激光等离子体光源在纳米成像领域和吸收谱领域的应用-基于紧凑型EUV/SXR激光等离子体光源

本篇短述主要介绍了基于双流气喷靶的激光产生(LPP) EUV和SXR等离子体光源的不同应用。这类光源可以由聚焦后的纳秒激光脉冲与双流气体喷靶相互作用，可以有效的产生真空极紫外（EUV）和软 X 射线（SXR）辐射。普通的商业化激光器（如单脉冲能量 ~1J，脉宽 3~4 ns）即可满足此类光源的要求。如果想要得到更高能量或更短波长的光源，可以选择单脉冲能量更高、脉宽时间更短（如单脉冲能量 ~10J，脉宽 ~1ns）的激光器。

过去的二十年里，此类光源在不断地发展，也应用到了不同领域，如计量学、全场 EUV 和 SXR 纳米成像，激光等离子体光谱，XAFS 谱学，聚合物表面改性，X 射线相干断层扫描等。本文主要介绍激光等离子体光源在纳米成像领域和吸收谱领域的应用。

在纳米尺度成像方面，一般有两种成像系统。分别利用 EUV 和 SXR 辐射在空间上获得纳米尺度物体的高分辨率图像。

在 EUV 全场显微镜中，其系统可实现纳米成像，工作波长为 13.8nm，空间分辨达到 50nm。该系统实验装置布局如图1所示。系统中采用 Mo/Si 多层膜椭球聚焦镜，将 EUV 聚焦并单色化到物体上。在透射模式下，利用菲涅耳波带片镜将放大后的图像传输到 EUV 敏感 CCD 相机上。最终，在一个非常紧凑的装置中，通过 EUV 射线，获得了样品（带孔的 Carbon/Au 箔）图像，如图2所示，其空间分辨率接近 50 nm。关于 EUV 显微成像实验细节可参考文献[1]。

图1 (a)方案;(b) EUV显微镜的实验布置

图2 穿孔碳/金箔EUV图像，其中a,c为Ar等离子体和b,d为Xe 等离子体照明。(c,d)为EUV图像中选中区域的放大单个孔洞细节

而 SXR 全场显微镜[2]中，其实验装置布局如图3所示。在该系统中，作者将脉宽 3ns，能量 0.74J 的 Nd:YAG激光，聚焦到双流气体喷靶上，由此产生软 X 射线。再用一种轴对称的、镀镍的掠入射椭球镜，将对软 X 射线有效的反射到样品处。其中，十字交叉的铜线置于椭球镜后方，用于阻挡直通光；200nm 厚的 Ti 滤片置于样品前，用于过滤、限制软 X 射线带宽，使其成为准单色光。再将物镜菲涅耳波带片置于样品后方，作为物镜将样品成像到后方的 CCD 相机上。最终，作者利用 2.88 nm 的软 X 射线，在相对较短(秒)的曝光时间内，获得了 ~60 nm 空间分辨率的图像，如图 4 所示。通过 SXR 图像，可以看到网格结构中的一些缺陷(在嵌入图像中放大，约 200nm 宽的特征)，而这些缺陷尺寸，已经超过可见光显微镜的理论衍射极限。关于 SXR 显微成像实验细节可参考文献[2]。

图3  SXR 显微镜系统的示意图(a)和实物图(b)

图4 (a)铜网的 SXR 图像，空间分辨率 ~ 60 nm。(b)铜网相同区域的可见光显微镜图像。 (c) 是 SXR 图像中白色方块区域的插图。

激光等离子体光源也可广泛应用于材料科学，比如 NEXAFS（近边吸收谱）和 EXAFS（扩展边吸收谱）。NEXAFS 一般可以给出价态、电子未占据态、吸收原子的局域结构、结构对称性及局域结构畸变缺陷等信息。EXAFS 则可以给出中心原子与配位原子的键长、配位数、无序度等信息。

在文献[3]中，作者对氪/氦靶激光等离子体光源的 1.5 ~ 5 nm 波长范围内，进行了有效的软 X 射线优化。并在透射模式下，测量结果揭示了 PET 薄膜碳 K-α 吸收边附近的特征。实验装置如图 5 所示. 基于图 5b 的双流气喷靶激光等离子体光源，有效的实现了氪气靶的软X射线输出。软 X 射线再进入整套设备的光谱仪部分。在光谱仪内部，软 X 射线通过 200nm 的 Ti，250nm 的 Al 以及 200nm 的 Zr 滤片之后，部分照射到样品上作为样品光束，部分直通光作为参考光束，再通过狭缝、反射光栅，最后有位置灵敏探测器记录，如图 5a 所示。

图5  a同时获取参考光谱和样品光谱的光学装置; b基于双流气喷靶的激光等离子体源NEXAFS实验系统方案

整个实验对光谱仪的校准也是至关重要。作者采用了不同的气体靶（SF6, N2, 和 Ar）光源对光谱仪进行能量刻度，如图 6 所示。

图6  a SXR光谱仪方案校准示意图; b用已知波长de 三种气体对光谱仪进行校准:SF6、N2和Ar ; c光谱仪校准曲线。

最后，作者通过氪/氦等离子体 SXR 光源在 10 秒内产生了 100 次脉冲，同时获得了 PET 箔样品光谱和参考光谱，如图 7 所示。更多实验细节可以参考文献[3]。

图7 用100次 SXR脉冲获得1 μm厚的PET箔上光谱。

在上述的等离子体纳米成像和吸收谱中，大量采用了不同的光学部件，包括但不限于 Mo/Si 多层膜片、椭球聚焦镜、菲涅尔波带片、光栅、CCD 相机等等。众星联恒致力于引进高端的 EUV/SXR/X 射线产品、提供定制化的 EUV/SXR/X 射线解决方案以及新孵化高新技术产品，为中国同步辐射，研究所，高校及高端制造业的客户提供优质的咨询及解决方案。

关于 Mo/Si 多层膜片：13.5nm Mo/Si 多层膜、高性能极紫外光学元件：实测反射率高达70%

关于聚焦镜：以创新为先导，聚焦EUV极紫外/X射线光学器件的研发- 捷克RITE

关于菲涅尔波带片：NTT-AT X射线菲涅尔波带片加工技术及在显微成像技术中的应用

关于光栅：当LIGA技术与光栅法X射线相衬成像相遇

关于CCD相机：全新升级|全帧转移深度制冷，高性能科研级CCD 相机

参考文献

[1] P. W. Wachulak, A. Bartnik, H. Fiedorowicz, J. Kostecki, “A 50nm spatial resolution EUV imaging–resolution dependence on object thickness and illumination bandwidth”, Opt. Express 19, 10, 9541–9550 (2011)

[2] P. Wachulak, A. Torrisi, M. F. Nawaz, A. Bartnik, D. Adjei, Š. Vondrová, J.ana Turňová, A. Jančarek, J. Limpouch, M. Vrbová, H. Fiedorowicz, “A Compact “water window” microscope with 60 nm spatial resolution for applications in biology and nanotechnology”,Microscopy and Microanalysis 21, 5, 1214-1223 (2015)

[3] P. Wachulak, M. Duda, T. Fok, A. Bartnik, Z. Wang, Q. Huang, A. Sarzyński, A. Jancarek, H. Fiedorowicz, ‘Compact system for near edge X-ray fine structure (NEXAFS) spectroscopy using a laser-plasma light source’ Materials 11, 1303(2018)