Ученые ФИЦ ИПФ РАН создали технологию изготовления высокоточных зеркал на основе монокристаллического кремния. Это первая в России оптика, способная выдерживать мощные пучки рентгеновского излучения без ухудшения качества отраженных волновых фронтов, а также получать сфокусированные пучки размером в сотни нанометров. Этот результат получен в рамках выполнения грантов РНФ (№21-72-30029) и ФНТП «Синхротронные и нейтронные исследования».
Высокоточные зеркала из кремния востребованы на установках, где ожидаются высокие тепловые нагрузки, например, на станциях синхротронов 4-го поколения и лазерах на свободных электронах. В России к ним относятся введенный в строй в Новосибирске СКИФ и строящийся в Подмосковье СИЛА. Оптические элементы из других материалов неизбежно будут менять форму, ухудшая фокусирующие и спектральные свойства приборов. По сравнению с ними кремний обладает лучшими теплофизическими свойствами. Однако обработка кремния с ангстремными (атомарными) точностями, особенно его криволинейных поверхностей, до сих пор оставалась очень трудной задачей.
Научный коллектив отдела рентгеновской оптики Института физики микроструктур РАН (филиал ФИЦ «Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН») разработал свой набор методов обработки монокристаллического кремния и методик измерения. Методы включают стадию химико-механической полировки, ионно-пучковую обработку, обеспечивающую финальную полировку, придание исходно плоской или сферической поверхности требуемый сложный профиль (асферизацию) и коррекцию локальных ошибок формы. Также были разработаны алгоритмы и программное обеспечение для измерения формы поверхности подложек, чьи размеры превышают рабочую апертуру (диаметр лазерного пучка) интерферометра.
С помощью этих методик ученые изготовили зеркала для научных приборов российского синхротрона нового поколения СКИФ. Они представляют собой сверхгладкие плоские и криволинейные поверхности из кристаллического кремния с шероховатостью на атомарном уровне и с точностью формы до 1 нм. «Одна из проблем, которая возникает при обработке кремния с помощью других существующих технологий, – это невозможность контролировать снятие материала с различных участков заготовок с нанометровой точностью, да еще при сохранении шероховатости на атомном уровне, – объясняет заведующий отделом рентгеновской оптики ИФМ РАН, доктор физико-математических наук Николай Чхало. – Вторая проблема связана с необходимостью научиться измерять поверхности, существенно превосходящие по размерам рабочие апертуры интерферометров. Чтобы создать собственные методы обработки поверхностей из кремния, необходимо было решать обе проблемы совместно и параллельно».
Уже сейчас на основе полученных зеркал из кремния создаются первые приборы для синхротронов. В ближайших планах – научиться создавать такие сверхточные зеркала с размерами порядка одного метра и повысить точность до 0,5 нм. Это еще больше расширит возможности исследователей на синхротронных станциях. Кроме того, результаты исследования будут востребованы в задачах создания, например, коллекторов рентгеновского излучения для установок проекционной литографии.
Авторский коллектив: Ахсахалян А.А., Гарахин С.А., Глушков Е.И., Зорина М.В., Короткова Н.А., Малышев И.В., Михайленко М.С., Морозов С.С., Пестов А.Е., Петраков Е.В., Реунов Д.Г., Торопов М.Н., Чернышев А.К., Чхало Н.И., Беляев С.Н., Мальшакова О.А. (ИФМ РАН – филиал ИПФ РАН).
Публикации:
1. Petrakov E.V., et al., «Effective filtering of diffraction rings on surface maps of high-precision X-ray mirrors as reconstructed from high-coherence interferometry data», Optical Engineering 63, 114104 (2024).
2. Petrakov E.V. et al. «Metrology of the shape of large-size and aspherical x-ray mirrors with subnanometer accuracy», J. Surf. Investig (принята в печать).
3. Reunov D.G. et al., «Stand for certification of X-ray optical elements and systems for synchrotron applications», J. Surf. Investig (принята в печать).
4. M.S. Mikhailenko et al., «Microstructure of the subsurface layer formed in monocrystalline silicon during etching with Xe+ ions investigation», Appl. Surf. Sci. (under review)
5. A.E. Pestov et al., «A technique for forming substrates for grazing incidence X-ray mirrors with cylindrical surface profiles», Appl. Opt. (under review)
6. Михайленко М.С. и др. «Способ осесимметричной коррекции оптических деталей произвольной формы». Патент номер RU 2793080 C1. Приоритет 29.09.2022.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИПФ РАН
Источник фото: ИФМ РАН
