高纯度真空紫外波段的亚四分之一波长多层膜偏振元件研究

VUV (Vacuum ultraviolet) covers the majority of elements’ resonance lines, including L absorption line of H, He I line and O I line. Materials show great absorption in this wavelength range, which provides a sensitive tool to characterize component and structure of materials. It can be widely used in the fields of astrophysics, atmospheric physics, astronomy, etc. One can obtain the important information of material such as magnetic-optical property, thermo-optical property and phase transition by measuring the change of intensity and polarization state of the synchrotron radiation polarization light interaction with material. Under the impetus of Materials Genome Initiative of China, polarization elements working in VUV are required. In this project, employing sub-quarter wavelength multilayer combined with laterally gradual multilayer, a broadband polarizer continuously tunable in the wavelength range of 10-120nm will be developed. The design, fabrication and measurement of this sub-quarter wavelength multilayer polarizer will be investigated. This work will provide the technology support for synchrotron radiation polarization measurement facility and its applications. The new 3B1 beam-line of BSRF (Beijing Synchrotron Radiation Facility) is under construction, which can provide high-purity VUV light source without high order harmonic and technical support for the application of this project.

真空紫外波段覆盖了大量元素的共振线，包括了H的L吸收边，以及He I线和O I线，材料在该波段具有强烈的吸收特性，可为材料的成分与结构研究提供一种高灵敏的测量分析手段，在天体物理、大气物理、天文学等领域也有着广泛的应用前景。利用同步辐射的偏振特性,通过测量材料对光强和偏振状态的变化可以获得材料的磁光、热光、相位等重要信息。在中国材料基因组计划项目牵引下，急需大量应用于真空紫外波段的偏振元件。本项目拟采用亚四分之一波长多层膜与横向梯度多层膜技术相结合,实现 10-120nm 工作波长连续可调的宽带偏振元件,研究亚四分之一波长多层膜偏振元件的设计、制作和检测方法,为我国同步辐射真空紫外偏振测量装置及其应用研究提供技术支撑。北京同步辐射装置新建的3B1光束线可提供无高次谐波污染的高纯度真空紫外波段光源，为本项目申请提供了有力的技术支持。

随着高亮度，高偏振特性同步辐射光源的出现，人们利用同步辐射光的偏振特性在生物、化学、物理、材料科学以及计量学方面开展了广泛的应用研究。真空紫外波段覆盖了大量轻元素的共振线，可为材料的成分与结构研究提供一种高灵敏的测量分析手段；在天体物理、大气物理、天文学等领域有着广泛的应用前景。对于以上应用，最关键的就在于测量出光源本身以及待测信号的偏振度。.本项目围绕目前北京同步辐射装置应用需求根据“亚四分之一波长”选材原则，使用遗传优化算法，完成了非周期多层膜宽带偏振元件的设计。采用直流磁控溅射与射频磁控溅射方法研制了非周期宽带偏振光学元件，成功解决了薄膜溅射速率精确标定和不同材料间界面宽度的标定，成功制备了Mo/Si、Mo/Y、Sc/Si、MgF2/Si/SiC、MgF2/Si/Cr、MgF2/Al/SiC以及MgF2/Al/Si多层膜偏振元件；.利用合肥同步辐射光源，以及北京同步辐射装置，开展了偏振元件的表征测试。设计了应用于50-100nm波段的高次谐波滤光片，并应用于北京同步辐射装置3B1光束线上。主要测试结果为：Mo/Y, Mo/Si多层膜样品，在10°正入射条件下在10-25nm波段获取了30%的平均反射率。MgF2/Si/SiC多层膜样品在45°入射条件下在50-70nm波段获得了8.6％的S光平均反射率，平均偏振度为0.927；MgF2/Si/Cr多层膜样品，在60°入射条件下70-90 nm波段具有 19.1％的S光平均反射率，平均偏振度为 0.937；MgF2/Al/SiC 样品在45°入射条件下在 50-70 nm波段获得了7.1％的S光平均反射率，平均偏振度为0.925；MgF2/Al/Si多层膜样品，在60°入射条件下70-90nm波段具有 17.3％的S光平均反射率，平均偏振度为 0.931;.利用自行研制的多层膜偏振元件和MCP探测系统，首次完成了北京同步辐射装置3B1新光束线的偏振分析。对3B1新光束线进行了偏振特性的测试，经过对测试结果的拟合，得到了在50-90nm波段，在不起偏情况下，同步辐射输出光线偏振度约80%。使用多层膜偏振元件作为起偏器对入射光进行起偏后，测试得到线偏振度提高至约97%。对于线偏振度要求较高的实验，可以使用多层膜偏振元件对光束线进行起偏。多层膜起偏后的光束线可以为 BSRF 拓宽研究领域提供重要的研究手段。