基于同步辐射装置的多层膜光栅衍射效率研究

封面解读：

多层膜光栅由于其特殊的衍射性能有望升级平面光栅单色器，而多层膜光栅的制造离不开光栅衍射效率的测试和分析。中国科学院上海高等研究院的郭智研究员团队设计了小型测试装置，由同步辐射光源出射的软X射线，经过光束线得到准单色光入射到装置内的光栅表面上，用于测试多层膜光栅的衍射效率曲线。装置能有效测试多层膜光栅衍射效率，为光栅制造提供及时的反馈。

封面文章| 《光学学报》2021年第14期封面文章 | 骆钧尧; 郭智; 黄浩; 欧欣; 张祥志; 多层膜光栅衍射效率的同步辐射研究[J].光学学报, 2021, 41 (14):1405001.

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1、研究背景

衍射光栅是同步辐射和自由电子激光的主要光学元件，可用于真空紫外和软X射线能量范围内单色器或能谱仪的分光，能够对同步辐射弯铁光源白光、波荡器粉光以及自由电子激光粉光进行色散分光。衍射光栅在同步辐射近边吸收谱、共振非弹性X射线散射、谱学显微和自由电子激光单脉冲成像等实验应用中起核心作用。

多层膜光栅作为一种在真空紫外与软X射线波段中具有较高衍射效率和较强色散能力的光栅，在未来有望采用多层膜光栅作为色散元件升级平面光栅单色器。课题组期望在上海同步辐射光源对多层膜闪耀光栅的衍射效率进行测试，以便能够对多层膜光栅的衍射性能进行表征，对多层膜光栅的工艺和设计进行及时有效的反馈。

由于上海同步辐射光源没有专用的软X射线计量线站，软X射线实验站的用户机时紧缺，需要对当前现有的实验腔体进行简单改造，保证实验的同时能够快速安装拆卸，对光栅样品进行必要的效率测试。因此有必要设计一种针对现有聚焦光路，可快速安装和定位的小型光栅衍射效率测量装置，以节约用户机时、提高实验效率，对多层膜光栅制备提供高效及时的反馈。

2、光栅衍射效率检测装置

为了使用现有的实验腔体测试多层膜闪耀光栅的衍射效率，中国科学院上海应用物理研究所郭智研究员课题组设计了小型化的光栅衍射效率检测装置，以现有X射线扫描透射显微镜（Scanning Transmission X-ray Microscope，STXM）腔体为基础，搭建光栅效率检测装置，光栅测试装置安装在真空腔体中，检测装置包括光栅调节机构、狭缝和光子通量探测系统，整体搭载在STXM三维移动平台上。由转台控制入射角以及探测器位置，探测器使用硅光电二极管，最后由皮安计读出电流信号。检测装置的优点在于方便安装拆除，能够提供有效的测量结果，方便反馈光栅样品的衍射性能。

图1 多层膜闪耀光栅示意图

课题基于经典的微分理论求解光栅衍射效率，分析多层膜闪耀光栅的衍射效率及其特性，仿真表明多层膜闪耀光栅的衍射级次会在在入射角与入射光波长匹配时出现，当其不满足布拉格条件时衍射效率接近于0。同时使用SHADOW软件对光路进行追迹，检验其可行性，追迹结果显示装置满足测试要求。

图2 光栅+1级次衍射效率随入射角与光子能量变化曲面

实验以“反向外延”研制的多层膜闪耀光栅为基础，利用检测装置开展光栅衍射效率测试，测试了W/Si多层膜光栅的衍射效率，实验测得光栅样品在入射光为521 eV时+1级次的衍射效率峰值为0.52%，入射光为653 eV时0级次的衍射效率峰值为1.11%，0级和+1级的峰值的光子能量差值为132 eV，这些结果有助于多层膜闪耀光栅的研究。

图3 测试装置示意图

3、总结与展望

衍射光栅的效率检测对光栅研究制造和评估有重要意义，在国内同步辐射光源高速发展的今天，非常有必要为光栅国产化做出努力。而当下中国同步辐射光源相较于发达国家仍是稀缺资源，因此可以综合软X射线光束线站的使用情况，设计独立的反射仪，能够方便地安装至现有实验线站后端，在有需要的情况下进行安装测试，既可以针对实用光栅进行精确测试，也能促进国内高性能同步辐射光源的研发。