CN109920576B - 一种应用于软x射线分光的多层膜切片光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于软X射线波段的多层膜切片光栅。其特征是使用WSi2作为多层膜的吸收层，Si作为间隔层，相对于多层膜表面进行斜切，将斜切面上的周期多层膜作为光栅进行分光。与传统的光栅相比，新型多层膜切片光栅的制备工艺更加便捷，可轻松达到15000/mm以上，应用于软X射线波段的分光。且由于多层膜本身可以增强反射光，因此可在不使用其他光学元件的条件下提高光栅效率。WSi2和Si因其应力较小，界面粗糙度和扩散情况较小，成膜质量较好而被选择作为切片光栅的材料组合。

Description

一种应用于软X射线分光的多层膜切片光栅
技术领域
本发明涉及软X射线分光元件的研究，属精密光学元件研究领域，可应用于发展超高分辨率软X射线光谱仪、单色仪等高精密仪器。
背景技术
衍射光栅具有周期分布的结构，可以调制入射光的振幅和相位，是一种重要的光学元件。入射光经过衍射光栅后，传播方向满足光栅方程：nλ / D = cosθn − cosθ0，其中 D为光栅周期，θ0 和 θn 为掠入射与掠衍射角，n 为衍射级次，λ 为波长。衍射光的传播方向由光波长和光栅周期决定，衍射光栅可以分离入射光中不同的波长成分。利用这一分光特征，衍射光栅可作为核心元件应用于光谱仪、单色仪等仪器中，在物质成分鉴定、天文观测、生物、等领域有广泛应用。
软X射线由于其波长短，穿透性强，覆盖大部分元素的共振线，在材料科学、等离子体诊断、生命科学等研究领域有着重要的应用。然而在这一波段，材料对光的吸收极强，几乎所有材料的折射率都接近于1，正入射反射率极低，只能利用全反射获得高反射率。但是掠入射系统像差较大，能谱分辨率差，集光效率和光通量很低，大大降低了衍射光栅在这一波段的应用性能。
多层膜作为一维人造晶体结构，由高、低原子序数材料交替构成干涉结构，在满足布拉格条件：2dsinθ=nλ时，入射光相干叠加，可在软X射线波段获得极高的反射率。将多层膜技术与光栅相结合，可以在软 X 射线波段同时获得更大的集光效率以及更高的光谱分辨率。
多层膜光栅的分辨率为：R=kN，k为衍射级次，N为光栅线密度。对于多层膜光栅在软X射线波段达到极其高的光谱分辨率的方法有两种：增加光栅线密度或在高级次进行衍射。常见的多层膜光栅有闪耀多层膜光栅(Blazed Multilayer Grating, BMG)、矩形多层膜光栅(Alternate Multilayer Grating, AMG) 、刻蚀多层膜光栅(Lamellar MultilayerGrating, LMG)等。然而由于制备工艺等问题，其性能存在一定局限性，例如制备LMG时对刻蚀工艺要求高，无法在高级次获得理想衍射效率，主要使用零级次衍射光；BMG和AMG在多层膜沉积过程中对基底形状的不完全复制大大降低了衍射效率，限制了可以获得的光栅线密度。
为在软X射线实现高分辨率和高效率的衍射光栅，本发明提出了一种应用于软X射线分光的多层膜切片光栅，突破了传统多层膜光栅制备技术对光栅线密度的限制，并且其特定的闪耀功能使其可以在任意级次进行闪耀。
发明内容
本发明的目的是为了突破现有技术对光栅线密度的限制，提供一种可实现超高分辨率的应用于软X射线分光的多层膜切片光栅。
本发明的目的可以通过以下步骤实现：
软X射线分光用多层膜切片光栅由WSi2和Si两种材料交替镀制形成。
所述的多层膜切片光栅在一个膜层周期内，厚度比（一个膜层周期内，WSi2层膜厚与总膜层厚度的比值）在0.1~0.9范围内。
所述的多层膜切片光栅，其中的WSi2/Si多层膜结构是用直流磁控溅射方法，直接在平板超高精度Si基底上镀制。
所述多层膜切片光栅是由多层膜经过斜切而制成，相对于多层膜表面的斜切角Ψ为0-90°。
所述的多层膜切片光栅的切面经过打磨抛光，作为光栅面对入射光进行分光。
所述的多层膜切片光栅的光栅周期D由多层膜周期d和斜切角Ψ确定，满足公式：D=d/sinΨ。
所述的多层膜切片光栅结构采用以下方法确定：
（1）利用布拉格方程：
（1）
根据实验应用时所需的工作波长，选择多层膜的周期厚度d。/>为布拉格角，n为反射级次；
（2）根据工作需要选择需要增强的级次，将光栅方程的级次m与公式（1）中的反射级次n进行匹配。其中光栅方程为：
（2）
其中D为光栅周期，为入射角，/>为衍射角，m为衍射级次；
（3）切片光栅的光栅周期D由多层膜厚度d和斜切角确定：
（3）
（4）根据上述确定的多层膜周期厚度d以及选择的增强级次，将式（1）、式（2）和式（3）联立，计算得到斜切角。
所述的软X射线分光的多层膜切片光栅，其闪耀角Ф满足公式：2Ф=α+β。
所述的软X射线分光的多层膜切片光栅，其光谱分辨A 由光栅线密度N和衍射级次k确定，且满足公式：A=(Δλ/λ)= kN。其中Δλ为多层膜光栅可分辨最小波长间隔。
现有的多层膜光栅，制备工艺较为复杂且精度要求高，这大大限制了光栅线的密度。本发明研究开发出的多层膜切片光栅，在直流磁控溅射沉积镀膜技术的基础上，直接对镀制完成的多层膜膜堆进行斜切，多层膜厚度精确度可达0.1nm，光栅线密度可轻松突破15000/mm，具有超高光谱分辨率，且制备工艺简单便捷，为实现软X射线高分辨分光技术提供了高效的新方法。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为WSi2/ Si多层膜切片光栅初步测试结果。
具体实施方式
一种应用于软X射线分光的多层膜切片光栅，其结构采用以下方法确定：
（1）利用布拉格方程：
（1）
根据实验应用时所需的工作波长，选择多层膜的周期厚度d。/>为布拉格角，n为反射级次；
（2）根据工作需要选择需要增强的级次，将光栅方程的级次m与公式（1）中的反射级次n进行匹配。其中光栅方程为：
（2）
其中D为光栅周期，为入射角，/>为衍射角，m为衍射级次；
（3）切片光栅的光栅周期D由多层膜厚度d和斜切角确定：
（3）
（4）根据上述确定的多层膜周期厚度d以及选择的增强级次，将式（1）、式（2）和式（3）联立，计算得到斜切角。
根据上述方法设计的软X射线分光的多层膜切片光栅，其闪耀角Ф满足公式：2Ф=α+β。
根据上述方法设计的软X射线分光的多层膜切片光栅，其光谱分辨A 由光栅线密度N和衍射级次k确定，且满足公式：A=(Δλ/λ)= kN。其中Δλ为多层膜光栅可分辨最小波长间隔。
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
采用本发明的方法，针对同步辐射光源软X射线波段实验应用需求，针对中心波长波段，设计了WSi2/ Si多层膜切片光栅：
（1）根据布拉格公式（1）设计多层膜光栅周期厚度d=10nm，兼顾衍射效率与应力，本次设计的多层膜厚度比为0.5；
（2）根据光栅方程和布拉格公式（1，2），选择闪耀级次为正一级次衍射光；
（3）联立公式（1，2，3），设计多层膜光栅斜切角；
（4）根据上述所设计的多层膜切片光栅，光栅周期为57.59nm；
（5）根据上述所设计的多层膜切片光栅，光栅线密度高达为17364/mm。
根据上述多层膜切片光栅的设计结构，采用直流磁控溅射沉积方法，在平面超光滑Si基底上镀制多层膜结构，再使用聚焦离子束（Focusing Ion Beam, FIB）对其进行斜切并打磨抛光光栅面。多层膜切片光栅的设计结构示意图如图1所示，多层膜膜堆由WSi2和Si交替镀制构成，再对其进行斜切，斜切面作为光栅分光面；图2为多层膜切片光栅初步实验测试结果，测试在中国科技大学国家同步辐射实验室的计量站完成，图中光强最强处为布拉格方程与光栅方程耦合处，与理论设计值基本吻合，衍射峰的最小半高全宽为0.05nm，证明了超高的光谱分辨率能力，充分验证了本发明的可行性与未来极好的应用前景。

Claims (5)

1.一种应用于软X射线分光的多层膜切片光栅，其特征在于：所述多层膜切片光栅是由WSi2和Si两种材料交替镀制形成；
所述的多层膜切片光栅周期厚度为1-20nm，在一个膜层周期内，WSi2层膜厚与总膜层厚度的比值为0.1-0.9；
所述的软X射线分光的多层膜切片光栅，其中的WSi2/Si多层膜结构是用直流磁控溅射方法，直接在平板超高精度Si基底上按顺序镀制WSi2/Si多层膜，其中WSi2为散射层，Si为间隔层；
所述多层膜切片光栅是由矩形形状的多层膜膜堆经过斜切而制成，形成上窄下宽的结构，相对于多层膜表面的斜切角为0-90°；
所述的软X射线分光的多层膜切片光栅，为提高软X射线波段光栅的光谱分辨率，同时兼顾光栅的衍射效率，设计确定WSi2/Si多层膜切片光栅结构包括以下步骤：
(1)利用布拉格方程：
2d sinθ＝nλ (1)
根据实验应用时所需的工作波长λ，选择多层膜的周期厚度d；θ为布拉格角，n为反射级次；
(2)根据工作需要选择需要增强的级次，将光栅方程的级次m与公式(1)中的反射级次n进行匹配,其中光栅方程为：
D(sinα-sinβ)＝mλ (2)
其中D为光栅周期，α为入射角，β为衍射角，m为衍射级次；
(3)切片光栅的光栅周期D由多层膜厚度d和斜切角确定：
(4)根据上述确定的多层膜周期厚度d以及选择的增强级次，将式(1)、式(2)和式(3)联立，计算得到斜切角
2.根据权利要求1所述的软X射线分光的多层膜切片光栅斜切工艺，其特征在于，所述的多层膜切片光栅的切面先使用机械切割方法进行预斜切处理，再使用聚焦离子束刻蚀进行高精度打磨抛光，达到设计斜切角度，加工后斜切面作为光栅面对入射光进行分光。
3.根据权利要求1所述的软X射线分光的多层膜切片光栅，其特征在于，光栅周期D为多层膜周期d与的比值，即/>
4.根据权利要求1所述的软X射线分光的多层膜切片光栅，其闪耀角Φ满足公式：aΦ×α+β。
5.根据权利要求1所述的软X射线分光的多层膜切片光栅，其光谱分辨A由光栅线密度N和衍射级次k确定，且满足公式：A＝(Δλ/λ)＝kN；其中Δλ为多层膜光栅可分辨最小波长间隔。
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