导读

针对强弯曲及自由曲面X射线镜在现代同步辐射光源中日益广泛的应用需求，本研究团队成功研制了一种基于激光散斑的曲率光学计量系统。该系统突破了传统干涉测量法在陡峭斜率表面检测中的技术瓶颈，实现了曲率半径从10米至100毫米范围内反射镜的二维曲率分布高精度测量。SCOM系统结构紧凑、适应性强，可集成于加工平台实现原位监测，为复杂X射线光学元件的制造与性能优化提供了新的技术途径。

该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为 “Speckle-based curvature optical metrology”。

研究背景

高性能X射线反射镜是同步辐射光源光束线的核心光学元件，其面形精度直接决定光束质量、聚焦特性及实验数据的可靠性。以英国Diamond光源为代表的第三代同步辐射设施，对X射线光学元件提出了日益严苛的要求。

随着光束线光学设计的持续演进，大口径、陡曲率及自由曲面几何已成为先进光束线的重要特征。然而，传统干涉测量技术在应对此类复杂面形时面临显著挑战：陡峭斜率导致干涉条纹密度过高，进而引发测量失稳甚至失效。菲佐干涉仪等经典手段虽在平面及缓变曲面检测中保持“金标准”地位，但其对强弯曲表面的适应性存在固有局限。

上述技术瓶颈促使研究人员探索新型计量原理，以满足下一代X射线光学元件研制对检测精度与适用范围的更高要求。

创新亮点

1. 基于激光散斑的曲率直接测量原理

SCOM系统采用激光散斑图案作为波前标记物，通过数字图像相关算法追踪散斑场的细微位移，进而高灵敏度地反演表面曲率分布。该方法从根本上规避了干涉测量中条纹过密的问题，实现了对陡峭斜率表面的可靠检测。实验结果表明，该系统可测量曲率半径从10米低至100毫米的反射镜面，覆盖了传统干涉仪难以企及的参数范围。

2. 二维曲率成像与多参数导出能力

区别于传统方法对高度分布的单参数测量，SCOM系统能够生成完整的二维曲率分布图，并基于曲率数据进一步导出斜率与高度分布。通过参数优化，系统空间分辨率优于0.2毫米，足以表征影响X射线光束性能的关键中频误差成分。这一多参数输出能力为光学元件的全面质量评估提供了丰富的数据支撑。

3. 紧凑架构支持机上集成与原位监测

SCOM系统的结构紧凑性使其可便捷集成于离子束修形等加工平台及计量机架，实现“机上检测”与实时工艺监控。该特性已在多个应用场景中得到验证，包括：X射线反射镜确定性修形、多层膜沉积过程原位应力监测、可变形反射镜性能表征，以及复杂自由曲面光学元件面形检测。

4. 与传统干涉技术的互补优势

高精度干涉仪虽在纳米级高度重复性方面表现卓越，但其测量过程通常需要精密对准、较长采集时间及针对不同镜面几何的定制光学组件。SCOM系统在保持亚毫米级空间分辨率的同时，展现出更强的便携性与复杂曲面适应性，形成对现有计量体系的有效补充。

总结与展望

SCOM技术的成功研制拓展了光学计量在强弯曲及自由曲面领域的应用边界，为当前难以甚至无法可靠测量的X射线反射镜提供了实用化检测方案。该研究的第一及通讯作者、Diamond光源光学组首席科学家王洪昌博士指出：“强弯曲和自由曲面反射镜在现代先进光束线设计中日益重要，SCOM技术提供了一个既实用又稳健的解决方案。获取完整的二维曲率图使我们能直接将镜面局部特征与光束畸变关联，显著提升光束质量预测与优化能力。”

随着同步辐射科学向更高亮度、更高精度持续迈进，计量技术的创新将在保障下一代X射线光学器件达到世界一流研究标准方面发挥关键作用。SCOM系统作为这一领域的代表性进展，为复杂光学元件的精密制造与性能验证奠定了重要技术基础。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图1：SCOM实验装置示意图（集成于IBF系统）。

图2：可变形反射镜在Zernike Tetrafoil模式下的电压分布与平均曲率图。

图3：斐索干涉仪与SCOM对两种强弯曲反射镜的测量曲率图与高度图对比。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02257-x