CN113903488A - 一种单级次衍射劳厄透镜及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请的实施例公开了一种单级次衍射劳厄透镜及制造方法，所述单级次衍射劳厄透镜包括基体，基体包括第一表面；以及形成在第一表面上的衍射结构；沿垂直于第一表面的方向，衍射结构包括周期厚度以预设规则变化的多个膜层；多个膜层由第一靶材和第二靶材通过共溅射形成，第一靶材和第二靶材的溅射功率沿膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，余弦函数的变化周期为膜层的周期厚度；其中，第一靶材的原子序数大于第二靶材的原子序数。本申请的透镜的结构能够有效抑制高级次衍射光，在光路中无需要使用OSA，有效增加了工作距离。
Description
技术领域
本申请一般涉及辐射光学技术领域，具体涉及一种单级次衍射劳厄透镜及制造方法。
背景技术
X射线显微术具有极限分辨率高，穿透性强等优势。伴随着第三代同步辐射光源的发展，需要大量高分辨率硬X射线聚焦元件，目前研究比较多的X射线聚焦元件有折射式复合折射透镜，掠入射式KB镜和衍射式波带片。
多层膜劳厄(Laue)透镜是一种新型的硬X射线聚焦元件，能够实现高效率的纳米级硬X射线的聚焦。现有的单级次衍射劳厄透镜虽然可以实现纳米级的聚焦，但具有如下缺点：第一，工作距离短：第二，作为衍射元件，除了有用的-1级次衍射光外还存在高级次衍射光，在应用中需要采用光阑(OSA)限制除-1级之外的高级次衍射光，不仅使得光路复杂，而且OSA的存在极大的减小了单级次衍射劳厄透镜的工作距离。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请期望提供一种单级次衍射劳厄透镜及其制造方法，以期通过透镜自身结构实现高级次衍射光的抑制，简化光路，并增加其工作距离。
在本申请实施例的一个方面，本申请提供一种单级次衍射劳厄透镜，包括：
基体，所述基体包括第一表面；
以及形成在所述第一表面上的衍射结构；沿垂直于所述第一表面的方向，所述衍射结构包括周期厚度以预设规则变化的多个膜层；
所述多个膜层由第一靶材和第二靶材通过共溅射形成，所述第一靶材和所述第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，所述余弦函数的变化周期为所述膜层的周期厚度；
其中，所述第一靶材的原子序数大于所述第二靶材的原子序数。
在一些实施例中，沿所述膜层的外延方向，所述透镜在x位置处的磁导率满足如下公式：
其中，
为所述第一靶材和所述第二靶材的磁导率之和的平均值，Δχ为所述第一靶材和所述第二靶材的磁导率之差，D为x位置处的膜层的周期厚度。
在一些实施例中，各膜层的周期厚度通过如下公式计算：
Dn＝fλ/rn；
其中，Dn为第n层膜层的周期厚度，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；
其中，第n层膜层的位置半径rn通过如下公式计算：
rn＝nfλ+n2λ2/4。
在一些实施例中，沿所述膜层的外延方向，第一个膜层初始位置处的所述第一靶材的溅射功率大于所述第二靶材的溅射功率。
在一些实施例中，所述透镜为长方体结构，且各膜层与入射光的夹角为零。
在一些实施例中，所述第一靶材选自WSi2或Nb，所述第二靶材选自Si、Al或掺杂Si的Al。
在本申请实施例的另一个方面，本申请提供一种如上所述的单级次衍射劳厄透镜的制造方法，包括如下步骤：
确定衍射结构；
在基体的第一表面形成所述衍射结构，所述衍射结构包括周期厚度以预设规则变化的多个膜层；
其中，在基体的第一表面形成所述衍射结构包括：
采用共溅射法将第一靶材和第二靶材沉积在所述第一表面，所述第一靶材和所述第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，所述余弦函数的变化周期为所述膜层的周期厚度；
其中，所述第一靶材的原子序数大于所述第二靶材的原子序数。
在一些实施例中，沿所述膜层的外延方向，第一个膜层初始位置处的所述第一靶材的溅射功率大于所述第二靶材的溅射功率。
在一些实施例中，所述确定衍射结构包括如下步骤：
根据所述透镜的应用要求确定所述透镜的膜层总厚度、最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数；
确定各膜层在入射面处的周期厚度；
根据入射光的波长λ，所述透镜-1级次衍射光的焦距f和膜层数量计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取最佳截面深度Zopt。
在一些实施例中，所述确定各膜层在入射面处的周期厚度包括如下步骤：
通过如下公式获得第n层膜层的位置半径rn：
rn＝nfλ+n2λ2/4；
其中，n为从所述基体向外的膜层数，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；
基于所述第n层膜层的位置半径获得第n层膜层的周期厚度Dn：
Dn＝fλ/rn。
本申请的有益效果：
本申请的单级次衍射劳厄透镜通过采用共溅射法形成多层膜，且使第一靶材和第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，使得透镜的磁导率的展开符合三角函数的傅里叶展开从而能够有效抑制高级次衍射光，在光路中无需要使用OSA，有效增加了工作距离。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术的一种劳厄透镜的结构示意图；
图2为本申请一种实施例的单级次衍射劳厄透镜的结构示意图，其中，x为膜层外延方向，z为沿入射光的方向；
图3为本申请一种实施例的第一靶材和第二靶材的溅射功率以相位差为π的余弦函数形式周期性变化的示意图；
图4为劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布，其中，(a)为现有技术的劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布，(b)为本申请的单级次衍射劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布；
图5为劳厄透镜出射面不同衍射级次效率分布，其中，(a)为现有技术的劳厄透镜出射面不同衍射级次效率分布，(b)为本申请的单级次衍射劳厄透镜出射面不同衍射级次效率分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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申请中的具体含义。
劳厄透镜是一种具有多层膜结构的线性波带片，现有的劳厄透镜一般由原子序数不同的两种材料在基体的表面交替镀制形成(图1)，高原子序数的材料形成吸收层，低原子序数的材料形成间隔层，一个吸收层和与其相邻一个间隔层作为一个膜层周期，一个膜层周期内吸收层和间隔层的厚度相等；沿远离基体的方向，即沿膜层的外延或生长方向，膜层周期厚度逐渐减小。
由于采用两种材料交替镀制，沿膜层的外延方向，多层膜的材料密度变化或磁导率变化为周期性矩形函数变化，使得透镜必然存在多个级次的聚焦光路，即具有多个衍射级次，如-1级次、-2级次和-3级次，这些高级次衍射(-2级次和-3级次)就对波长为λ的光的-1级衍射造成了高级衍射污染，导致衍射效率损失，影响成像质量，并且在大多数实验中，需要添加光阑遮挡高级次衍射光，光阑的存在很大程度上降低了劳厄透镜的工作距离。
在此基础上，若能通过透镜自身的结构抑制高级次衍射，将从一定程度上简化光路，且增加透镜的工作距离，从而提高成像质量。
根据本申请的实施例，请参照图2，示出了本申请一种优选的实施方式的单级次衍射劳厄透镜，包括基体1和形成在所述基体1上的衍射结构，所述基体1包括第一表面10，沿垂直于所述第一表面10的方向，所述衍射结构包括周期厚度以预设规则变化的多个膜层；
所述多个膜层由第一靶材和第二靶材通过共溅射形成，所述第一靶材和所述第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，所述余弦函数的变化周期为所述膜层的周期厚度；
其中，所述第一靶材的原子序数大于所述第二靶材的原子序数。
具体地，采用共溅射的方式在基体的第一表面沉积第一靶材和第二靶材，通过周期性地调制施加到溅射源的功率水平，使得溅射出来的第一靶材和第二靶材的溅射功率被周期性地调制，从而在第一表面10上形成第一靶材和第二靶材的密度被周期地调制的周期性结构，周期性调制的周期值为膜层的周期厚度D，即所述函数的变化周期T为所述膜层的周期厚度D。
在本申请中，将第一靶材或第二靶材的溅射功率从功率预设范围的最大值逐渐减小至最小值，或从最小值逐渐增大至最大值所经历的时间定义为一个函数的变化周期T。
其中，如图3所示，周期性调制为具有相位差为π的余弦形式，即加载到用于溅射第一靶材的源上的驱动信号V1和用于溅射第二靶材的源上的驱动信号V2均为余弦信号，且两者幅值相等，相位相差π，使得第一靶材和所述第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向(x轴方向)以相位差为π的余弦函数形式周期性变化；当第一靶材的溅射功率取限定功率范围的最大值时，第二靶材的溅射功率相应地取限定功率范围的最小值，使得所述透镜的透射率函数傅里叶展开而具有单级衍射特征，高级衍射光被有效地抑制。
其中，沿所述膜层的外延方向，膜层的周期厚度D逐渐减小，即连接基体的第一个膜层的周期厚度最大，远离基体的最外层膜层的周期厚度最小。其中，膜层的外延方向垂直于入射光的射入方向。
其中，第一靶材相较于第二靶材具有较高的原子序数，用于形成局部光栅中的吸收层，第二靶材形成间隔层，多层膜的反射率在第二靶材的吸收限波长处具有最高反射率。
其中，共溅射的方式包括但不限于为磁控溅射。示例性地，在一些实施方式中，用直流电源溅射第一靶材，用射频电源溅射第二靶材，溅射气体为高纯Ar气，标定纯度为99.99％，溅射前的本底真空为1.0×10-5Torr。
进一步地，在一些实施例中，沿所述膜层的外延方向，所述透镜在x位置处的磁导率满足如下公式：
其中，
为所述第一靶材和所述第二靶材的磁导率之和的平均值，
为所述第一靶材和所述第二靶材的磁导率之差，D为x位置处的膜层的周期厚度。
由于第一靶材和第二靶材的溅射功率被周期性地呈余弦形式地调制，使得沉积于第一表面10上的第一靶材和第二靶材的密度被周期地调制，进而使得透镜的磁导率沿所述膜层的外延方向呈周期性余弦函数变化。
进一步地，在一些实施例中，各膜层的周期厚度通过如下公式计算：
Dn＝fλ/rn (2)；
其中，Dn为第n层膜层的周期厚度，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；
其中，第n层膜层的位置半径rn通过如下公式计算：
rn＝nfλ+n2λ2/4 (3)。
其中，可采用自动转速控厚法监控膜层周期厚度，在镀膜过程中，基体随着转盘在溅射靶的上方转动，其转速由计算机控制，转速不同则基体停留在溅射区的时间不同，进而使得膜层的周期厚度不同。
进一步地，在一些实施例中，沿所述膜层的外延方向，第一个膜层初始位置处的所述第一靶材的溅射功率大于所述第二靶材的溅射功率。
具体地，结合图2和图3可知，连接基体第一表面10的第一个膜层在制备时，第一靶材的溅射功率逐渐降低，第二靶材的溅射功率逐渐增大，在溅射的初始位置处，第一靶材的溅射功率等于限定功率范围(即功率预设范围)的最大值，而第二靶材的溅射功率相应的等于限定功率范围的最小值，使得沿远离基体第一表面的方向，第一靶材的密度逐渐减小，而第二靶材的密度逐渐增大；进一步地，沿所述膜层的外延方向，第二个膜层初始位置处的所述第二靶材的溅射功率大于所述第一靶材的溅射功率，在溅射的初始位置处，第二靶材的溅射功率等于限定功率范围的最大值，而第一靶材的溅射功率相应的等于限定功率范围的最小值；依次类推。
进一步地，在一些实施例中，所述透镜为长方体结构，且各膜层与入射光的夹角为零，即所述透镜为水平式结构(Flat)，各膜层均不满足Bragg条件。
可以理解的是，在一些实施例中，所述透镜可以为倾斜式结构(tilted)或楔形式结构(wedged)，所述倾斜式结构是透镜整体倾斜固定角度，即所有膜层与入射光具有相同的角度，只有一部分膜层满足Bragg条件，所述楔形式结构是从透镜中心到外层的不同局部光栅分别倾斜对应的Bragg角，即每一个膜层均有不同的倾斜角，所有膜层均满足或近似满足Bragg条件。倾斜式结构的MLL入射角可以通过如下公式确定：
θi＝-1*0.8*λ/4/Drout；
其中，Drout为最外层膜层的周期厚度。
进一步地，在一些实施例中，所述第一靶材选自WSi2或Nb，所述第二靶材选自Si、Al或掺杂Si的Al。
示例性地，当第一靶材为WSi2时，第二靶材可以为Si；或当第一靶材为Nb时，第二靶材可以为Al或掺杂Si的Al。
在本申请实施例的另一个方面，本申请提供一种如上所述的单级次衍射劳厄透镜的制造方法，包括如下步骤：
确定衍射结构；
在基体1的第一表面10形成所述衍射结构，所述衍射结构包括周期厚度以预设规则变化的多个膜层；
其中，在基体的第一表面10形成所述衍射结构包括：
采用共溅射法将第一靶材和第二靶材沉积在所述第一表面10，所述第一靶材和所述第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，所述余弦函数的变化周期为所述膜层的周期厚度；
其中，所述第一靶材的原子序数大于所述第二靶材的原子序数。
其中，溅射优选为磁控溅射。
进一步地，在一些实施例中，沿所述膜层的外延方向，第一个膜层初始位置处的所述第一靶材的溅射功率大于所述第二靶材的溅射功率。
具体地，连接基体1第一表面10的第一个膜层在制备时，第一靶材的溅射功率逐渐降低，第二靶材的溅射功率逐渐增大，在溅射的初始位置处，第一靶材的溅射功率等于限定功率范围的最大值，而第二靶材的溅射功率相应的等于限定功率范围的最小值；进一步地，沿所述膜层的外延方向，第二个膜层初始位置处的所述第二靶材的溅射功率大于所述第一靶材的溅射功率，在溅射的初始位置处，第二靶材的溅射功率等于限定功率范围的最大值，而第一靶材的溅射功率相应的等于限定功率范围的最小值；依次类推。
进一步地，在一些实施例中，所述确定衍射结构包括如下步骤：
1)根据所述透镜的应用要求确定所述透镜的膜层总厚度、最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数；
通过如下公式确定最外层厚度：
Δ＝1.22Drout，其中，Δ为通过透镜所需要达到的空间分辨率；
通过如下公式确定总膜层数：
Nmax＝fλ/(4*Drout 2)
通过总层数即可得到总厚度。
2)确定各膜层在入射面处的周期厚度；
3)根据入射光的波长λ，所述透镜-1级次衍射光的焦距f和膜层数量计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取最佳截面深度Zopt。
具体地，所述透镜的应用要求包括入射光的能量E、入射光的波长λ、所述透镜-1级次衍射光的焦距f和所述透镜拟达到的聚焦分辨率(空间分辨率)，根据透镜的应用要求计算得到最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数。
进一步，通过如下步骤确定各膜层的周期厚度：
首先通过如下公式获得第n层膜层的位置半径rn：
rn＝nfλ+n2λ2/4；
其中，n为从所述基体向外的膜层数，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；
其次基于所述第n层膜层的位置半径获得第n层膜层的周期厚度Dn：
Dn＝fλ/rn。
进一步地，根据所述的波长、焦距、最外层膜层和最内层膜层(连接基体第一表面的膜层)的厚度，利用衍射动力学中的Takagi-Taupin理论计算不同截面深度Z下的波前分布和衍射效率，绘制衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取最佳截面深度Zopt，其中，所述截面深度Z为垂直于所述膜层外延方向的元件长度或沿入射光射入方向的元件长度，所述最佳截面深度Zopt为衍射效率最大值所对应的深度。
进一步地，根据计算获得的膜层数量，各膜层的周期厚度及最佳截面深度Zopt设定溅射参数，在基体的第一表面溅射形成多层膜。
其中，功率预设范围根据衍射结构的各参数以及溅射设备的镀膜参数进行确定。
进一步地，在一些实施例中，可根绝最佳截面深度Zopt，计算出射面的电场分布，利用基尔霍夫-菲涅尔衍射积分，得到像面上的光强分布，获得所述透镜的实际聚焦分辨率；且可根据计算得到的出射面电场分布，绘制等高图，得到XZ平面上焦深的分布，获得所述透镜的焦深长度。
实施例1
设定入射光的能量E为20keV，要求的聚焦分辨率为8nm，选定透镜-1级次衍射光的焦距f为4mm，此时的总膜厚应为41.2μm，根据镀膜能力以及分辨率要求，选择最外层膜层周期厚度为3nm，根据计算，总膜层数为6865层。
根据公式(2)和(3)计算得到各膜层的周期周度，并选择透镜倾角＝4.1mrad；
利用Takagi-Taupin理论，计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)；根据衍射曲线η-1(Z)选取效率最大的最佳截面深度Zopt为5.60μm；
根据最佳深度Zopt，计算出射面的电场分布，利用基尔霍夫-菲涅尔衍射积分，得到像面上的光强分布，获得所述透镜的聚焦分辨率为8nm，-1级次衍射效率与其他高级次衍射效率之和的比为698，而传统劳厄透镜-1级次衍射效率与其他高级次衍射效率之和的比为21；
其中，如图4和图5所示，本申请的单级次衍射劳厄透镜与传统劳厄透镜相比，聚焦分辨率相同，但对于高级次衍射光的抑制能力远高于传统劳厄透镜，说明本申请的单级次衍射劳厄透镜能够有效抑制高级次衍射光，使得其在应用过程中无需使用OSA，不仅简化了光路，而且有效增加了工作距离。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种单级次衍射劳厄透镜，其特征在于，包括：
基体，所述基体包括第一表面；
以及形成在所述第一表面上的衍射结构；沿垂直于所述第一表面的方向，所述衍射结构包括周期厚度以预设规则变化的多个膜层；
所述多个膜层由第一靶材和第二靶材通过共溅射形成，所述第一靶材和所述第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，所述余弦函数的变化周期为所述膜层的周期厚度；
其中，所述第一靶材的原子序数大于所述第二靶材的原子序数。
2.根据权利要求1所述的单级次衍射劳厄透镜，其特征在于，沿所述膜层的外延方向，所述透镜在x位置处的磁导率满足如下公式：
其中，
为所述第一靶材和所述第二靶材的磁导率之和的平均值，Δχ为所述第一靶材和所述第二靶材的磁导率之差，D为x位置处的膜层的周期厚度。
3.根据权利要求2所述的单级次衍射劳厄透镜，其特征在于，各膜层的周期厚度通过如下公式计算：
Dn＝fλ/rn；
其中，Dn为第n层膜层的周期厚度，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；
其中，第n层膜层的位置半径rn通过如下公式计算：
rn＝nfλ+n2λ2/4。
4.根据权利要求1所述的单级次衍射劳厄透镜，其特征在于，沿所述膜层的外延方向，第一个膜层初始位置处的所述第一靶材的溅射功率大于所述第二靶材的溅射功率。
5.根据权利要求1所述的单级次衍射劳厄透镜，其特征在于，所述透镜为长方体结构，且各膜层与入射光的夹角为零。
6.根据权利要求1-5任一项所述的单级次衍射劳厄透镜，其特征在于，所述第一靶材选自WSi2或Nb，所述第二靶材选自Si、Al或掺杂Si的Al。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的单级次衍射劳厄透镜的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定衍射结构；
在基体的第一表面形成所述衍射结构，所述衍射结构包括周期厚度以预设规则变化的多个膜层；
其中，在基体的第一表面形成所述衍射结构包括：
采用共溅射法将第一靶材和第二靶材沉积在所述第一表面，所述第一靶材和所述第二靶材的溅射功率沿所述膜层的外延方向以相位差为π的余弦函数形式周期性变化，所述余弦函数的变化周期为所述膜层的周期厚度；
其中，所述第一靶材的原子序数大于所述第二靶材的原子序数。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，沿所述膜层的外延方向，第一个膜层初始位置处的所述第一靶材的溅射功率大于所述第二靶材的溅射功率。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述确定衍射结构包括如下步骤：
根据所述透镜的应用要求确定所述透镜的膜层总厚度、最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数；
确定各膜层在入射面处的周期厚度；
根据入射光的波长λ，所述透镜-1级次衍射光的焦距f和膜层数量计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取最佳截面深度Zopt。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述确定各膜层在入射面处的周期厚度包括如下步骤：
通过如下公式获得第n层膜层的位置半径rn：
rn＝nfλ+n2λ2/4；
其中，n为从所述基体向外的膜层数，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；
基于所述第n层膜层的位置半径获得第n层膜层的周期厚度Dn：
Dn＝fλ/rn。
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