CN103021496B - 硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，通过改变组成多层膜Laue透镜局部光栅的2种材料的厚度比(γ＝d_A/(d_A+d_B)，A为吸收层，B为间隔层)，选择合适的截面深度t，极大的提高高级次衍射的效率，从而有效的利用高级次衍射光，进一步提高硬X射线的聚焦分辨率。与传统的多层膜Laue透镜相比，本发明提出利用Laue透镜的高级次衍射对硬X射线进行聚焦，并通过改变Laue透镜结构中不同材料的厚度比，克服了传统波带片高级次衍射效率低下的问题，是实现高效率纳米级硬X射线聚焦的有效方法。

Description

硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜

技术领域

本发明属于精密光学元件研究领域，尤其是涉及一种硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜。

背景技术

硬X射线的能量高、穿透深度大，能激发高原子序数材料的内壳层电子以实现重元素含量和分布的鉴定，并可实现更厚样品的无损深度检测。因此，硬X射线显微术已经成为目前国际上三代同步辐射实验室的研究热点，硬X射线荧光、3维层析技术以及X射线相衬和衍射分析技术已在生命、材料、和环境科学领域获得重要应用。X射线显微的空间分辨率是利用显微分析技术获得物质及其演化过程的精细微观物理和化学结构的关键技术指标。近年来，随着同步辐射光源和X射线聚焦元件的发展，国际上X射线显微分析的分辨率已推进到100nm以下。由于在X射线波段，所有材料的折射率都接近于1，传统的折射透镜无法实现X射线聚焦。波带片是X射线波段常用的微聚焦元件之一，其分辨率决定于最外环的宽度。基于菲涅尔波带片的X射线显微镜已在软X射线波段获得了12nm的成像分辨率。但在硬X射线波段，理想波带片的高宽比(深度/最外层宽度)要做到几百甚至上千，刻蚀的方法难以完成。这大大限制了高分辨率的硬X射线微聚焦波带片的制作和使用。

为从根本上克服大高宽比的限制，美国Argonne国家实验室在2004年提出一种新型的一维多层膜波带片，多层膜Laue透镜(MLL)。通过在平面基底上从最外层开始倒序镀制梯度多层膜结构，再进行切片减薄，获得一维波带片结构。2个MLL相互垂直拼接，可实现X射线的二维聚焦。这种方法既可以获得非常大的高宽比，又保证了多层膜波带片膜层的精确位置和成膜质量，极大的提高了硬X射线波带片的聚焦效率和分辨率。2008年，Argonne实验室利用WSi₂/Si材料对制作的MLL利用1级次衍射在19.5keV处实现了16nm的线聚焦。多层膜Laue透镜的优越性能使其成为目前国际X射线显微领域的研究热点：2008年，日本兵库县大学利用MoSi2/Si制作的MLL在20keV处实现了28.2nm的线聚焦；2010年德国哥廷根大学利用脉冲激光沉积和聚焦离子束技术制备了MLL并进行了一维拼接实验。多层膜Laue透镜已成为将硬X射线显微成像分辨率推进到10nm以下最有希望的方法之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，利用高级次衍射，进一步提高硬X射线显微聚焦的分辨率。本发明的核心是采用具有高分辨率特性的高级次衍射对硬X射线进行聚焦。同时针对目标衍射级次，通过优化多层膜结构中材料的厚度比，并选择合适的截面深度，使入射能量在不同级次间重新分配，极大的提高高级次衍射的效率，克服了传统波带片高级次衍射效率低下的问题。为最终实现高效率的纳米级硬X射线聚焦提供新的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该Laue透镜由吸收层和间隔层周期性构成，其中所述吸收层的材料是局部光栅中的高原子序数材料A，间隔层材料是低原子序数材料B。

多层膜Laue透镜具有截面深度t，t为垂直于薄膜生长方向的元件长度。

该多层膜Laue透镜具有厚度比γ＝d_A/(d_A+d_B)，d_A是吸收层的厚度，d_B是间隔层的厚度，厚度比的确定包括以下步骤：

(1)根据实验应用时所需的能段、工作距离和聚焦成像的分辨率要求，选择多层膜Laue透镜的工作波长λ、1级次聚焦的焦距f和最外层的光栅周期Dr_out；

(2)采用wedged结构的高级次多层膜Laue透镜在入射面(深度t＝0)处，膜层位置由公式(1)确定：

$R_n=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\mathrm{n\λf}}& ,n=\mathrm{2,4,6}...\\ \sqrt{(n+1)\mathrm{\λf}}\·(1-\frac{1-y}{n+1})& ,n=\mathrm{1,3,5}...\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中n为从中心向外的膜层数，Rn为第n层膜层的位置半径，γ为局部光栅的厚度比，不同半径位置局部光栅的周期由公式(2)确定：

${\mathrm{Dr}}_n=\frac{\mathrm{\λf}}{R_n}---\left(2\right)$

wedged结构中每个膜层的倾角由公式(3)确定：

${\mathrm{\θ}}_B=k\·\frac{\mathrm{\λ}}{2\·(d_A+d_B)}---\left(3\right)$

其中，k为衍射级次，d_A和d_B为该位置局部光栅吸收层和间隔层的厚度。根据一维耦合波理论，分别计算周期依次为D₁＝D_rout，D₂＝D_rout+10nm，D₃＝D_rout+20nm，…，D_n＝|k|×35nm的n个不同光栅(k是目标衍射级次)，在厚度比γ＝0.25～0.75(间距Δγ取0.05)时，k级次的理想衍射效率(光栅倾斜以满足Bragg条件)随深度t变化的曲线ηn(γ，t)，其中D_rout为透镜结构中最外层光栅的周期，深度t计算范围取0～150μm；

(3)根据步骤(2)的计算结果，针对每种光栅，分别选择对应理想衍射效率较大的厚度比范围：范围要求光栅取其中的每个厚度比时，对应的随深度变化的最大衍射效率ηmax(t)都大于该光栅在取步骤(2)中不同厚度比的计算结果中能获得的全局最大效率的一半ηmax(γ，t)/2。

(4)根据步骤(3)的计算结果，选择不同光栅厚度比范围的重合区域；针对重合区域中的每一个厚度比，计算n个光栅k级次的理想衍射效率的平均值随深度变化的平均效率曲线ηmean(t)＝(η1(t)+η2(t)+…+ηn(t))/n，比较不同平均效率曲线的峰值ηmean_max(t)，选择具有最大峰值平均效率的曲线对应的厚度比为高级次多层膜Laue透镜的最优厚度比γ_opt。

所述的γ_opt在计算时，周期分别为D₁，D₂…D_n的不同光栅的理想衍射效率随深度的变化曲线ηn(γ_opt，t)和平均效率曲线ηmean(γ_opt，t)＝(η1(γ_opt，t)+η2(γ_opt，t)+…+ηn(γ_opt，t))/n，选择平均效率最大值对应的深度为透镜的最优深度t_opt。

该多层膜Laue透镜采用wedged结构，即从中心到外层，每层薄膜分别倾斜不同的Bragg角其中λ是入射光波长，k是目标衍射级次，d_A和d_B分别是该位置局部光栅的吸收层和间隔层的厚度。

与现有技术相比，本发明利用高级次衍射，多层膜Laue透镜的数值孔径将增大k倍；因此，高级次多层膜Laue透镜理论上能将聚焦分辨率提高k倍。同时，通过优化结构的厚度比，选择合适的截面深度，新型结构克服了传统波带片高级次衍射效率低下的问题，极大的提高了高级次衍射聚焦的效率。由于所有局部光栅的周期和位置固定不变，改变厚度比对高级次多层膜Laue透镜的聚焦分辨率影响很小。

附图说明

图1为硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜的设计结构示意图。

其中，1是局部光栅，2是吸收层，3是间隔层，4是元件的截面深度，5是膜层倾角，6是-1级次衍射光，7是-k级次衍射光，8是光轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，高级次多层膜Laue透镜是利用衍射原理聚焦，不同级次的衍射光6，7聚焦在光轴8上不同位置。相比-1级次衍射6，利用-k级次衍射7聚焦时，焦距缩短k倍，数值孔径也近似增大k倍。根据瑞利判据，高级次多层膜Laue透镜的聚焦分辨率将提高k倍。高级次多层膜Laue透镜由一系列周期渐变的局部光栅1组成，根据衍射动力学理论，改变局部光栅内吸收层2和间隔层3所占的厚度比γ，能使入射能量在不同衍射级次间重新分配，再对元件选择合适的截面深度4，使能量进一步转移到目标高级次衍射中，从而极大的提高高级次衍射的效率，克服传统波带片高级次衍射效率低下的问题。同时，由于所有局部光栅的周期和位置固定不变，改变厚度比对聚焦分辨率的影响很小。

采用本发明的方法，针对硬X射线的高分辨率聚焦显微实验应用，设计了WSi₂/Si高级次多层膜Laue透镜，工作在E＝20keV(λ＝0.062nm)，f＝6mm，Dr_out＝20nm，利用-2级次衍射进行聚焦：

(1)根据透镜结构公式(1，2，3)算得多层膜Laue透镜的初始结构；

(2)根据初始结构，利用一维耦合波理论，分别计算周期依次为D₁＝20nm，D₂＝30nm，D₃＝40nm，D₄＝50nm，D₅＝60nm，D₆＝70nm的光栅，在厚度比γ＝0.25～0.75(间距Δγ取0.05)时，-2级次理想衍射效率(光栅倾斜以满足Bragg条件)随深度t变化的曲线η(γ，t)；

(3)根据(2)的计算结果，确定这6个不同周期的光栅对应理想效率较大的厚度比范围：周期为20nm的光栅γ＝0.25～0.45，周期为30nm的光栅γ＝0.25～0.5，周期为40nm的光栅γ＝0.25～0.5，周期为50nm的光栅γ＝0.25～0.65，周期为60nm的光栅γ＝0.25～0.65，周期为70nm的光栅γ＝0.25～0.7。

(4)根据(3)的结果，确定不同光栅厚度比范围的重合区域为γ＝0.25～0.45。分别取γ＝0.25，0.3，0.35，0.4，0.45，计算不同光栅的平均理想衍射效率曲线，具有最大峰值平均效率的曲线对应的厚度比γ＝0.25。因此，-2级次多层膜Laue透镜的最优厚度比γ_opt＝0.25。

(5)计算γ_opt＝0.25时，周期依次为D₁＝20nm，D₂＝30nm，D₃＝40nm，D₄＝50nm，D₅＝60nm，D₆＝70nm的不同光栅的理想衍射效率随深度变化的平均效率曲线，最大平均效率对应的深度为30μm。因此，-2级次多层膜Laue透镜的最优深度t_opt＝30μm。

(6)根据(1)中算得的WSi₂/Si多层膜Laue透镜的初始结构，取厚度比γ＝0.25，深度t＝30μm时，算得透镜中心以外的区域(Dr_n＜70nm)中所有局部光栅的-2级次的平均理想衍射效率达到62％，最佳像面上聚焦分辨率达到4.0nm。

Claims (3)

1.硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该Laue透镜由吸收层和间隔层周期性构成，其中所述吸收层的材料是局部光栅中的高原子序数材料A，间隔层材料是低原子序数材料B；多层膜Laue透镜具有截面深度t，t为垂直于薄膜生长方向的元件长度；

该多层膜Laue透镜具有厚度比γ＝d_A/(d_A+d_B)，d_A是吸收层的厚度，d_B是间隔层的厚度，厚度比的确定包括以下步骤：

(1)根据实验应用时所需的能段、工作距离和聚焦成像的分辨率要求，选择多层膜Laue透镜的工作波长λ、1级次聚焦的焦距f和最外层的光栅周期Dr_out；

(2)采用wedged结构的高级次多层膜Laue透镜在入射面，即深度t＝0处，膜层位置由公式(1)确定：

$R_n=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\mathrm{n\λf}},& n=\mathrm{2,4,6}...\\ \sqrt{(n+1)\mathrm{\λf}}\·(1-\frac{1-y}{n+1}),& n=\mathrm{1,3,5}...\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中n为从中心向外的膜层数，Rn为第n层膜层的位置半径，γ为局部光栅的厚度比，不同半径位置局部光栅的周期由公式(2)确定：

${\mathrm{Dr}}_n=\frac{\mathrm{\λf}}{R_n}---\left(2\right)$

wedged结构中每个膜层的倾角由公式(3)确定：

${\mathrm{\θ}}_B=k\·\frac{\mathrm{\λ}}{2\·(d_A+d_B)}---\left(3\right)$

其中，k为衍射级次，d_A和d_B为该位置局部光栅吸收层和间隔层的厚度，根据一维耦合波理论，分别计算周期依次为D₁＝D_rout,D₂＝D_rout+10nm,D₃＝D_rout+20nm,…,D_n＝|k|×35nm的n个不同光栅，在厚度比γ＝0.25～0.75，间距Δγ取0.05时，光栅倾斜以满足Bragg条件，k级次的理想衍射效率随深度t变化的曲线ηn(γ,t)，其中D_rout为透镜结构中最外层光栅的周期,深度t计算范围取0～150μm；

(3)根据步骤(2)的计算结果，针对每种光栅，分别选择对应理想衍射效率较大的厚度比范围：范围要求光栅取其中的每个厚度比时，对应的随深度变化的最大衍射效率ηmax(t)都大于该光栅在取步骤(2)中不同厚度比的计算结果中能获得的全局最大效率的一半ηmax(γ,t)/2；

(4)根据步骤(3)的计算结果，选择不同光栅厚度比范围的重合区域；针对重合区域中的每一个厚度比，计算n个光栅k级次的理想衍射效率的平均值随深度变化的平均效率曲线ηmean(t)＝(η1(t)+η2(t)+…+ηn(t))/n，比较不同平均效率曲线的峰值ηmean_max(t)，选择具有最大峰值平均效率的曲线对应的厚度比为高级次多层膜Laue透镜的最优厚度比γ_opt。

2.根据权利要求1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的γ_opt在计算时，周期分别为D₁,D₂…D_n的不同光栅的理想衍射效率随深度的变化曲线ηn(γ_opt,t)和平均效率曲线ηmean(γ_opt,t)＝(η1(γ_opt,t)+η2(γ_opt,t)+…+ηn(γ_opt,t))/n，选择平均效率最大值对应的深度为透镜的最优深度t_opt。

3.根据权利要求1所述的硬X射线微聚焦高级次多层膜Laue透镜，其特征在于，该多层膜Laue透镜采用wedged结构，即从中心到外层，每层薄膜分别倾斜不同的Bragg角其中λ是入射光波长，k是目标衍射级次，d_A和d_B分别是该位置局部光栅的吸收层和间隔层的厚度。