13_9nm软X射线激光用大面积多层膜分束镜研制_王占山

第16卷　第9期强激光与粒子束Vol.16,No.9 2004年9月HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAM S Sep.,2004　文章编号:1001-4322(2004)09-1089-0313.9nm软X射线激光用大面积多层膜分束镜研制王占山,　张　众,　王风丽,　吴文娟,　王洪昌,　秦树基,　陈玲燕(同济大学精密光学工程技术研究所,上海200092) 摘　要:　基于分束镜反射率和透射率的乘积为衡量标准的原则,设计了13.9nm软X射线激光干涉测量所需的多层膜分束镜,用磁控溅射法在有效面积达10mm×10mm,厚100nm的氮化硅窗口上镀制M o/Si多层膜,实现了分束镜制作。

用表面轮廓仪实测分束镜面形精度达到nm量级,同步辐射反射率计测试表明,分束镜的反射率和透射率乘积约4%。

关键词:　软X射线;　分束镜;　多层膜;　等离子体诊断 中图分类号:　T N246 文献标识码:　A 激光干涉法可直接测量等离子体电子密度的空间分布。

在这种测量中,激光的波长越短可探测的等离子体密度越大。

要探测惯性约束聚变(ICF)研究中产生的高温高密度等离子体电子密度,采用紫外激光是不行的,必须采用波长更短的软X射线激光。

软X射线激光具有波长短、亮度高、脉冲时间短、相干性好等优点,是探测高温高密度等离子体临界面附近状态的理想光源。

在软X射线激光干涉实验中,美国利弗莫尔实验室用多层膜分束镜和高反射镜组成的马赫-贞德干涉仪实现了15.5nm软X射线激光干涉实验,得到了等离子体密度分布[1～3]。

美国科罗拉多州立大学的Rocca研究小组用光栅分束器和掠入射反射镜组成变型的马赫-贞德干涉仪完成了46.9nm极紫外激光的干涉实验,也得到了高温高密度等离子体密度分布[4]。

由于这种诊断实施的技术难度非常大,至今只有美国利弗莫尔等个别实验室进行了演示实验。

造成这一现象的原因之一是软X射线分束元件(多层膜分束镜和光栅分束器)研制极其困难。

我国在类镍银X射线研究中,得到了深度饱和的13.9nm软X射线激光输出[5]。

为了将其应用于等离子体密度测量实验中,迫切需要开展大面积多层膜分束镜研制。

在已有研制小面积多层膜分束镜的基础上[6,7],深入开展了大面积多层膜分束镜制作工艺研究,使多层膜分束镜的制作水平有了大幅度提高。

1　软X射线多层膜分束镜制作 软X射线激光干涉法进行ICF高温高密度等离子体电子密度诊断的核心是马赫-贞德干涉仪。

在过去的研究工作中[6],根据多层膜分束镜反射率和透射率乘积取最大值为优化条件,多层膜分束镜的设计参数为:工作波长13.9nm,入射角7.2°,分束镜衬底为100nm氮化硅薄膜,多层膜为M o/Si,M o膜厚度2.9nm,Si膜厚度4.4nm,多层膜周期数12。

周期数少主要是使多层膜分束镜对可见光有较高的透射率,便于干涉仪调整。

分束镜制备由100nm氮化硅薄膜窗口制作和在氮化硅窗口上制作多层膜两部分完成。

氮化硅窗口是用M OCVD方法制作氮化硅并刻蚀完成的。

本实验采用的氮化硅薄膜窗口面积是10mm×10mm。

分束镜多层膜是用JGP-560超高真空磁控溅射镀膜设备完成的。

该设备有4个100mm的溅射靶,2个靶接直流溅射电源,2个接射频溅射电源。

样品到溅射靶的距离可调,在镀膜过程中,样品可自转。

通过计算机控制样品在不同靶位上的停留时间,就可以完成多层膜镀制。

为了准确确定多层膜制作工艺条件,对样品与溅射靶的距离、溅射功率、充气压强、充气流量等进行了实验标定。

经过大量的实验,最后确立的工艺参数为:磁控溅射设备本底真空度小于1×10-4Pa。

镀膜过程中,Ar 气的纯度高于99.99%,充气压强0.33Pa,充气流量25cm3/min,溅射靶与样品间距离120mm;Mo靶:直流溅射,20W,沉积速率0.47nm/s;Si靶:直流溅射,20W,沉积速率0.32nm/s。

根据镀膜速率和所需薄膜厚度,算出不同溅射靶上的停留时间,将其输入计算机,执行程序就可完成多层膜的制作。

值得注意的是,在进行多层收稿日期:2003-12-22;　修订日期:2004-04-13基金项目:国家自然科学基金资助课题(69989801,60178021,60378021);国家863计划项目资助课题作者简介:王占山(1963—),男,研究员,现从事极紫外与软X射线光学研究;E-mail:w angzs@。

膜制作前,需对靶进行预溅射,这样既可清除靶表面的污染物,又可以保证系统达到热平衡,从而保证镀膜速率恒定。

2　分束镜性能测试 多层膜分束镜是组成软X 射线激光干涉仪的关键元件,除反射率和透射率外,还需要有高的面形精度。

在以前5m m ×5m m 多层膜分束镜制作过程中,虽然元件的中心区域有好的面形精度,但区域小于2m m ×2mm 。

用这样小的有用区域进行软X 射线干涉实验很难得到好的结果。

在10mm ×10mm 多层膜分束镜制作完成后的面形测试中,发现在3.5mm ×3.5m m 的ZYGO 轮廓仪的测试区域内,都可得到好的测试结果,均方根值误差小于1.8nm ,远比5m m ×5m m 多层膜分束镜的结果好。

为了确定多层膜分束镜的反射率和透射率,利用北京同步辐射3W1B 光束线上的软X 射线反射率计对多层膜分束镜进行了测量。

测试结果如图1所示,其在13.9nm 处的反射率和透射率分别为18%,22%,乘积为4%,比原来用离子束溅射方法镀制的多层膜分束镜有很大提高[6]。

图2是上海激光等离子体研究所使用研制的分束镜进行13.9nm 激光干涉实验得到的静态干涉条纹,图中纵横坐标对应CCD 探测器的像素(pixel )位置,每个像素尺寸为20μm ×20μm 。

在整个视场范围内,干涉条纹是平直的,表明多层膜分束镜可以满足软X 射线激光干涉实验的要求,为深入开展软X 射线激光应用研究奠定了基础。

3　结　论 用软X 射线激光干涉实验测量高温高密度等离子体电子密度是软X 射线激光应用的重要方面,多层膜分束镜是实现这种测量的关键之一。

在多层膜反射镜研制过程中,成功地解决了10mm ×10mm 大面积多层膜分束镜制作的难题,制作了反射率和透射率乘积达4%的多层膜分束镜。

13.9nm 软X 射线激光干涉实验的成功标志着这种元件已经达到了实用水平。

致　谢　本工作得到了上海激光等离子体研究所王世绩院士、顾援研究员、傅思祖研究员的支持和帮助,在此表示深深的谢意。

感谢上海激光等离子体研究所王琛博士提供干涉实验结果。

在反射率和透射率测量中得到了中科院高能物理研究所崔明启研究员、赵屹东博士和朱杰博士的大力帮助,在面形测试中得到了中科院上海光学精密机械研究所沈卫星副研究员的大力帮助,在此表示深深的谢意。

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