极紫外(EUV)与软X射线成像是等离子体诊断研究的重要手段[1-3]。早在20世纪80~90年代,法国和美国就已利用正入射的Schwarzschild型显微镜研究激光与物质的相互作用过程,研究了等离子体的加热、膨胀及等离子体辐射均匀性等物理现象[4-6]。Schwarzschild型显微镜在生物医学、纳米制造和材料科学等领域也得到了广泛的应用。Schwarzschild型显微镜具有无色差、成像质量高、有效聚光面积大等优点。由于Schwarzschild系统的主镜和副镜同轴,物镜存在中心遮拦,在数值孔径范围内,作为背光源的极紫外光不能全部被主镜接收,而是一部分被副镜遮拦了,这就导致背光成像时像面中心产生阴影区,阴影区的大小与等离子体光斑尺寸和光源-物点间距有关,仅通过改变等离子体光斑尺寸或光源与物点间距无法完全消除阴影区,而且物点靠近光源会引起系统成像视场变小。为了使像面光强分布均匀,并且不影响系统有效视场,需要Schwarzschild系统的背光照明方式进行改进。因此,本文在深入分析物镜中心遮拦对像质影响的基础上,提出了多层膜聚光镜的解决方案,并进行了成像实验,成功消除了像面中心阴影,改善了像面光强分布均匀性。
1 中心遮拦对像面均匀性的影响
Schwarzschild显微镜属于典型的正入射两镜结构,物镜由一块凹面镜(主镜)和一块凸面镜(副镜)组成,光路结构见文献由于主镜和副镜同轴物镜存在中心遮拦遮拦比为[7]物镜的入射光瞳是环状光瞳,进行成像实验时,在物镜数值孔径0.1范围内,背光照明网格的光部分被副镜遮拦,从而该部分光无法参与成像,光线的传播(仅入射光线)如图1所示。
从图1可以看出,在主镜决定的孔径角范围内,激光等离子体产生的EUV光部分被副镜所遮拦。在p1所限制范围内的网格能够被光线照亮,并且照亮该区域的光能够被主镜接收到,所以,p1即为网格能被Schwarzschild物镜成像的物方视场。大于p1所限制范围的网格经背光照明后的光线落在D区,网格无法成像。网格的中央部分(即p3限制的范围内)能够被EUV光照明,但是该照明网格的光全部被副镜遮拦,光线落在入射光瞳内A区。而照明网格p2和p3之间区域的光线部分被副镜遮拦,在像面形成渐晕,即对应图1中的B区。所以Schwarzschild系统进行成像时会导致像面中央区域亮度明显低于其它部分,而且会产生渐晕区。图2(a)是网格距离激光等离子体光源6 mm时,网格经Schwarzschild显微镜所成的像,图像对应的物方视场为1.2 mm,在物方视场范围内可以清晰地分辨出5μm的网格线。但是像面光强度分布明显不均匀,边缘部分图像明亮,而中心出现明显的暗区,暗区的直径约200μm,这是由照明这部分网格的光线被副镜遮拦所引起的。图2(a)中暗区和边缘亮区之间的环状部分为渐晕区,这是由于照明网格中该部分的光线被副镜部分遮拦的原因,这和理论分析的一致。
根据图1所示光路结构,计算得到了等离子体光斑尺寸不同时,光源物点间距与阴影区域大小、物方视场之间的关系,如图3所示。
从图3(b)可以看出,增大等离子体光斑可以减小像面的阴影区,并且可以增大显微镜视场;缩短光源与物点之间的距离也可以减小像面阴影区,如图3(a)所示。对于0.3 mm的等离子体光斑,当光源与网格间距小于3.6 mm时可以消除暗区(中央完全遮拦部分),但是会降低系统成像的视场。图2(b)是网格距等离子体光源3 mm时所成的像,中心暗区已经被消除,但是像面仍存在渐晕区。该网格像的物方视场为760μm,这和图3(b)计算得到的物方视场值相一致。
为了获得更好的Schwarzschild显微镜实验图像,需要在不影响成像视场的情况下消除由于物镜中心遮拦引起的像面光强分布不均匀性。由于增大等离子体光斑和减小光源与物点间距均不能完全消除像面不均匀性,而且还会影响到系统成像视场,所以,我们提出了利用聚光镜来收集激光辐照铜靶产生的EUV,并将光聚焦到Schwarzschild显微镜的物点上进行成像实验。该方法可以消除像面不均匀性且不影响成像视场,其光路结构如图4所示,激光辐照铜靶产生的EUV被聚光镜收集并聚焦在物点上,物点再经Schwarzschild显微镜成像于CCD像面,这样照明物点中心的光束能够被主镜接收,而且不再受等离子体光斑大小的约束。
2 Mo/Si多层膜聚光镜
为了消除由Schwarzschild物镜中心遮拦引起的像面不均匀性,采用聚光镜来收集光源发出的EUV光,并以合适的光学特性照明待成像的物体。可以作为聚光镜的光学元件主要有掠入射椭球镜和多层膜反射聚光镜。掠入射椭球镜对大于临界角的EUV全反射,没有光谱选择性,避免了多层膜间的带宽匹配,可以提高整个系统的光通量,但是椭球镜加工难度较大。球面多层膜反射镜对轴上物点的成像像差较小,并且球面反射镜加工相对容易,不足是采用多层膜反射镜会增加系统多层膜带宽匹配的难度。18.2 nm波长的Mo/Si周期多层膜的带宽为1.3 nm,现有的镀膜精度能够满足多块多层膜反射镜之间的带宽匹配问题。综上所述,实验采用球面18.2 nm波长的Mo/Si周期多层膜反射镜作为系统的聚光镜。
2.1 光学结构设计
Schwarzschild物镜成像光束的孔径角由聚光镜像方孔径角决定,为使物镜的孔径角得到充分的利用,聚光镜的像方孔径角要等于或大于物镜的孔径角。Schwarzschild物镜的物方数值孔径为0.1,为此选用像方数值孔径为0.15的多层膜聚光镜。设计的聚光镜具体参数如表1所示。
多层膜聚光镜焦斑的大小影响所照明的物面区域,即系统的物方视场。激光等离子体光源是将脉冲能量为0.8 J,脉冲宽度为20 ns的激光通过透镜聚焦到圆柱状铜靶上使其产生等离子体并辐射EUV光。针孔相机测量的激光等离子体光斑为300μm。利用ZEMAX模拟了300μm光斑经聚光镜聚焦后在像点上产生的光斑的环围能量如图5所示,可以看出聚光镜所收集的等离子体辐射能量的80%集中在0.8 mm的视场范围内,所以在聚光镜像点放置网格时,其被照明的视场为0.8 mm。若成像系统需要更大的视场,可以通过将网格放置在聚光镜离焦的位置来实现。
2.2 聚光镜用Mo/Si周期多层膜
实验用聚光镜光学元件的基底材料为熔融石英。为了提高光学元件的反射率,需要在其表面镀制对应波长的Mo/Si多层膜。计算得到光学元件不同位置对应的入射角变化,如图6所示。横坐标在聚光镜表面内,表示沿镜面径向的坐标,纵坐标为光线与镜面法线的夹角,则中心视场光线在聚光镜表面入射角度的范围为9.23°~10.46°,光线在反射镜中心的入射角度为10°。
根据Bragg方程mλ=2dcosθ(m为衍射级次,λ为工作波长,d为膜层周期厚度,θ为光线与镜面法线夹角,为获得较高的反射率,一般选取m=1)确定不同位置对应的薄膜的周期。根据计算的光线在光学元件表面的入射角度和显微镜的工作波长,设计了材料为Mo和Si的周期结构多层膜,其工作能点为68 eV(18.2 nm),Mo/Si多层膜周期厚度为9.64 nm,周期数为30,Si层厚度与膜系周期厚度的比值为0.715。
Mo/Si周期多层膜反射率与入射角度的关系曲线如图7(a)所示,可以看出光线在聚光镜表面入射角度范围内,多层膜对18.2 nm波长的EUV光线均保持高反射特性,入射角度为10°时反射率为51.7%。图7(b)是入射角度为10°时,Mo/Si周期多层膜反射率与光线波长的关系曲线,可以看出设计的膜系的峰值反射率波长为18.2 nm,且膜系的波长带宽为1.3 nm。
3 Schwarzschild显微镜成像实验
实验采用24 lp/mm Cu网格作为物(线宽5μm,周期42μm),激光辐照铜靶产生的18.2 nm波长的EUV光经多层膜聚光镜聚焦照明Cu网格,网格经Schwarzschild显微镜成像于CCD像面上,光路结构如图4所示。由于Mo/Si多层膜对可见光和紫外光也有较高的反射率,而这些光会严重影响系统的成像质量,甚至无法成像,所以必须将其滤掉。实验采用1 000 nm厚的Al滤波片来滤除可见光和紫外光,每次实验激光发射1个脉冲,CCD曝光时间为5 s,得到的网格图像如图8所示。
图8(a)是24 lp/mm铜网格经Schwarzschild显微镜成像所得的10倍网格像,物方视场为1.2 mm。图8(b)是网格像中心视场125μm×125μm范围的局部放大图,从网格像中可以清楚地分辨出5μm的网格线。图9列出了24 lp/mm Cu网格像中心视场局部放大图的光强度分布,横坐标是物方视场,纵坐标是归一化光强。以中心视场附近边缘响应函数(ERF)由波峰到波谷值的20%~80%(图9)所对应的物方距离作为Schwarzschild显微镜在该视场的分辨力[8],可以看出该显微成像系统的空间分辨力可达2.5μm。而且采用Mo/Si多层膜聚光镜聚焦等离子体辐射EUV光照明网格,消除了由于显微镜物镜中心遮拦所引起的像面阴影区,像面光强度分布均匀性得到明显改善。
4 结 论
本文分析了Schwarzschild物镜中心遮拦对系统像面均匀性的影响。采用球面Mo/Si多层膜反射镜作为光线聚焦元件改善了系统有效视场和像场均匀性。利用研制的Mo/Si多层膜聚光镜和Schwarzschild显微成像系统进行了18.2 nm成像实验,获得了1.2 mm视场内2.5μm的成像结果,像面光强分布均匀,较等离子体光源直接照明网格所得的实验结果有明显的改善。
参考文献:
[1] Seward F D, Palmieri T M. A simple X-ray microscope for photo-graphing laser produced plasma[J].Rev Sci Instrum, 1975,46(2):204-206.
[2] Marshall F J, Su Qichang. Quantitative measurements with X-ray microscope in laser-fusion experiments[J].Rev Sci Instrum, 1995,66
(1):725-727.
[3] Marshall F J, Bennett G R. A high-energy X-ray microscope for inertial confinement fusion[J].Rev Sci Instrum,1999,70(1):617-619.
[4] Seely J F, Holland G E, Giasson J V, et al. High-resolution imaging of laser-produced plasma at a wavelength of 130 by a normal-inci-dence multilayer-mirror microscope[J].Appl Opt, 1993,32(31):6294-6302.
[5] Seely J F, Holland G E, Boehly T. UNIformity of the soft-X-ray emissions from gold foils irradiated by OMEGA laser beams determined bya two-mirror normal-incidence microscope with multilayer coatings[J].Appl Opt, 1998,37(7):1140-1145.
[6] Benattar R, Godart J, Bridoux F, et al. A Schwarzschild microscope to study the preheat of laser heated targets[C]//Proc of SPIE. 1986,688:171-175.
[7] 王新,穆宝忠,黄怡,等.等离子体诊断用18.2 nm Schwarzschild显微镜[J].强激光与粒子束, 2011,23(3):647-651.(Wang Xin, MuBaozhong, Huang Yi, et al. 18.2 nm Schwarzschild microscope for plasma diagnosis.HighPower Laser and Particle Beams, 2011,23(3):647-651)
[8] Marshall F J, Allen M M, Knauer J P, et al. A high-resolution X-ray microscope for laser-driven planar-foilexperiments[J].Rev Sci In-strum, 1998,75(4):1118-1124.
本文作者：王 新, 穆宝忠, 黄 怡, 翟梓融, 伊圣振, 蒋 励,朱京涛, 王占山, 刘红杰, 曹磊峰, 谷渝秋
