而不是弧面。
日立公司（HITACH ）提供两种表面镀金的能形成平焦场的变间距凹面光栅[6, 7]。
一种光栅的名义刻线密度为1200 l/mm ，对应于平焦场的测谱范围为5～50 nm ；另一种为2400 l/mm ，平焦场区为1～10 nm 。
对前一种光栅，在波长20 nm 附近，一级谱的衍射效率约为10%[8, 9]。
采用1200 l/mm 变间距光栅的平焦场谱仪的基本结构示于图2。
入射角 α = 87°，狭缝S 离光栅VG 顶点O 为237 mm ，焦平面垂直于VG 的切面，距光栅顶点O 为235 mm 。
底片或扫描相机的光阴极放置在此焦面上。
另一种摄谱范围为1～10 nm 的谱仪，几何结构与此相同。
唯一不同处是改用2400 l/mm 的变间距光栅，且入射角改为88.5°。
图2 平焦场谱仪结构示意从光栅方程（1）及图2的结构，即可得到波长 λ 的谱线与在焦面上的位置X 的关系如下)sin (sin βαλ−=d (2)βctg 235=X (3)将上两式分别对 β 微分并代入d = 1 / 1200 mm 即可得色散率nm)mm (cos )cos 1(1082.2cos sin d 235d d 212/x ββββλ−×==− (4)在5～50 nm 波段，色散率从2.3 mm/nm 变化到0.9 mm/nm 。
像场区长约58 mm 。
该谱仪的实物照片如图3。
左前端为狭缝，缝宽0～2 mm 连续可调。
中间方盒内装有光栅及电动快门。
光栅工作面朝下，固定在角度可调支架上。
它的转动中心设计得通过光栅顶点，以避免调整入射角 α 时，对光栅顶点位置牵连移动。
为了保证光栅安装方向正确，通常制造商在光栅侧面贴有箭图3平焦场谱仪2头标签，此箭头应该朝向狭逢。
方盒的右侧后端为暗盒，为活动件，可以取下装卸底片。
暗盒支架可以做前后平移及倾斜微调，以保证底片准确落在谱仪焦面上。
由于制造商在设计光栅的变间距参数时，已经对像差进行了校正，因此当光源处在狭缝位置上时，在谱线宽度方向上有一维成像本领。
但在垂直于色散方向的弧矢面上，凹面光栅的成像关系相当于普通的凹面镜，在掠入射时像散严重，即在水平方向的光线几乎不会聚。
计算表明，当一点源处在狭逢处，此像散线的长度大致等于光栅中心照明宽度的两倍。
2 谱仪的调整平焦场谱仪的调整主要是通过光学仪器的监测和几何测量完成的。
由于所用变间距光栅的焦面特性随入射角的变化非常灵敏[7]，故对入射角的调整特别重要。
它的精度要满足87°±1′。
一般光栅谱仪的入射角都是通过观察从光栅反射来的狭缝零级像位置来确定的。
但是在掠入射情况下，由于像散严重，零级像非常模糊，位置就定不准，调整精度较差。
为了提高入射角调整精度，我们将掠入射观察改为正入射观察，避免了像散，大大提高了调整精度。
具体办法见图4。
首先在图中光栅处放置一块工作面相互严格垂直（精度10″）的基准玻璃小方块。
将内调焦望远镜（精度6″）与激光经纬仪（J2-JC ，精度2″）对准此小方块的两垂直面中心。
采用自准直方法，将它们的光轴调到在同一水平面上相互垂直，并交于O 点，以建立初始的基准光学系统。
取去玻璃方块，将谱仪侧卧在调整架上，光栅呈侧立状，使它的顶点置于O 点。
然后以O 点为轴心，在水平面上转动谱仪，使内调焦望远镜的光轴通过狭缝中心及光栅中心O ，这样就定出了入射光轴。
再将孔径0.1 mm 的针孔对准板的针孔，调到此光轴上，作为今后入射光轴的对准基准。
而后转动光栅，依靠自准直方法使激光经纬仪的光轴与光栅的法线重合。
此时，内调焦望远镜的光轴必与光栅表面相切。
此后将标尺的零点放到图中M 处，并使它垂直于经纬仪光轴。
最后再转动光栅，直到从经纬仪观察到经光栅反射来的，位于N 处的十字线像为止。
从tg2 (90° -α) = MN / OM 就可确定入射角α。
显然，只要OM 足够长，入射角调整精度可达很高。
