Широкополосные зеркала для экстремального ультрафиолетового диапазона на основе многослойных стековых структур

Учёные Института физики микроструктур РАН – филиала ИПФ РАН разработали широкополосное молибден-кремниевое (Mo/Si) зеркало для работы в диапазоне длин волн 17–21 нм, необходимое для спектрогелиографа солнечной обсерватории КОРТЕС. Спектрогелиограф позволяет регистрировать спектры излучения солнечных вспышек, микровспышек и выбросов корональной массы. Зеркало является важнейшим элементом спектрогелиографа, поскольку именно оно определяет спектральный диапазон прибора.

Главной проблемой, которую было необходимо решить при создании зеркала, является обеспечение одинакового коэффициента отражения в широком спектральном диапазоне. Применяемые в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (ЭУФ) зеркала используют дифракцию Брэгга и состоят из периодически чередующихся слоёв двух материалов с различными показателями преломления. Отражение от такой структуры носит резонансный характер и, следовательно, происходит в относительно узкой спектральной полосе.

Необходимую широкую рабочую область могут обеспечить непериодические структуры. Математический поиск оптимальных параметров зеркала с такой структурой сводился к минимизации функционала, который рассматривается как функция толщины слоёв. Однако изготовление структуры, в которой каждый слой имеет свою толщину, технологически сложно и требует значительных затрат времени на настройку производственной аппаратуры, а неизбежные отклонения от заданных значений толщин слоёв критическим образом влияют на коэффициент отражения.

Было предложено использовать набор из нескольких периодических зеркал, нанесённых друг на друга, технология производства которых хорошо отработана. Расчёты показали, что для структур Mo/Si, состоящих всего из трёх периодических зеркал, можно добиться равномерного отражения в требуемом для спектрогелиографа спектральном диапазоне.

Образцы синтезировались методом магнетронного распыления в атмосфере аргона при давлении 10^–3 Торр. Отражательная способность зеркал изучалась на рефлектометре, оснащённом спектрометром Черни-Тернера высокого разрешения. Источником ЭУФ излучения служила высокоионизированная плазма, генерируемая при воздействии мощного лазерного излучения на твердотельную мишень.

Если измеренные отражательные характеристики зеркала отличаются от расчётных значений, необходимо определить реальные параметры зеркала, чтобы скорректировать технологический процесс. На практике изготовление многослойных зеркал является итеративным процессом, поэтому быстрая и правильная характеризация зеркал выходит на первый план. Для структур Mo/Si, состоящих из трёх периодических зеркал, нанесённых друг на друга, удалось добиться равномерного отражения на уровне 16% в спектральном диапазоне 17–21 нм с хорошей воспроизводимостью.

Предложенная методология также использовалась для разработки структуры молибден-бериллий. Это широкополосное зеркало состоит из 6 периодических зеркал, работает в диапазоне 11,1–13,8 нм с отражением на уровне 12% на основе которого был собран стигматический спектрограф нормального падения, где зеркало выполняло функцию фокусирующего элемента.

Исследования показали, что стековые зеркала весьма удобны с точки зрения скорости производства и сертификации.

Авторский коллектив: М. М. Барышева, Н. И. Чхало, С. А. Гарахин, В. Н. Полковников, Н. Н. Салащенко, Р. М. Смертин, М. В. Свечников.