CN104570180A - 一种具有色散聚焦的椭圆反射式波带片设计和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，包括以下步骤：根据需要确定椭圆反射式波带片的物距、像距、掠入射角以及设计的中心波长，在直角坐标系下选取Y=0的波带片基底平面；构造出第1个椭球体，椭球体的长轴为物距、像距之和，焦点坐标由物距、像距及掠入射角决定，椭球体的两个焦点则为椭圆反射式波带片的物点和像点；根据第1个椭球体和菲涅尔半波带法，构造出第2个、第3个……第n个椭球体；构造的第2个至第n个椭球体与所选取Y=0的波带片基底平面相交构成椭圆反射式波带片的环带结构；截取环带结构的外侧部分，获得离轴椭圆反射式波带片的环带结构。

Description

一种具有色散聚焦的椭圆反射式波带片设计和制作方法

技术领域

本发明涉及一种椭圆反射式波带片设计和制作技术，更具体的说，涉及一种具有色散聚焦及去0级特性的椭圆反射式波带片设计和制作方法。

背景技术

随着先进的X光光源的发展，比如同步辐射、自由电子激光以及新近的betatron超快台面化的X射线源（S. Fourmaux et al, New Journal of Physics）等，对有关这些X射线源的诊断、能谱测量以及相关的实验研究提出了更高的要求，具体要求主要有：超快过程的研究、光源利用率高、高谱分辨的单色化光束线以及其它方面的要求。针对超快的betatron X射线源、利用飞片技术的同步辐射X射线源，其光谱的测量、单色化显得较困难，基于传统的衍射光栅方法，X光光源的传输效率低，能量损失较大。

Rayleigh于1871年，发明了菲涅尔波带片（简称FZP，Fresnel Zone Plate）（Optics, Addison-Wesley, E. Hecht and A. Zajac），可应用于X射线源诊断，该X射线波段的FZP是基于菲涅尔半波带法设计得到的X光段的经典光学元件，该元件与传统的可见光波段的透镜相似，均有聚焦、成像功能。与透镜相比，该元件性能更优，其成本更低，制作更易，面积可更大，重量较轻并且具有可折叠等特点，对远程光通信、光测距以及宇航等领域的发展有着非常重要的研究意义。FZP与传统透差异主要包括：一者，聚焦焦距与波长呈相反关系，而透镜相反；二者，FZP不仅可适用于可见光波段，还可适用于极紫外/软X射线波段，而透镜仅适用于可见光波段，这是因为它们的聚焦本质是完全不相同的，前者是基于衍射理论，后者是依据材料的折射特性。FZP也存在一些局限性，其聚焦尺寸由最外环宽度决定，由于存在体衍射效应，其聚焦尺寸不可能小于10nm；它的加工制作难度较大，与FZP厚度相关；另外，FZP几乎不能应用于硬X射线源的相关研究。

T.Wilhein等人于1997年，提出了一种反射式菲涅尔波带片（简称RZP，reflection zone plate），这种反射式波带片由一系列椭圆构成，为获得空间分辨率小于10nm提供了一个极佳的选择。2005年，A.G. Michette通过理论模拟分析获得了高级衍射条件下的聚焦尺寸达到了几nm的空间分辨。另外，RZP厚度对其衍射特性并没有特殊影响，加工制作相对来说更加容易。然而，A.G. Michette学者所提出的RZP表达示有诸多近似，以至于当波带片设计环数较多时其衍射特性存在较大误差，聚焦焦斑偏离理想位置，而基于Erko在 2005的 Madrid会议提出的斜切割的方法设计所得的波带片参数繁杂、不具体而且设计过程冗长，无法直接给出反射式波带片的物距、像距和反射射角等参数。

本发明则是一种与上述学者所提出的设计制作方法完全不同的新方法，其核心思想是在给定简明的椭圆反射式波带片参数基础上，基于菲涅尔半波带法，便捷、直接地设计制作出衍射特性与设计目标匹配更佳的椭圆反射式波带片，所设计出的波带片具有高空间分辨、谱分辨以及可消除0级污染的特性，不仅适用于可见光波段，还可适用于极紫外、软X射线波段以及基于多层膜工艺技术便可应用于硬X射线波段。基于本发明所设计的椭圆反射式波带片为超快X射线源的诊断、光源单色化及能谱测量等带来新的契机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法。

本发明的具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，包括以下步骤：

a) 根据需要确定椭圆反射式波带片的物距、像距、掠入射角以及设计的中心波长，在直角坐标系下选取Y=0的波带片基底平面；

b) 根据步骤a)的条件，构造出第1个椭球体，椭球体的长轴为物距、像距之和，焦点坐标由物距、像距及掠入射角决定，椭球体的两个焦点则为椭圆反射式波带片的物点和像点；

c) 根据步骤b)所构造的第1个椭球体和菲涅尔半波带法，构造出第2个、第3个……第n个椭球体；

d) 由步骤c)所构造的第2个至第n个椭球体与步骤a)中所选取Y=0的波带片基底平面所相交的环带，构成椭圆反射式波带片的环带结构；

e) 截取步骤d)中的环带结构的外侧部分，获得离轴椭圆反射式波带片的环带结构；

f) 波带片基底平面为透明衬底，在透明衬底上以间隔一个环带结构的方式涂覆高反射率材料，通过光刻方法制作出离轴椭圆反射式波带片。

所述的离椭圆反射式波带片第n个环带结构的布局由以下公式确定：

                                                

式中为椭圆反射式波带片环带的X方向的中心坐标，a为长轴，b为短轴，为第n环带的x轴坐标，为第n环带的z轴坐标。

步骤f中的高反射率材料为金、铝、铜、镍、铌、钽、铬中的一种。

所述的高反射率材料的厚度为300纳米到800纳米。

步骤f中透明衬底为由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种材料或多种制成。

与现有技术相比，本发明的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片具有以下优点：简单实用，设计便捷，仅需确定设计波带片物距、像距、掠入射角以及设计的中心波长，适用于电子束刻蚀工艺。制作的离轴椭圆反射式波带片具有良好的聚焦、谱分辨和无0级干扰特性。

附图说明

图1为椭圆反射式波带片设计示意图；

图2为基于本发明设计的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片工作原理示意图

图3为本发明实施例的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片的局部结构图；

图4为本发明实施例的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片设计波长的聚焦特性模拟结果，图（a）为光强分布，图（b）、（c）分别为沿空间分辨方向和谱分辨方向的光强分布；

图5（a）为本发明实施例的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片对于包含三个不同入射波长组份1在中心波长聚焦焦平面上的光强分布，图（b）为包含三个不同入射波长组份1在谱分辨方向的光强分布曲线；

图6（a）为本发明实施例的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片对于包含三个不同入射波长组份2在中心波长聚焦焦平面的光强分布，图（b）为包含三个不同入射波长组份2在谱分辨方向的光强分布曲线；

图7为本发明实施例的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片对于入射光为2倍频在中心波长聚焦焦平面的光强分布；

图8（a）为本发明实施例的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片对于入射波长为3倍频在中心波长聚焦焦平面的光强分布,图（b）、（c）分别为沿空间分辨方向和谱分辨方向的光强分布；

图9为本发明实施例的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片的加工制作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，示意图仅作示例用，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含相应的长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术部分所述，本发明所提出的椭圆波带片设计方法更加便捷，设计制作的椭圆反射式波带片结构更加合理，本发明实例对该问题进行了分析，首先依据本发明设计出一个针对X波段的椭圆反射式波带结构，然后利用标量衍射理论对所设计的椭圆反射式波带片的衍射特性包括色散、聚焦进行了模拟。

基于本发明设计的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片，包括：

1) 透明衬底，为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种制成的透明材制成；

2)在所述透明衬底上形成一系列高反射率环带结构。

所述的高反射率材料为在掠入射条件下能够对软X射线实现高反射的材料，如金、铝、铜、镍、铌、钽、铬等，薄膜厚度为300到800纳米；

所述的一系列高反射率的环带中两两不相连，从内环至外环环带宽度逐渐变小，其环带结构主要由下面的表达式决定：

 

在直角坐标系下，椭圆波带片的基底平面为Y=0平面，式中的变量为子午方向坐标、弧矢方向坐标 ，其余均为常数，均由物距、像距、入射光的掠入射角和设计的反射式波带片中心波长、波带片环数决定。，a，b分别为椭圆反射式波带片环带的X方向的中心坐标、长半轴和短半轴。

本发明为一种具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片的便捷设计和制作方法，环带结构由以下步骤实现：

1)给定待设计的离轴椭圆反射式波带片基底平面在直角坐标系下为Y=0的平面；

2) 根据具体需要，选定待设计的离轴椭圆反射式波带片的物距R ₁、像距R ₂、掠入射角θ以及设计的中心波长λ ₀。以此建立相关的坐标系，给出坐标原点，物点和像点（椭球体的焦点）位置，物点和像点（椭球体的两个焦点）坐标分别为

3) 根据上述参数，以物点、像点为焦点位置，以物像距之和为长轴的2倍即构建第1个椭球体，第1个椭球体的短轴为；

4) 以物点、像点为椭球体的焦点，依据菲涅尔半波带原理，在第1个椭球体的长轴基础之上加上，即，化简之后为：，以a _n为长半轴，以第1个椭球体的焦点为焦点构建第n个椭球体，第n个椭球体的短半轴则为，将椭球体标准方程变换到椭圆反射式波带片所在坐标系下；重复该步，构建n个共焦点的椭球体，其中n为设计的椭圆反射式波带片环带数；

5) 由第4）步获得的一系列共焦点的椭球体与椭圆反射式波带片平面Y=0平面相交，相交所得到的“明暗相间”的环带结构便是所设计的椭圆反射式波带片，椭圆反射式波带片的环带由决定，式中的变量为子午方向坐标、弧矢方向坐标，其余均为常数，均由物距、像距、入射光的掠入射角和设计的反射式波带片中心波长、波带片环数决， ，a，b分别为椭圆反射式波带片环带的X方向的中心坐标、长半轴和短半轴。

6)截取所构成的波带片的外侧的部分，便可获得离轴椭圆反射式波带片；

7) 由第5）步获得的所谓“明暗相间”环带的含义分别为，“明带”指的是涂覆有高反射率材料（如金、铝、铜、镍、铌、钽、铬等）的环带；“暗带”指的是未涂覆高反射率材料的环带（即仅有透明的衬底），椭圆反射式波带片这样特殊的环带结构反射部分光线，实现椭圆反射式波带片的色散、聚焦功能及无0级干扰特性。

实施例

为此，本实施例公开一种基于本发明所设计的适用于软X射线波段的具有色散聚焦特性的椭圆反射式带片，本发明设计椭圆反射式波带片的示意图如图1，图中PP’为椭球体长轴方向，且P和P’分别为椭球体的两个焦点，XOZ平面上的虚线为椭圆反射式小带片的子午方向，图中的1，2，3分别代表椭球体1，椭球体2，椭球体3；所设计的椭圆反射式波带片工作原理参考图2，图中左侧的点表示光源，右侧黑色狭缝代表设计波长λ0的焦平面，出射的深色光线区间为0级区域；包括：

1)  透明碳化硅衬底；

2)  在透明衬底上形成具有二维分布的多个高反射率环带结构。

图1为设计椭圆反射式波带片方法的示意图，依据本发明，设计出了如图3所示的具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片的局部结构，图中白色环带为“明环”，为高反射率所涂覆的材料；黑色环带为“暗环”，为全透的衬底。

基于本发明设计的离轴椭圆反射式波带片是一种具有独特结构，集色散、聚焦和消除0级光干扰特性于一身的新型软X射线光学元件。相比于以光栅为核心元件构成的相关系统而言，由本发明所设计的椭圆波带片为核心构成的单色仪系统、能谱测量系统，极大的简化了光路，提升了光束线的利用率，这样的系统具有操作简便性、灵活性以及低成本的特点。在超快过程（fs量级）的X射线诊断、能谱测量以及X射线光束线的单色化中，基于本发明所设计的椭圆反射式波带片可扮演重要的角色。基于本发明所设计的椭圆反射式波带片与传统的波带片在加工制作方面没有难度上的差异，加工制作均可采用标准的半导体工艺，所设计的结构不存在尖锐角的情况，易于控制制作精度。

本实例仅给出了X射线波段的基于本发明所设计的椭圆反射式波带片衍射特性的一个示例，基于本发明所设计的椭圆反射式波带片仍可适用于其它的波段，如紫外光、可见光以及红外光等波段，仅需在本实施例下修改相应参数相的参量即可。

以上对本发明、基于本发明所设计制作的椭圆反射式波带片进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的便捷性、准确性及基于本发明所设计的椭圆反射式波带片聚焦、色散特性，以下对基于本发明所设计的椭圆反射式波带片衍射特性进行了模拟分析，具体包括空间聚焦、色散（能谱分辨）以及高次谐波衍射聚焦特性。

本实例模拟过程，采用的参数均为：

物距R ₁=1000mm；

像距R ₂=500mm；

掠入射角θ=3°；

中心波长λ ₀=2.478nm。

基于本发明的设计方法及上述参数，设计了相应的椭圆反射式波带片。

为了有效的去除0级干扰，子午方向离轴截取在上述参数下设计的椭圆反射式波带片中心左侧从第300环（距离波带片中心约9.6mm）取至第2300环，即一共2000环（周期数为1000），子午方向长度约17 mm，弧矢方向截取长度约1 mm。波带片沿子午方向的平均“光栅”周期17 μm，子午方向最小“光栅”周期为12μm。

图4给出了基于本发明所设计的椭圆反射式波带片在上述参数下的聚焦特性的模拟结果，其中图4（a）为探测面位于焦平面上的二维光强分布，图4（b）则分别为沿着焦平面上的空间分辨、谱分辨方向的光强分布。由图4（b）可知，其空间聚焦尺寸（半高全宽）在空间分辨方向、谱分辨方向分别为1.2μm，1.5μm，且聚焦中心位置与理论设计位置一致，证实了本发明的正确性和精确性。

图5给出了本实例所设计椭圆反射式波带片对于入射光源波长分别为2.478nm、2.483nm及2.473nm在中心波长焦平面位置的衍射光强分布，由图5的（a）和（b）图可知，这三个波长在该平面上能够完全分开；图6给出了本实例所设计椭圆波带片对于入射光源波长分别为2.478nm、2.4805nm及2.4755nm在中心波长焦平面位置的衍射光强分布，由图6的（a）和（b）图可知，这三个波长在该平面上“几乎恰好能够分开”，综合图5、图6可得到，本实例所设计的椭圆反射式波带片的谱分辨率为（λ=2.478nm）与设计波带片周期数相同。

图7给出了本实例所设计椭圆反射式波带片对于入射光源波长为2.478/2nm的光强分布，由该图可判断设计的波带片不存在2次谐波衍射聚焦；图8（a）给出了本实例所设计椭圆反射式波带片对于入射光源波长为2.478/3nm在中心波长焦平面位置的光强分布，图8（b）给出了在空间分辨方向、谱分辨方向聚焦尺寸分别为400nm、500nm，为基频波长聚焦尺寸的1/3。由图7和图8的模拟结果证实，本实例所设计的椭圆反射式波带片存在3次谐波聚焦特征，与菲涅尔半波带法的结论一致，即不存在偶次谐波聚焦现象，但存在奇次谐波聚焦现象。

以上对基于本发明的椭圆反射式波带片结构设计和聚焦、谱分辨特性进行了详细的分析和描述，为了更好的理解本发明的方案及效果，以下将对本发明具体实施例的制造方法进行详细的描述，如图9所示，具体步骤如下：

第一步，提供碳化硅薄膜衬底；

第二步，在所述碳化硅薄膜衬底上溅射一层Gr薄膜；

第三步，在第二步所述衬底上的薄膜上旋涂电子束抗蚀剂，热处理后进行电子束的直写和显影等操作，从而获得图案化的电子束抗蚀剂的掩模层，覆盖电子束抗蚀剂的部分为高反射环带的图案；

第四步，通过刻蚀的方法在未覆盖电子束抗蚀剂的Gr薄膜上去除Gr薄膜。

第五步，去除电子束抗蚀剂，从而在碳化硅透明衬底上形成了一定分布的高反射率的环带结构，所述环带结构由本发明设计方法决定。

可以理解的是，在此实施例中，只有透光和高反射光两种区域，透光的区域可以通过图案化的掩模图案来控制，制造工艺简单，同半导体制造技术相互兼容。

至此完成了基于本发明的椭圆反射式波带片结构设计、模拟分析及加工流程，本领域相关技术人员可以理解的是，形成环带结构方法有多种，比如，可以采用先在衬底上形成图案化的掩模层，而后形成金属膜层，然后去除电子束抗蚀剂形成高反射率环带结构，以上仅为示例，本发明对此处如何形成高反射率环带结构的方法不做限制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，其特征在于包括以下步骤：

a)根据需要确定椭圆反射式波带片的物距、像距、掠入射角以及设计的中心波长，在直角坐标系下选取Y=0的波带片基底平面；

b)根据步骤a)的条件，构造出第1个椭球体，椭球体的长轴为物距、像距之和，焦点坐标由物距、像距及掠入射角决定，椭球体的两个焦点则为椭圆反射式波带片的物点和像点；

c)根据步骤b)所构造的第1个椭球体和菲涅尔半波带法，构造出第2个、第3个……第n个椭球体；

d)由步骤c)所构造的第2个至第n个椭球体与步骤a)中所选取Y=0的波带片基底平面所相交的环带，构成椭圆反射式波带片的环带结构；

e)截取步骤d)中的环带结构的外侧部分，获得离轴椭圆反射式波带片的环带结构；

f)波带片基底平面为透明衬底，在透明衬底上以间隔一个环带结构的方式涂覆高反射率材料，通过光刻方法制作出离轴椭圆反射式波带片。

2.根据权利要求1所述的具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，其特征在于：所述的离椭圆反射式波带片第n个环带结构的布局由以下公式确定：

                                                

式中为椭圆反射式波带片环带的X方向的中心坐标，a为长轴，b为短轴，为第n环带的x轴坐标，为第n环带的z轴坐标。

3.根据权利要求1所述的具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，其特征在于：步骤f中的高反射率材料为金、铝、铜、镍、铌、钽、铬中的一种。

4.根据权利要求3所述的具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，其特征在于：所述的高反射率材料的厚度为300纳米到800纳米。

5.根据权利要求1所述的具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，其特征在于：步骤f中透明衬底为由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种材料或多种制成。