張 哲，伊圣振，黃秋實(shí)，陳晟昊，李文斌，張 眾，王占山

（同濟(jì)大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院 精密光學(xué)工程技術(shù)研究所，先進(jìn)微結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市數(shù)字光學(xué)前沿科學(xué)研究基地，上海市全光譜高性能光學(xué)薄膜器件與應(yīng)用專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200092）

1 引 言

極紫外波段的光子能量大概在30～250 eV之間，其對(duì)應(yīng)的波長約為5～40 nm[1］。大多數(shù)低、中原子序數(shù)元素的主要原子共振和吸收邊都在極紫外波段內(nèi)[2］，同時(shí)，F(xiàn)e IX（17.l nm），F(xiàn)e XII（19.5 nm），F(xiàn)e XV（28.4 nm）和He II（30.4 nm）等譜線屬于天體觀測(cè)領(lǐng)域中極為關(guān)注的譜線，所以極紫外波段光譜在化學(xué)元素分析和天文學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值[3］。由于極紫外光波長比可見光波長短很多，根據(jù)衍射極限[4］可知，極紫外光相比可見光能獲得更高的空間分辨率。因此，極紫外波段的光學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生物結(jié)構(gòu)顯微成像[5］、等離子體診斷[6］、太陽物理觀測(cè)[3］和極紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography，EUVL）[7］領(lǐng)域中。

在極紫外波段，所有材料吸收較大，透射式系統(tǒng)無法工作，只能采用反射式系統(tǒng)。反射式系統(tǒng)中，正入射系統(tǒng)具有像差小、結(jié)構(gòu)緊湊和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。然而，極紫外波段內(nèi)各種材料的折射率都接近于1，單個(gè)界面的反射率在正入射條件下極低，導(dǎo)致正入射系統(tǒng)在研究初期發(fā)展緩慢。直 到1972年，Spiller[8］提 出 由 一 種 吸 收 材 料和一種非吸收材料互相堆疊組成的多層膜，這種膜在正入射條件下可以獲得較高的反射率，由此推動(dòng)了正入射系統(tǒng)在這一波段的廣泛使用。經(jīng)過接近50年的發(fā)展，極紫外多層膜研究在國際上已經(jīng)較為成熟[9］。與此同時(shí)，極紫外正入射光學(xué)系統(tǒng)在天文觀測(cè)和高端制造領(lǐng)域相繼取得了非常卓越的應(yīng)用成果，如美國NASA的SDO（Solar Dynamic Observatory）天 文 觀 測(cè) 項(xiàng) 目[3］，荷 蘭ASML公司的極紫外光刻機(jī)[10］。

我國自90年代以來，系統(tǒng)開展了極紫外多層膜領(lǐng)域的研究，并在長春光機(jī)所、上海光機(jī)所以及同濟(jì)大學(xué)等單位的不懈努力下取得了長足的發(fā)展。長春光機(jī)所開展了極紫外波段Schwarzschild顯微鏡的初步研究，并獲得了20μm和6 μm線寬的柵網(wǎng)圖像。同濟(jì)大學(xué)精密光學(xué)工程研究所（Institute of Precision Optical Engineering，IPOE）研制的多層膜能夠接近國際領(lǐng)先水平[11］。憑借高性能多層膜元件，研究所在極紫外波段正入射光學(xué)系統(tǒng)研究中也取得了重要進(jìn)展[12］。本文 以Schwarzschild[13］系 統(tǒng) 為 代 表，介 紹IPOE在極紫外正入射光學(xué)系統(tǒng)方面取得的研究成果，并簡要分析未來的工作方向。

2 極紫外正入射系統(tǒng)的應(yīng)用

基于極紫外多層膜光學(xué)器件，IPOE搭建了應(yīng)用 于不同場(chǎng) 景的Schwarzschild系統(tǒng)[6，13-19］。這里簡要介紹了Schwarzschild系統(tǒng)在等離子體診斷、微納成像及輻照損傷等領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1 超熱電子診斷用18.2 nm Schwarzschild成像系統(tǒng)

激光與等離子體相互作用產(chǎn)生的超熱電子分為向靶內(nèi)傳輸和向靶外傳輸兩部分。向靶外傳輸?shù)某瑹犭娮釉诳朔o電分離勢(shì)后從等離子體的前向噴射出來[20］，而向靶內(nèi)傳輸?shù)某瑹犭娮訒?huì)向電子密度大于臨界密度的稠密等離子體或固體靶材料繼續(xù)傳輸。在激光慣性約束聚變“快點(diǎn)火”方案中，點(diǎn)火激光的能量首先交給超熱電子，超熱電子經(jīng)過輸運(yùn)后到達(dá)高密度燃料區(qū)邊緣并加熱氘氚離子形成熱斑從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火[21］。這一過程中，向靶內(nèi)傳輸?shù)某瑹犭娮邮强禳c(diǎn)火過程中能量的載體，其能量、產(chǎn)額和發(fā)射空間分布都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[20］。IPOE設(shè)計(jì)了一套工作在18.2 nm的Schwarzschild成像系統(tǒng)[16］，利用該系統(tǒng)和中國工程物理研究院合作開展超熱電子的診斷研究。

中國工程物理研究院的SILEX-I（Super Intense Laser for Experiments on the Extremes）裝置能夠產(chǎn)生超強(qiáng)超短激光脈沖，激光器的峰值功率可達(dá)286 TW，為研究激光與物質(zhì)的相互作用提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[22］。SILEX-I產(chǎn)生的激光由反射鏡引入直徑為1 m的柱狀真空室，再由一個(gè)拋物面反射鏡聚焦到靶點(diǎn)上，其功率密度可達(dá)1019W/cm2，光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用的靶材為套筒導(dǎo)線靶，所謂套筒導(dǎo)線靶就是在幾十微米直徑的銅絲表面鍍上一層SiO2（如圖1中插圖所示）。當(dāng)超短脈沖激光輻照?qǐng)A柱狀套筒導(dǎo)線靶的端面時(shí)產(chǎn)生超熱電子，超熱電子作為能量的載體沿著靶材傳輸并繼續(xù)燒蝕靶材產(chǎn)生等離子體輻射。Schwarzschild成像系統(tǒng)作為主要的診斷儀器安裝在真空室右側(cè)。該系統(tǒng)鏡面鍍制了工作在18.2 nm的Mo/Si多層膜，薄膜反射率達(dá)到46.6%。通過測(cè)試，該成像系統(tǒng)在1.2 mm物方視場(chǎng)內(nèi)的空間分辨率為2.5μm。與國外已經(jīng)用于等離子體診斷的正入射顯微鏡相比，該成像系統(tǒng)性能相當(dāng)，可以完全實(shí)現(xiàn)自主可控。

利用Schwarzschild成像系統(tǒng)觀測(cè)等離子體輻射，實(shí)驗(yàn)打靶4次，獲得的等離子體輻射圖像如圖2所示。由于靶材的直徑存在誤差以及每次打靶的激光輸出能量存在起伏，不同發(fā)次的診斷圖像間存在區(qū)別。從Schwarzschild成像系統(tǒng)獲得的圖像可以看出，在y方向（垂直于靶材軸線方向）等離子體輻射的光斑尺寸與實(shí)驗(yàn)用的靶材直徑接近，但是在x方向（靶材軸線方向）等離子體光斑的尺寸較大。在x方向上，激光聚焦點(diǎn)的位置等離子體輻射較強(qiáng)，遠(yuǎn)離激光焦點(diǎn)后等離子體輻射逐漸變?nèi)?。由圖2可以看出，沿靶材軸線方向的等離子體輻射長度和激光輻照參數(shù)以及靶材銅絲表面所覆蓋的玻璃厚度有關(guān)。較高的功率密度可以產(chǎn)生更高能量的超熱電子，從而增強(qiáng)x方向等離子體的輻射，但是較厚的玻璃層會(huì)造成極紫外光的吸收從而抑制等離子體的輻射。由此可知，對(duì)超熱電子產(chǎn)生的等離子體輻射進(jìn)行成像，可以幫助了解超短脈沖激光與靶材相互作用過程中超熱電子的空間分布狀態(tài)[20］。

2.2 微納成像用高分辨13.5 nm Schwarzschild顯微系統(tǒng)

Schwarzschild顯微鏡是一種常用于極紫外和軟X射線波段的生物顯微成像系統(tǒng)。除了遠(yuǎn)超可見光的分辨率，極紫外和軟X射線能夠在生物細(xì)胞中傳播微小的距離并對(duì)細(xì)胞內(nèi)部成像，所以該顯微鏡可以用來研究較厚的生物樣品。為了觀察細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，需要分辨率達(dá)到約10 nm的成像顯微鏡[1］。目前，國際上Schwarzschild顯微鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾十甚至十幾納米的分辨能力[23］。為了提升研究所在顯微領(lǐng)域里的觀測(cè)能力，設(shè)計(jì)了一套工作于13.5 nm且具備高放大倍數(shù)的Schwarzschild顯微鏡，并依托該系統(tǒng)進(jìn)行微納成像實(shí)驗(yàn)研究。

微納成像實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。通過激光打靶產(chǎn)生極紫外光，極紫外光再照射到物方網(wǎng)格，并通過放大倍數(shù)為130倍，鍍有Mo/Si多層膜的Schwarzschild物鏡，將放大的網(wǎng)格圖像經(jīng)過濾光片成像到CCD探測(cè)器上。通過調(diào)試，最佳物點(diǎn)的成像結(jié)果如圖4所示。圖4中，選取兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)中通過邊緣響應(yīng)函數(shù)（Edge Response Function，ERF），由 波 峰 到 波 谷 值 的25%～75%對(duì)應(yīng)的物方距離作為Schwarzschild顯微鏡在該視場(chǎng)的分辨率。左上點(diǎn)處的空間分辨率為200 nm，根據(jù)顯微鏡的放大倍數(shù)算得，單個(gè)像素為100 nm，此時(shí)與理論計(jì)算得到的零視場(chǎng)最佳分辨率相同，可以判定此處為軸上視場(chǎng)。右下點(diǎn)的空間分辨率約為360 nm，此位置對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)為80μm。

為了探究物距對(duì)成像質(zhì)量的影響，在不同物距，對(duì)成像的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖5（a）所示。模擬結(jié)果考慮了物鏡裝調(diào)誤差，其值均略小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是由于實(shí)驗(yàn)得到的CCD像元數(shù)都為整數(shù)。最佳位置處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯差于模擬結(jié)果，是因?yàn)镃CD的最小像元尺寸限制了成像的最佳分辨率。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的精確性，在最佳物距位置處進(jìn)行了10次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得到的分辨率結(jié)果如圖5（b）所示。

從上述結(jié)果得出，顯微系統(tǒng)單次最佳成像分辨率為200 nm，多次平均成像分辨率約為230 nm。實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較好，達(dá)到了百納米級(jí)的分辨水平。

2.3 13.5 nm輻照損傷用大數(shù)值孔徑聚焦系統(tǒng)

近年來，我國一直致力于推進(jìn)第四代大型光源自由電子激光裝置的建設(shè)及其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展[24-25］。在這一進(jìn)程中，用到了很多新型光學(xué)元件[26-28］，這些光學(xué)元件在應(yīng)用中都要經(jīng)受超短超快的極紫外與軟X射線輻照。因此，光學(xué)元件的極紫外與軟X射線輻照損傷引起了研究者們的廣泛關(guān)注[29-30］。但是，由于缺乏能用于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中且具有足夠高能量密度的極紫外與軟X射線光源，我國在該方面的研究非常有限。為了推動(dòng)我國自由電子激光及其應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，研究者們需要研發(fā)出合適的光源并在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中開展反射鏡等光學(xué)元件的極紫外與軟X射線輻照損傷研究。圍繞這一需求，IPOE設(shè)計(jì)了一套具有大數(shù)值孔徑的改進(jìn)Schwarzschild系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。主鏡和副鏡均為環(huán)形球面鏡，表面鍍制工作波長為13.5 nm的Mo/Si多層膜，縮放倍數(shù)為11，像方數(shù)值孔徑為0.44[19］。

基于該聚焦系統(tǒng)搭建了13.5 nm極紫外輻照損傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。該平臺(tái)的光源為激光等離子體光源，通過紅外激光（波長為1 064 nm，脈寬為8.8 ns，重復(fù)頻率為1 Hz）轟擊銅靶產(chǎn)生極紫外輻照，再由聚焦系統(tǒng)收集會(huì)聚于樣品上。極紫外輻照的強(qiáng)度通過改變腔體內(nèi)充入氦氣或氮?dú)獾暮縼碚{(diào)控[19］。通過極紫外CCD觀測(cè)，紅外激光聚焦轟擊銅靶后，銅靶上產(chǎn)生的等離子體光源直徑約為45μm。

通過光電探測(cè)器對(duì)該平臺(tái)的EUV光脈沖能量進(jìn)行了測(cè)量[32］。該光電探測(cè)器經(jīng)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）標(biāo)定，有著很高的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。由圖可知，在紅外激光能量為1.35 J的情況下，當(dāng)真空腔內(nèi)充入3 Pa氦氣時(shí)，損傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的EUV能量最大可達(dá)260 nJ。損傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的聚焦光斑尺寸通過輻照聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）來測(cè)量。PMMA材料受極紫外光產(chǎn)生輻照損傷，損傷坑的原子力顯微鏡測(cè)試結(jié)果如圖9所示（損傷坑經(jīng)3發(fā)能量密度為0.62 J/cm2的極紫外脈沖輻照后形成）。從圖中可以看出，極紫外光輻照后PMMA形成平滑的彈坑形狀，這主要是因?yàn)镻MMA的極紫外輻照損傷是一種光化學(xué)反應(yīng)，會(huì)造成PMMA長鏈分子鍵的斷裂從而形成非常平滑的損傷坑。實(shí)驗(yàn)利用1發(fā)、2發(fā)、3發(fā)和5發(fā)極紫外脈沖造成損傷坑的形貌分析，得到聚焦光斑的有效面積[33］為（11.4±1.4）μm2。

根據(jù)測(cè)得的EUV光能量和聚焦光斑尺寸，計(jì)算可知焦平面處的最大能量密度為（2.27±0.27）J/cm2。值得一提的是，此結(jié)果的誤差主要來源于聚焦光斑面積測(cè)定時(shí)帶來的不確定度，與EUV的脈沖能量穩(wěn)定性無關(guān)。同時(shí)，根據(jù)聚焦光斑可以得到EUV單脈沖能量密度及能量與真空腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)之間的變化曲線，如圖9所示。為了驗(yàn)證聚焦系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，在搭建工作完成兩年后再次測(cè)試最大極紫外光能量，結(jié)果為256 nJ。這一結(jié)果與之前相比下降了1.5%，說明聚焦系統(tǒng)具有良好的長期穩(wěn)定性。

在該平臺(tái)上，IPOE先后對(duì)金單層膜、碳化硼單層膜、Mo/Si多層膜和氟化鈣晶體進(jìn)行了13.5 nm輻照損傷實(shí)驗(yàn)[19，34］。通過分析損傷形貌，闡明了這些材料的損傷機(jī)制。

2.4 Z箍縮等離子體診斷用多通道顯微成像系統(tǒng)

高功率Z箍縮裝置可產(chǎn)生強(qiáng)X射線脈沖，在材料和器件的輻照特性、可控聚變和納米光刻技術(shù)等方面有重要的應(yīng)用前景[35］。Z箍縮內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)過程受不穩(wěn)定性及其增長率的影響，通過實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)爆等離子體及其輻射的時(shí)間和空間分布特性具有重要意義。根據(jù)時(shí)空分布特性診斷數(shù)據(jù)可以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，控制不穩(wěn)定性，提高X光輻射的能量和功率。為了實(shí)現(xiàn)Z箍縮裝置靶物理過程的時(shí)空分辨成像，診斷系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)約幾百微米的空間分辨率，及皮秒量級(jí)的時(shí)間分辨水平。IPOE研制了一套四通道Schwarzschild系統(tǒng)，用于Z箍縮等離子體的診斷。利用該系統(tǒng)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)研究，光路示意圖如圖10所示。四通道系統(tǒng)針對(duì)不同的觀測(cè)能點(diǎn)，在系統(tǒng)鏡面不同區(qū)域鍍制不同的多層膜。成像實(shí)驗(yàn)中，激光等離子體光源照射銅網(wǎng)，不同多層膜的能點(diǎn)響應(yīng)，獲得不同能點(diǎn)的成像結(jié)果。

圖11為EUV四通道成像系統(tǒng)獲得的圖像。圖11（a）～11（d）對(duì)應(yīng)50，95，150 eV 3個(gè)能點(diǎn)和50～100 eV寬帶能段。每幅圖像都用一個(gè)EUV脈沖進(jìn)行成像，系統(tǒng)的有效視場(chǎng)大致等于激光等離子體光源的尺寸。與150 eV的光相比，50～100 eV的EUV光更容易獲得，因?yàn)檫@一波段的極紫外輻照通過低能量紅外激光就可以激發(fā)。為了獲得較大的視場(chǎng)，在圖11（a）、圖11（b）和圖11（d）中將紅外激光聚焦產(chǎn)生直徑約為1 mm的等離子體。因此，在圖11（a）和圖11（d）中，都獲得了接近1 mm的物方視場(chǎng)。但是在圖11（b）中，物方有效視場(chǎng)只有0.5 mm，這是由于等離子體與網(wǎng)格的距離在垂直于光軸的方向上存在偏差。也就是說，成像系統(tǒng)只能采集等離子體有效區(qū)域輻射出的光。在能量為150 eV時(shí)，為了獲得更高的紅外激光能量密度，將紅外激光聚焦到更小的光斑，因此等離子體光源的尺寸也較小，有效視場(chǎng)減小到0.5 mm左右，如圖11（c）所示。在圖11中，4幅圖像的亮度不同，這受到紅外激光的能量密度、多層膜的反射率和放置在CCD相機(jī)前濾光片的透過率共同影響。通過對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行分析，得出了50，95，150和50～100 eV 4種能量下的分辨率，分別為30，23，40和35μm。這一分辨能力足以實(shí)現(xiàn)Z箍縮等離子體診斷的空間分辨需求。在未來的工作中，我們會(huì)把該成像系統(tǒng)和分幅相機(jī)配合使用，通過分幅相機(jī)的納秒級(jí)時(shí)間分辨能力[36］，實(shí)現(xiàn)對(duì)Z箍縮等離子體產(chǎn)生過程的時(shí)空間診斷。

在磁約束聚變領(lǐng)域，托卡馬克目前處于領(lǐng)先地位。偏濾器作為托卡馬克等離子體與壁相互作用的核心區(qū)域，靶板所承受的高熱負(fù)荷及等離子體與靶板的強(qiáng)烈相互作用，成為高參數(shù)托卡馬克裝置及未來聚變堆安全穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國家“九五”重大科學(xué)工程“HT-7U”超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）通過在偏濾器和刮削層主動(dòng)注入雜質(zhì)氣體，成功實(shí)現(xiàn)了偏濾器熱流的緩解[37］。但是其中的物理機(jī)制，特別是偏濾器區(qū)的等離子體參數(shù)分布、雜質(zhì)輸運(yùn)和輻射分布等與靶板熱負(fù)荷的關(guān)聯(lián)性問題，仍有待深入研究。這一研究的開展需要依托具有時(shí)空分辨能力的極紫外光學(xué)系統(tǒng)?；谒耐ǖ老到y(tǒng)在Z箍縮裝置中的成功應(yīng)用，IPOE設(shè)計(jì)了一套六通道Schwarzschild系統(tǒng)，計(jì)劃用于偏濾器區(qū)的等離子體診斷，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。目前該系統(tǒng)的裝配與調(diào)試正在進(jìn)行中。

3 結(jié)論和展望

同濟(jì)大學(xué)IPOE在極紫外多層膜領(lǐng)域開展了20年的相關(guān)研究，已經(jīng)在該領(lǐng)域達(dá)到了國際先進(jìn)水平。依托高性能的多層膜光學(xué)元件，IPOE在極紫外正入射光學(xué)系統(tǒng)方面也取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展。以Schwarzschild系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，先后研制了多套具有大視場(chǎng)、高分辨、大數(shù)值孔徑或多能道的正入射光學(xué)系統(tǒng)。基于光學(xué)系統(tǒng)的高性能，完成了多種場(chǎng)景下的等離子體診斷，實(shí)現(xiàn)了我國極紫外波段正入射光學(xué)系統(tǒng)作為診斷設(shè)備的自主可控；同時(shí)，在極紫外波段通過聚焦獲得了超高能量密度的極紫外脈沖，為我國開展極紫外波段的輻照損傷研究提供了技術(shù)支持。

隨著自由電子激光、EAST及其他同步輻射光源等大科學(xué)裝置的迅速發(fā)展，以及國內(nèi)對(duì)極紫外光刻機(jī)等高端制造裝備的迫切需求，極紫外正入射光學(xué)系統(tǒng)的性能還需要進(jìn)一步提升。未來幾年，在成像系統(tǒng)方面，IPOE圍繞具體應(yīng)用的空間、時(shí)間和能譜綜合觀測(cè)需求，進(jìn)一步發(fā)展具備百納米級(jí)空間分辨、亞納秒級(jí)時(shí)間分辨、更多通道或更多能道的復(fù)雜構(gòu)型正入射系統(tǒng)，為相關(guān)研究單位重要診斷實(shí)驗(yàn)的開展提供更有力的光學(xué)系統(tǒng)支撐；在聚焦系統(tǒng)方面，重點(diǎn)基于小磨頭拋光和離子束修形等超精密加工方式，發(fā)展超光滑非球面基底加工技術(shù)，自主開展基于非球面的極紫外正入射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，搭建具備亞微米級(jí)空間分辨、更高能量密度及較高重復(fù)頻率的聚焦實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目標(biāo)極紫外光刻技術(shù)，為國內(nèi)高端制造裝備的研究提供技術(shù)儲(chǔ)備。