Figura 1. Rappresentazione schematica del setup sperimentale per la misurazione angolare speckle (SAM). Lo strumento SAM è collegato allo stadio di scansione del cuscinetto ad aria, e il motivo a puntini dalla superficie dello specchio riflesso si sposta quando lo puntino viene proiettato su parti diverse della superficie in esame (SUT). La variazione dell'angolo può essere calcolata dallo spostamento delle macchie tra due immagini del sottoinsieme delle macchie (feg) utilizzando l'algoritmo di tracciamento dei sub-pixel. L'errore di passo della slitta del carrello viene misurato con un autocollimatore, e la variazione della pendenza del SUT è derivata dal SAM e dall'angolo dell'autocollimatore (AC). Credito:sorgente luminosa a diamante
Una nuova tecnica di misurazione angolare laser speckle (SAM) dettagliata in un articolo in Luce:scienza e applicazioni dimostra come le misurazioni dell'errore di pendenza possono essere ridotte drasticamente. Questo è importante perché gli specchi a raggi X sono ampiamente utilizzati per gli impianti di radiazione di sincrotrone, Laser a raggi X a elettroni liberi e telescopi a raggi X astronomici. Però, le lunghezze d'onda corte e l'incidenza radente impongono limiti rigorosi agli errori di pendenza ammissibili. Sebbene le tecniche di lucidatura avanzate abbiano prodotto specchi con errori di pendenza (inferiore a 50 nrad radice quadrata media (rms)), molte tecniche metrologiche esistenti faticano a misurarle. Inoltre, SAM è compatto, a basso costo e si integra con la maggior parte degli strumenti di metrologia a specchio a raggi X esistenti.
La carta, "Metrologia di nanoprecisione di specchi a raggi X con misurazione angolare speckle laser, " scritto dal Dr. Hongchang Wang, Simone Moriconi e il Prof. Kawal Sawhney del gruppo di ottica e metrologia di Diamond Light Source, descrive un nuovo strumento metrologico e le tecniche sviluppate dal loro team. Basato sulla misurazione angolare speckle (SAM), può superare molte limitazioni delle attuali tecniche di metrologia e fornire una precisione senza precedenti per la caratterizzazione di specchi a raggi X di alta qualità fortemente curvi.
I moderni impianti di radiazione di sincrotrone e i laser a elettroni liberi a raggi X forniscono raggi X ad alta brillantezza per la ricerca scientifica e industriale all'avanguardia. Il successo dello sfruttamento e l'utilizzo efficiente dei fasci di raggi X dipendono dalla qualità dell'ottica utilizzata. Gli specchi a raggi X sono componenti ottici critici e ampiamente utilizzati per le loro eccezionali caratteristiche di alta efficienza e acromaticità intrinseca. L'errore di altezza (deviazioni della superficie dal profilo ideale) degli specchi a raggi X deteriora inevitabilmente il fronte d'onda e le prestazioni focali. Per le applicazioni a raggi X più impegnative come la risoluzione energetica estrema o la nanofocalizzazione, l'errore di altezza richiesto è spesso inferiore a 1 nm rms. La produzione e la metrologia degli specchi per raggi X pongono quindi grandi sfide.
Dott. Hongchang Wang, Senior Optics Scientist e autore principale dello studio, spiega i vantaggi della nuova tecnica:"Lo strumento metrologico speckle-based, SAM, abbiamo sviluppato è un compatto, strumento a basso costo che è facile da integrare con la maggior parte degli altri strumenti di metrologia a specchio a raggi X esistenti. È importante sottolineare che consente la misurazione accurata di specchi fortemente curvi in due dimensioni con una precisione di nanometri. Questa è una caratteristica che manca alla maggior parte degli strumenti di metrologia esistenti e colma il divario affrontato nelle loro capacità dalla comunità della metrologia a specchio a raggi X. La citazione, "Se non puoi misurarlo, non puoi migliorarlo, " è particolarmente vero nella fabbricazione e nella caratterizzazione di specchi a raggi X super-lucidati".
Nel documento il team dimostra che la precisione angolare delle misurazioni dell'errore di pendenza può essere ridotta a 20 nrad rms utilizzando un algoritmo di tracciamento sub-pixel avanzato. Il team afferma che questo nuovo metodo di nanometrologia può potenzialmente aprire nuove possibilità per sviluppare specchi per raggi X superlucidati di prossima generazione che faranno avanzare anche lo sviluppo della radiazione di sincrotrone, laser a elettroni liberi, Nanosonde a raggi X, conservazione della coerenza, fisica astronomica e telescopi.
Coautore dell'articolo su questa nuova tecnica metrologica, Prof. Kawal Sawhney, Principal Beamline Scientist e leader del gruppo di ottica e metrologia presso Diamond, aggiunge:"Questo nuovo strumento migliorerà le capacità del nostro laboratorio di metrologia all'avanguardia a Diamond e ci consentirà di testare metrologia gli specchi a raggi X di altissima qualità necessari per l'uso con l'aggiornamento pianificato di Diamond a un basso livello -emissione Diamond-II. Anche i fornitori di specchi per raggi X troveranno interessante questo nuovo strumento in quanto consentirà loro di fabbricare ottiche di qualità ancora migliore rispetto a quelle attuali.
Figura 2. Il dottor Hongchang Wang (a sinistra) sta supervisionando il suo studente di dottorato Simone Moriconi (a destra) per testare il sistema SAM. Credito:sorgente luminosa a diamante
Gli specchi per raggi X ad alta precisione vengono continuamente migliorati e sviluppati per stare al passo con gli aggiornamenti mondiali dei sincrotroni ad anello di memorizzazione a diffrazione limitata. Per superare i limiti delle attuali tecniche metrologiche, il team ha sviluppato questa nuova testa e approccio di scansione ottica SAM, riconoscendo che misurazioni più accurate delle figure degli specchi saranno essenziali per gli specchi a raggi X di prossima generazione per consentire loro di sfruttare le sorgenti luminose migliorate e soddisfare le nuove esigenze.
La configurazione del SAM è ingannevolmente semplice (Fig. 1). I modelli di intensità casuale 2D (speckle) sono generati facendo brillare un laser attraverso un diffusore e possono essere trattati come fasci di matita multipli con caratteristiche diverse. Poiché ogni modello di macchiolina ha caratteristiche uniche, lo speckle può essere trattato come un insieme di più marcatori di fronte d'onda. Le variazioni dell'inclinazione dello specchio sull'area misurata dello specchio spostano il motivo delle macchie. La variazione di pendenza della superficie in esame (SUT) può quindi essere misurata a livello di nanoradianti in due dimensioni monitorando con precisione lo spostamento delle macchie con un algoritmo sub-pixel avanzato.
Il SAM può essere facilmente installato su un portale metrologico ex-situ esistente. Può generare profili di superficie 2D, fornendo ricche informazioni sul profilo superficiale degli specchi a raggi X. Oltre alla più ampia gamma di angoli di scansione e all'eccellente ripetibilità, si ottiene un'elevata precisione. Lo strumento SAM può essere potenzialmente utilizzato anche per misure toroidali, specchi ellissoidali e paraboloidali eseguendo scansioni raster 2D di SAM sull'intera superficie dello specchio. Finalmente, lo strumento SAM non si limita agli specchi a raggi X di sincrotrone ma può essere applicato anche all'ottica a forma libera e a specchi di alta qualità in altri campi, come la litografia ultravioletta estrema e l'accensione laser.
Diventa sempre più difficile per le tecniche metrologiche attualmente disponibili guidare gli ultimi sforzi per migliorare la qualità di produzione degli specchi a raggi X. La nuova tecnica e strumento basato su SAM utilizza un numero molto elevato di macchie e fornisce statistiche migliori e meno rumore casuale anche in una singola immagine. Questa straordinaria caratteristica consentirà potenzialmente di utilizzare ampiamente la tecnica metrologica SAM proposta per la metrologia di super-precisione e l'avanzamento della prossima generazione di specchi a raggi X.
Laurent Chapon, Direttore delle scienze fisiche presso i commenti di Diamond; "Questa nuova entusiasmante tecnica di misurazione angolare speckle sviluppata in modo intensivo dai membri del Diamond's Optics and Metrology Group, sarà in grado di espandere le capacità degli attuali strumenti di metrologia. Per la prossima generazione di specchi a raggi X, necessario per stare al passo con le nuove sorgenti di raggi X e la richiesta sempre crescente di maggiore coerenza e messa a fuoco più stretta, SAM sarà una tempestiva fonte di aiuti".
Il gruppo Diamond's Optics and Metrology ha utilizzato la sua Test Beamline (B16) per sviluppare questo approccio avanzato di imaging a raggi X e metrologia. Recentemente, una fase differenziale omnidirezionale basata su macchie e l'imaging in campo oscuro è stata dimostrata e pubblicata nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . La squadra si è ora trasferita con successo, questa tecnica speckle dai raggi X alla regione della luce visibile.
