Figure 1. Représentation schématique du montage expérimental pour la mesure angulaire du speckle (SAM). L'instrument SAM est attaché à l'étage de balayage à coussin d'air, et le motif de chatoiement de la surface du miroir réfléchi se décale lorsque le chatoiement est projeté sur différentes parties de la surface à tester (SUT). Le changement d'angle peut être calculé à partir du déplacement de speckle entre deux images de sous-ensemble de speckle (f et g) en utilisant l'algorithme de suivi de sous-pixel. L'erreur de pas du chariot est mesurée avec un autocollimateur, et le changement de la pente du SUT est dérivé du SAM et de l'angle de l'autocollimateur (AC). Crédit :Source de lumière diamant
Une nouvelle technique de mesure angulaire du speckle laser (SAM) détaillée dans un article de Lumière :science et applications montre comment les mesures d'erreur de pente peuvent être considérablement réduites. Ceci est important car les miroirs à rayons X sont largement utilisés pour les installations de rayonnement synchrotron, Lasers à rayons X à électrons libres et télescopes astronomiques à rayons X. Cependant, les longueurs d'onde courtes et l'incidence rasante imposent des limites strictes aux erreurs de pente admissibles. Bien que les techniques de polissage avancées aient produit des miroirs avec des erreurs de pente (inférieures à 50 nrad quadratique moyenne (rms)), de nombreuses techniques de métrologie existantes peinent à les mesurer. En outre, SAM est compact, à faible coût et s'intègre à la plupart des instruments de métrologie à miroir à rayons X existants.
Le papier, « Métrologie nano-précision des miroirs à rayons X avec mesure angulaire du speckle laser, " rédigé par le Dr Hongchang Wang, Simone Moriconi et le professeur Kawal Sawhney du groupe Optique et métrologie de Diamond Light Source, décrit un nouvel instrument de métrologie et des techniques développées par leur équipe. Basé sur la mesure angulaire du speckle (SAM), il peut dépasser de nombreuses limitations des techniques de métrologie actuelles et fournir une précision sans précédent pour caractériser des miroirs à rayons X de haute qualité fortement courbés.
Les installations modernes de rayonnement synchrotron et les lasers à électrons libres à rayons X fournissent des rayons X à haute brillance pour la recherche scientifique et industrielle de pointe. L'exploitation réussie et l'utilisation efficace des faisceaux de rayons X dépendent de la qualité de l'optique utilisée. Les miroirs à rayons X sont des composants optiques critiques et largement utilisés pour leurs caractéristiques exceptionnelles de haute efficacité et d'achromaticité inhérente. L'erreur de hauteur (écarts de surface par rapport au profil idéal) des miroirs à rayons X détériore inévitablement le front d'onde et les performances focales. Pour les applications rayons X les plus exigeantes telles que la résolution extrême en énergie ou la nano-focalisation, l'erreur de hauteur requise est souvent inférieure à 1 nm rms. La fabrication et la métrologie des miroirs à rayons X posent ainsi des défis majeurs.
Dr Hongchang Wang, Scientifique principal en optique et auteur principal de l'étude, explique les avantages de la nouvelle technique :« L'instrument de métrologie à base de speckle, SAM, nous avons développé est un compact, instrument à faible coût qui est facile à intégrer avec la plupart des autres instruments de métrologie à miroir à rayons X existants. Surtout, il permet une mesure précise de miroirs fortement courbés en deux dimensions avec une précision de l'ordre du nanomètre. Il s'agit d'une caractéristique qui manque à la plupart des instruments de métrologie existants et qui comble le manque de capacités rencontré par la communauté de la métrologie des miroirs à rayons X. La citation, « Si vous ne pouvez pas le mesurer, vous ne pouvez pas l'améliorer, " est particulièrement vrai dans la fabrication et la caractérisation de miroirs à rayons X super polis. "
Dans l'article, l'équipe démontre que la précision angulaire des mesures d'erreur de pente peut être réduite à 20 nrad rms en utilisant un algorithme de suivi de sous-pixel avancé. L'équipe affirme que cette nouvelle méthode de nano métrologie peut potentiellement ouvrir de nouvelles possibilités pour développer des miroirs à rayons X super-polis de nouvelle génération qui feront également progresser le développement du rayonnement synchrotron, lasers à électrons libres, Nanosondes à rayons X, préservation de la cohérence, physique astronomique et télescopes.
Co-auteur de l'article sur cette nouvelle technique de métrologie, le professeur Kawal Sawhney, Scientifique principal des lignes de lumière et chef de groupe Optique et métrologie chez Diamond, ajoute :"Ce nouvel instrument améliorera les capacités de notre laboratoire de métrologie de pointe à Diamond et nous permettra de tester la métrologie des miroirs à rayons X de très haute qualité requis pour être utilisés avec la mise à niveau prévue de Diamond à un faible -source Diamond-II d'émission. Les vendeurs de miroirs à rayons X trouveront également ce nouvel instrument attrayant car il leur permettra de fabriquer des optiques de meilleure qualité qu'à l'heure actuelle.
Figure 2. Le Dr Hongchang Wang (à gauche) supervise son doctorant Simone Moriconi (à droite) pour tester le système SAM. Crédit :Source de lumière diamant
Les miroirs à rayons X de haute précision sont continuellement améliorés et développés pour suivre le rythme des mises à niveau mondiales des synchrotrons vers l'anneau de stockage à diffraction limitée. Pour dépasser les limites des techniques de métrologie actuelles, l'équipe a développé cette nouvelle tête et approche de balayage optique SAM, reconnaissant que des mesures plus précises des figures de miroir seront essentielles pour les miroirs à rayons X de la prochaine génération afin de leur permettre de tirer parti de sources lumineuses améliorées et de répondre aux nouvelles demandes.
La configuration SAM est d'une simplicité trompeuse (Fig. 1). Les motifs d'intensité aléatoire 2D (speckle) sont générés en faisant briller un laser à travers un diffuseur et ils peuvent être traités comme plusieurs faisceaux de crayons avec des caractéristiques différentes. Parce que chaque motif moucheté a des caractéristiques uniques, le speckle peut être traité comme un ensemble de plusieurs marqueurs de front d'onde. Les variations de la pente du miroir sur la zone mesurée du miroir déplacent le motif de speckle. La variation de pente de la surface sous test (SUT) peut ensuite être mesurée au niveau du nanoradian en deux dimensions en suivant avec précision le déplacement du speckle avec un algorithme de sous-pixel avancé.
Le SAM peut être facilement installé sur un portique de métrologie ex-situ existant. Il peut générer des profils de surface 2D, fournissant des informations riches sur le profil de surface des miroirs à rayons X. En plus de la plus grande plage d'angles de balayage et d'une excellente répétabilité, une haute précision est atteinte. L'instrument SAM peut également être potentiellement utilisé pour mesurer toroïdal, miroirs ellipsoïdaux et paraboloïdaux en effectuant des balayages raster 2D de SAM sur toute la surface du miroir. Finalement, l'instrument SAM ne se limite pas aux miroirs à rayons X synchrotron mais peut également être appliqué à l'optique de forme libre et à des miroirs de haute qualité dans d'autres domaines, telles que la lithographie ultra-violette extrême et l'allumage laser.
Il devient de plus en plus difficile pour les techniques de métrologie actuellement disponibles de guider les derniers efforts visant à améliorer la qualité de fabrication des miroirs à rayons X. La nouvelle technique et l'instrument basé sur SAM utilise un très grand nombre de taches et fournit de meilleures statistiques et moins de bruit aléatoire même dans une seule image. Cette caractéristique remarquable permettra potentiellement à la technique de métrologie SAM proposée d'être largement utilisée pour la métrologie de super précision et l'avancement de la prochaine génération de miroirs à rayons X.
Laurent Chapon, Commentaires du directeur des sciences physiques chez Diamond ; "Cette nouvelle technique passionnante de mesure angulaire du speckle développée de manière intensive par les membres du groupe d'optique et de métrologie de Diamond, sera en mesure d'étendre les capacités des instruments de métrologie actuels. Pour la prochaine génération de miroirs à rayons X, nécessaire pour faire face aux nouvelles sources de rayons X et à la demande toujours croissante d'une plus grande cohérence et d'une focalisation plus précise, SAM sera une source d'aide opportune."
Le groupe d'optique et de métrologie de Diamond a utilisé sa ligne de faisceau d'essai (B16) pour développer cette approche avancée d'imagerie et de métrologie aux rayons X. Récemment, une phase différentielle omnidirectionnelle basée sur le speckle et une imagerie en champ noir ont été démontrées et publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . L'équipe a maintenant transféré avec succès, cette technique de speckle des rayons X à la région de la lumière visible.
