CN117912741A - 一种梯形多层膜劳厄透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，包括层叠设置的多层功能膜层，各所述功能膜层沿光轴方向的一端作为入射面、另一端作为出射面；各所述功能膜层的出射面与所述光轴方向具有相同的倾斜角，各功能膜层的出射面构成一斜面作为梯形多层膜劳厄透镜的出射面，各所述功能膜层平行于所述光轴方向；至少连续部分层数区间内的所述功能膜层的厚度沿垂直光轴方向的梯度呈线性变化。相比于矩形多层膜劳厄透镜衍，本发明不仅在衍射效率上具有一定程度的提升，同时聚焦分辨率也具有较大提升。
Description
技术领域
本发明涉及硬X射线聚焦光学元件技术领域，具体涉及一种梯形多层膜劳厄透镜。
背景技术
X射线显微技术可以用于对复杂材料中的纳米尺度密度、元素组成、元素价态、应变、形貌、磁性、原子和电子结构以及动力学进行表征。这项技术在生物、医学、材料、物理和化学等研究领域中具有重要意义。X射线的聚焦尺寸直接影响着X射线显微镜的表征能力。目前，多层膜劳厄透镜(Multilayer Laue Lens，MLL)被认为是实现小于10纳米X射线聚焦的最有效光学元件。
多层膜劳厄透镜默认为矩形结构，即入射面与出射面平行，这种结构的好处在于有利于多层膜劳厄头透镜切片的制备，但矩形的透镜结构会导致出射面效率不均匀，从而降低有效口径。
发明内容
本申请的目的在于提供一种梯形多层膜劳厄透镜，至少用于增加多层膜劳厄透镜的聚焦性能。本发明通过实际研究发现，若赋予出射面一定倾斜角度而非与入射面平行，则多层膜劳厄透镜将会拥有更加优异的聚焦性能；基于此发现本发明提供的梯形多层膜劳厄透镜包括层叠设置的多层功能膜层，各所述功能膜层的出射面相对于所述多层膜劳厄透镜的透光轴倾斜设置，各所述功能膜层平行于透光轴(即X轴)，其出射面与光轴X具有相同的倾斜角；各功能膜层的出射面构成一斜面作为梯形多层膜劳厄透镜的出射面。每一所述功能膜层包括层叠设置的吸收层和间隔层，相邻所述功能膜层的所述吸收层和所述间隔层交替设置(即第i层功能膜层的吸收层与第i+1层功能膜层的间隔层相对)；至少部分层数区间内的所述功能膜层的厚度沿垂直光轴方向的梯度呈线性变化。
功能膜层提供聚焦作用；吸收层和间隔层两者组合使用，提供一定的光学常数差值，从而吸收层和间隔层之间的界面对沿光轴入射的光提供反射作用。
作为可实现方式，同一所述功能膜层中的所述吸收层与所述间隔层厚度相同。
作为可实现方式，所述吸收层的材料包括WSi2和Nb中的至少任一种，所述间隔层的材料包括Si和Al中的至少任一种。
作为可实现方式，至少部分层数区间内的各所述功能膜层的梯度采用如下方式获得：
其中，n为所述多层膜劳厄透镜自厚向薄方向所述功能膜层的层数，第n层功能膜层为该至少连续部分层数区间内的功能膜层，rn为第n层所述功能膜层的位置半径(即第n层功能膜层的底部距离最底端的第1层功能膜层底部的距离)，λ为所述多层膜劳厄透镜的工作波长，f为所述多层膜劳厄透镜的焦距，Dn为第n层所述功能膜层的厚度，沿垂直光轴且自厚向薄方向的功能层的厚度越来越薄，程多项式变化。
作为可实现方式，根据以下关系式确定所述多层膜劳厄透镜的所述功能膜层的最大膜层数N；
DN＝2*drout；
其中，DN为第N层所述功能膜层的厚度；drout为最外层所述吸收层或所述间隔层的厚度。drout根据想要获取聚焦分辨率自行进行设定(需求的分辨率＝drout)，根据drout得到DN，之后再相当于用查表的方法(DN数值在Dn的数据中进行查表对应)，获取N的数值。
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)，获取矩形多层膜劳厄透镜的最佳截面深度Zopt。
选取Zopt为中心高度截面深度，以中心高度为原点，对出射面斜率进行优化，以获取最高衍射效率以及聚焦分辨率。将最高衍射效率以及聚焦分辨率对应的倾斜角作为功能膜层的出射面与光轴方向的倾斜角。
各所述功能膜层的入射面对齐作为梯形多层膜劳厄透镜的入射面、各所述功能膜层的出射面构成一斜面作为梯形多层膜劳厄透镜的出射面。
本发明的优点如下：
本发明将多层膜劳厄透镜的形状，由默认的矩形更换为梯形，选取矩形多层膜劳厄透镜最佳穿透深度为高度中心厚度，同时以中心高度顶点为原点，优化出射面斜率。由于形状的变化，进而引起聚焦性能的变化，穿透深度由顶层薄膜到底层薄膜，从薄到深变化，对应各个高度膜层的最佳穿透深度，从而增加了原本矩形透镜的总体聚焦小于以及实际聚焦分辨率。
通过对比，梯形多层膜劳厄透镜衍射效率可以达到10％、聚焦分辨率为10.66nm，矩形多层膜劳厄透镜衍射效率8.9％、聚焦分辨率为13.78nm；因此不仅在衍射效率上具有一定程度的提升，同时聚焦分辨率也具有较大提升。
附图说明
图1为本发明实施例提供的梯形多层膜劳厄透镜的结构示意图。
图2为本发明方案功能膜层的梯度多层膜劳厄透镜，与矩形多层膜劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布对比图；
(a)第一形状，(b)第二形状，(c)第三形状，(d)第四形状，(e)第五形状，(f)第六形状，(g)第七形状。
图3为本发明方案功能膜层的梯度多层膜劳厄透镜，与矩形多层膜劳厄透镜的1维聚焦对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
假定入射光能量E＝20keV，要求的聚焦分辨率为8nm，选定焦距为4mm，此时的总膜厚应为41.2μm，根据镀膜能力以及分辨率要求，选择最外层厚度为3nm，根据计算，总膜层数为6865层。
根据透镜结构公式1、公式2计算得多层膜Laue透镜的初始结构，包括层叠设置6865层功能膜层，各功能膜层沿光轴方向的一端作为入射面、另一端作为出射面；各功能膜层的出射面与光轴方向具有相同的倾斜角，各功能膜层平行于光轴方向；至少连续部分层数区间内的功能膜层的厚度沿垂直光轴方向的梯度呈线性变化。
每一功能膜层包括层叠设置的吸收层和间隔层，吸收层与所述间隔层之间的界面对沿光轴入射的光提供反射作用；相邻功能膜层的吸收层和间隔层交替设置，且同一功能膜层中的吸收层与间隔层厚度相同。
利用Takagi-Taupin理论，计算负1级衍射效率随深度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深度Zopt＝5.60μm。
根据最佳截面深度Zopt，选择5.6μm为多层膜劳厄透镜高度中心的厚度，并根据总体衍射效率以及聚焦分辨率开始优化出射面斜率，优化范围为-45度至45度，优化步长为2.5度。
优化过程中，需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，最终优化结果为获得梯形多层膜Laue透镜的聚焦分辨率为8nm，相比于矩形13nm获得了较大的提升，梯形多层膜劳厄透镜衍射效率为10％，相比矩形多层膜劳厄透镜8.9％也获取了一定的提升。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，包括层叠设置的多层功能膜层，各所述功能膜层沿光轴方向的一端作为入射面、另一端作为出射面；各所述功能膜层的出射面与所述光轴方向具有相同的倾斜角，各所述功能膜层平行于所述光轴方向；至少连续部分层数区间内的所述功能膜层的厚度沿垂直光轴方向的梯度呈线性变化。
2.根据权利要求1所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，每一所述功能膜层包括层叠设置的吸收层和间隔层，所述吸收层与所述间隔层之间的界面对沿光轴入射的光提供反射作用；相邻所述功能膜层的吸收层和间隔层交替设置。
3.根据权利要求2所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，同一所述功能膜层中的吸收层与间隔层厚度相同。
4.根据权利要求2或3所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，所述吸收层的材料包括WSi2和Nb中的至少任一种，所述间隔层的材料包括Si和Al中的至少任一种。
5.根据权利要求1或2或3所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，设第n层功能膜层为该至少连续部分层数区间内的所述功能膜层，该第n层功能膜层的厚度Dn＝fλ/rn；rn为该第n层功能膜层的底部距离最底端的第1层功能膜层底部的距离，λ为所述梯形多层膜劳厄透镜的工作波长，f为所述梯形多层膜劳厄透镜的焦距。
6.根据权利要求5所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，rn＝nfλ+n2λ2/4。
7.根据权利要求5所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，根据工作波长λ、所述透镜-1级次衍射光的焦距和所述功能膜层的总数N计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取矩形多层膜劳厄透镜的最佳截面深度Zopt；然后选取Zopt为中心高度截面深度，以中心高度为原点，对出射面斜率进行优化，以获取最高衍射效率以及聚焦分辨率对应的倾斜角作为所述功能膜层的出射面与所述光轴方向的倾斜角。
8.根据权利要求1所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，根据DN＝2*drout确定梯形多层膜劳厄透镜的总膜厚DN，然后根据DN确定功能膜层的总数N；其中，
drout根据目标聚焦分辨率设定的最外层吸收层或间隔层的厚度。
9.根据权利要求1所述的梯形多层膜劳厄透镜，其特征在于，各所述功能膜层的入射面对齐作为梯形多层膜劳厄透镜的入射面、各所述功能膜层的出射面构成一斜面作为梯形多层膜劳厄透镜的出射面。
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