高次諧波的產(chǎn)生及抑制

高次諧波的產(chǎn)生及抑制

1在其他光學元件上的應用連續(xù)光譜的同步輻射光通過狹窄的光束入射光刻于光刻顯著光譜后，在輸出的單色光中，由于sin（）=m，這些高次參數(shù)的波形通過光刻儀的光譜光譜反射，并在相同方向上傳播。各國的同步輻射實驗室都相繼開展了高次諧波的研究,如W.R.Hunter、M.Kühne等。根據(jù)各光束線的能量范圍和工作波段采用了不同的高次諧波抑制方法。A.Erko和T.Matsushita在高能段使用玻璃毛細管陣列和雙晶單色器的第二塊晶體失諧抑制高次諧波,G.Arthur等在ALS能量范圍為6~30eV的化學動力學光束線上應用真空差分氣體濾波器抑制高次諧波,E.M.Gullikson等在計量和散射光束線上采用了三鏡抑制高次諧波。真空紫外光譜范圍的同步輻射光,由于其光譜連續(xù)寬廣可以覆蓋到多級高次諧波,而真空紫外光又極易被吸收,在35~115nm波段很難找到合適的濾片來濾除高級次,即使采用了抑制高級次的手段,也會不可避免的有殘余高級次光譜,而光譜純度直接影響光學元件反射率和透射率的測量精度,因此需要定量研究高次諧波占基波的比例。本文采用本室衍射光學元件精密加工實驗室制作的840l/mm的金膜自支撐透射光柵(TG)和美國IRD公司生產(chǎn)的AXUV100G光電二極管探測器定量研究了光譜輻射標準和計量光束線在5~140nm波段的高次諧波,并與俄國P.N.LebedevPhysicalInstituteSergeyV.Kuzin研究員用E2V公司CCD在計量站的研究結果進行了比較。定量研究了Al、Si3N4和Zr濾片在5~34nm能量范圍對高次諧波的抑制作用,研究了MgF2窗對115~140nm波長高次諧波的抑制作用,給出了試驗數(shù)據(jù)和測試曲線。2光學元件組成光譜輻射標準和計量光束線(計量線)是國家同步輻射實驗室二期工程新建的一條專門用于軟X射線和極紫外光譜計量的線站。計量線的掠入射分支由超環(huán)面前置鏡(TM1)、入射狹縫(S1)、球面光柵單色器(SGM)、出射狹縫(S2)、超環(huán)面后置鏡(TM2)、反射率計和電離室組成,如圖1所示。SGM有三塊Laminar球面光柵(SG)分別是1800、600、200l/mm,覆蓋的波段分別是5~12nm、12~34nm和34~140nm。計量站現(xiàn)有設備為用于光學元件性能研究的反射率計和用于探測器定標的稀有氣體電離室。反射率計前端是可切換的濾片(Filter),其內(nèi)部的探測器(Detec)可繞樣品臺(Samplestage)軸轉(zhuǎn)動180°。3紫外光譜標準建計量線站的目的就是建立我國的軟X射線、極紫外和真空紫外的光譜標準。使該站能承擔定標光源、探測器和各種光學元件及多層膜等的光學性能的絕對測量。這就要求提供的實驗用的光譜要盡可能的純。光譜的純度直接影響測試準確性。3.1衍射峰的確定研究方法選用透射光柵分光。透射光柵是本室自制的金膜、自支撐、抑制偶級次的840l/mm光柵,光柵的占空比為1∶1,厚度為400nm左右,有效面積為1mm×5mm。圖2是透射光柵的電鏡照片?；ê透叽沃C波通過透射光柵時,由于波長不同,各波長衍射峰的角度不同,以此由探測器轉(zhuǎn)動確定各波長的衍射峰信號強度和角度位置來確定高次諧波的成分。由于在5~34nm波長較短,而TG的線密度一定,為了提高探測器對各衍射峰的分辨能力,測試中將TG放在圖1所示的Filter位置,探測器前裝有1mm寬的狹縫,幾何關系如圖3所示。測試過程中,探測器繞樣品臺的軸Axis轉(zhuǎn)動,記錄下零級和各級次的衍射峰位置,即2φ的值,由已知的2φ值和圖中的幾何關系計算出β值,β=arctan(xa+b)β=arctan(xa+b)β值就是實驗測得的各波長不同衍射級次的衍射角。理論上由光柵方程:dsin(αT+βT)=m(λ/n)可以計算出入射波長為λ和不同m、n值時,各級次的衍射角βT。式中d為光柵周期常數(shù),m(0,1,2,3…)為衍射級次,n(1,2,3…)為基波λ的高級次,αT為SR的入射角,由于SR是垂直入射到光柵上的,故αT=0。入射波長λ的不同n值和不同m值的理論衍射角βT為:βT=arcsin(mλdn)=arcsin(0.84mλ1000n)βΤ=arcsin(mλdn)=arcsin(0.84mλ1000n)當n=1時,稱為基波,波長為λ,不同的m值即為基波的不同衍射級次。當n≥2時為基波的高次諧波,高次諧波的波長是基波的1/n。高次諧波的高級次衍射峰與基波的相應衍射峰位是重合的。如n=2,m=2,或n=3,m=3等與n=1,m=1的峰位重合,故需要對探測器的信號曲線進行分析以確定衍射峰的諧波級次和衍射級次。實測的β值與計算值βT比較后可知衍射峰是基波的幾級衍射和高級次的幾級衍射峰。在測試34~140nm波段時,由于波長較長,將TG放在圖3的Axis位置,這時探測器繞樣品臺軸Axis轉(zhuǎn)過的角度就是衍射角,不需要再進行幾何換算。3.25濾片對34ec的信號強度在5~34nm波段由于有合適的濾片可用,故分別測試了有濾片和無濾片時高次諧波占基波的信號強度比例。該波段選用的濾片分別為同濟大學制作的Zr、Si3N4和Al。Zr和Al膜的厚度為200nm左右,Si3N4膜的厚度為100nm,為了阻擋雜散光和加強Si的吸收邊加鍍了50nm的Mo和200nm的Si。圖4是單色器光柵為1800l/mm,波長范圍為6~12nm,步長為2nm時,做探測器掃描得到的信號強度曲線。由圖可知隨著波長增加,一級衍射峰位角度隨之增加。圖5的上圖是12nm時探測器曲線,下圖是上圖虛線部分的放大,從放大圖上可以看到基波的一級衍射峰在1.7°,0.85°的小峰就是高次諧波的衍射峰。將高級次和基波一級衍射峰的信號強度積分相比后即可知高級次占的比例。同理可得到600線光柵覆蓋的13~34nm波段高次諧波的比例。為抑制高級次,研究中分別將Zr、Si3N4和Al濾片放置在TG前面重復上述實驗。圖6所示為波長20nm有Al濾片和無Al濾片時探測器強度曲線。從圖中可以清楚地看到Al濾片有效地抑制了高次諧波。對上述測試結果進行積分運算總結得到圖7所示的曲線。四條曲線分別表示了有濾片(曲線3)和無濾片(曲線1)、有濾片且經(jīng)過了探測器量子效率修正(曲線4)和無濾片經(jīng)過探測器量子效率修正(曲線2)后高次諧波占基波的比例。實驗結果還給出了三種濾片有效抑制高次諧波的各個波段,見表1。實驗結果顯示在5~15nm波段,即使不用任何濾片高次諧波的信號強度<7%。在5~34nm適當?shù)倪x用Al、Si3N4和Zr濾片能有效地抑制高次諧波,可將高次諧波占基波的信號強度比例控制在<14%,經(jīng)探測器的量子效率修正后高次諧波在6.5%以內(nèi)。3.33測信號強度曲線34~140nm波段是由SGM單色器的200線光柵覆蓋的。圖8給出的是單色儀輸出波長為40nm時,探測器繞Axis做角度掃描得到的信號強度曲線。以此為例可以看到這時高次諧波情況比短波時要復雜得多,基波的1/2、1/3、1/4波長都有衍射峰。更長波長時高次諧波的衍射情況更復雜,由于受分辨率的限制有些級次的衍射已無法分辨。在34~140nm波段,單色器步長取5nm,分別做探測器掃描,將在各波長點探測器掃描測得的信號強度曲線進行面積積分運算后可得高次諧波占基波的百分比,見圖9中的曲線1。曲線2為俄國P.N.LebedevPhysicalInstitute的SergeyV.Kuzin研究員在計量站用英國E2V公司生產(chǎn)的CCD和TG結合測得的高次諧波占基波的比例曲線。兩條曲線在波長>70nm時離散較大,可能是因為長波時基波的信號較弱,高次諧波的信號較強,CCD曝光時間差異引起的。SergeyV.Kuzin的實驗結果從側面驗證了本文的實驗結果。在115~140nm波段,還研究了利用MgF2窗在115nm左右的吸收邊抑制高次諧波的情況。圖10給出了單色器輸出波長為127.5nm時,有MgF2窗和無MgF2時探測器掃描測得的信號強度曲線。從圖可以看到MgF2窗非常有效地抑制了這一波段的高次諧波。無MgF2窗時高次諧波的信號強度已經(jīng)占了絕對的主導地位,而基波的信號強度很弱。有MgF2窗時,從探測器掃出的信號強度曲線上已經(jīng)看不到高次諧波的衍射峰了,基波的一級衍射峰凸顯出來,盡管這時基波的信號強度較小。由此可以認為單色器出射的115~140nm波長的光經(jīng)過MgF2窗濾波后高次諧波基本完全濾除了。4采用mgf2窗抑制高次諧波研究結果顯示計量線SGM分支的高次諧波在5~34nm可以用Zr、Si3N4和Al濾片抑制,使高次諧波占基波的比例<6.5%。115~140nm波段的高次諧波可以用MgF2窗得到有效的抑制,經(jīng)過MgF2