极紫外-真空紫外薄膜光学元件

封面解析：

封面展示了一种高性能极紫外薄膜光学反射镜结构优化的方法。通过在薄膜界面处引入阻隔层，有效抑制界面扩散，提高了薄膜反射率。同济大学光学精密光学工程研究所还使用不互溶材料、反应溅射和重离子溅射等多种界面生长调控方法，根据不同应用需求研制多种高性能薄膜反射镜，并在大型地面科学装置及空间天文观测设备中应用。

封面文章| 齐润泽; 张锦龙; 吴佳莉; 李双莹; 黄秋实; 张众; 王占山; 极紫外-真空紫外薄膜光学元件研究[J].光学学报, 2022, 42 (11):11134003.

导读

《光学学报》于2022年42卷第11期推出“真空紫外与X射线光学”专题，同济大学物理科学与工程学院王占山教授团队特邀综述“极紫外-真空紫外薄膜光学元件研究”被选为本期封面文章。

极紫外-真空紫外高性能薄膜光学元件大幅提升了高精度观测能力，助力了天文、材料、物理等学科发展。同济大学精密光学工程技术研究所根据不同应用需求以及薄膜材料自身物理化学特性，开展了针对高性能极紫外-真空紫外薄膜光学元件的广泛深入研究，并简要介绍了在极紫外-真空紫外薄膜光学元件研制工作中取得的进展。

1、研究背景

极紫外-真空紫外光波长短，由此衍生出极紫外显微技术和极紫外光刻技术。该波段包含大量元素的原子共振线，易与物质发生相互作用产生特征谱线，由此发展出多种谱学分析方法，在材料分析、等离子体诊断等领域广泛应用。

宇宙中天体也辐射出大量极紫外-真空紫外谱线，开展对该波段的观测可以了解天体活动规律，解析物理过程。极紫外-真空紫外薄膜光学元件作为极紫外-真空紫外光学系统的核心元件之一，其性能决定了对极紫外-真空紫外光的应用能力和观测水平。

极紫外-真空紫外薄膜光学元件结构尺度小，制备难度大。如何抑制纳米膜层界面缺陷，提升反射效率，同时提高薄膜环境适应性，延长工作寿命，是提升极紫外-真空紫外反射镜性能的核心问题。

2、极紫外-真空紫外薄膜光学元件

为满足极紫外-真空紫外薄膜光学元件的多种应用需求，国内外开展Mg基薄膜、Al基薄膜、Sc基薄膜等多种薄膜的研究，发现在纳米膜层界面处，原子扩散、化合、结晶等造成的界面缺陷是影响反射率的主要问题；由于Mg、Al、Sc等材料化学性质活泼，易被氧化、工作寿命短，提升薄膜光学元件的稳定性，延长工作寿命成为另一研究热点。

同济大学精密光学工程技术研究所在近二十年的研究过程中，揭示了造成膜层界面缺陷的不同物理化学机制，针对性地发展了引入界面阻隔层、不互溶材料、反应溅射和重离子溅射多种界面生长调控方法，大提升了极紫外-真空紫外薄膜光学元件的反射效率和稳定性。Mg基多层膜是25~40 nm波段理论光学性能较高的薄膜材料，其中Mg/SiC多层膜受制于界面扩散严重且易被氧化，实际反射率低、寿命短。我们引入阻隔层Zr有效抑制界面扩散，30.4 nm近正入射反射率从41.4%提升至45.6%；并在其表面加入Al-Mg合金保护层，有效隔绝空气中的水和氧提高了Mg/SiC多层膜的稳定性。

图1 插入不同厚度Zr阻隔层的Mg/SiC多层膜的极紫外反射率曲线图

为满足50万度太阳高过渡区Ne VII（46.5 nm）动态成像观测需求，Sc/Si多层膜需缩窄带宽并保持较高反射率。我们调整Sc层的厚度占比，减小了Sc/Si多层膜的带宽，实测反射率37.9%，带宽3.68 nm，为我国太阳高过渡区Ne VII（46.5 nm）动态成像观测提供了技术保障。

图2 γ_Sc=0.65的Sc/Si多层膜的极紫外反射率曲线

50~90 nm波段包含了Ne VIII（77/78 nm）、O V（76 nm）等多条谱线，在空间观测、生命科学等领域有着重要的意义和需求。Yb/Al多层膜在50~90 nm波段具有很好的理论反射率，我们设计并制备了Yb/Al多层膜。通过对Yb/Al多层膜内部微结构的研究，发现界面扩散和极差的抗氧化能力是限制其广泛应用的主要问题。并尝试通过优化制备工艺和加入SiC保护层，提升稳定性。在105~130 nm波段，Al是真空紫外薄膜反射镜的首选材料，我们使用分步沉积的方式先后制备了Al/eMgF2薄膜和Al/LiF/eMgF2薄膜，大幅提升了其工作寿命，同时反射率也维持在了较高的水平（>60%）。

图3 Al/LiF/eMgF2镜在105~130nm波段的反射率曲线

针对太阳高层大气磁场的观测中对H Lyman α（121.6 nm）谱线的谱分辨观测需求，我们设计并制备了LaF3/MgF2窄带反射滤波器，波长122 nm处近正入射反射率约65%，带宽为8 nm。

图4 LaF3/MgF2膜在105~130 nm波段的反射率曲线

3、未来展望

同济大学精密光学工程技术研究所建立了系统的薄膜光学元件分析与检测方法，形成了完备研制体系，其极紫外-真空紫外薄膜光学元件研制能力已达国际先进水平，未来将立足新材料与新方法，面向国内重大需求，继续开展极紫外-真空紫外薄膜光学元件的研究工作，为我国极紫外-真空紫外光学技术及应用提供有力的技术支撑。

“真空紫外与X射线光学”专题介绍

真空紫外到X射线是电磁波谱中波长比较短的部分，包含真空紫外、远紫外、极紫外、软X射线和硬X射线。近年来，真空紫外与X射线光学有关的光源、光学元件、系统和探测器及其相关应用均得到了国内外该领域学者和研究团队的广泛关注。为了使广大读者和相关领域人员能够更加深入地了解该领域的重要研究成果及最新进展，进一步促进相关学科的交叉融合发展与学术交流。为此，在组稿专家王占山教授、王峰研究员、江怀东教授、黄秋实教授的积极邀请和组织下，《光学学报》编辑部于2022年42卷第11期精心组织了“真空紫外与X射线光学”专题，特邀请国内二十多位相关领域的专家和团队，结合该领域的代表性研究成果，撰写研究综述或者最新研究工作进展。本专题共收录25篇论文，其中特邀论文15篇，内容涵盖了光源、光学元件和系统、探测器、显微成像方法、大科学装置应用等方面的内容，希望能够借此专辑，给相关领域的广大研究人员提供有益参考，促进大家合作交流。

专题链接如下：https://www.opticsjournal.net/Journal/gxxb/2022/42/11.cshtml