Figura 1. Representação esquemática da configuração experimental para medição angular speckle (SAM). O instrumento SAM é conectado ao estágio de varredura do mancal de ar, e o padrão de manchas da superfície do espelho refletido muda quando as manchas são projetadas em diferentes partes da superfície em teste (SUT). A mudança de ângulo pode ser calculada a partir do deslocamento de manchas entre duas imagens de subconjunto de manchas (feg), empregando o algoritmo de rastreamento de subpixel. O erro de inclinação do carro deslizante é medido com um autocolimador, e a mudança da inclinação do SUT é derivada do ângulo SAM e do autocolimador (AC). Crédito:Diamond Light Source
Uma nova técnica de medição angular de manchas a laser (SAM) detalhada em um artigo em Luz:Ciência e Aplicações demonstra como as medições de erro de inclinação podem ser reduzidas drasticamente. Isso é importante porque os espelhos de raios-X são amplamente usados para instalações de radiação síncrotron, Lasers de elétrons livres de raios-X e telescópios astronômicos de raios-X. Contudo, comprimentos de onda curtos e incidência rasante impõem limites estritos sobre os erros de declive admissíveis. Embora técnicas de polimento avançadas tenham produzido espelhos com erros de inclinação (abaixo de 50 nrad root mean square (rms)), muitas técnicas de metrologia existentes lutam para medi-los. Adicionalmente, SAM é compacto, baixo custo e integração com a maioria dos instrumentos de metrologia de espelho de raio-X existentes.
O papel, "Metrologia de nanoprecisão de espelhos de raios-X com medição angular de laser speckle, "de autoria do Dr. Hongchang Wang, Simone Moriconi e o Prof. Kawal Sawhney do grupo de Óptica e Metrologia da Diamond Light Source, descreve um novo instrumento de metrologia e técnicas que sua equipe desenvolveu. Com base na medição angular de manchas (SAM), ele pode superar muitas limitações nas técnicas atuais de metrologia e fornecer uma precisão sem precedentes para caracterizar espelhos de raios-X fortemente curvos de alta qualidade.
Instalações modernas de radiação síncrotron e lasers de elétrons sem raios-X fornecem raios-X de alto brilho para pesquisas científicas e industriais de ponta. A exploração bem-sucedida e a utilização eficiente de feixes de raios-X dependem da qualidade da ótica utilizada. Os espelhos de raios-X são componentes ópticos críticos e amplamente usados por suas características excepcionais de alta eficiência e acromática inerente. O erro de altura (desvios de superfície do perfil ideal) dos espelhos de raios X inevitavelmente deteriora a frente de onda e o desempenho focal. Para as aplicações de raios-X mais exigentes, como resolução de energia extrema ou nano-foco, o erro de altura necessário costuma ser inferior a 1 nm rms. A fabricação e a metrologia de espelhos de raios-X, portanto, apresentam grandes desafios.
Dr. Hongchang Wang, Cientista sênior de óptica e principal autor do estudo, explica as vantagens da nova técnica:"O instrumento de metrologia baseado em manchas, SAM, que desenvolvemos é um compacto, instrumento de baixo custo que é fácil de integrar com a maioria dos outros instrumentos de metrologia de espelho de raio-X existentes. Mais importante, permite a medição precisa de espelhos fortemente curvos em duas dimensões com uma precisão de nanômetros. Este é um recurso que falta à maioria dos instrumentos de metrologia existentes e preenche a lacuna enfrentada em suas capacidades pela comunidade de metrologia de espelho de raios-X. A citação, "Se você não pode medir, você não pode melhorar isso, "é especialmente verdadeiro na fabricação e caracterização de espelhos de raios-X superpolidos."
No artigo, a equipe demonstra que a precisão angular das medições de erro de inclinação pode ser reduzida para 20nrad rms, utilizando um algoritmo de rastreamento de subpixel avançado. A equipe afirma que este novo método de nanometrologia pode potencialmente abrir novas possibilidades para desenvolver espelhos de raios-X superpolidos de próxima geração que também irão promover o desenvolvimento da radiação síncrotron, lasers de elétrons livres, Nanossondas de raios-X, preservação de coerência, física astronômica e telescópios.
Co-autor do artigo sobre esta nova técnica de metrologia, Prof Kawal Sawhney, Cientista Principal da Beamline e líder do grupo de Óptica e Metrologia da Diamond, acrescenta:"Este novo instrumento aumentará as capacidades de nosso laboratório de metrologia de última geração em Diamond e nos permitirá testar a metrologia os espelhos de raios-X de altíssima qualidade necessários para uso com a atualização planejada do Diamond para um nível baixo -emittance Diamond-II source. Os fornecedores de espelhos de raios-X também acharão este novo instrumento atraente, pois lhes permitirá fabricar óticas de qualidade ainda melhor do que atualmente. "
Figura 2. Dr. Hongchang Wang (à esquerda) está supervisionando sua aluna de doutorado Simone Moriconi (à direita) para testar o sistema SAM. Crédito:Diamond Light Source
Os espelhos de raios X de alta precisão são continuamente aprimorados e desenvolvidos para acompanhar as atualizações mundiais de síncrotrons para anel de armazenamento limitado por difração. Para superar as limitações das técnicas atuais de metrologia, a equipe desenvolveu este novo cabeçote de digitalização óptica SAM e abordagem, reconhecer que medições mais precisas de figuras de espelhos serão essenciais para espelhos de raios-X de próxima geração para permitir que eles aproveitem as fontes de luz aprimoradas e atendam a novas demandas.
A configuração do SAM é aparentemente simples (Fig. 1). Os padrões de intensidade aleatória 2D (speckle) são gerados brilhando um laser através de um difusor e podem ser tratados como múltiplos feixes de lápis com características diferentes. Como cada padrão de manchas possui características únicas, a mancha pode ser tratada como um conjunto de vários marcadores de frente de onda. As variações da inclinação do espelho sobre a área medida do espelho alteram o padrão de manchas. A variação de inclinação da superfície em teste (SUT) pode então ser medida no nível nanorradiano em duas dimensões, rastreando com precisão o deslocamento de manchas com um algoritmo avançado de subpixel.
O SAM pode ser facilmente instalado em um pórtico de metrologia ex-situ existente. Ele pode gerar perfis de superfície 2D, fornecendo informações valiosas sobre o perfil da superfície dos espelhos de raios-X. Além da maior faixa de ângulo de varredura e excelente repetibilidade, alta precisão é alcançada. O instrumento SAM também pode ser potencialmente usado para medir toroidais, espelhos elipsoidais e parabolóides realizando varreduras raster 2D de SAM em toda a superfície do espelho. Finalmente, o instrumento SAM não se limita a espelhos de raios-X síncrotron, mas também pode ser aplicado a óptica de forma livre e a espelhos de alta qualidade em outros campos, como litografia ultravioleta extrema e ignição a laser.
Torna-se cada vez mais desafiador para as técnicas de metrologia atualmente disponíveis orientar os esforços mais recentes para melhorar a qualidade de fabricação de espelhos de raios-X. A nova técnica e instrumento baseado em SAM usa um grande número de manchas e fornece melhores estatísticas e menos ruído aleatório, mesmo em uma única imagem. Esta característica notável irá potencialmente permitir que a técnica de metrologia SAM proposta seja amplamente usada para metrologia de superprecisão e avanço da próxima geração de espelhos de raios-X.
Laurent Chapon, Comentários do Diretor de Ciências Físicas da Diamond; "Esta excitante nova técnica de medição angular de manchas desenvolvida intensamente por membros do Diamond's Optics and Metrology Group, será capaz de expandir as capacidades dos instrumentos de metrologia atuais. Para a próxima geração de espelhos de raios-X, necessário para acompanhar as novas fontes de raios-X e a demanda cada vez maior por maior coerência e foco mais estreito, SAM será uma fonte oportuna de ajuda. "
O Grupo de Óptica e Metrologia da Diamond usou sua linha de feixe de teste (B16) para desenvolver esta abordagem avançada de metrologia e imagem de raios-X. Recentemente, uma fase diferencial omnidirecional baseada em manchas e imagens em campo escuro foram demonstradas e publicadas no Proceedings of the National Academy of Sciences . A equipe foi transferida com sucesso, esta técnica speckle de raios-X para a região de luz visível.
