一种Schwarzschild物镜焦平面定位装置及定位方法与流程

本发明涉及薄膜材料极紫外辐射损伤领域，尤其是涉及一种Schwarzschild物镜焦平面定位装置及定位方法。

背景技术：

在薄膜材料极紫外辐射损伤实验中，基于激光等离子体光源与Schwarzschild(施瓦兹希尔德)物镜相结合的方法搭建了一套薄膜材料极紫外辐射损伤实验平台，该实验平台中的Schwarzschild物镜工作在极紫外波段，数值孔径为0.2，放大倍率为20，焦深为20μm。为了将实验样品精确地放置于Schwarzschild物镜焦平面上，以获得最大的极紫外光能量密度，这就需要搭建一套精确定位Schwarzschild物镜焦平面的装置。由于Schwarzschild物镜的焦深仅为20μm，因此，要求实验样品在Schwarzschild物镜焦平面的定位误差在5μm范围以内。

目前，国外定位Schwarzschild物镜焦平面通常采用以下两种方法：刀口法测像面光斑大小和LiF色心实验确定焦平面。文献“Evaluation of the optical characteristics of the Schwarzschild x-ray objective”(Yoshinori Iketaki,Yoshiaki Horikawa,Shouichirou Mochimaru,and Koumei Nagai.OPTICS LETTERS.1994,19(23):1804-1806)公开了刀口法测像面光斑大小方法，具体是在沿横切光束传播方向上，利用刀口的边缘的平移来逐步地遮蔽光束，通过测量透过Schwarzschild物镜的激光强度大小，得到刀口边缘的位置函数，对该函数一阶求导就可以得到光束横截面的分布信息，由此确定Schwarzschild物镜像面光斑大小，并通过测量不同焦深位置处的光斑大小来定其聚焦平面位置。文献“Formation and direct writing of color centers in LiF using a laser-induced extreme ultraviolet plasma in combination with a Schwarzschild objective”(Frank Barkusky,Christian Peth,and Klaus Mann.Review of Scientific Instruments.2005.76:105102-1-105102-5)公开了LiF色心实验，具体是沿光束传播方向移动LiF样品，在不同焦深位置处对其进行激光辐照损伤实验，LiF材料受激光辐照损伤后其表面会产生色心，利用荧光共聚焦显微镜可以观测到LiF样品的色心产生的可见光光斑大小，通过分析其色心光斑大小的变化趋势来确定Schwarzschild物镜焦平面的位置。

但是，针对于精确定位Schwarzschild物镜焦平面的方法，刀口法测像面光斑大小方法由于Schwarzschild物镜焦平面位置处的光斑极小(3um左右)，无法精确的将刀口垂直放置在光束横截面上，从而对入射激光强度以及光斑大小的测量产生影响，导致无法精确地确定Schwarzschild物镜焦平面位置，并且该方法操作程序复杂，即使刀口方法确定了焦平面，也很难再把样品放在同一位置。LiF色心实验的方法由于LiF材料质软，易受潮气影响，不易保存，且LiF材料的色心需要在离线条件下利用荧光共聚焦显微镜来观测，不利于进行其他薄膜样品的极紫外辐照损伤实验。因此采用上述两种确定Schwarzschild物镜焦平面的方法并不适用于基于激光等离子体光源与Schwarzschild物镜相结合的极紫外辐照损伤实验。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种Schwarzschild物镜焦平面定位装置及定位方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种Schwarzschild物镜焦平面定位装置，该定位装置安装于极紫外辐射损伤实验平台上，所述极紫外辐射损伤实验平台包括主筒腔体、靶腔腔体、设置于靶腔腔体内的物理靶材、通过法兰连接所述主筒腔体和靶腔腔体的真空连接管以及真空泵，所述Schwarzschild物镜设置于主筒腔体内，所述定位装置包括：

LED照明组件，设置于主筒腔体内，产生LED光并聚焦；

样品移动组件，设置于LED照明组件和Schwarzschild物镜之间；

铝薄膜样品，固定于样品移动组件上，用于承受激光等离子体光源聚焦辐照损伤和LED光背光照明；

反射组件，与真空连接管连接，并插入真空连接管内，实现对Schwarzschild物镜反向放大成像光路的90°偏折；

探测组件，与真空连接管连接，用于根据所述反射组件反射的光路进行铝薄膜样品成像，确定Schwarzschild物镜的焦平面，所述探测组件和反射组件位于真空连接管的两侧；

计算机，分别连接样品移动组件和探测组件，控制样品移动组件的运动，并接收探测组件的成像信号。

所述LED照明组件包括LED光源和平凸透镜，LED光源发出的光经平凸透镜聚焦后照射至铝薄膜样品表面。

所述样品移动组件包括真空精密电控位移台和设置于真空精密电控位移台上的样品架，所述真空精密电控位移台与计算机连接，所述铝薄膜样品固定安装于样品架上。

所述真空精密电控位移台为三维位移台。

所述真空连接管的两侧壁分别连接有一短连接管和一长连接管，所述短连接管与反射组件连接，所述长连接管与探测组件连接。

所述反射组件包括螺旋式直线导入器和平面反射镜，所述螺旋式直线导入器通过法兰和无氧铜垫圈与真空连接管连接，所述平面反射镜连接于螺旋式直线导入器末端，对Schwarzschild物镜反向放大成像光路进行90°偏折。

所述探测组件包括石英玻璃窗口和CCD探测器，所述石英玻璃窗口通过无氧铜垫圈与真空连接管连接，所述CCD探测器对准石英玻璃窗口、设置于真空连接管外，且在CCD探测器工作时，CCD探测器到平面反射镜中心的光程和平面反射镜中心到物理靶材表面的光程相等。

所述主筒腔体与真空连接管之间还连接有波纹管。

所述铝薄膜样品包括SiO₂基板和镀制于SiO₂基板上的铝膜，所述铝膜厚度范围为50nm-100nm。

一种利用上述Schwarzschild物镜焦平面定位装置进行Schwarzschild物镜焦平面定位的方法，包括以下步骤：

1)旋转螺旋式直线导入器，移动平面反射镜至真空连接管的中心位置；

2)设置CCD探测器的位置，使得CCD探测器到平面反射镜中心的光程和平面反射镜中心到物理靶材表面的光程相等；

3)将做有针孔标记点的铝薄膜样品放置于样品移动组件上，计算机控制样品移动组件移动，使LED照明组件的光聚焦到铝薄膜样品表面针孔标记点位置；

4)计算机控制样品移动组件沿着Schwarzschild物镜的光轴方向移动，使CCD探测器探测到经Schwarzschild物镜放大以及平面反射镜反射后的铝薄膜样品表面针孔标记点清晰成像，将此时铝薄膜样品所在的平面初步确定为Schwarzschild物镜焦平面；

5)旋转螺旋式直线导入器将平面反射镜移出真空连接管的中心位置，使主筒腔体和靶腔腔体处于真空状态，关闭LED照明组件；

6)激光辐照物理靶材产生等离子体光，计算机控制样品移动组件移动，利用Schwarzschild物镜将等离子体光聚焦到铝薄膜样品表面，使铝薄膜样品仅在表面产生等离子体光辐照损伤，且沿Schwarzschild物镜不同焦深位置对铝薄膜样品的不同位置处进行激光等离子体光源辐照损伤实验；

7)再次旋转螺旋式直线导入器，移动平面反射镜至真空连接管的中心位置，打开LED照明组件，使LED照明组件的光聚焦到铝薄膜样品表面激光等离子体光源辐照损伤位置，利用Schwarzschild物镜对铝薄膜样品表面损伤进行反向放大成像；

8)CCD探测器探测铝薄膜样品表面损伤形貌像传送给计算机，计算机根据损伤光斑光强度大小随位置的变化趋势对步骤4)中初步确定的Schwarzschild物镜焦平面进行调整，确定Schwarzschild物镜焦平面最终位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用真空连接管外CCD探测器在线观测铝薄膜样品表面的损伤光斑形貌，通过分析铝薄膜样品表面损伤光斑光强度大小随位置的变化趋势确定Schwarzschild物镜的焦平面，从而保证薄膜材料极紫外辐射损伤实验研究的科学性与准确性，这种方法相对于刀口法测像面光斑大小和LiF色心实验方法简单方便，能极大的提高实验的效率。

2、本发明采用真空精密电控位移台，实现三个方向(x,y,z方向)的调节移动非联动，三者互不影响，有利于提高定位Schwarzschild物镜焦平面的精度和效率。

3、本发明中真空精密电控位移台通过控制计算机对铝薄膜样品进行精确移动，位移精度为20nm，提高了定位Schwarzschild物镜焦平面的精度。

4、本发明采用螺旋式直线导入器将平面反射镜精确导入导出真空连接管内的中心位置，对经Schwarzschild物镜反向放大的铝薄膜样品表面损伤光斑像进行90°偏折，其入射角为45°，使得CCD探测器可以在线探测铝薄膜样品表面的损伤光斑形貌，由此在线的定位Schwarzschild物镜焦平面的位置，定位精度为±5μm，定位精度高。

5、本发明的螺旋式直线导入器与短连接管连接处、长连接管与石英玻璃窗口连接处均有无氧铜垫圈，提高了连接密封性能，从而进一步提高定位精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明对铝薄膜样品表面损伤光斑形貌CCD探测器在线探测的结果图，相邻损伤点的样品位移量为5μm；

图1中，1为激光，2为物理靶材，3为法兰，4为氟橡胶密封圈，5为无氧铜垫圈，6为螺旋式直线导入器，7为平面反射镜，8为石英玻璃窗口，9为CCD探测器，10为波纹管，11为Schwarzschild物镜，12为真空精密电控位移台，13为样品架，14为铝薄膜样品，15为平凸透镜，16为LED光源，17为计算机，18为主筒腔体，19为靶腔腔体，20为真空连接管；

图1中x,y为坐标轴，z方向垂直于平面xoy。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种Schwarzschild物镜焦平面定位装置，该定位装置安装于极紫外辐射损伤实验平台上，极紫外辐射损伤实验平台包括主筒腔体18、靶腔腔体19、设置于靶腔腔体19内的物理靶材2、通过法兰连接主筒腔体18和靶腔腔体19的真空连接管20以及真空泵，Schwarzschild物镜11设置于主筒腔体18内，主筒腔体18、靶腔腔体19和真空连接管20的连接处用氟橡胶密封圈4来保证真空密封。

本实施例的定位装置包括LED照明组件、样品移动组件、铝薄膜样品14、反射组件、探测组件和计算机17。

LED照明组件设置于主筒腔体18内，产生LED光并聚焦，包括LED光源16和平凸透镜15，LED光源16发出的光经平凸透镜15聚焦后照射至铝薄膜样品14表面。LED光源16为白光光源，平凸透镜15焦距为50mm。

样品移动组件设置于LED照明组件和Schwarzschild物镜11之间，包括真空精密电控位移台12和利用定位销以及螺丝设置于真空精密电控位移台12上的样品架13，真空精密电控位移台12与计算机17连接，铝薄膜样品14固定安装于样品架13上。真空精密电控位移台12为三维位移台，位移精度为20nm。

铝薄膜样品14，固定于样品架13上，用于承受激光等离子体光源聚焦辐照损伤和LED光源背光照明。

探测组件和反射组件位于真空连接管20的两侧。真空连接管20的两侧壁分别连接有一短连接管和一长连接管，短连接管与反射组件连接，长连接管与探测组件连接。

反射组件与真空连接管20连接，并插入真空连接管20内，包括螺旋式直线导入器6和平面反射镜7，螺旋式直线导入器6通过法兰和无氧铜垫圈5与短连接管连接，平面反射镜7连接于螺旋式直线导入器6末端，对Schwarzschild物镜11反向放大成像光路进行90°偏折，其入射角为45°。螺旋式直线导入器6可以驱动平面反射镜7进行精确的直线运动，其作用是移入移出平面反射镜7，当对铝薄膜样品14进行激光等离子体光源辐射损伤实验时将平面反射镜7移出光路的位置中心，当利用LED光源16进行在线观测铝薄膜样品14表面损伤光斑形貌时将平面反射镜7移入光路的位置中心。

探测组件与真空连接管20连接，用于根据反射组件反射的光进行铝薄膜样品14成像，确定Schwarzschild物镜11的焦平面。探测组件包括石英玻璃窗口8和CCD探测器9，CCD探测器9是采集LED光源16辐照铝薄膜样品14损伤光斑形貌经Schwarzschild物镜11所成的像的设备，石英玻璃窗口8通过无氧铜垫圈5与长连接管连接，CCD探测器9对准石英玻璃窗口8、设置于真空连接管20外，且在CCD探测器9工作时，CCD探测器9到平面反射镜7中心的光程和平面反射镜7中心到物理靶材表面的光程相等。通过分析CCD探测器9测得的铝薄膜样品14表面的损伤光斑形貌变化趋势，确定Schwarzschild物镜11焦平面的具体位置。

计算机17分别连接样品移动组件和探测组件，控制样品移动组件的运动，并接收探测组件的成像信号。

主筒腔体18与真空连接管20之间连接有波纹管10，波纹管10主要的作用是便于法兰件3与主筒腔体18之间的连接与安装。

铝薄膜样品14包括SiO₂基板和镀制于SiO₂基板上的铝膜，铝膜厚度范围为50nm-100nm。

Schwarzschild物镜11、真空精密电控位移台12、平凸透镜15以及LED光源16固定在主筒腔体18内的适当位置上。Schwarzschild物镜11的数值孔径大小为0.2，放大倍数为20倍。Schwarzschild物镜11有两个作用：其一将激光等离子体光聚焦到铝薄膜样品14表面，使得铝薄膜样品14表面产生损伤；其二对LED光源16辐照铝薄膜样品14的损伤光斑形貌进行放大成像，具体流程如下：

铝薄膜样品14表面激光等离子体光源聚焦辐照损伤过程：激光1辐照物理靶材2产生的等离子体光经Schwarzschild物镜11聚焦到铝薄膜样品14表面上，通过移动真空精密电控位移台12的x，y方向可以得到一系列不同焦面位置的损伤光斑。

铝薄膜样品14的损伤光斑形貌放大成像过程：平凸透镜15对LED光源16发出的光聚焦到铝膜薄样品14表面的损伤位置处，铝薄膜样品14表面损伤光斑的形貌经过Schwarzschild物镜11放大后再经平面反射镜7进行反射，最后成像于CCD探测9上。通过计算机17分析铝薄膜样品14表面的损伤光斑光强度大小随位置的变化趋势，确定Schwarzschild物镜11焦平面的具体位置。图2为本发明装置对铝薄膜样品14表面损伤光斑形貌CCD探测器9在线探测的结果图。

利用上述Schwarzschild物镜焦平面定位装置进行Schwarzschild物镜焦平面定位的过程包括以下步骤：

1)旋转螺旋式直线导入器6，移动平面反射镜7至真空连接管20的中心位置；

2)设置CCD探测器9的位置，使得CCD探测器9到平面反射镜7中心的光程和平面反射镜7中心到物理靶材表面的光程相等；

3)将做有针孔标记点的铝薄膜样品14放置于样品移动组件上，计算机17控制样品移动组件移动，使LED照明组件的光聚焦到铝薄膜样品14表面针孔标记点位置；

4)计算机17控制样品移动组件沿着Schwarzschild物镜11的光轴方向移动，使CCD探测器9探测到经Schwarzschild物镜11放大以及平面反射镜7反射后的铝薄膜样品14表面针孔标记点清晰成像，将此时铝薄膜样品14所在的平面初步确定为Schwarzschild物镜焦平面；

5)旋转螺旋式直线导入器6将平面反射镜7移出真空连接管20的中心位置，打开真空泵使主筒腔体18和靶腔腔体19抽真空到5.0×10^-3Pa，关闭LED照明组件，利用真空精密电控位移台12横向移动样品到合适位置处，准备进行激光等离子体光源辐照损伤铝薄膜样品实验；

6)激光1辐照物理靶材2产生等离子体光，计算机17控制样品移动组件移动，利用Schwarzschild物镜11将等离子体光聚焦到铝薄膜样品14表面，使铝薄膜样品14仅在表面产生等离子体光辐照损伤，而SiO₂基板因其高损伤阈值不产生辐照损伤，且沿Schwarzschild物镜11不同焦深位置对铝薄膜样品14的不同位置处进行激光等离子体光源辐照损伤实验，具体地，沿物镜光轴y方向-50μm～+50μm范围内每隔5μm移动铝薄膜样品14一次，x方向每隔20um移动铝薄膜样品一次，每个位置处红外激光触发5发脉冲来对铝薄膜样品14进行等离子体光辐照损伤；

激光1为波长1064nm、脉宽7.8ns、能量为0.8J的红外激光，物理靶材2为圆柱形铜靶，通过激光1辐照物理靶材2来产生激光等离子光源；

7)损伤实验完成后，再次旋转螺旋式直线导入器6，移动平面反射镜7至真空连接管20的中心位置，打开LED照明组件，使LED照明组件的光聚焦到铝薄膜样品14表面离子激光辐照损伤位置，利用Schwarzschild物镜11对铝薄膜样品14表面损伤进行反向放大成像；

8)CCD探测器9探测铝薄膜样品14表面损伤形貌像并将其传送给计算机17，通过分析损伤光斑光强度大小随位置的变化趋势来确定Schwarzschild物镜焦平面位置，具体地，通过计算机17读取每个位置处损伤光斑的光强度信息，通过对光斑的光强度及其位置进行高斯拟合来确定Schwarzschild物镜11的焦平面位置。