CN111048226B

CN111048226B - 一种超反射镜

Info

Publication number: CN111048226B
Application number: CN201911373469.9A
Authority: CN
Inventors: 王孝东; 陈波
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111048226A

Abstract

本发明提供一种超反射镜，其包括基底，所述基底为熔石英，在所述基底上交替叠加铱膜和碳化硅膜，使用铱和碳化硅两种材料组成多层膜，靠近所述基底侧的膜为碳化硅膜，最外层膜为铱膜。所述铱膜和所述碳化硅膜交替设置的结构形成若干组周期多层膜。与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提供了一种超反射镜，该超反射镜在大掠入射角条件下，在0.2‑10keV波段有较高的反射率。该超反射镜具有较好的角度容忍度，降低了装调的难度。与单层膜或者两层膜相比，具有明显的优势。选用的材料为磁控溅射常用的材料，易于制备。

Description

一种超反射镜

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种超反射镜。

背景技术

在X射线波段，所有材料的折射率都接近1，折射角非常小，因此无法采用透射光学系统。正入射时，X射线波段单层膜的反射率小于10E-4，而广泛应用于极紫外和水窗波段的传统正入射多层膜，在0.3-10keV波段的膜层厚度已经是亚纳米水平，这时界面扩散和粗糙度对反射率的影响已经非常显著，反射率也非常低。因此，在X射线光学系统中，一般采用掠入射光学结构，也就是让材料工作在其全反射角附近，以获得较高的反射率。

掠入射角是X射线光学系统的关键参数。增大掠入射角，可以减小焦平面距离，进而减小了系统的尺寸和重量，降低了制造成本；提高了有效集光面积，降低了装调难度，进而促进了成像质量的提高。在较早的X射线光学系统中，镜面镀制的都是金属单层膜，即Ni、Au、Pt和Ir等金属单层膜，利用金属单层膜的全反射角来实现软X射线波段较高的反射率。金属单层膜在软X射线波段全反射角一般较小，小于0.7°。由于金属膜的全反射角和入射光子的能量成反比，金属膜在一定入射角下的反射率随入射光子能量的增大而减小。因此，随着掠入射角变大，超过了单层金属膜的全反射角，高能量波段的反射率急剧下降。人们通常采用非周期多层膜技术，来进一步提高掠入射角。该技术是利用布拉格衍射原理来实现这一目标的。

通常，把工作在X射线波段，具有比较大的响应带宽(角度或者波长)的掠入射反射非周期多层膜称作超反射镜。超反射镜是软X射线光学系统的关键光学元件，其在生物成像、等离子体诊断、天文观测等领域具有重要的应用前景。超反射镜与传统多层膜的区别有两方面:一是工作角度是掠入射角，一般小于2°；二是有些膜层厚度在1nm左右，对制备提出了更高的要求。设计方法包括膜厚渐变法、线性膜堆法、解析加优化方法和膜厚优化法，其中膜厚优化法包括局部优化法，例如Marquardt算法和Levenberg-Marquardt算法。膜厚优化法还包括全局优化算法，例如微分进化算法和Binda遗传算法。

但是现有技术中的超反射镜也存在缺陷，例如：在大掠入射角(1°，1.4°， 1.7°)条件下，在0.2-10keV波段的反射率较低；同时也较难制备。

因此，急需研究开发一种能够克服现有技术中的缺陷的新型超反射镜。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中反射率较低的问题。本发明提供一种超反射镜，包括基底，所述基底为熔石英，在所述基底上交替叠加铱膜和碳化硅膜，使用铱和碳化硅两种材料组成多层膜，靠近所述基底侧的膜为碳化硅膜，最外层膜为铱膜。所述铱膜和所述碳化硅膜交替设置的结构形成若干组周期多层膜。

较佳地，通过Kozhevnikov公式得到周期多层膜的厚度分布。

较佳地，所述Kozhevnikov公式中的目标反射率为R(λ)α，其中α为常数。

较佳地，所述Kozhevnikov公式中的目标反射率为：R(λ)exp[(4πσsin(θ)/ λ)m，其中其中α为常数，σ是粗糙度，θ是掠入射角。

较佳地，所述Kozhevnikov公式中的目标反射率为：

R(λ)exp[-(4πσsin(θ)/λ)^m]，其中α为常数，σ是粗糙度，θ是掠入射角。

较佳地，所述铱膜和所述碳化硅膜交替形成的多层膜沉积在熔石英基底上，熔石英基底的粗糙度小于0.25nm。

较佳地，所述超反射镜的膜系厚度为1.0nm至4.0nm，其周期数28至140。

较佳地，所述超反射镜的掠入射角为1.0°或1.4°或1.7°。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种超反射镜，该超反射镜在大掠入射角(1°，1.4°，1.7°) 条件下，在0.2-10keV波段有较高的反射率。而且具有较好的角度容忍度，降低了装调的难度。与单层膜或者两层膜相比，具有明显的优势。选用的材料为磁控溅射常用的材料，易于制备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1表示入射角为1°时，单层膜和双层膜的反射率曲线；

图2为超反射镜结构示意图；

图3为引入粗糙度因子后目标反射率曲线示意图；

图4表示入射角为1°时，本发明中超反射镜的反射率曲线；

图5表示入射角为1.4°时，本发明中超反射镜的反射率曲线；

图6表示入射角为1.7°时，本发明中超反射镜的反射率曲线；

图7表示入射角为1°的膜系在6keV时反射率随掠入射角度的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明提供一种超反射镜，其包括基底，所述基底为熔石英，在所述基底上交替叠加铱膜和碳化硅膜，使用铱和碳化硅两种材料组成多层膜，靠近所述基底侧的膜为碳化硅膜，最外层膜为铱膜。所述铱膜和所述碳化硅膜交替设置的结构形成若干组周期多层膜。

本发明提供的超反射镜采用了Ir/SiC多层膜结构，所述Ir/SiC多层膜沉积在熔石英基底上，该超反射镜的入射角分别为1.0°、1.4°和1.7°。该超反射镜在1.0°、1.4°和1.7°掠入射角度条件下，在0.2-10keV波段具有较高的反射率。

图1给出了入射角为1°时，单层膜和双层膜的反射率曲线。从图1可以看出，单层碳化硅膜(单层SiC膜)的反射率在2keV之后反射率就接近于零，单层铱膜(Ir膜)和双层膜(Ir/SiC双层膜)在5keV之后也接近于零，Ir/SiC 双层膜在高能量段具有更高的反射率，因此选Ir/SiC做基础膜系。

该超反射镜中使用两种材料来组成多层膜，通过引入粗糙度因子，对目标反射率曲线做调制，再通过Kozhevnikov公式得到该多层膜的厚度分布。

图2给出本发明中超反射镜的设计原理示意图。超反射镜是通过布拉格衍射来实现提高反射率这一目标的。布拉格衍射公式为：

2d sinθ＝nλ

其中，d是周期厚度，θ是掠入射角，λ是波长，n是衍射级次。

如下公式是修正的布拉格衍射公式：

其中m是衍射级次，λ是波长，d是周期厚度，Γ是高密度材料在周期厚度中所占的比例，θ是掠入射角，δ_h是高密度材料折射率减小量，δ_l是低密度材料折射率减少量。

具有不同周期厚度的薄膜，能够反射不同的波长。在X射线波段，短波的吸收较小，为了降低吸收，一般将反射短波的周期安置于靠近基底侧。也就是说，为了降低吸收，设定λ₄＞λ₃＞λ₂＞λ₁，和d₄＞d₃＞d₂＞d₁。d₄、d₃、d₂和d₁分别代表第四组周期多层膜、第三组周期多层膜、第二周期多层膜和第一周期多层膜的厚度。Γ设为0.5，薄膜界面粗糙度/扩散设为0.45nm。

本发明提供的超反射镜，包括超光滑熔石英基底以及铱膜和碳化硅膜交替形成的多层膜；铱膜和碳化硅膜交替形成的多层膜沉积在熔石英基底上。熔石英基底的粗糙度小于0.25nm。

如下公式为IMD软件中Kozhevnikov公式采用的目标反射率定义，其中没有粗糙度因子，R′是目标反射率。

τ≡R′(λ)αexp[4κ₂(λ)z]

而下述公式为第一修正公式，通过第一修正公式修正了目标反射率的定义，第一修正公式也可称为Roughness I。其中，R是在IMD软件中输入的反射率，k2(λ)是包含入射角和消光系数的参数，z是沿厚度方向的坐标。

τ≡R(λ)αexp[4κ₂(λ)z]

下述公式为第二修正公式，通过第二修正公式修正了目标反射率的定义，第二修正公式也可称为Roughness II。其中，m是正数常数。

τ≡R(λ)exp[-(4πσsin(θ)/λ)^m]exp[4κ₂(λ)z]

下述公式为第三修正公式，通过第三修正公式修正了目标反射率的定义，第三修正公式也可称为Roughness III。

τ≡R(λ)exp[-(4πσsin(θ)/λ)m]exp[4κ₂(λ)z]

在三个修正公式中，α是常数，σ是粗糙度。也就是说，假设粗糙度对反射率分别有恒定的影响，指数增强和指数降低影响。修正后的反射率曲线如图3 所示。

图4给出了优化设计得到的超反射镜的反射率曲线，此时入射角为1°。在4.5-10keV波段平均反射率约为19％。表一给出了设计参数。

表一表示入射角为1°时，本发明设计参数

图5给出了优化设计得到的超反射镜的反射率曲线，此时入射角1.4°。在5-10keV波段平均反射率约为8％。表二给出了设计参数。

表二表示入射角为1.4°时，本发明设计参数

图6给出了优化设计得到的超反射镜的反射率曲线，此时入射角1.7°。在 3-10keV波段平均反射率约为4％。表三给出了设计参数。

从三个表可以看出，设计的膜系膜厚在1.0-4.0nm，周期数28-140，这些参数，在磁控溅射镀膜中是常见的，因此容易制备。在图7给出了设计的入射角1°的膜系在6keV能量时反射率随掠入射角度变化的曲线，可以看出角度在0-1.65°都有较高的反射率，即角度容忍度较好，便于后续的装调。

本发明中的超反射镜具有如下有益效果：

1、本发明提供的一种超反射镜，该超反射镜在大掠入射角(1°，1.4°， 1.7°)条件下，在0.2-10keV波段有较高的反射率。而且具有较好的角度容忍度，降低了装调的难度。与单层膜或者两层膜相比，具有明显的优势。选用的材料为磁控溅射常用的材料，易于制备。

2、该超反射镜，通过引入粗糙度因子，对目标反射率曲线做调制，再通过Kozhevnikov公式得到多层膜的厚度分布。克服了以往超反射镜设计过程中没有没有考虑界面粗糙度影响的缺点。也就是在目标反射率中引入了粗糙度因子。该方式简单，容易操作，能够得到较好的超反射镜设计结果。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超反射镜，其特征在于，其包括基底，所述基底为熔石英，在所述基底上交替叠加铱膜和碳化硅膜，使用铱和碳化硅两种材料组成多层膜，靠近所述基底侧的膜为碳化硅膜，最外层膜为铱膜；所述铱膜和所述碳化硅膜交替设置的结构形成若干组周期多层膜，所述超反射镜在掠入射角为1.0°时，在4.5-10keV波段的平均反射率为19％，在掠入射角为1.4°时，在5-10keV波段平均反射率为8％，在掠入射角为1.7°时，在3-10keV波段平均反射率为4％。

2.如权利要求1中所述的超反射镜，其特征在于，所述铱膜和所述碳化硅膜交替形成的多层膜沉积在熔石英基底上，熔石英基底的粗糙度小于0.25nm。

3.如权利要求1中所述的超反射镜，其特征在于，所述超反射镜的膜系厚度为1.0nm至4.0nm，其周期数28至140。