多层膜聚光镜对Schwarzschild显微镜成像均匀性的影响

　  极紫外(EUV)与软X射线成像是等离子体诊断研究的重要手段[1-3]。早在20世纪80~90年代,法国和美国就已利用正入射的Schwarzschild型显微镜研究激光与物质的相互作用过程,研究了等离子体的加热、膨胀及等离子体辐射均匀性等物理现象[4-6]。Schwarzschild型显微镜在生物医学、纳米制造和材料科学等领域也得到了广泛的应用。Schwarzschild型显微镜具有无色差、成像质量高、有效聚光面积大等优点。由于Schwarzschild系统的主镜和副镜同轴,物镜存在中心遮拦,在数值孔径范围内,作为背光源的极紫外光不能全部被主镜接收,而是一部分被副镜遮拦了,这就导致背光成像时像面中心产生阴影区,阴影区的大小与等离子体光斑尺寸和光源-物点间距有关,仅通过改变等离子体光斑尺寸或光源与物点间距无法完全消除阴影区,而且物点靠近光源会引起系统成像视场变小。为了使像面光强分布均匀,并且不影响系统有效视场,需要Schwarzschild系统的背光照明方式进行改进。因此,本文在深入分析物镜中心遮拦对像质影响的基础上,提出了多层膜聚光镜的解决方案,并进行了成像实验,成功消除了像面中心阴影,改善了像面光强分布均匀性。

    1　中心遮拦对像面均匀性的影响

　　Schwarzschild显微镜属于典型的正入射两镜结构,物镜由一块凹面镜(主镜)和一块凸面镜(副镜)组成,光路结构见文献由于主镜和副镜同轴物镜存在中心遮拦遮拦比为[7]物镜的入射光瞳是环状光瞳,进行成像实验时,在物镜数值孔径0.1范围内,背光照明网格的光部分被副镜遮拦,从而该部分光无法参与成像,光线的传播(仅入射光线)如图1所示。

　  从图1可以看出,在主镜决定的孔径角范围内,激光等离子体产生的EUV光部分被副镜所遮拦。在p1所限制范围内的网格能够被光线照亮,并且照亮该区域的光能够被主镜接收到,所以,p1即为网格能被Schwarzschild物镜成像的物方视场。大于p1所限制范围的网格经背光照明后的光线落在D区,网格无法成像。网格的中央部分(即p3限制的范围内)能够被EUV光照明,但是该照明网格的光全部被副镜遮拦,光线落在入射光瞳内A区。而照明网格p2和p3之间区域的光线部分被副镜遮拦,在像面形成渐晕,即对应图1中的B区。所以Schwarzschild系统进行成像时会导致像面中央区域亮度明显低于其它部分,而且会产生渐晕区。图2(a)是网格距离激光等离子体光源6 mm时,网格经Schwarzschild显微镜所成的像,图像对应的物方视场为1.2 mm,在物方视场范围内可以清晰地分辨出5μm的网格线。但是像面光强度分布明显不均匀,边缘部分图像明亮,而中心出现明显的暗区,暗区的直径约200μm,这是由照明这部分网格的光线被副镜遮拦所引起的。图2(a)中暗区和边缘亮区之间的环状部分为渐晕区,这是由于照明网格中该部分的光线被副镜部分遮拦的原因,这和理论分析的一致。