极紫外与X射线(XUV)是波长0.1-50 nm的电磁波，基于XUV的光学系统和装备为物质微纳结构及其演化规律的精密探测提供了重要手段，对大科学装置建设、可控聚变技术进步，高能空间观测和高端科研仪器发展等有重大作用。然而，XUV波长短，器件的微观形貌误差尺度接近XUV波长，且与系统宏观结构误差相互耦合，给高精度制造和装调带来了挑战，传统光学技术难以满足XUV系统的需求。
为此，同济大学精密光学工程技术研究所（IPOE）开展了二十余年的研究，建立了XUV薄膜器件和系统的全链条研发平台。来自IPOE的王占山、张众、黄秋实、伊圣振等人在《中国科学：物理学 力学 天文学》上发表综述文章《极紫外与X射线高精度薄膜光学系统关键技术及应用》，介绍了IPOE在XUV薄膜光学系统领域的研究成果。
文章首先介绍了XUV薄膜光学系统的仿真设计理论。由于XUV波长短，薄膜器件表界面亚纳米尺度的粗糙度会显著影响散射和反射性能，传统的散射反射计算模型存在误差。为此，团队提出基于一阶微扰理论的小角掠入射XUV散射解析模型，揭示了不同频谱粗糙度对XUV性能的影响。基于上述理论，团队建立了包含表界面缺陷的薄膜器件效率计算方法，发展出带有多层膜反射光谱信息的光线追迹模型，研究了XUV多层膜镜和望远镜系统的结构和装配误差等对性能的影响。此外，为了更准确地模拟带有面形误差的嵌套式X射线望远镜，团队提出掠入射三维光线追迹方法，能提供更真实的望远镜性能模拟，并与实测结果一致（图1）。
文章接下来介绍了高反射率高精度XUV薄膜元件的制造技术。团队综合X射线驻波场、原子力显微、透射电子显微等技术，实现了XUV多层膜膜层和界面形貌的精确表征。通过引入原子阻隔层、反应溅射、不互溶材料组合等方法，有效抑制界面缺陷，提高反射率。XUV薄膜元件的尺寸可达数百毫米甚至1米级，膜厚均匀性达到几十皮米（图2）。为实现超高的薄膜元件形貌精度，团队发展了子孔径拼接检测方法和离子束修形等确定性加工技术，将反射镜元件的形貌误差收敛至纳米级或亚纳米级。在此基础上，团队进一步将XUV多层膜与微纳光栅相结合，研制了高效率的多层膜光栅新元件。Cr/C多层膜闪耀光栅在3–4 keV波段的衍射效率达到60%，是传统单层膜光栅效率的40倍，显著提升了光源韧X射线束线站的光子通量和成像性能。
基于上述核心薄膜元件的自主研制，团队开展了XUV薄膜光学系统的集成与装调技术研究。Kirkpatrick-Baez (KB) 显微镜是一种典型的掠入射XUV光学系统，其多参数敏感的光学特性与极端瞬态变化的诊断对象难以有效耦合，难以实现应用。团队深入研究了多通道物镜结构对掠入射X射线KB 成像的影响规律，提出了新型多通道KB显微镜结构，发展了多通道物像关系的精准控制和快速复现方法，解决了KB显微镜的研制和应用难题。在EUV波段，多层膜光学系统可工作在正入射条件。对此，团队发展了基于可见光逆向成像的装调方法，在13.5nm波长获得了200nm的轴上成像分辨率。针对X射线空间观测用嵌套式掠入射望远镜，团队建立了薄镜片复制成形、曲面镀膜、高精度镜片装配和综合性能评估等全链条技术体系，基于热弯成形工艺成功研制了嵌套式X射线望远镜样机，分辨率达到58″，与美国NuSTAR望远镜精度相当。基于上述技术，团队研制的KB掠入射成像系统广泛应用于我国强激光装置物理实验，显著提升了等离子体X射线诊断的精密化水平。作为光机总体单位联合研制的46.5nm极紫外太阳成像仪载荷（SUTRI）实现了我国首次太阳过渡区成像探测（图3）。
未来，团队将致力于研发高精度、抗损伤、复杂曲面的新型薄膜器件和具有更高分辨、更大视场的XUV光学系统，为我国XUV光学领域重大工程应用的发展和前沿科学的进步提供关键系统和技术支撑。
Wang Z S,Huang Q S, Yi S Z, et al. Technology development and applications of highprecision extreme ultraviolet and X-ray thin film optical systems (in Chinese).Sci Sin-Phys Mech Astron, 2024, 54: 114202, doi: 10.1360/SSPMA-2024-0114