近日，多学科中心光学团队在此前已开发的大尺寸波前保持平面晶体加工工艺的基础上，利用自主研发的磁控小磨头技术成功制备出具有高质量内侧面的波前保持切槽晶体，并系统性地完成了离线表征及在线测试。
作为具有衍射极限水平的第四代光源，高能同步辐射光源（HEPS）的相干尺寸比典型的三代光源高出两个量级，为了在束线光学调控中保持全光束范围内的完美波前，要求将光学元件引起的波前的时间和空间扰动误差均控制在皮米水平，这对光学部件的稳定性和精度都提出了极高要求。切槽晶体单色器利用完整刚性切槽晶体内侧面的两次反射，天然具有极高的波前指向稳定性，但这类晶体加工的难度相比平面晶体要大很多，尤其是大尺寸波前保持的切槽晶体，则更加困难。
如图1所示，切槽晶体是将一整块完整的晶体按要求加工出不同沟槽，并利用沟槽的两内侧面作为衍射面的晶体。为了实现大尺寸的波前保持，要求切槽晶体内侧面必须具有高表面精度、无加工破坏层和低晶格应力，而这样的加工又需要在狭窄空间内实现。传统的光学加工手段无法适用，这极大限制了切槽晶体的应用。目前，国际上主要有美国的APS和日本的大阪大学、SPring-8开展了对高精度切槽晶体制备工艺的研究。APS的研究人员利用可深入狭小窄槽空间内的薄层磨盘，对切槽型晶体进行了机械化学抛光的研究。然而，由于薄层磨盘的受力变形，使得晶体表面加工精度较低，形貌上也存在明显的划痕和点状缺陷[1-3]；大阪大学及SPring-8利用复杂的等离子化学蒸发法（PCVM）实现切槽晶体加工[4-6]，但由于该方法需要晶体本身作为辅助电极，在加工大尺寸高晶格完美度的高阻晶体时受到了较大的限制[4]。
在HEPS和先进光源技术研发与测试平台（PAPS）等项目的部署下，多学科中心光学团队部分人员在李明研究员的指导下对切槽晶体展开攻关。团队成员洪振提出了一种磁控小磨头的加工方案，经过2年的技术攻关，并依靠李明提出的双刃波前检测方法[7]反复迭代，成功制备出大尺寸波前保持的高质量内侧面切槽晶体。
团队对自研切槽晶体系统性地进行了离线表征和在线测试。白光干涉仪检测显示内侧面的粗糙度达到0.6nm RMS（图2），电镜表征显示完美晶格基底上仅覆盖2.5nm厚的均匀SiO2层（图3）。在线测试结果显示其摇摆曲线宽度与理论值相符（图4），峰值反射率85.1%，接近于88.3%的理论极限；X射线形貌衬度均匀，消除了划痕及点状缺陷（图5）；两次衍射的波前误差达到130nrad（图6），满足了HEPS 光束线切槽晶体的技术要求。如表1所示，与国际产品相比，自研切槽晶体的技术指标总体上达到或优于国际水平。
参与此项工作的团队成员还有刁千顺、刘方、杨俊亮、李哲、连宏凯、贾全杰、杨福桂、石泓、张常睿、汪宇航等。接下来，团队还将进一步优化加工工艺及检测技术。
相关成果的文章已被Journal of Synchrotron Radiation 接收，并得到本领域权威专家Makina Yabashi教授的认可。
发表文章链接：https://journals.iucr.org/s/issues/2023/01/00/yi5130/index.html#BB29
图1 自研切槽晶体实物照片
图 2 表面粗糙度检测结果
图 3 表层微观结构电镜表征结果
图 4 在线摇摆曲线测试
图 5 在线X射线形貌照片
图 6 双刃法在线波前测试结果
表1 自研晶体与国际水平的参数对比
波前等效晶体面形误差RMS 130nrad, 波前高度误差RMS 13pm 左图为传统工艺，右图为磁控小磨头工艺
参考文献：
[1]. Khachatryan R, Tkachuk A, Chu Y S, et al. Open-faced Z-shaped channel-cut X-ray monochromator[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2004, 5537.
[2]. Khounsary A M, Macdonald C A, Kasman E, et al. SPIE Proceedings [SPIE SPIE Optical Engineering + Applications - San Diego, California, United States (Sunday 9 August 2015)] Advances in Laboratory-based X-Ray Sources, Optics, and Applications IV - The best of both worlds: automated CMP polishing of channel-cut monochromators[J]. 2015.
[3]. Kasman, Elina, Montgomery, et al. Strain-free polished channel-cut crystal monochromators: a new approach and results[C],2017.
[4]. Matsumura S, Osaka T, Inoue I, et al. High-resolution micro channel-cut crystal monochromator processed by plasma chemical vaporization machining for a reflection self-seeded X-ray free-electron laser[J]. Optics Express, 2020, 28(18): 25706-25715.
[5]. Hirano T, Osaka T, Sano Y, et al. Development of speckle-free channel-cut crystal optics using plasma chemical vaporization machining for coherent x-ray applications[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(6):063118.
[6]. Katayama T, Hirano T, Morioka Y, et al. X-ray optics for advanced ultrafast pump–probe X-ray experiments at SACLA[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2019, 26.
[7]. http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2022/202208/t20220822_6502250.html
[8]. Xue L, Luo H, Diao Q, et al. Quantitative X-ray Channel-Cut Crystal Diffraction Wavefront Metrology Using the Speckle Scanning Technique[J]. Sensors, 2020, 20(22): 6660.
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