強烈的短激光脈沖與物質的相互作用使得在固體材料中產生強電子激發(fā)態(tài)和高溫高壓。由于這些相互作用，材料可以進行相和結構的修改。例如，激光燒蝕是一種從表面去除材料的過程，是激光脈沖與物質相互作用的直接結果之一。

由于在自放大自發(fā)發(fā)射（SASE）激光系統(tǒng)中，每發(fā)輸出的能量波動較大。因此，為了將軟X射線激光實驗用于定量分析，必須對實驗過程中獲得的準確數據進行校正。來自日本國立量子科學與技術研究所與日本NTT-AT公司的研究人員，報告了配備強度監(jiān)測器的SXRL光束線的開發(fā)以及自支撐Mo/Si多層膜分束器（BS）的效率特性，并對PMMA進行了靈敏度評估以確認光束線的性能。結果表明，評估的靈敏度比具有納秒脈沖寬度的等離子軟X射線源的靈敏度高50倍，研究將有助于加速對 SXRL 輻照誘導現象的研究。研究成果“Soft x-ray laser beamline for surface processing and damage studies”于2020年4月發(fā)表在《APPLIED OPTICS》上。

研究人員開了一種配備了強度監(jiān)測器，并專用于燒蝕研究（如表面處理和損傷形成）的軟X射線激光光束線裝置。SXRL的波長為13.9nm，脈沖寬度7ps，基于Ag等離子體增益介質的振蕩放大器結構產生的脈沖能力約為200nJ

軟X射線激光通過Mo/Si多層膜球面鏡聚焦到樣品表面。為了獲得精確的輻照能量/通量，在束線上安裝了由Mo/Si多層膜分束器和CCD探測器組成的強度監(jiān)測器。

Mo/Si多層膜分束器在45°入射角附近的反射率具有很大的偏振相關性。但是，通過適當評估分束器的反射率和透射率之間的關系，可以得出樣品表面上的輻照能量可以從強度監(jiān)測器上獲取。該 SXRL光束線不僅可用于燒蝕現象，還可用于軟 X 射線光學器件和抗蝕劑的性能評估。

空間相干的SXRL脈沖是由用具有雙Ag帶靶的振蕩放大器中的Ag等離子體增益介質產生。

SXRL的每發(fā)脈沖的強度（波長13.9nm，脈沖持續(xù)時間7ps，輸出平均能量為200nJ每發(fā)）被厚度為0.1、0.2、0.5、1或者2um的Zr filter降低。Zr 濾光片可單獨插入也可組合插入SXRL光束中。同時，Zr濾光片還可用來阻擋來自Ag等離子體增益介質的不需要的X射線輻射。

強度監(jiān)測器由Mo/Si多層膜分束器（BS）、Zr filter、和X射線CCD相機組成。BS設計用于波長為13.9nmSXRL的脈沖、其入射角為45°。每個SXRL脈沖分為兩束：一束透過BS向多層膜球面鏡傳輸，一束被BS反射到X射線CCD相機上。CCD記錄SXRL光束的空間強度分布并用作強度監(jiān)測器。安裝在BS和CCD之間的Zr 濾光片可以調節(jié)入射到CCD相機光束的強度，以保證其不會飽和，具體布局如圖1。

圖1. 軟X射線激光光束線示意圖。由等離子源產生的SXRL 光束被分束器分成兩束：一束由聚焦鏡照射到樣品表面，另一束被將傳輸到強度監(jiān)測器。

為了從強度監(jiān)測器獲得的能量中推算出送到樣品表面的輻照能量，必須確定輻照能量與被監(jiān)測能量之間的關系。在評估校準比之前，必須了解Mo /Si多層膜分束器的性能特點。

下圖2顯示了在KEK-PF的BL-11D測量的不同時期生產的Mo/Si多層膜分束器的典型效率曲線。

圖(a) Mo/Si多層膜分束器的實測效率。效率曲線顯示了s偏振軟 X 射線的反射率以及s和p偏振軟 X 射線的透射率，其入射角為45°。圖(b) Mo/Si多層膜分束器的計算效率作為入射角的函數，入射軟 X 射線的波長為13.9 nm。

為了從強度監(jiān)測獲得的檢測值來得到樣本表面的輻照強度,必須估計輻照和檢測強度之間的關系。為了測量輻照強度，研究人員在球面鏡前加了一個Zr 濾光片，在球面鏡后額外放置了一個Mo/Si多層膜平面鏡和X-ray CCD相機。鍍在平面鏡上的Mo/Si多層膜涂層針對13.9nm的軟X射線進行了優(yōu)化，入射角為45°，因此Mo/Si 多層膜相對于平面鏡反射 s 偏振分量。圖3(a)和圖3(b)分別展示了垂直分量和水平分量測量的實驗設置。當平面鏡被設置為反射垂直分量[圖3(a)]時，可以評估輻照到監(jiān)測器垂直分量的相對強度。如果將平面鏡設置為反射水平分量[圖3(b)]，則可以評估照射到監(jiān)測器水平分量的相對強度。同時對校正實驗中使用的Mo/Si多層平面鏡的反射率、CCD相機的靈敏度和Zr濾光片的透射率也進行了評估。

圖3：相對強度測量的實驗裝置(a)垂直分量，(b)水平分量。圖中所示的CCD-4和CCD-5捕捉每個SXRL脈沖的輻照強度和監(jiān)測強度

圖4(a)和圖4(b)分別顯示了SXRL脈沖垂直分量和水平分量的相對強度。

研究開發(fā)了用于表面處理和損傷研究的SXRL光束線。束線配備了強度監(jiān)測器，可提供作用在樣品上的激光強度。為了從強度監(jiān)測器獲得的能量中獲取輻照能量，研究評估了 Mo/Si 多層膜分束器的性能特征，然后評估了輻照強度和檢測強度之間的關系。SXRL通過球面鏡聚焦到樣品上，平均焦斑估計約為 100 um2。因此，使用獲得的輻照強度和光斑面積計算的最大通量約為 30 mJ/cm2。這種能量密度足夠高，可以在材料上產生燒蝕（損壞）結構。

為了確認 SXRL 光束線的能力，研究展示了抗蝕劑材料的 SXRL 輻照，并研究了 PMMA 的靈敏度。結果，獲得的皮秒 SXRL 輻照靈敏度比典型的長脈沖 EUV 輻照高約 50 倍。這一事實表明特定抗蝕劑設計對于下一代 EUV-FEL 光刻技術的重要性。SXRL 光束線將有助于加速對 SXRL 輻照誘導現象的研究。

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