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日前，中科院高能所多學(xué)科中心光學(xué)團隊基于北京同步輻射裝置BSRF和晶體實驗室實現(xiàn)了衍射極限水平的波前檢測和晶體加工技術(shù)。高能同步輻射光源HEPS光束線建設(shè)的又一項關(guān)鍵技術(shù)取得了突破性進展。
大塊硅單晶體是硬X射線單色器及譜儀的核心光學(xué)元件，而晶體的表面形貌起伏、加工破壞層和晶格應(yīng)力等諸多因素都會對X射線波前產(chǎn)生嚴重影響，從而破壞相干性和衍射極限聚焦。對于前幾代同步光源，由于光束相干尺寸小，即使是高相干要求的納米探針或者相干散射束線，也只要求晶體能夠挑選出較小的局部范圍保持波前即可。而作為衍射極限水平的第四代同步輻射光源，HEPS的相干尺寸較三代光源高出約2個量級，要求全光束范圍里獲得完美波前，這對晶體的加工能力提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，是國際上第四代光源共同面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
該團隊在X射線晶體實驗室已開發(fā)的晶體加工工序基礎(chǔ)上，通過引入一種新的柔性化學(xué)機械拋光方法，實現(xiàn)了全光束口徑近厘米范圍內(nèi)超高精度波前保持的晶體加工。同時，該團隊還創(chuàng)新性地提出了雙刃波前檢測的方法，解決了相干性不足、穩(wěn)定性不足以及入射波前畸變幾項關(guān)鍵問題，在第一代同步輻射光源上實現(xiàn)了衍射極限水平的波前檢測，為波前保持的晶體加工工藝探索提供了高精度檢測手段。
2022年7月BSRF專用光期間，該團隊在1B3B測試束線上，驗證了自研雙刃波前檢測裝置的性能，并利用該裝置以日本進口國際前沿水平的“晶格無擾亂”晶體作為參照樣品，開展了自研晶體和參照晶體的波前檢測對比實驗。結(jié)果顯示，在晶體上50μm橫向空間分辨率下，該裝置的單次掃描斜率檢測精度達到25～50 nrad RMS，波前高度檢測精度高達1.5pm RMS；自研晶體波前精度達到60～100 nrad RMS，與參照樣品（70～100 nrad RMS）基本處于同一水平，滿足HEPS光束線指標要求。
團隊成員承擔PAPS光學(xué)系統(tǒng)、HEPS測試束線和光學(xué)設(shè)計系統(tǒng)等多個項目任務(wù)。接下來，團隊還將進一步優(yōu)化實驗條件，提升波前檢測能力，完善晶體加工工藝。
圖1 晶體雙刃波前檢測實驗
圖2雙刃法單次掃描波前檢測誤差25.8nrad 1.5 pm RMS
圖3 自研柔性化學(xué)機械拋光晶體，波前精度61.7nrad 6.0pm RMS
圖4 日本進口“晶格無擾亂”晶體，波前精度73.2nrad 7.8pm RMS
圖5 團隊現(xiàn)場合影
