撰稿 | Eva（中科大，博士生）

X射線反射鏡作為將同步輻射光束反射到目標的重要光學儀器之一，廣泛應用于大型同步輻射設施中，為生命科學、材料科學、地球科學、環境科學等領域的許多研究成果做出了貢獻。

圖1：英國“鉆石”同步輻射光源（簡稱：鉆石光源）

拓展：鉆石光源是英國的國家同步輻射加速器。它就像一個巨大的顯微鏡，利用電子的力量產生明亮的光，這臺機器將電子加速到接近光速，從而發出比太陽亮 100 億倍的光。這些明亮的光束然后被引導到稱為“光束線站”的實驗室。在這里，科學家們可以用它來研究從化石到噴氣發動機再到病毒和疫苗的任何事物。

X射線是一種波長非常短的電磁輻射形式，范圍在0.01納米到10納米之間，根據波長與能量的關系，波長越短的攜帶的能量越大，這就使得X射線具有穿透物質能力。

因此，X射線反射鏡不同于我們熟悉的反射可見光的反射鏡，為了實現X射線不會穿透反射鏡而是從反射鏡表面發生反射，X射線相對反射鏡的入射角度必須是掠入射（補充說明：指X射線以很小的角度入射到一個平面，一般指1度以下）。如果X射線反射鏡表面存在高度誤差，將不可避免的破壞波前并降低聚焦性能。

因此，X射線反射鏡對高度誤差要求極其嚴格。對于最苛刻的X射線應用（如極端能量分辨率或納米聚焦）所需的高度誤差通常低于1納米。因此X射線反射鏡的制造和檢測計量都存在巨大的挑戰。

鑒于此，英國鉆石光源的研究人員提出了一種激光散斑角測量（SAM）技術，該技術基于散斑成像的新型納米計量技術，結合先進的跟蹤算法，X射線鏡的制造誤差的測量精度可達20納弧度（均方根），此前的技術獲得的極限是50納弧度（均方根），在精度上獲得極大的提升可以為下一代X射線反射鏡的開發發展了新的可能性。

該成果以“Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement”為題發表在 Light: Science & Applications。

研究人員使用了一種眾所周知的技術——散斑成像（名詞解釋>）。

基于散斑的計量儀器 SAM 是一種緊湊、低成本的儀器，容易與大多數其他現有的X射線鏡計量儀器集成。重要的是，它允許以納米級精度對二維強曲面鏡進行準確測量，這是大多數現有計量儀器所缺乏的一項功能，并且該技術彌補了X射線在其能力方面所面臨的差距。

圖2：散斑角測量裝置的整體示意圖

“如果你不能測量它，你就不能改進它”這句話在超拋光X射線反射鏡的制造和表征中尤其正確。

圖3：Hongchang Wang（左）指導博士生Simone Moriconi(右)進行SAM裝置調試

隨著現有X射線鏡測試技術的改進，整個計量學界都取得了重大進展，而研究人員提出的這項技術方案可以為X射線鏡制造商和用戶提供更高的檢測質量。

應用SAM技術的X射線反射鏡將廣泛應用于同步輻射加速器、X射線自由電子激光器和天文X射線望遠鏡等大型國家物理設施。同時，該技術不僅限于同步加速器X射線反射鏡，還可以應用于其他領域的自由曲面光學和高質量反射鏡，例如極紫外光刻和激光點火。后續，研究人員計劃進一步提升設備的穩定性、堅固性、以及數據采集和處理能力。

論文信息：

Wang, H., Moriconi, S. & Sawhney, K. Nano-precision metrology of X-ray mirrors with laser speckle angular measurement. Light Sci Appl 10, 195 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00632-4

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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