集成设计方法是一种新的光束线光学系统设计方法，该方法将同步辐射光源通量分布、单色器光谱分辨本领、反射镜反射率以及光栅衍射效率的计算整合在一起，以评估、优化设计整个光束线光学系统的性能。其核心思想如下图所示。
光学系统集成设计模块已在部分HALF（合肥先进光源）和HLS（合肥光源）的光束线设计中得到应用。在满足光谱分辨本领及其他设计要求的同时，可对光束线传输效率进行优化。
HALF是一台衍射极限储存环（DLSR），其发出的光具有高相干性。对于需要相干性的光束线，光学设计需要需保持相干性；对于非相干光束线，则需关注相干特性带来的影响。为保持相干性，光束线将采用更少的光学元件、更简单的面形，并对面形误差提出高要求（高差约为1 nm RMS），同时还需要对所有光束线进行部分相干模拟。
相干光束线设计：具有较少的光学元件数量以及简单的面型
使用SRW进行部分相干模拟；狭缝处的衍射效应
对于非相干光束线，我们需关注相干特性带来的影响，如非聚焦点出的光斑结构，以及狭缝处的衍射效应等。我们对光束线进行了相关计算，以确保衍射效应不会显著降低光束线的性能。
BL10可工作于超高光谱分辨模式，其光谱分辨本领在使用2400线/毫米光栅且cff=10的条件下，在400 eV处可达10^5。同步辐射通常采用气体吸收谱测量光谱分辨本领，但由于气体本征谱宽的存在，这种方法对于超高分辨本领单色器并不准确。为了精确测量光谱分辨本领，我们采用了马赫-曾德尔（M-Z）干涉法测量单色光的纵向相干长度L = λ²/Δλ，进而可计算得出单色光的光谱分辨本领λ/Δλ以及带宽Δλ，设计示意图如下所示。
M-Z干涉法所能测量的最高光谱分辨本领受限于位移台的工作行程，而工作能量（400 eV）决定了位移台的最小步长约为1纳米。机械部件的设计与测试已经完成，如下图所示，核心指标均已达到。
2. 光学计量实验室
光学计量实验室（OML）致力于通过一套全面的表征技术，确保光束线光学系统的最佳性能。我们的核心使命包括对关键光学元件（镜片、光栅和基板）进行高精度检测，对安装引起的变形和热变形进行关键性研究，以及开展有源光学器件的研发工作。依托专用光束线和最先进的实验室系统，我们开展X射线光学及新型计量方法的基础与应用研究，以支持当前及未来的光源设施。
2.1 光学计量实验室的布局
关键指标：
占地面积：130 m2+150 m2；
温度稳定性：优于0.05 K；
振动：VC-G。
2.2 斜率测量系统——长程面形仪（Long Trace Profiler，LTP）
本实验室配备了两套定制化的LTP系统（垂直和水平配置），能够测量任意工况姿态的反射镜，可对长达1 m的X射线镜进行高重复性的斜率和曲率测量。
关键指标：
重复性：30 nrad RMS；
测角范围：±4 mrad；
温度稳定性：优于0.05 K（48 h）。
2.3粗糙度测量系统
我们采用白光轮廓仪系统来测量反射镜的粗糙度。该系统安装在大理石基座上，并配备主动式隔振支撑，以确保测量精度。
关键指标：
重复性：0.06 nm RMS；
测量范围：最长1.2 m；
环境稳定性：主动隔振与温度控制。
2.4拼接干涉系统
我们的二维表面测量系统采用混合拼接算法，可实现高分辨率的轮廓测量。该系统在设计上注重重复性和稳定性，并能实现长期的高稳定性。
关键指标：
重复性：0.18 nm RMS（混合拼接，0.15 mm分辨率，未滤波数据）。
与LTP的一致性：0.19 nm RMS。
特点：能够高精度、高重复性地测量二维表面轮廓。
2.5成员
赵帅 shuai.zhao@ustc.edu.cn 博士后 |
刘正坤 zhkliu@ustc.edu.cn 高级工程师 |
王慧云 wanghuiyun@zjgdz.cn 工程师 |
徐雪芹 xxq@ustc.edu.cn 工程师 |
赵一帆 zhaoyifan@zjgdz.cn 工程师 |
我们实验室已研发成功一套基于精密角接触轴承旋转主轴的超高光谱分辨平面光栅单色器（PGM）。这套独立研发的单色器可以实现10万光谱分辨本领并在实际测试中表现出优秀的稳定性，完全满足新一代光束线的需求。
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关键指标：
光谱分辨本领：100, 000
机械转动分辨率: 50 nrad
稳定性：＜50nrad RMS
新一代衍射极限储存环光源的中高能光束线需要具备优异的精度性能和振动稳定性能的晶体单色器。为满足这一需求，我们已经研发成功一套采用高刚度弹性铰链回转机构的高稳定性双晶单色器。当工作在每分钟2升的液氮冷却流量时，系统可以实现10nrad（RMS）的双晶相对稳定性。
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关键指标：
冷却方式：液氮
能量范围：2.3-8 keV
在Pitch方向的相对稳定性：10nrad RMS@液氮冷却流量2L/min
镜箱系统用于安装不同类型的光学反射镜，提供高稳定性支撑、超高真空工作环境和高精度的反射镜姿态调节能力，以实现光束线对X光的传输、准直和聚焦等功能。
关键指标：
最小姿态调节量：100 nrad
稳定性：< 100 nrad (RMS)
3.4 动态压弯反射镜
压弯镜的设计目标是为了实现高重复性的动态面形调整，以满足不同科学需求的实验站在开展研究时，动态改变X射线准直或聚焦位置的需求。
关键指标:
面形误差：< 200 nrad
压弯半径：~ 数百米
我们设计了一系列光束线通用部件，包括精密狭缝、光阑和光位置探测器等。
精密狭缝 |
可调光阑 |
PBPM |
3.6成员
王秋平 qiuping@ustc.edu.cn 教授 |
杜学维 xwdu@ustc.edu.cn 高级工程师 |
魏珅 weishen@ustc.edu.cn 高级工程师 |
彭旸 kaseva@ustc.edu.cn 工程师 |
徐章浪 xulang@ustc.edu.cn 博士后 |
周齐 zhouqi0714@ustc.edu.cn 工程师 |
4. 光束线前端与真空系统
4.1 光束线前端
作为储存环与光束线的连接纽带，光束线前端是合肥先进光源建设中不可或缺的部分。光束线前端用于实现真空保护、人员防护、部件防护、光束约束和光束诊断等功能。
一期工程将安装11条光束线前端，包括10条基于波荡器光源的光束线前端和1条基于弯铁光源的光束线前端。10条波荡器光束线将向用户开放，而弯铁光束线将用于机器研究。波荡器前端将承受17.3kW/mrad²的峰值功率密度和4.7kW的总功率。基于兼容性考虑，光束线前端采用通用模块化设计。少数光束线前端差异在于单个元件参数的不同。
4.2 光束线真空
光束线真空负责以下任务：
1. 制定洁净真空标准；
2. 对真空泵、真空阀门和真空规计等标准件进行整体规划；
3. 研制真空差分组件；
光学元件表面碳污染的清洗
陈明 高级工程师 chenming@zjgdz.cn | 唐丽军 工程师 tanglijun@zjgdz.cn |
5.热光束线热管理系统
随着第四代同步辐射光源的高速发展，在超高光子通量与高相干性工况下，面形斜率误差达百纳弧度级别的光束线光学元件，正面临前所未有的热载荷考验。热效应已成为制约此类光学元件性能的核心因素之一。光束线热管理实验室致力于搭建设计 - 仿真 - 实验验证一体化闭环技术体系，保障光束线核心关键部件的高性能稳定运行。
实验室重点研发前端系统、光束线核心构件及精密光学元件的高效冷却方案，针对光束线各类热效应开展系统性机理研究，并研制温控自适应反射镜等新型高端功能器件。依托专用实验光束线平台，团队深入探究热载荷、温度场与结构形变之间的耦合关联，为下一代同步辐射大科学装置的长效稳定发展提供关键技术支撑。
在第四代同步辐射装置中，平面光栅单色器（PGM）内的初级反射镜与平面反射镜需承受数百瓦级高热载荷，同时其热变形引发的面形斜率误差需控制在 100 纳弧度以内。为满足工程建设指标，实现在全工作能段下的稳定服役，本实验室依托热弯矩平衡原理与高换热系数技术，研发了系列冷却优化方案，通过抑制边缘热效应、提升结构对称度，有效控制光学元件热变形。
在冷却优化技术得到验证后，冷却方案的设计已成为常规工程工作。本团队基于热载荷功率密度、光学元件尺寸及目标热变形指标，依托 ANSYS 与 MATLAB 平台开发了一套集成优化软件，可自动完成冷却方式与结构尺寸的计算、评估及优化。未来，本实验室将与光束线光学实验室合作，研发光束线一体化设计软件。
为系统性研究并解决光束线系统中的各类热学问题，需全面掌握光机系统关键影响因素的动态变化规律，主要涵盖结构热变形、系统热稳定性以及热致镜面畸变等。针对上述核心研究需求，本实验室搭建了离线测试装置与在线实验终端。其中，离线设备可支撑快速迭代研究与方案验证，在线终端则能够结合实际光束线工况，开展系统化原位实验研究。
陈杰 高级工程师 jiechen9@ustc.edu.cn |
刁德智 工程师 diaodezhi@zjgdz.cn |
余秋子 工程师 yyqqzz@ustc.edu.cn |
6. X射线衍射光栅实验室
本实验致力于制作高端软X射线-极紫外光栅。通过全息光刻与离子束刻蚀/化学刻蚀技术，可制备无鬼线、低杂散光的浅槽矩形轮廓衍射光栅（也称Laminar光栅）或三角槽形的闪耀光栅（如低线密度小闪耀角衍射光栅）。制作光栅具有基底面形误差低等特点。利用可变形反射镜实现高精度线密度分布的变栅距光栅，消除了传统全息光栅中线密度分布的误差。
近期，已为国内同步辐射光源（包括自由电子激光光源）研制了超过十块衍射光栅。
6.1同步辐射光栅及制作能力
方法 | 全息光刻+离子束蚀刻/化学蚀刻 |
基底 | 平面/曲面 |
基底尺寸 (长度) | 可达400mm |
光栅中心线密度 | 50-3600lines/mm |
光栅基底面形误差 | 好于 100nrad |
面形误差(PV / RMS) | Better than 4/1 nm |
光栅轮廓 | 矩形（Laminar）/ 闪耀（闪耀角≥0.4°） |
光栅沟槽表面粗糙度 (rms) | 好于0.4nm |
可镀制反射膜 | 金、铂、铱、铬等 |
线密度残差 Δn/n (@ 2400 lines/mm) | 2e-6 |
6.2光栅参数测试
* 长程面形仪用于测量光栅线密度系数和斜率误差；
* 扫描拼接干涉仪用于测量光栅高度误差；
* 合肥光源计量光束线，用于表征所制作光栅在5–1000 eV能量范围内的效率和杂散光。
6.3成员
刘正坤 zhkliu@ustc.edu.cn 副研究员 |
邱克强 blueleaf@ustc.edu.cn 副研究员 |
刘颖 liuychch@ustc.edu.cn 副研究员 |
洪义麟 ylhong@ustc.edu.cn 教授 |
方明英 myfang@ustc.edu.cn 工程师 |
7. 微纳光学元件加工制造
微纳光学组致力于发展面向X 射线、中子及极紫外（EUV）领域的微纳光学技术。研究重点聚焦三大核心方向：光学元件设计、先进制造工艺与精密计量表征。团队以定制化研发高性能光学元器件、突破前沿关键技术为核心目标，支撑 HLS、HALF 等重大光源设施线站的稳定运行与性能升级。同时，团队积极推动技术成果转化，打造可靠的商业化解决方案，从而服务更广范围的科研探索与工业应用领域。
7.1 关键光学元件
7.1.1 X射线光学元件：波带片与成像光栅
波带片：团队专注研制X 射线高分辨率菲涅耳波带片。重点研发面向高分辨成像的最外环宽度达15 nm的波带片；而用于照明的波带片可以产生10-60 μm的可定制光斑。此外，还针对纳米光谱学、相干衍射成像等特定光束线与应用技术，开展特制元器件设计与性能优化。
成像光栅：针对先进的干涉成像和波前传感需求开发新型振幅光栅与相位光栅。现已建立成熟制备工艺，可加工最小周期低至4 μm 的光栅器件，是定量相衬成像、波前校正等关键技术的核心元件。
7.1.2 EUV光学元件：XIL透射光栅与波带片
针对极紫外（EUV）光谱波段，本团队可制备波带片、光栅等透射式光学器件。研究重点之一是研制周期低至20 nm的高衍射效率透射光栅，为EUV干涉光刻、掩模检测、高分辨光谱探测及光束聚焦等应用提供核心支撑。
7.1.3 原位芯片器件（气固/液固/液液）
针对动态过程原位实时研究，我们设计并研制了专用微流控芯片。芯片可适应真空、变温、电磁场等严苛实验环境，能够构建气-固、液-固、液-液等可控样品界面体系，为催化机理、电池材料及界面科学等领域研究提供精准可控的实验条件与技术支撑。
7.2 能力和配套设施：
团队具备完备的制备与表征能力，依托内部科研平台及多方合作资源，可承接各类项目研发需求。
7.2.1 纳米加工设施
已搭建完善的微纳制造平台，形成涵盖光刻、薄膜沉积、干法刻蚀、湿法刻蚀及电镀工艺在内的完整工艺流程体系。平台可适配8 英寸及以下规格晶圆加工。可加工的各类材料与基底如下：
l 基底材料：可按需提供氮化硅薄膜、硅片及其他定制化基底材料；
l 图形化材料：可加工光刻胶、金、镍及各类薄层功能材料；
l 特征尺寸与加工范围：可稳定实现50nm至数微米量级微纳结构制备；
l 结构高宽比：常规工艺下可实现结构厚度为最小特征尺寸的10倍。
7.2.2 结构表征与精密计量
依托专业检测设备对光学元件品质及性能开展全方位表征测试：
l 扫描电子显微镜（SEM）：用于纳米结构高分辨率形貌成像；
l 原子力显微镜（AFM）：实现样品表面微观形貌高精度检测；
l 探针轮廓仪：用于表面轮廓与面形精度分析；
l 光学/EUV测试平台：可模拟实际应用工况，进行直接性能验证/评估。
7.3展望
本团队发展规划紧密契合下一代光源装置的发展趋势与动态需求。核心发展目标包括：2030 年前实现15 nm分辨率光学器件的落地应用，持续推进EUV光栅掩模技术迭代升级，并进一步拓展原位微流控芯片配套体系。我们热忱欢迎各界就具体科研项目需求开展交流合作，共同研发支撑前沿科学研究所需的核心光学器件。
7.4 团队成员
田扬超 教授 ychtian@ustc.edu.cn |
刘刚 教授 liugang@ustc.edu.cn |
熊瑛 工程师 xywch@ustc.edu.cn |
温晓镭 工程师 xiaolwen@ustc.edu.cn |
