Una nueva técnica de medición angular de moteado con láser (SAM) detallada en un artículo en Luz:ciencia y aplicaciones demuestra cómo se pueden reducir drásticamente las mediciones de errores de pendiente. Esto es importante porque los espejos de rayos X se utilizan ampliamente para instalaciones de radiación de sincrotrón, Láseres de rayos X de electrones libres y telescopios astronómicos de rayos X. Sin embargo, las longitudes de onda cortas y la incidencia rasante imponen límites estrictos a los errores de pendiente permisibles. Aunque las técnicas avanzadas de pulido han producido espejos con errores de pendiente (por debajo de 50 nrad de raíz cuadrada media (rms)), muchas técnicas de metrología existentes luchan por medirlas. Adicionalmente, SAM es compacto, de bajo costo y se integra con la mayoría de los instrumentos de metrología de espejo de rayos X existentes.

El papel, "Metrología de nanoprecisión de espejos de rayos X con medición angular de moteado láser, "escrito por el Dr. Hongchang Wang, Simone Moriconi y la profesora Kawal Sawhney del grupo de Óptica y Metrología de Diamond Light Source, describe un nuevo instrumento de metrología y técnicas que ha desarrollado su equipo. Basado en la medición angular de moteado (SAM), Puede superar muchas limitaciones de las técnicas de metrología actuales y proporcionar una precisión sin precedentes para caracterizar espejos de rayos X de alta calidad con fuertes curvas.

Las modernas instalaciones de radiación de sincrotrón y los láseres de electrones libres de rayos X proporcionan rayos X de alto brillo para la investigación científica e industrial de vanguardia. La explotación exitosa y la utilización eficiente de los haces de rayos X dependen de la calidad de la óptica utilizada. Los espejos de rayos X son componentes ópticos críticos y ampliamente utilizados por sus características excepcionales de alta eficiencia y acromaticidad inherente. El error de altura (desviaciones de la superficie del perfil ideal) de los espejos de rayos X deteriora inevitablemente el frente de onda y el rendimiento focal. Para las aplicaciones de rayos X más exigentes, como resolución de energía extrema o nanoenfoque, el error de altura requerido suele ser inferior a 1 nm rms. La fabricación y metrología de espejos de rayos X plantean, por tanto, grandes desafíos.

Dr. Hongchang Wang, Científico principal en óptica y autor principal del estudio, explica las ventajas de la nueva técnica:"El instrumento de metrología basado en moteado, SAM, que hemos desarrollado es un compacto, Instrumento de bajo costo que es fácil de integrar con la mayoría de los otros instrumentos de metrología de espejo de rayos X existentes. En tono rimbombante, permite la medición precisa de espejos fuertemente curvados en dos dimensiones con una precisión de nanómetros. Esta es una característica de la que carecen la mayoría de los instrumentos de metrología existentes y cierra la brecha que enfrenta la comunidad de metrología de espejos de rayos X en sus capacidades. La frase, "Si no puede medirlo, no puedes mejorarlo, "es especialmente cierto en la fabricación y caracterización de espejos de rayos X superpulidos".

En el artículo, el equipo demuestra que la precisión angular de las mediciones del error de pendiente se puede reducir a 20 nrad rms mediante la utilización de un algoritmo avanzado de seguimiento de subpíxeles. El equipo dice que este nuevo método de nanometrología puede potencialmente abrir nuevas posibilidades para desarrollar espejos de rayos X súper pulidos de próxima generación que también avanzarán en el desarrollo de la radiación de sincrotrón. láseres de electrones libres, Nanosondas de rayos X, preservación de la coherencia, física astronómica y telescopios.

Coautor del artículo sobre esta nueva técnica de metrología, Prof. Kawal Sawhney, Científico principal de Beamline y líder del grupo de Óptica y Metrología en Diamond, agrega:"Este novedoso instrumento mejorará las capacidades de nuestro laboratorio de metrología de vanguardia en Diamond y nos permitirá probar metrología los espejos de rayos X de muy alta calidad necesarios para su uso con la actualización planificada de Diamond a un nivel bajo -fuente de emisión Diamond-II. Los vendedores de espejos de rayos X también encontrarán atractivo este nuevo instrumento, ya que les permitirá fabricar ópticas de mejor calidad que en la actualidad ".

Los espejos de rayos X de alta precisión se mejoran y desarrollan continuamente para seguir el ritmo de las actualizaciones mundiales de sincrotrones al anillo de almacenamiento de difracción limitada. Para superar las limitaciones de las técnicas de metrología actuales, el equipo desarrolló este nuevo enfoque y cabezal de escaneo óptico SAM, reconocer que las mediciones más precisas de las figuras de los espejos serán esenciales para los espejos de rayos X de la próxima generación para permitirles aprovechar las fuentes de luz mejoradas y satisfacer las nuevas demandas.

La configuración de SAM es engañosamente simple (Fig. 1). Los patrones de intensidad aleatoria 2D (moteado) se generan al hacer brillar un láser a través de un difusor y se pueden tratar como múltiples rayos de lápiz con diferentes características. Debido a que cada patrón de motas tiene características únicas, el moteado puede tratarse como un conjunto de múltiples marcadores de frente de onda. Las variaciones de la pendiente del espejo sobre el área medida del espejo cambian el patrón de moteado. La variación de pendiente de la superficie bajo prueba (SUT) se puede medir a nivel de nanorradianes en dos dimensiones rastreando con precisión el desplazamiento del moteado con un algoritmo avanzado de subpíxeles.

El SAM se puede instalar fácilmente en un pórtico de metrología ex situ existente. Puede generar perfiles de superficie 2D, proporcionando una rica información sobre el perfil de la superficie de los espejos de rayos X. Además del rango de ángulo de exploración más amplio y la excelente repetibilidad, se consigue una alta precisión. El instrumento SAM también se puede utilizar potencialmente para medir toroidales, espejos elipsoidales y paraboloidales mediante la realización de barridos rasterizados 2D de SAM en toda la superficie del espejo. Finalmente, el instrumento SAM no se limita a los espejos de rayos X de sincrotrón, sino que también se puede aplicar a la óptica de forma libre y a los espejos de alta calidad en otros campos, como la litografía ultravioleta extrema y la ignición por láser.

Se vuelve cada vez más desafiante para las técnicas de metrología actualmente disponibles guiar los últimos esfuerzos para mejorar la calidad de fabricación de los espejos de rayos X. La nueva técnica e instrumento basado en SAM utiliza una gran cantidad de puntos y proporciona mejores estadísticas y menos ruido aleatorio incluso en una sola imagen. Esta característica notable permitirá potencialmente que la técnica de metrología SAM propuesta sea ampliamente utilizada para la metrología de superprecisión y el avance de la próxima generación de espejos de rayos X.

Laurent Chapon, El Director de Ciencias Físicas de Diamond comenta; "Esta nueva y emocionante técnica de medición angular de motas desarrollada intensamente por miembros del Grupo de Metrología y Óptica de Diamond, podrá ampliar las capacidades de los instrumentos de metrología actuales. Para la próxima generación de espejos de rayos X, necesario para mantenerse al día con las nuevas fuentes de rayos X y la demanda cada vez mayor de una mayor coherencia y un enfoque más preciso, SAM será una fuente de ayuda oportuna ".

El Grupo de Óptica y Metrología de Diamond utilizó su Test Beamline (B16) para desarrollar este enfoque avanzado de metrología e imágenes de rayos X. Recientemente, Una fase diferencial omnidireccional basada en moteado y una imagen de campo oscuro ha sido demostrada y publicada en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . El equipo ahora se ha transferido con éxito, esta técnica de moteado de rayos X a la región de luz visible.