单发实验测量软X射线多层膜反射镜反射特性

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。

但是不同发次之间,激光等离子体X射线源的强度波动很大,通常采取多次打靶取平均的方法。

日本H irozum iA zum a等人用两台谱仪同时监测入射及反射谱的方法实现了反射特性的单发实验测量[6]。

国内谷渝秋等人用线聚焦等离子体X射线源作光源,用具有空间分辨的H I R EFS光栅谱仪分光,用底片记录,在同一发实验中测量了近正入射反射镜的反射率[7]。

我们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。

采用激光等离子体软X射线源作光源,用平焦场光栅谱仪[8]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率。

1　实验原理 实验装置如图1所示。

实验用于产生等离子体源的驱动激光由钕玻璃激光装置提供,波长为1106Λm,脉宽1n s,能量约10J。

入射激光点聚焦辐照平面A g靶,产生等离子体软X射线辐射,用谱分辨为0.05nm的平焦场光栅谱仪分光,结果由软X光CCD记录。

为了消除高级次谱的影响,光路中插入了两块镀钼(M o)掠入射镜。

图2是镜子反射率随入射角度变化的理论曲线,入射X射线波长分别为13.9nm和6.95nm。

由图可知,入射角小于79°时,波长为6195nm的X射线反射率迅速下降并接近于零;入射角大于68°时,波长为13.9nm的X射线有较高的Ξ收稿日期:200123227;　修订日期:2001206204基金项目:国家863激光技术领域资助课题(863241023.3)作者简介:王　伟(19752),男,硕士研究生,主要从事X光激光研究;上海8002229信箱。

F ig .1　Sche m atics of experi m ental setup 图1　实验装置示意图反射率。

为了消除13.9nm 波长处的6.95nm的二级谱的影响,我们可以选择掠入射镜的入射角在68°到79°之间。

实验中入射角为78°,图3给出了相应的反射率随入射X 射线波长变化的理论曲线。

由图可见,6.95nm X 射线反射率约为7%,而13.9nm X 射线反射率约为87%。

如图1所示,实验中两块反射镜到激光焦斑的距离相同,入射角均为78°,且关于靶法线对称。

由掠入射镜M 0反射的一束射线直接F ig .2　Reflectance of mo m irror as a functi on of incident angle 图2　镀M o平面镜反射率随入射角的变化曲线F ig .3　Reflectance of mo m irror as a functi on ofw avelength w ith a 78°incident angle .图3　镀M o 平面镜反射率随波长的变化曲线,入射角为78°F ig .4　Sche m atics of filter arrange m ent 图4　滤片排布示意图进入谱仪,由掠入射镜M r 反射的另一束射线经待测镜子反射后进入谱仪。

两束光线交于谱仪滤片框处,如图4所示。

在滤片框处放一与谱仪狭缝垂直的狭缝,使两束光在CCD 上不重叠,这样CCD 便可以分别记录下参考光谱和反射光谱。

激光点聚焦辐照平面靶产生的等离子体X射线辐射强度以靶法线为中心旋转对称,且与辐射方向和靶法线夹角的余弦成正比,与从观测点到源距离的平方成反比[9]。

若参考光束与反射光束从源点到CCD 接收面的距离分别为r 0和r r ,则待测多层膜镜的反射率R (Κ)可表示为R (Κ)=r 2r I r (Κ)R 0(Κ) r 20I 0(Κ)R r (Κ)(1)式中:I r ,I 0分别为CCD 测到的反射光强和参考光强;R r ,R 0分别为掠入射镜M r ,M 0的反射率,如果R r =R 0,则R (Κ)=r 2r I r (Κ) r 20I 0(Κ)(2)2　结果和讨论 实验中谱仪滤片框处滤片的放置如图4所示。

由CCD 向源方向看,左边为用来挡光用的20Λm 厚的铝箔,右边是500nm 厚的铝滤片。

由铝的17.0nm 吸收边,我们可以准确确定光谱的波长。

CCD 拍到的图象如图5所示,它同时记录了入射参考光谱I r (Κ),经过待测样品的透射光谱I t (Κ)和标定波长用的A l 17nm 吸收边。

图6给出了与图5对应的参考光谱和反射光谱的强度扫描。

625强激光与粒子束第13卷F ig .5　P icture of reflective character of M o Si m ulti 2layerm irror ,recorded by CCD .图5　CCD记录到的测量镜子反射率的图象F ig .6　Referenced s pectrum and reflected s pectrum by M o Si m irror .图6　参考光谱和镜子的反射光谱F ig .7　Reflectance of M o Si m ulti 2layer m irror .图7　M o Si 多层膜反射镜的反射率 用这种方法,我们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。

测量结果如图7所示(实线),中心波长14.0nm ,峰值反射率为35%,带宽015nm 。

图中同时给出了在北京同步辐射装置(BSR F )反射率计[10]上对同一块镜子的标定结果(圆圈),带宽约017nm ,峰值反射率约29%。

造成上述差异的原因,可能有两个方面:一个是激光等离子体软X 射线源的单发实验测量中,两块掠入射镜的反射率的差异;另一个是同步辐射源反射率计中的单色仪的单色性。

在78°附近,14nm X 射线的反射率随入射角的变化比较缓慢,镜子的调节误差并不是主要因素。

而镜子表面清洁度、基底的面形和粗糙度的差异等,都会导致两块掠入射镜反射率不同。

如果在14nm 处,掠入射镜M 0的反射率小于M r 的,将导致多层膜反射镜反射率的测量值偏大。

同步辐射装置的单色仪分光后出射的单色光Κ有一个带宽∃Κ,实验测量的Κ处的反射率,实际上是Κ-∃Κ 2到Κ+∃Κ 2之间的平均值。

如果单色光的带宽较宽,测量得到的多层膜反射镜反射特性曲线的峰值将下降,带宽会增宽。

此外,由单色仪分光后出射的14nm X 射线中,可能含有7nm X 射线的二级谱。

实验中测到的入射光强,是两者的简单叠加,二级谱的影响非常大。

中心波长为14nm 的M o Si 多层膜反射镜在7nm 处的反射率小于14nm 处反射率的1%,7nm X 射线的二级谱对反射光强测量值的影响较小。

二级谱的存在,将导致反射率的测量值偏小,并且影响较大。

因此,我们认为,只要对两块掠入射镜M 0和M r 的反射率进行标定,并修正它们的反射率的差异,采用激光等离子体X 射线源得到的多层膜反射镜的反射率,应该是更加可信的。

3　结　论 激光等离子体X 射线源单发实验测量多层膜反射镜反射率的方法简单有效。

入射角适当的掠入射镜可以截止短波长,同时在工作波段保持较高的反射率,从而消除Κc 到2Κc 之间高级次谱的影响。

若已知光栅各级衍射效率和Κ(Κc <Κ<2Κc )处的强度,则可计算出波长为Κ的射线在2Κ处的二级谱强度,从而将其扣除,将测谱范围向长波方向扩展。

致谢　感谢上海光机所冯仕猛、易葵、邵建达,长春光机所曹建林提供了反射镜,感谢同济大学陈玲燕、唐卫星、吴永刚提供了滤片,感谢北京高能物理研究所崔明启、朱佩平、赵屹东、黎刚,以及联合实验室两路及神光II 运行人员的支持和帮助。

725第5期王　伟等:单发实验测量软X 射线多层膜反射镜反射特性825强激光与粒子束第13卷参考文献:[1]　H enry J P,Sp iller E,W eisskopf M.I m aging perfor m ance of a nor m al incidence s oft X2ray telescope[J].A pp l P hy s L ett,1982,40(1):25.[2]　王世绩,顾援,周关林,等,反射镜多靶串接增益饱和软X光激光实验[J].强激光与粒子束,1993,5(4):557.(W ang S J,Gu Y,Zhou G L,et al.Experi m ental study of gain2saturated s oft X2ray laser by m ulti2target series coup ling w ith reflective m irror.H igh po w er laser and particle bea m s,1993,5(4):557)[3]　D aSilva L B,Barbee T W,Cauble R J r,et al.E lectron density m easure m ents of high density p las m a using s oft X2ray laser interferom e2try[J].P hy s R ev L ett,1995,74(20):3991.[4]　Fuchs D,Krum rey M,L ederer T,et al.Soft X2ray reflectom eter for large and comp lex sa mp les using synchrotron radiati on[J].S P IE,1994,2297:402.[5]　W indt D L,W askie w iczW K.Soft X2ray reflectom etry of m ultilayer coatings using a laser2p las m a s ource[J].S P IE,1992,1547:144.[6]　A zum a H,W atanabe Y,Kato Y,et al.Single2shot m easure m ent of s pectral reflectance of a s oft X2ray m ulti2layer m irror using a laser2p las m a x2ray s ource[J].J pn J A pp l P hy s,1992,31:203.[7]　谷渝秋,淳于书泰,李玉同,等.软X射线多层膜反射镜的反射率测量[J].强激光与粒子束,2000,12(1):58.(GU Y Q,L I Y T,Chuny u S T,et al.M easure m ent of sof t X2ray m ultip lay er m irror ref lectance.H igh pow er laser and particle bea m s,2000,12(1):58)[8]　倪元龙,毛楚生,吴江,等.平焦场光栅谱仪[J].强激光与粒子束,1991,3(2):242.(N i Y L,M ao C S,W u J,et al.A flat field grat2ing s pectrograph for X2ray laser research.H igh po w er laser and particle bea m s,1991,3(2):242)[9]　Gerritsen H G,V an B rug H,B ijkerk F,et al.L aser2generated p las m a as s oft X2ray s ource[J].J A pp l P hy s,1986,59(7):2337.[10]　CuiM Q,M iao J W,W ang J,et al.Synchrotron radiati on s oft X2ray reflectom eter and its physics results[J].N uclear Instrum ents&M ethod s in P hy sics R esearch,1995,A359:151.Si n gle-shot m ea sure m en t of sof t X-ray M o Sim ulti-layer m i rror ref lect anceW AN G W ei,N I Yuan2l ong,W AN B ing2gen,S UN J in2ren,W U J iang,W AN G Chen,S UN Yu2qin,ZHOU Guan2lin,GU Yuan,W AN G Sh i2ji(N ational L aboratory on H ig h P o w er L aser and P hy sics,S hang hai Institu te of L aser P las m a,P.O.B ox8002229,S hang hai201800,Ch ina) Abstract:　A ne w m ethod of single2sho t m easure m en t of no r m al incidence s oft X2ray M o Si m ultilayer m irro r’s re2 flectance w as p ropo sed.Experi m en t w ere perfo r m ed using laser2p roduced p las m a X2ray s ource,flat field grating s pectrom e2 ter and s oft X2ray CCD.Grazing inciden t m irro r w as e mp l oyed to eli m inate h igh2o rder con tributi on.W avelength w as accu2 rately deter m ined by the17.04nm L2edge of A l filter.M easure m en ts of M o Sim ultilayer m irro r show ed a peak reflectance of35%at14nm w ith a0.5nm bandw idth. Key words:　M o Si m ulti2layer m irro r;reflectance;s oft X2ray;laser2p roduced p las m a。