張 哲，伊圣振，黃秋實，陳晟昊，李文斌，張 眾，王占山

（同濟大學 物理科學與工程學院 精密光學工程技術研究所，先進微結構材料教育部重點實驗室，上海市數字光學前沿科學研究基地，上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業(yè)技術服務平臺，上海 200092）

1 引 言

極紫外波段的光子能量大概在30～250 eV之間，其對應的波長約為5～40 nm[1］。大多數低、中原子序數元素的主要原子共振和吸收邊都在極紫外波段內[2］，同時，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領域中極為關注的譜線，所以極紫外波段光譜在化學元素分析和天文學領域有著重要的應用價值[3］。由于極紫外光波長比可見光波長短很多，根據衍射極限[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，極紫外波段的光學系統(tǒng)廣泛應用于生物結構顯微成像[5］、等離子體診斷[6］、太陽物理觀測[3］和極紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography，EUVL）[7］領域中。

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、結構緊湊和分辨率高等優(yōu)點。然而，極紫外波段內各種材料的折射率都接近于1，單個界面的反射率在正入射條件下極低，導致正入射系統(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，由此推動了正入射系統(tǒng)在這一波段的廣泛使用。經過接近50年的發(fā)展，極紫外多層膜研究在國際上已經較為成熟[9］。與此同時，極紫外正入射光學系統(tǒng)在天文觀測和高端制造領域相繼取得了非常卓越的應用成果，如美國NASA的SDO（Solar Dynamic Observatory）天 文 觀 測 項 目[3］，荷 蘭ASML公司的極紫外光刻機[10］。

我國自90年代以來，系統(tǒng)開展了極紫外多層膜領域的研究，并在長春光機所、上海光機所以及同濟大學等單位的不懈努力下取得了長足的發(fā)展。長春光機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線寬的柵網圖像。同濟大學精密光學工程研究所（Institute of Precision Optical Engineering，IPOE）研制的多層膜能夠接近國際領先水平[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系統(tǒng)研究中也取得了重要進展[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)的應用

基于極紫外多層膜光學器件，IPOE搭建了應用 于不同場 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域的應用。

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生的超熱電子分為向靶內傳輸和向靶外傳輸兩部分。向靶外傳輸的超熱電子在克服靜電分離勢后從等離子體的前向噴射出來[20］，而向靶內傳輸的超熱電子會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“快點火”方案中，點火激光的能量首先交給超熱電子，超熱電子經過輸運后到達高密度燃料區(qū)邊緣并加熱氘氚離子形成熱斑從而實現(xiàn)點火[21］。這一過程中，向靶內傳輸的超熱電子是快點火過程中能量的載體，其能量、產額和發(fā)射空間分布都是人們關注的焦點[20］。IPOE設計了一套工作在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）裝置能夠產生超強超短激光脈沖，激光器的峰值功率可達286 TW，為研究激光與物質的相互作用提供了一個良好的實驗平臺[22］。SILEX-I產生的激光由反射鏡引入直徑為1 m的柱狀真空室，再由一個拋物面反射鏡聚焦到靶點上，其功率密度可達1019W/cm2，光路結構如圖1所示。實驗中采用的靶材為套筒導線靶，所謂套筒導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）。當超短脈沖激光輻照圓柱狀套筒導線靶的端面時產生超熱電子，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。該系統(tǒng)鏡面鍍制了工作在18.2 nm的Mo/Si多層膜，薄膜反射率達到46.6%。通過測試，該成像系統(tǒng)在1.2 mm物方視場內的空間分辨率為2.5μm。與國外已經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，可以完全實現(xiàn)自主可控。

利用Schwarzschild成像系統(tǒng)觀測等離子體輻射，實驗打靶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驗用的靶材直徑接近，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，激光聚焦點的位置等離子體輻射較強，遠離激光焦點后等離子體輻射逐漸變弱。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以及靶材銅絲表面所覆蓋的玻璃厚度有關。較高的功率密度可以產生更高能量的超熱電子，從而增強x方向等離子體的輻射，但是較厚的玻璃層會造成極紫外光的吸收從而抑制等離子體的輻射。由此可知，對超熱電子產生的等離子體輻射進行成像，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)。除了遠超可見光的分辨率，極紫外和軟X射線能夠在生物細胞中傳播微小的距離并對細胞內部成像，所以該顯微鏡可以用來研究較厚的生物樣品。為了觀察細胞內部的結構，需要分辨率達到約10 nm的成像顯微鏡[1］。目前，國際上Schwarzschild顯微鏡已經實現(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域里的觀測能力，設計了一套工作于13.5 nm且具備高放大倍數的Schwarzschild顯微鏡，并依托該系統(tǒng)進行微納成像實驗研究。

微納成像實驗裝置如圖3所示。通過激光打靶產生極紫外光，極紫外光再照射到物方網格，并通過放大倍數為130倍，鍍有Mo/Si多層膜的Schwarzschild物鏡，將放大的網格圖像經過濾光片成像到CCD探測器上。通過調試，最佳物點的成像結果如圖4所示。圖4中，選取兩個點進行分析，實驗中通過邊緣響應函數（Edge Response Function，ERF），由 波 峰 到 波 谷 值 的25%～75%對應的物方距離作為Schwarzschild顯微鏡在該視場的分辨率。左上點處的空間分辨率為200 nm，根據顯微鏡的放大倍數算得，單個像素為100 nm，此時與理論計算得到的零視場最佳分辨率相同，可以判定此處為軸上視場。右下點的空間分辨率約為360 nm，此位置對應的視場為80μm。

為了探究物距對成像質量的影響，在不同物距，對成像的模擬結果與實驗結果進行了對比，結果如圖5（a）所示。模擬結果考慮了物鏡裝調誤差，其值均略小于實驗結果，這是由于實驗得到的CCD像元數都為整數。最佳位置處的實驗結果明顯差于模擬結果，是因為CCD的最小像元尺寸限制了成像的最佳分辨率。為了進一步驗證實驗的精確性，在最佳物距位置處進行了10次重復性實驗，得到的分辨率結果如圖5（b）所示。

從上述結果得出，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。實驗的重復性較好，達到了百納米級的分辨水平。

2.3 13.5 nm輻照損傷用大數值孔徑聚焦系統(tǒng)

近年來，我國一直致力于推進第四代大型光源自由電子激光裝置的建設及其應用領域的發(fā)展[24-25］。在這一進程中，用到了很多新型光學元件[26-28］，這些光學元件在應用中都要經受超短超快的極紫外與軟X射線輻照。因此，光學元件的極紫外與軟X射線輻照損傷引起了研究者們的廣泛關注[29-30］。但是，由于缺乏能用于常規(guī)實驗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。為了推動我國自由電子激光及其應用領域的進一步發(fā)展，研究者們需要研發(fā)出合適的光源并在常規(guī)實驗室中開展反射鏡等光學元件的極紫外與軟X射線輻照損傷研究。圍繞這一需求，IPOE設計了一套具有大數值孔徑的改進Schwarzschild系統(tǒng)，其結構如圖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，縮放倍數為11，像方數值孔徑為0.44[19］。

基于該聚焦系統(tǒng)搭建了13.5 nm極紫外輻照損傷實驗平臺，該平臺的結構示意圖如圖7所示。該平臺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，重復頻率為1 Hz）轟擊銅靶產生極紫外輻照，再由聚焦系統(tǒng)收集會聚于樣品上。極紫外輻照的強度通過改變腔體內充入氦氣或氮氣的含量來調控[19］。通過極紫外CCD觀測，紅外激光聚焦轟擊銅靶后，銅靶上產生的等離子體光源直徑約為45μm。

通過光電探測器對該平臺的EUV光脈沖能量進行了測量[32］。該光電探測器經美國國家標準技術研究所（NIST）標定，有著很高的測量準確度，測量結果如圖8所示。由圖可知，在紅外激光能量為1.35 J的情況下，當真空腔內充入3 Pa氦氣時，損傷實驗平臺的EUV能量最大可達260 nJ。損傷實驗平臺的聚焦光斑尺寸通過輻照聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）來測量。PMMA材料受極紫外光產生輻照損傷，損傷坑的原子力顯微鏡測試結果如圖9所示（損傷坑經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，這主要是因為PMMA的極紫外輻照損傷是一種光化學反應，會造成PMMA長鏈分子鍵的斷裂從而形成非常平滑的損傷坑。實驗利用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。

根據測得的EUV光能量和聚焦光斑尺寸，計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，此結果的誤差主要來源于聚焦光斑面積測定時帶來的不確定度，與EUV的脈沖能量穩(wěn)定性無關。同時，根據聚焦光斑可以得到EUV單脈沖能量密度及能量與真空腔內氣體壓強之間的變化曲線，如圖9所示。為了驗證聚焦系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，在搭建工作完成兩年后再次測試最大極紫外光能量，結果為256 nJ。這一結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。

在該平臺上，IPOE先后對金單層膜、碳化硼單層膜、Mo/Si多層膜和氟化鈣晶體進行了13.5 nm輻照損傷實驗[19，34］。通過分析損傷形貌，闡明了這些材料的損傷機制。

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箍縮裝置可產生強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等方面有重要的應用前景[35］。Z箍縮內爆動力學過程受不穩(wěn)定性及其增長率的影響，通過實驗研究內爆等離子體及其輻射的時間和空間分布特性具有重要意義。根據時空分布特性診斷數據可以改進實驗設計，控制不穩(wěn)定性，提高X光輻射的能量和功率。為了實現(xiàn)Z箍縮裝置靶物理過程的時空分辨成像，診斷系統(tǒng)需要實現(xiàn)約幾百微米的空間分辨率，及皮秒量級的時間分辨水平。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)進行成像實驗研究，光路示意圖如圖10所示。四通道系統(tǒng)針對不同的觀測能點，在系統(tǒng)鏡面不同區(qū)域鍍制不同的多層膜。成像實驗中，激光等離子體光源照射銅網，不同多層膜的能點響應，獲得不同能點的成像結果。

圖11為EUV四通道成像系統(tǒng)獲得的圖像。圖11（a）～11（d）對應50，95，150 eV 3個能點和50～100 eV寬帶能段。每幅圖像都用一個EUV脈沖進行成像，系統(tǒng)的有效視場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，因為這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，在圖11（a）、圖11（b）和圖11（d）中將紅外激光聚焦產生直徑約為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。但是在圖11（b）中，物方有效視場只有0.5 mm，這是由于等離子體與網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，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相機前濾光片的透過率共同影響。通過對成像結果進行分析，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，我們會把該成像系統(tǒng)和分幅相機配合使用，通過分幅相機的納秒級時間分辨能力[36］，實現(xiàn)對Z箍縮等離子體產生過程的時空間診斷。

在磁約束聚變領域，托卡馬克目前處于領先地位。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荷及等離子體與靶板的強烈相互作用，成為高參數托卡馬克裝置及未來聚變堆安全穩(wěn)態(tài)運行的嚴峻挑戰(zhàn)。國家“九五”重大科學工程“HT-7U”超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）通過在偏濾器和刮削層主動注入雜質氣體，成功實現(xiàn)了偏濾器熱流的緩解[37］。但是其中的物理機制，特別是偏濾器區(qū)的等離子體參數分布、雜質輸運和輻射分布等與靶板熱負荷的關聯(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空分辨能力的極紫外光學系統(tǒng)?；谒耐ǖ老到y(tǒng)在Z箍縮裝置中的成功應用，IPOE設計了一套六通道Schwarzschild系統(tǒng)，計劃用于偏濾器區(qū)的等離子體診斷，其結構如圖12所示。目前該系統(tǒng)的裝配與調試正在進行中。

3 結論和展望

同濟大學IPOE在極紫外多層膜領域開展了20年的相關研究，已經在該領域達到了國際先進水平。依托高性能的多層膜光學元件，IPOE在極紫外正入射光學系統(tǒng)方面也取得了長足的進步和發(fā)展。以Schwarzschild系統(tǒng)為基礎，針對不同應用場景的需求，先后研制了多套具有大視場、高分辨、大數值孔徑或多能道的正入射光學系統(tǒng)。基于光學系統(tǒng)的高性能，完成了多種場景下的等離子體診斷，實現(xiàn)了我國極紫外波段正入射光學系統(tǒng)作為診斷設備的自主可控；同時，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支持。

隨著自由電子激光、EAST及其他同步輻射光源等大科學裝置的迅速發(fā)展，以及國內對極紫外光刻機等高端制造裝備的迫切需求，極紫外正入射光學系統(tǒng)的性能還需要進一步提升。未來幾年，在成像系統(tǒng)方面，IPOE圍繞具體應用的空間、時間和能譜綜合觀測需求，進一步發(fā)展具備百納米級空間分辨、亞納秒級時間分辨、更多通道或更多能道的復雜構型正入射系統(tǒng)，為相關研究單位重要診斷實驗的開展提供更有力的光學系統(tǒng)支撐；在聚焦系統(tǒng)方面，重點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，自主開展基于非球面的極紫外正入射光學系統(tǒng)設計，搭建具備亞微米級空間分辨、更高能量密度及較高重復頻率的聚焦實驗平臺，目標極紫外光刻技術，為國內高端制造裝備的研究提供技術儲備。