劉世界，尼啟良，陳 波，何玲平，王海峰

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

探月二期工程中，極紫外相機(jī)跟隨著陸器在月球表面著陸后，在月球環(huán)繞地球的運動過程中，從側(cè)面以不同的角度對位于地球赤道面附近的極紫外輻射進(jìn)行探測，研究目前未知的地球等離子體層的三維結(jié)構(gòu)；在較長的時間內(nèi)連續(xù)觀測地球等離子體層的變化。極紫外相機(jī)采用反射式光學(xué)系統(tǒng)中的正入射成像結(jié)構(gòu)。成像結(jié)構(gòu)中采用單球面多層膜反射鏡，多層膜鍍膜工藝需要不斷摸索和驗證，在摸索和驗證的過程中，需要不斷對多層膜反射鏡樣片進(jìn)行反射率檢測。因此對極紫外波段多層膜反射鏡樣片的檢測至關(guān)重要，不僅要保證對多層膜在很窄的帶寬內(nèi)實現(xiàn)多點測量，而且需要較高信噪比的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及高精度的樣品轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。為實現(xiàn)上述多層膜樣品檢測，搭建了一臺以激光等離子體（LPP）光源系統(tǒng)、Mcpherson247 單色儀主體為光學(xué)系統(tǒng)的小型真空試驗臺。樣品測量真空系統(tǒng)采用小型真空室，內(nèi)部通過多級齒輪傳動，通過探測器在不同位置對光信號測量，實現(xiàn)樣品反射率測量。

1 設(shè)備的組成

用于月基多層膜反射鏡樣片反射率測量的極紫外真空小型試驗臺主要由激光等離子體（LPP）光源系統(tǒng)、Mcpherson247 單色儀、真空樣品室探測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成。激光等離子體（LPP）光源系統(tǒng)包括激光器、透鏡及靶室；單色儀包括入射狹縫、單色儀主體（主要光學(xué)器件為凹面光柵）、出射狹縫；真空樣品室探測系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換探測器、真空室、樣品轉(zhuǎn)臺、羅蘭圓導(dǎo)軌、直行導(dǎo)軌。具體見圖1 極紫外小型真空試驗臺示意圖。

出射狹縫安裝在試驗臺的轉(zhuǎn)動平臺上，在系統(tǒng)的掃描過程中出射狹縫與轉(zhuǎn)動平臺一起沿羅蘭圓滾動導(dǎo)軌運動，出射角度范圍可由68°～88°連續(xù)變化，出射狹縫在沿羅蘭圓導(dǎo)軌運動的同時繞自身轉(zhuǎn)動以保證其縫口平面始終垂直于出射光束軸。設(shè)備中的主真空室用鋁合金焊接制作，主真空室與真空泵等部件之間采用無氧銅圈密封。入射狹縫，出射狹縫同主真空室之間采用超薄焊接波紋管連接，使出射狹縫能夠在系統(tǒng)處于超高真空條件下沿圓弧形導(dǎo)軌靈活運動.試驗臺的設(shè)備主體安裝在大理石工作平臺上，保持整機(jī)光學(xué)性能的穩(wěn)定性，減小設(shè)備本身及外界振動對系統(tǒng)的影響。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)

本設(shè)備中的光源采用激光等離子體（LPP）光源[1]作為光譜輻射源，該光源由激光器，透鏡及靶室等部分組成。激光等離子體光源是將高能的短脈沖激光束聚焦于靶體上產(chǎn)生高溫等離子體，高溫等離子體在復(fù)合過程中產(chǎn)生軟X 射線輻射。本試驗臺的光源采用銅作為靶材，這種激光等離子體（LPP）光源激光轉(zhuǎn)換效率高，光譜輻射穩(wěn)定性好，有連續(xù)輻射的光譜。

本設(shè)備中的Mcp her son247 動狹縫掠入射單色儀只用一個光學(xué)元件即凹面光柵作為分光和聚光元件，。工作波段為1～120 nm，入射角是87°。本單色儀所用凹面光柵的曲率半徑為2 217.6 mm，刻劃密度為600 l/ mm，刻劃面積為30 mm×50 mm，閃耀角為2.07°[2]。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)不但提高了光譜分辨率和波段范圍，而且增加了探測器的能量，提高了探測系統(tǒng)的信噪比。入射狹縫、出射狹縫和光柵均位于直徑為R 的圓周上，即羅蘭圓上。由凹面光柵衍射方程[3]及子午聚焦方程[4]可推導(dǎo)得出本設(shè)備的光譜掃描方程：

其中：ar是入臂長度；br是出臂長度；R是凹面光柵的曲率半徑；σ 是光柵的刻線密度；λ 是波長。

由式（1）可見，通過改變出臂長度br的大小，在單色儀的出射狹縫處就可以得到相應(yīng)波長λ 的單色光。

1.2 真空樣品室探測系統(tǒng)

真空樣品室探測系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換探測器、真空室、樣品轉(zhuǎn)臺等組成。真空室由不銹鋼焊接而成，直徑Φ250mm 可實現(xiàn)真空度1.33×10-4Pa。通過齒輪轉(zhuǎn)動來驅(qū)動樣品臺上的樣品轉(zhuǎn)動，從而改變樣品轉(zhuǎn)動角度使入射光以不同入射角照射到樣品上；入射角度確認(rèn)后，通過驅(qū)動與樣品臺同軸的光電轉(zhuǎn)換探測器探臂來進(jìn)行光信號的采集、轉(zhuǎn)換及傳輸。

圖2 真空樣品室探測系統(tǒng)示意圖

在測試過程中由于樣品和光電轉(zhuǎn)換探測器都需要轉(zhuǎn)動，因此會因為同軸度誤差影響系統(tǒng)的角分辨率。圖2 標(biāo)示出在光線入射角φ 時因轉(zhuǎn)動引起的角度偏差。圖中φ 為光線入射角，φ′為反射角，N 為法線，d 為樣品與光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的中心偏差，θ為角度偏差，l 為光電轉(zhuǎn)換探測器探臂長度。根據(jù)計算公式：

可得樣品與光電轉(zhuǎn)換探測器的角度偏差。本設(shè)備中樣品與光電轉(zhuǎn)換探測器的中心偏差d 最大值為0.01mm，光電轉(zhuǎn)換探測器探臂長度l 為113mm，因此由公式（2）計算可得角度偏差最大值為0.0025°由光電轉(zhuǎn)換探測器探臂本身抖動引起的的角度偏差為0.01°。因此由以上兩種誤差引起系統(tǒng)總的角分辨率誤差為0.015°。

在樣品的反射率測量試驗中，一般按光線入射角每隔1°采集一個測量數(shù)據(jù)即可滿足反射率測試要求，所以0.015°的角分辨率誤差可以達(dá)到小于±0.8%的角度相對測量精度。而光源，探測系統(tǒng)等全部測試系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性為±1%，因此角分辨率誤差恰好與系統(tǒng)的穩(wěn)定性匹配。

1.3 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

光信號通過通道電子倍增器接收，采用光子記數(shù)技術(shù)，經(jīng)過前置放大器放大后進(jìn)入二級放大器大器，由二級放大器出來后經(jīng)過采樣及保持電路進(jìn)入AD 轉(zhuǎn)換器，由AD 轉(zhuǎn)換器將采集到光電信號最終傳送給PC 機(jī)，測得的信號經(jīng)處理后得到待測樣品的反射率由PC 機(jī)進(jìn)行存儲。

2 樣品測試過程

樣品反射率測試原理圖如圖3 所示，XX′為光軸，O 為樣品M 和光電轉(zhuǎn)換探測器的共同旋轉(zhuǎn)軸，N 為鏡面法線，θ 和θ′分別為入射角和反射角，D0和Dθ分別為測試I0和Iθ時探測器的位置，由單色儀出射的真空紫外光經(jīng)樣品M 反射后到達(dá)Dθ處的探測器上，得到發(fā)射信號Sθ，Sθ與反射光強Iθ成正比，然后將樣品移出光束，并將探測器轉(zhuǎn)到D0處，測得入射信號S0，S0與入射光強成正比，入射角為θ 時的反射率為：

真空室探測系統(tǒng)的樣品臺可以使樣品處于所要求的任意入射角，鏡面可以向兩個相反的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動范圍為-90°～+90°。入射角可以根據(jù)共同旋轉(zhuǎn)軸的位置算出，精度為±0.2°。探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以使探測器繞共同的旋轉(zhuǎn)軸到任意位置，以測得各入射角的反射信號。

圖3 樣品反射率測試原理圖

3 測試結(jié)果及分析

將這臺設(shè)備搭建成功后，，通過掃描來測量多層膜反射鏡樣品在某一正入射角的反射率隨波長變化的曲線，從曲線圖中可讀出30.4nm 光的反射峰值位置，測試結(jié)果見圖4 多層膜樣品1 反射率測量圖。根據(jù)反射率測試結(jié)果完善鍍膜工藝后再次進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖5 多層膜樣品2 反射率測量圖。

4 結(jié)論

搭建的這套極紫外波段多層膜樣品小型真空試驗臺，可操作性好，測試重復(fù)性好，穩(wěn)定性好，價格低廉、維修和使用方便，適合多層膜樣品的測試。通過利用這套設(shè)備進(jìn)行樣品反射率測量，更好的為多層膜鍍膜工藝完善提供支持。

圖4 多層膜樣品1反射率測量圖

圖5 多層膜樣品2反射率測量圖

[1]CHEN Bo（陳波）。Optics and Fine Mechanics（光學(xué)機(jī)械），1989，（6）：10.

[2]董寧寧，李敏，劉震等.極紫外單色儀波長定標(biāo)[J].光學(xué)精密工程，2008，9（16）：1661-1665.

[3]Namioka T.J Opt Soc Am，Res，1959，49：446.

[4]盧啟鵬.高分辨率掠入射軟X 射線-真空紫外單色儀[J].光學(xué) 精密工程，1998，5（6）：91-95.