Name: 使用2-D棋盘相位光栅X射线束相干测量沿多个方向 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-10-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 39 s
Description: 了解使用二维棋盘相位光栅干涉测量法在同步辐射光源上测量X射线束横向相干性的方法。该技术可在多个方向上同时测量相干特性，为X射线光学表征提供有效方案。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

使用美国能源部（DOE）科学办公室委托阿贡国家实验室运行的先进光子源和纳米材料中心（科学办公室用户设施），由美国能源部根据合同号 DE-AC02-06CH11357 提供支持。我们感谢美国马里兰州贝塞斯达市国立卫生研究院下属国家心肺血液研究所（NHLBI）的韩文博士（Dr. Han Wen）在数据处理过程中提出的诸多有益建议。

1. 实验设计
<ol>
	<li>确定同步辐射光束线。联系光束线科学家，确认该光束线是否适合开展本实验。 
	注：本文报道的实验在APS的XSD下属1-BM-B光束线完成，该光束线专用于光学元件和探测器测试。</li>
	<li>提交用户提案及光束时间申请。</li>
	<li>与光束线科学家共同商定实验细节，并明确所需仪器设备，包括用于光栅和探测器对准的电动位移台、二维探测器（CCD或CMOS）、长行程平移台，以覆盖探测器与相位光栅之间所需的最近和最远距离。</li>
	<li>根据相关网站提供的指引准备光束时间实验，完成安全培训及必要的实验安全评估表单。</li>
</ol>
二维棋盘格相位光栅的制备
<ol>
	<li>确定光栅的周期， p，这与干涉图样周期相关 p&#952;，沿不同的横向方向角度 &#952;可见度值， V&#952;(d干涉图沿不同方向的 &#952; 角度随光栅到探测器距离的变化而振荡 d. 
	对于一个二维棋盘格 &#960;/2 相位光栅 V&#952;(d）在特定距离处达到峰值， 
	<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq1.jpg" /> 
	与 n = 1, 2, 3&#8230; 和 &#955; 光子波长。干涉图样具有特定的周期， p&#952; = p/&#8730;2 沿方形块的对角线方向及一个周期 p&#952; = p/2 沿方形块的边缘。该选择取决于 p 因此依赖于以下标准。</li>
	<li>确保至少几个 V&#952;(d）峰位于光栅到探测器的最大距离范围内，或实验站的空间限制范围内 d最大值. 为了满足 dn&#952; &#60; d最大值，它遵循 
	<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq2.jpg" /> 
	对于 n = 5, d最大值 = 1 米， &#955; = 0.06888 nm（18 keV），可得到 p&#952; &#60; 3.9 &#181;m</li>
	<li>在……之内 d最大值，确保高度的 V&#952;(d最大距离处的峰 dn,&#952; 小于一个因子 &#947; 第一个的 V&#952;(d峰 d1,&#952; 以获得准确的高斯衰减函数拟合。因此， &#947; = V&#952;，n(d) / V&#952;,1(d）即 n 的比值th 峰值可见度至第一个峰值。对于具有相干长度的高斯强度分布X射线源， &#958;&#952;，一个周期的 &#960;/2 相位光栅需要满足 
	<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq3.jpg" /> 
	例如，使用 &#947; = 10%, &#958;&#952; = 5 &#181;m 及上述参数，可得出 p&#952; &#62; 2.4 &#181;米</li>
	<li>确保干涉图样周期， p&#952;，通过选择合适的探测器系统，可使其略大于探测器的空间分辨率数倍。</li>
	<li>测定厚度， T光栅产生相位移动所需的， &#966;在X射线光子波长下 &#955;，使用 
	<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq4.jpg" /> 
	其中 &#948; 是相位移动材料的折射率减量。例如，金（Au）的折射率减量为9.7&#215;10-6 18 keV 时的金（Au）厚度为 &#966; = &#960;/2 相位光栅因此为 1.8 &#181;m</li>
	<li>在氮化硅（Si₃N₄）基底上，通过在图案化的聚合物模具中电镀金（Au）来制备相位光栅。3N4窗口 
	注意：氮化硅（Si₃N₄）的制备步骤3N4) 窗口基底的制备及光栅结构的加工方法如下所述。
	<ol>
		<li>通过先释放Si来制备基底3N4 膜以形成X射线透明窗口。</li>
		<li>获取低应力硅（Si）晶圆&#60;250 MPa）Si3N4 由供应商在晶圆两侧沉积</li>
		<li>将晶圆装入磁控溅射沉积系统，沉积铬（Cr）和金（Au）作为电镀基底。</li>
		<li>在晶圆的一侧按照制造商说明沉积5 nm的Cr，然后沉积30 nm的Au。 
		注意：系统制造商提供的沉积工艺将包含沉积速率等信息。</li>
		<li>从沉积设备中取出晶圆。使用已沉积铬（Cr）和金（Au）的一侧进行光栅制备。</li>
		<li>确定光栅的总体尺寸，然后设计一块光刻掩模，用于制备略大的膜图案。根据该设计，通过向供应商购买或自行制备的方式获取光刻掩模。</li>
		<li>离心3-&#181;在晶圆背面无Cr和Au镀层的区域涂覆一层光刻胶。使用设计好的光刻掩模，通过紫外光刻设备曝光20秒。随后在碱性水溶液显影剂中显影30秒，去离子水冲洗，并用流动的N₂吹干。2.</li>
		<li>将带有光刻胶图形的晶圆装入反应离子刻蚀（RIE）设备中，光刻胶面朝向腔室。使用CF4 等离子体刻蚀暴露的硅3N4 遵循工具说明。</li>
		<li>抽空刻蚀腔室并将刻蚀程序输入RIE设备。运行该程序直至硅3N4 层被完全刻蚀，图案中暴露出Si层。</li>
		<li>将晶圆背面暴露的硅浸入加热至80℃的30% KOH溶液中进行刻蚀 &#176;C 下约 8 小时。蚀刻速率约为 75 &#181;m/hr，使用所述配方。</li>
		<li>二氧化硅刻蚀完成后，用去离子水冲洗，并用流动的氮气吹干2样品已准备好用于光栅制作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用以下步骤制备相位光栅的电铸模具。
	<ol>
		<li>设计方形棋盘格光栅图案，并通过将曝光的方形图案尺寸减小100–250 nm来补偿图案偏置。包括一个 &#62;50-&#181;用于后续工艺中确认光栅图案厚度的 m 宽边框。</li>
		<li>将样品装入抗蚀剂旋涂仪中，并在样品的光栅面滴加聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）正性抗蚀剂溶液。运行抗蚀剂旋涂仪，形成厚度为2至3.5的抗蚀剂薄膜。&#181;m 厚的光刻胶膜，具体厚度取决于所需的最终光栅厚度。 
		注意：PMMA 溶液供应商会提供关于转速与薄膜厚度关系的旋涂曲线，或可通过实验测定。</li>
		<li>将晶圆装入100 keV电子束光刻系统中。</li>
		<li>使用大于10 nA的大曝光电流校准曝光工具。</li>
		<li>使用100 keV电子束光刻设备曝光PMMA抗蚀剂，以形成光栅图案，其中曝光区域将在显影步骤中被去除。曝光剂量范围为1,100–1,250 &#181;C/cm2 取决于光刻胶厚度。</li>
		<li>从工具中卸下样品。</li>
		<li>将曝光后的光刻胶浸入体积比为7:3的异丙醇（IPA）与去离子水混合溶液中，轻轻摇晃30–40秒进行显影。用异丙醇冲洗，然后用流动的N₂吹干2使用光学显微镜观察曝光区域，确保PMMA完全显影。</li>
		<li>将样品装入反应离子刻蚀仪中，使PMMA图案面朝向腔室。</li>
		<li>抽空刻蚀腔室，并将去残胶刻蚀程序输入至RIE设备。去残胶过程是一个短暂的（&#60;30 秒）O2 等离子体刻蚀以去除暴露光栅区域中残留的PMMA。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过以下步骤，使用电镀法在制备好的模具中完成金光栅的制备。
	<ol>
		<li>使用轮廓仪的探针扫描用于确认厚度的框架，以确保电镀模具的厚度。</li>
		<li>将样品浸入加热至40℃的亚硫酸金电镀液中 &#176;C. 电镀装置由一个盛有电镀液的烧杯、一个恒流直流电源和一个铂网阳极组成。</li>
		<li>通过计算暴露图案中暴露的金（Au）面积来确定样品的电镀面积，然后根据所需的电流密度计算电流，电流密度是设定沉积速率的主要变量。</li>
		<li>根据所施加电流密度确定的电镀速率，计算达到目标光栅厚度所需的电镀时间。</li>
		<li>打开直流电源，对作为阴极的样品施加已确定的电流，电镀约总电镀时间的一半。</li>
		<li>使用与步骤2.8.1相同的方法测量镀层厚度。</li>
		<li>打开直流电源，将金电镀到PMMA模具中，并根据步骤2.8.6中测得的镀层高度，电镀至所需的光栅厚度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将样品浸入加热的溶剂中以去除聚合物模具，随后使用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）进行观察，以确认光栅周期、占空比和光栅厚度。 
	注意：在实验开始前数天，准备好两个二维棋盘格相位光栅（一个用于实验，另一个作为备用）。</li>
</ol>
3. 同步辐射设施中的实验装置与对准
<ol>
	<li>请请求线站科学家将X射线束的能量或波长设定为与相位光栅匹配的所需值。在APS 1-BM线站中常规使用的X射线能量范围为6&#160;至28&#160;keV。本实验中，将光子能量调谐至18 keV。</li>
	<li>为探测器系统选择所需的物镜。此处使用Coolsnap HQ2 CCD探测器，其成像像素为1,392 × 1,040，单个像素尺寸为6.45 × 6.45 µm2。为分辨最小的干涉图样，采用EC plan Neofluar 10×物镜。因此，包含显微物镜放大效应在内的探测器系统有效像素尺寸为0.64 µm。估计的空间分辨率为约2 µm，主要受限于探测器系统的点扩散函数。</li>
	<li>为初步设定探测器系统的聚焦，将闪烁体（镥钇氧 orthosilicate，厚度150 µm）置于距物镜“工作距离”的位置（本系统约为5.2 mm）。首先，在环境光照条件下，通过皮秒电机调节闪烁体位置，同时在“连续模式”下监测所采集的图像，以完成初步对焦。</li>
	<li>将二维探测器移入X射线束中，并利用垂直和水平平移台将探测器中心与光束中心对齐。</li>
	<li>将一个“相位样品”（例如一块泡沫塑料）放入X射线束中。通过观察来自相位样品的散射图样，并调节闪烁体位置以获得最高图像清晰度，从而完成探测器系统的精细聚焦。</li>
</ol>
4. 执行相干性测量
<ol>
	<li>将二维棋盘格光栅放置在需要测量X射线束相干性的X射线束路径中。在本例中，该位置距离弯铁光源34米。</li>
	<li>调整二维棋盘格相位光栅的平面，使其垂直于X射线束的传播方向。</li>
	<li>通过使用电动平移台并观察探测器连续模式下采集的图像，将光栅中心对准X射线束。</li>
	<li>围绕X射线束传播方向（y）旋转光栅，使棋盘格图案的对角线方向与期望的横向束流方向一致。在本例中，将棋盘格的对角线方向（优选测量方向）对准束流的水平和垂直方向。微调光栅绕另外两个轴（x 和 z）的旋转，以确保其与X射线束垂直，这可通过在水平和垂直方向上最大化干涉图样周期来实现。</li>
	<li>沿X射线传播方向，将探测器系统尽可能地靠近相位光栅放置。在本研究中，使用43 mm的距离。</li>
	<li>计算干涉图样中的最小周期。周期为 p = 4.8 µm 的π/2棋盘格光栅将在棋盘格图案的对角线和非对角线方向分别产生周期为 pθ = 3.4 µm 和 pθ = 2.4 µm（最小周期）的干涉图样。根据公式(1)给出的Vθ(d)峰值位置，估算其间所需的数据点数量，以获得平滑曲线。</li>
	<li>为每幅干涉图选择合适的曝光时间，本例中为4秒。</li>
	<li>在不同光栅-探测器距离下，以相同的曝光时间（例如，4秒）记录干涉图。曝光时间应根据X射线束强度水平选择。从最小光栅-探测器距离（43 mm）开始，以较小的间隔（根据步骤4.6确定为10 mm）沿X射线下游方向移动探测器，并在每个探测器位置记录一幅干涉图，直至达到最大可能的光栅-探测器距离（750 mm）。</li>
	<li>以相同的曝光时间（4秒）采集暗场图像，但关闭X射线束，其余实验条件保持不变。</li>
</ol>
5. 数据分析
注意：目前尚无用于数据分析的标准软件。
<ol>
	<li>使用选定的图像处理程序，读取暗场图像和数据图像。通过从数据图像中减去（平均后的）暗场图像，对数据图像进行校正。</li>
	<li>对经过暗场校正的图像进行傅里叶变换，可在水平方向（θ = 0º）、垂直方向（θ = 90º）以及 θ = 45° 和 θ = 135° 方向上观察到明显的谐波峰。</li>
	<li>裁剪以 0th 阶谐波峰为中心的 0th 阶谐波图像，其长度和宽度分别等于沿水平和垂直方向上 0th 阶与 1st 阶谐波峰之间的距离。类似地，沿感兴趣的横向方向获取相同尺寸的 1st 阶谐波图像。</li>
	<li>对裁剪后的谐波图像进行逆傅里叶变换（IFT）。任一横向方向上，由 1st 阶谐波图像得到的 IFT 图像振幅均值与由 0th 阶谐波图像得到的 IFT 图像振幅均值之比，即为该方向上的可见度。 
	注意：此方法仅在测量的干涉图中高频成分较少时有效。否则，可改用步骤 5.4 中傅里叶变换图像对应谐波峰的强度。由于光束发散，在不同光栅-探测器距离处，谐波峰的位置会逐渐变化，因此需要对每个距离下的 p'θ 进行修正，或执行峰位查找过程。</li>
	<li>对所有在不同光栅-探测器距离下测得的图像重复步骤 5.1–5.4，并保存每幅图像的可见度值。</li>
	<li>绘制可见度 Vθ(d) 随光栅-探测器距离的变化曲线。识别 Vθ(d) 峰值处的数据点。注意：测量完整曲线是为了更准确地确定由公式（1）给出的峰值位置。手动选择每个峰值及其两侧相邻的数据点。</li>
	<li>对选定的数据点拟合高斯函数，并提取高斯拟合函数的标准差 σθ。</li>
	<li>利用以下公式计算横向相干长度 ξθ： 
	<img alt="公式 5" src="/files/ftp_upload/53025/53025eq5.jpg" /></li>
</ol>

<ol><li>Als-Nielsen, J., McMorrow, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAls-Nielsen%2C+J+%22Elements+of+Modern+X-ray+Physics%22">Elements of Modern X-ray Physics</a>. , 2nd, John Wiley & Sons Ltd. (2011).</li>
<li>Born, M., Wolf, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBorn%2C+M+%22Principle+of+Optics%22">Principle of Optics</a>. , 7th expanded edition, Cambridge University. (1999).</li>
<li>Lin, J. J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+Spatial+Coherence+Function+of+Undulator+Radiation+using+a+Phase+Mask%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Measurement of the Spatial Coherence Function of Undulator Radiation using a Phase Mask.</a> Phys. Rev. Lett. 90 (7), 074801(2003).</li>
<li>Cloetens, P., Guigay, J. P., De Martino, C., Baruchel, J., Schlenker, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fractional+Talbot+imaging+of+phase+gratings+with+hard+X-rays%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fractional Talbot imaging of phase gratings with hard X-rays.</a> Opt. Lett. 22 (14), 1059-1061 (1997).</li>
<li>Guigay, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+partial+Talbot+effect+and+its+use+in+measuring+the+coherence+of+synchrotron+X-rays%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Synchrotron+Rad%22%5BJournal%5D)">The partial Talbot effect and its use in measuring the coherence of synchrotron X-rays.</a> J. Synchrotron Rad. 11, 476-482 (2004).</li>
<li>Kluender, R., Masiello, F., Vaerenbergh, P. V., Härtwig, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+spatial+coherence+of+synchrotron+beams+using+the+Talbot+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Status+Solidi+A%22%5BJournal%5D)">Measurement of the spatial coherence of synchrotron beams using the Talbot effect.</a> Phys. Status Solidi A. 206 (8), 1842-1845 (2009).</li>
<li>Pfeiffer, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shearing+Interferometer+for+Quantifying+the+Coherence+of+Hard+X-Ray+Beams%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Shearing Interferometer for Quantifying the Coherence of Hard X-Ray Beams.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (1-4), 164801(2005).</li>
<li>Marathe, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+transverse+coherence+of+x-ray+beam+with+2-D+phase+grating+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Probing transverse coherence of x-ray beam with 2-D phase grating interferometer.</a> Opt. Express. 22 (12), 14041-14053 (2014).</li>
<li>Shi, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Circular+grating+interferometer+for+mapping+transverse+coherence+area+of+X-ray+beams%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Circular grating interferometer for mapping transverse coherence area of X-ray beams.</a> Appl. Phys. Lett. 105 (1-6), 041116(2014).</li>
<li>2D grating simulation for X-ray phase-contrast and dark-field imaging with a Talbot interferometer. Zanette, I., David, C., Rutishauser, S., Weitkamp, T. X-ray Optics and Microanalysis, Proceedings of the 20th International Congress, , American Institute of Physics. 73-79 (2010).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

图5 显示了沿四个方向估算的横向相干长度。显然，90°方向的ξθ高于0°方向。由于光束线光学元件在光栅相对位置处对光束相干性的影响可忽略不计，测得的相干面积与光源面积成反比。所介绍的X射线光束相干性测量技术能够准确绘制出该关系，可表示为一个长轴沿垂直方向的椭圆（参见图5）。需要注意的是，只要光栅特性明确，仅需在自成像距离处或其附近的少数几幅干涉图即可获得相干长度。该技术的一个局限性在于，在特定能量下进行横向相干性测量时，需要使用针对该能量优化的光栅。
该技术依赖于对光栅与探测器之间距离的精确测量，尤其是在使用周期较小的光栅并在较低能量下进行实验时更为重要，例如在8 keV条件下。在棋盘格光栅方形块的对角线方向上，光栅周期失配对可见度曲线的影响可以忽略不计，且可获得更高的可见度。因此，光栅取向的选择取决于需要进行横向相干性测量的优先方向。
与参考文献3中描述的技术相比，本方法无需假设任何形状模型即可获得CCF曲线。该方法采...

第三代硬X射线同步辐射光源，例如位于美国伊利诺伊州莱蒙特的阿贡国家实验室（ANL）先进光子源（APS）（http://www.aps.anl.gov），对X射线科学的发展产生了巨大影响。当带电粒子（如电子）以接近光速在环形轨道中运动时，同步辐射光源会发射出从红外到X射线波长范围的电磁辐射谱。这些光源具有非常独特的性质，如高亮度、脉冲式且具备皮秒量级的时间结构，以及高度的空间和时间相干性。X射线束的空间相干性是第三代和第四代同步辐射光源的重要参数，过去二十年中利用这一特性的实验数量显著增加1。这些光源未来的升级项目，例如APS储存环计划中的多弯消色差（Multi-bend achromat, MBA）晶格结构，将极大提升光束的相干通量（http://www.aps.anl.gov/Upgrade/）。通过使用晶体单色器可调节X射线束，以实现更高的时间相干性。由于电子束发射度低且从光源到实验站的传播距离长，同步辐射光源的横向相干性显著高于实验室X射线光源。
通常，通过检测干涉条纹的可见度来测量光束的空间相干性时，会采用杨氏双针孔或双缝实验2。为了获得完整的复相干函数（CCF），需要系统地进行多次测量，将两个狭缝置于不同位置并改变其间距，这对硬X射线而言尤为繁琐且不切实际。均匀冗余阵列（URA）也可用作相位移掩模，用于测量光束相干性3。尽管该技术能够提供完整的CCF，但其依赖于特定模型。近年来，基于泰伯效应（Talbot效应）的干涉技术被发展起来，利用周期性物体的自成像特性。这类干涉仪通过测量光栅下游若干自成像距离处的干涉图样可见度，来获取光束的横向相干性4-9。也有报道采用双光栅系统测量横向相干性的方法7。
首次同时在垂直和水平方向上测量横向光束相干性的方法由 J. P. Guigay 等人et al.5 报道。最近，先进光子源（APS）X射线科学部（XSD）光学组的科学家报道了两种新技术，可通过两种方法同时测量两个以上方向的光束横向相干性：一种采用棋盘相位光栅8，另一种采用圆形相位光栅9。
本文描述了同时获取相对于水平方向0°、45°、90°和135°四个方向上光束横向相干性的测量与数据分析方法。实验在APS的1-BM光束线上使用棋盘式π/2相位光栅完成。本方案中列出的技术细节包括：1）实验规划；2）二维棋盘式相位光栅的制备；3）在同步辐射装置中的实验装置搭建与对准；4）相干性测量的实施；5）数据分析。此外，还展示了代表性结果以说明该技术的应用。这些步骤可在多个同步辐射光束线上实施，仅需对光栅设计做最小程度的调整。

<table><tbody><tr><td>1-BM-B 弯转磁铁 X 射线源</td><td>先进光子源 / 阿贡国家实验室</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.aps.anl.gov/Xray_Science_Division/Optics/Beamline/">http://www.aps.anl.gov/Xray_Science_Division/Optics/Beamline/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>LYSO 闪烁体</td><td>Proteus 公司</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.apace-science.com/proteus/lyso.htm#top">http://www.apace-science.com/proteus/lyso.htm#top&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Coolsnap HQ2 CCD 探测器</td><td>Photometrics</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.photometrics.com/products/ccdcams/coolsnap_hq2.php">http://www.photometrics.com/products/ccdcams/coolsnap_hq2.php&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>ATC 2000 UHV 溅射沉积系统</td><td>AJA 国际公司</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.ajaint.com/systems_atc.htm">http://www.ajaint.com/systems_atc.htm&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>MICROPOSIT S1800 光刻胶</td><td>Dow&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MICROPOSIT 351 显影液</td><td>Dow&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MA/BA6 光刻系统</td><td>SUSS MicroTec</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.suss.com/en/products-solutions/products/mask-aligner/maba6/overview.html">http://www.suss.com/en/products-solutions/products/mask-aligner/maba6/overview.html&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>旋涂仪 WS-400-6NPPB</td><td>Laurell 技术公司</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.laurell.com/spin-coater/?model=WS-400-6NPP-LITE">http://www.laurell.com/spin-coater/?model=WS-400-6NPP-LITE&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>JBX-9300FS 电子束光刻系统</td><td>JEOL</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.jeolusa.com/PRODUCTS/PhotomaskDirectWriteLithography/ElectronBeamLithography/JBX-9500FS/tabid/245/Default.aspx">http://www.jeolusa.com/PRODUCTS/PhotomaskDirectWriteLithography/ElectronBeamLithography/JBX-9500FS/tabid/245/Default.aspx&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>CS-1701 反应离子刻蚀系统</td><td>Nordson March</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.nordson.com/EN-US/DIVISIONS/MARCH/PRODUCTS/LEGACY/Pages/CS-1701-Anisotropic-RIE-Plasma-System.aspx">http://www.nordson.com/EN-US/DIVISIONS/MARCH/PRODUCTS/LEGACY/Pages/CS-1701-Anisotropic-RIE-Plasma-System.aspx&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Techni Gold 25E</td><td>Technic</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.technic.com/eu/applications/industrial/industrial-chemistry/plating-chemistry">http://www.technic.com/eu/applications/industrial/industrial-chemistry/plating-chemistry&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Dektak-8 表面轮廓仪</td><td>Bruker</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://brukersupport.com/ProductDetail/1136">http://brukersupport.com/ProductDetail/1136&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>MICROPOSIT 1165 去除剂</td><td>Dow&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

利用二维棋盘式相位光栅沿多个方向测量x射线束相干性

Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

本文报道了一种利用单相位光栅干涉仪测量同步辐射X射线源横向相干性的技术方法。该测量在阿贡国家实验室（ANL）先进光子源（APS）的1-BM弯铁光束线处完成。通过使用二维棋盘式π/2相移光栅，获得了沿垂直和水平方向以及相对于水平方向呈45°和135°方向的横向相干长度。根据本文所述的技术细节，在相位光栅下游沿光束传播方向的不同位置处测量了干涉图样。通过分析其傅里叶变换图像中的谐波峰，提取出每幅干涉图样的可见度值。进而，可通过可见度随光栅到探测器距离变化的关系，提取出各个方向上的相干长度。在四个方向上同时测量相干长度有助于识别高斯型X射线源相干区域的椭圆形状。这种多方向相干性表征技术对于在相干散射实验中选择合适的样品尺寸与取向，以及校正部分相干效应具有重要意义。该技术还可用于评估X射线光学元件保持相干性的能力。

尽管详细的实验和模拟结果可在其他地方找到8，本节仅展示部分结果，以说明上述测量与数据分析流程。图1展示了美国阿贡国家实验室先进光子源（APS）1-BM-B光束线的实验装置。光束尺寸由双晶单色器（DCM）上游的一个1×1 mm2狭缝定义，该狭缝位于弯铁光源下游25 m处。DCM被调谐至输出18 keV的光子能量。X射线光束穿过沿光路不同位置放置的多个铍窗（总厚度为1 mm）。
图2(a)展示了在美国阿贡国家实验室纳米材料中心（CNM）制备的二维棋盘格相位光栅的扫描电子显微镜图像中央区域。光栅周期为 p = 4.8 µm。较亮的方块是形成在Si3N4薄膜上的金块。将光栅置于X射线束中，使其垂直于光束传播方向，并且方形金块的对角线分别与水平和垂直方向平行，如图2(b)所示。这种取向具有两个作用：(i) 确保在主要方向（...

采用单个二维棋盘式相位光栅，沿四个方向同时测量同步辐射X射线源的横向相干性的测量方案及数据分析方法。该简单技术可用于X射线源和X射线光学器件横向相干性的完整表征。

利用二维棋盘式相位光栅沿多个方向测量X射线束相干性

一种利用单相位光栅干涉仪测量同步辐射X射线源横向相干性的技术方法……

本实验的总体目标是利用光栅干涉仪技术，在同步辐射光束线上测量X射线束的横向相干性。该技术的主要优势在于，可通过使用二维梯度，同时在多个方向上测量X射线束的相干特性。尽管该方法已在先进光子源的1-BM光束线上得到验证，但其可适用于任何同步辐射光束线。制造二维光栅对于测量不同光束线的相干条件至关重要。相位光栅的制备首先需要制作电铸模具。本演示的起始材料是一块预先准备好的硅片。这是尺寸为15毫米×15毫米的样品工作面上的金层。在样品的另一侧，有一个5毫米×5毫米的氮化硅窗口。样品的更多细节见此示意图横截面。样品的核心是一层经过蚀刻的硅。样品的工作面覆盖有一层低应力氮化硅，位于硅的上方。在氮化硅之上，是一层5纳米厚的铬，再上方是一层30纳米厚的金。在底部，氮化硅已被刻蚀以形成通向工作表面的窗口。首先将样品放入光刻胶匀胶机中并装载样品，然后在样品的金铬侧滴加 PMMA 光刻胶溶液。启动旋涂机，形成所需厚度的光刻胶薄膜。完成后，将样品从旋涂机上取下。将其置于保持在 180 摄氏度的加热板上，加热一分钟，以去除薄膜中的残留溶剂。烘烤完成后，将样品转移至100千电子伏电子束光刻系统，并将其装入装置中。利用该光刻系统对PMMA进行曝光，使其形成梯度图案。在本方案的图案中，红色区域将被曝光，并在显影液中溶解。完成后，取出样品并准备进行显影。将样品转移至通风橱中，在通风橱内预先准备好用于显影的异丙醇溶液和去离子水，以及用于冲洗的异丙醇烧杯。将样品放入显影液中，待其沉入底部后，轻轻摇晃容器30至40秒，使溶液循环。随着显影过程的进行，工作表面的分级图案逐渐显现。显影步骤完成后，取出样品并浸入盛有异丙醇的烧杯中。保持30秒，同时轻轻旋转烧杯。取出样品后，用流动的氮气吹干。当样品完全显影并清洗干净后，进行金栅格的电镀。这需要一个电镀装置，包括一个烧杯，内装基于亚硫酸金的电镀液，并加热至40摄氏度，溶液中放置一个铂网阳极，以及一个直流电源。将样品浸入亚硫酸金溶液中，作为阴极。然后打开直流电源，设置适当的电流，以实现所需镀速的金电镀。当达到所需厚度时，停止电镀，并用去离子水冲洗样品。将样品从冲洗液中取出，用流动的氮气吹干。接下来，在加热板上准备加热溶剂，以去除聚合物模具。将样品浸入溶剂中，静置15至30分钟。取出样品，用异丙醇冲洗，然后干燥。此样品为完成添加二维棋盘相位光栅步骤后的结果。在检查过程中，对样品进行扫描电子显微镜成像，以确认已实现所需的光栅周期、占空比和光栅厚度。在该图像中，同一光栅向后倾斜35度，以提供额外的视角。继续在实验站的实验舱内准备相干性测量。在此演示中，光束将穿过相位光栅，并投射到该CCD探测器上。探测器的物镜位于一个面板后方。该装置使用一个10倍物镜，有助于分辨最小的干涉图样。接下来，放置探测器闪烁体以进行粗聚焦。将探测器闪烁体置于距透镜工作距离的位置，此处约为 5.2 毫米。在进入控制室之前，关闭所有面板。在控制室内，通过远程调节物镜的位置开始设置焦距。在实验舱内保持环境光照条件下，观察控制室内的显示器以监控焦距情况。焦距设置完成后，返回实验舱。将二维探测器移入X射线束路径中，此处由激光束指示。使用垂直和水平平移台对光束进行居中调整。为了实现精细聚焦，将相位样品置于X射线束路径中。在光栅台上放置一块泡沫塑料即可。在控制室内，观察X射线散射图样，并调节物镜位置，直至获得最高的图像清晰度。此时即可安装光栅，用于相干性测量。这是安装在光栅支架堆栈中的二维棋盘格相位光栅。将二维棋盘格相位光栅移动至需要测量X射线束相干性的地方。在控制室内，调节相位光栅的平面，使其与X射线束垂直。然后，观察图像，并使用电动平移台在X射线束线上将光栅居中。接着，围绕X射线束的方向旋转光栅。目标是使棋盘图案的对角线与感兴趣的横向束线方向一致。在此情况下，需沿垂直和水平方向进行调节。通过绕垂直于X射线束的轴旋转，进一步微调，以在水平和垂直方向上最大化干涉图样周期。从控制室启动平移台，移动探测器。在操作过程中，应将探测器沿光束方向尽可能靠近相位光栅放置。放置到位后，以适当的曝光时间记录干涉图，此处为四秒。接着，再次启动平移台，以移动探测器。使用平移台控制装置，沿光路以选定的步长移动平移台，该步长应足以生成充分的数据。持续记录干涉图并移动探测器，直至达到光栅与探测器之间的最大距离。对于本系统，最终的光栅与探测器距离约为最后几组干涉图时的750毫米。为完成数据采集，关闭X射线束。然后使用与干涉图相同的曝光时间，采集暗场图像。这些干涉图是使用文本方案中描述的二维棋盘式相位光栅测量得到的。该干涉图对应于在传播方向上的第一塔尔博特距离处、光栅与探测器间距为83毫米时的可见度测量结果。此图样对应于第四塔尔博特距离处、距离为579毫米的情况。对干涉图数据进行快速傅里叶变换，可得到谐波峰，这些峰提供了关于干涉图周期性特征的信息。零级峰位于图像中心，处于红色方框的中央。零度方向的一级峰位于绿色方框的中心。共有四个独立的一级峰，分别位于 0°、45°、90° 和 135° 方向，可由此获得各方向上的可见度。以下是零度角时可见度随光栅到探测器距离变化的演化情况。实验数据用蓝色圆圈表示。红色圆圈为在泰伯距离附近选取的数据，用于高斯包络拟合。分析得到的相干长度为3.6微米。沿四个方向对可见度数据进行类似的分析，可获得该相干图的估计结果。只需在自成像距离处的干涉图即可获得相干长度。一旦掌握，若操作得当，该技术可在数小时内完成。在实施该过程时，重要的是为每次测量选择具有优化周期的光栅。该技术发展后，为X射线光学领域的研究人员开辟了道路，使其能够为下一代光源开发保持相干性的光学器件。

measurement-x-ray-beam-coherence-along-multiple-directions-using-2-d

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

使用2-D棋盘相位光栅X射线束相干测量沿多个方向

本文介绍了飞秒四波混频技术，包括光谱分辨和时间分辨的配置。我们通过该技术的非线性特性和高时间分辨率，展示了其在研究III-V族稀磁半导体中关键物理性质方面的应用价值。...

利用飞秒四波混频技术测量GaMnAs中的相干衰减

通过空间调制多焦点双光子显微镜的激发模式，可在成年小鼠淋巴结中实现高达120 µm深度的高分辨率活体成像，并增强对比度。在100 µm深度处，测得的分辨率为487 nm（横向）和551...

高分辨率活体条纹照明显微成像技术观察生发中心

非搅拌沉淀聚合法提供了一种快速、可重复的原型制备方法，可用于合成粒径分布窄且对刺激敏感的聚（N-异丙基丙烯酰胺）微凝胶。本实验方案展示了在此类微凝胶合成过程中，利用宽场显微镜系统进行光散射表征及单颗粒荧光追踪的方法。...

高度均一的聚(N-异丙基丙烯酰胺)微凝胶的可控合成与荧光示踪

我们描述了一种快速连续波受激布里渊散射（CW-SBS）光谱仪的构建方法。该光谱仪采用单频二极管激光器和原子蒸气陷波滤光片，能够以比现有CW-SBS光谱仪快达100倍的速度，对浑浊或非浑浊样品进行高光谱分辨率的透射光谱测量。这一改进实现了高速布里渊材料分析。<br...

用于材料分析的高速连续波受激布里渊散射光谱仪

我们描述了一项旨在研究高强度飞秒X射线脉冲在巴克敏斯特富勒烯（C60）纳米晶体中诱导产生的电子损伤的实验。实验发现，出乎意料的是，C60...

在富勒烯纳米晶体飞秒衍射实验中测量长程电子关联

我们展示了如何利用单一相位元件对激光束的复场进行编码。通过使用共路干涉仪，将显示在纯相位空间光调制器上的相位信息进行混合，最终在光学成像系统的输出端重建出所需的复场分布。...

使用纯相位空间光调制器调控激光束的振幅与相位

本文描述了在同步辐射光束线上进行X射线束感应电流测量的实验装置。该方法揭示了太阳能电池的纳米尺度性能，并扩展了多模态X射线显微技术的应用范围。从电路连接到信噪比优化，本文展示了如何在硬X射线微探针上开展先进的XBIC测量。...

用于太阳能电池多模式X射线显微术的X射线束诱导电流测量

光子能带结构能够帮助理解受限电磁模式在光子晶体中的传播方式。在包含磁性元素的光子晶体中，这些受限且共振的光学模式伴随着增强和改变的磁光效应。我们描述了一种通过傅里叶空间显微术提取磁光能带结构的测量方法。...

光子纳米结构的光谱与角度分辨磁光表征

本文介绍了包含光学相控阵的氮化硅集成光子电路的操作方法。该电路可用于发射近红外波段的低发散激光束，并在二维方向上进行光束...

晶圆级测试平台上氮化硅集成光学相控阵的表征

本文演示并指导如何在实验室X射线仪器上开展和分析卷对卷狭缝涂布的非富勒烯有机光伏材料上墨水干燥过程的原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验。...

卷对卷涂布有机太阳能电池的原位掠入射小角X射线散射实验室X射线仪器研究

了解使用二维棋盘相位光栅干涉测量法在同步辐射光源上测量X射线束横向相干性的方法。该技术可在多个方向上同时测量相干特性，为X射线光学表征提供有效方案。

利用二维棋盘式相位光栅沿多个方向测量X射线束相干性

探索更多视频