硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜的制作方法
专利名称:硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及高分辨率X射线显微聚焦元件的研究，属精密光学元件研究领域，尤其是涉及一种硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜。
背景技术：
根据瑞利判据，光源的波长越短，光学系统的分辨率越高。X射线波长远远小于可见光、可实现纳米级的分辨率。相比软X射线，硬X射线的能量高、穿透深度大，硬X射线显微术能实现高原子序数元素的鉴定，并可对更厚样品进行无损深度检测。扫描X射线荧光显微镜以及3维层析技术的发展使得硬X射线显微术在生命、材料、和环境科学等领域获得重要应用。X射线显微成像系统的分辨率由微聚焦光斑的尺寸决定。由于在X射线波段，所有材料的折射率都接近于1，传统的折射透镜无法实现X射线聚焦。波带片是X射线波段常用的微聚焦元件之一，能提供很高的分辨率。基于菲涅尔波带片的X射线显微镜已在软X射线波段获得接近IOnm的成像分辨率。但在硬X射线波段，理想波带片的高宽比(深度/最外层宽度)要做到几百甚至上千，利用传统刻蚀的方法难以实现。这大大制约了高分辨率的硬X射线显微技术的发展。
为从根本上克服大高宽比的限制，美国Argonne国家实验室在2004年提出一种新型的一维多层膜波带片结构，多层膜Laue透镜(MLL)。它通过在平面基底上从最外层开始倒序镀制梯度多层膜结构，再进行切片减薄抛光，获得一维波带片结构。2个多层膜Laue透镜垂直拼接可实现2维聚焦。这种方法既可以获得非常大的高宽比，又保证了多层膜波带片膜层的精确位置和成膜质量，有效提高了硬X射线波带片的聚焦效率和分辨率。2008年，Argonne实验室利用多层膜Laue透镜在19.5keV处实现了 16nm的一维线聚焦。2010年,2个Laue透镜通过精确垂直拼接实现了 25X27nm2的二维聚焦。
由于Laue透镜是基于多层膜技术制作的一维波带片结构，上千层薄膜沉积过程中产生的应力问题使得透镜的口径难以做大。而为实现二维聚焦功能，需要将2块透镜进行垂直拼接，入射光经过2次衍射后通量衰减更大；这限制了利用多层膜Laue透镜进行聚焦成像实验时所能获得的光通量，影响了硬X射线显微成像的质量和采集时间。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，由WSi2和Si两种材料层交替镀制形成，其中每层WSi2M料层和Si材料层构成局部光栅结构。
所述的局部光栅结构具有厚度比Y，Y = dsi/(dWSi2+dsi)，其中dsi是局部光栅中Si膜层的厚度，dffSi2是局部光栅中WSi2膜层的厚度。
所述的厚度比Y取值在0.2 0.7。
复合多层膜Laue透镜可以采用倾斜式结构(tilted)或楔形式结构(wedged)。[0011]所述的倾斜式结构是透镜整体倾斜固定角度，所述的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，以完全满足Bragg条件。
(I)根据高通量显微实验应用时要求的能段、工作距离、聚焦成像分辨率和通量要求，选择WSi2/Si多层膜Laue透镜的工作波长λ、焦距f和最外层光栅的周期Drrat ;并确定透镜结构是倾斜型(tilted)或是楔型(wedged)。
(2)多厚度比复合多层膜Laue透镜在入射面(深度ζ = O)处，膜层位置由公式
权利要求
1.硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，该复合多层膜Laue透镜由在基底上通过交替镀制WSi2和Si两种材料层形成，其中每层WSi2M料层和Si材料层构成局部光栅结构。
2.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的局部光栅结构具有厚度比Y，Y =dsi/(dWSi2+dsi)，其中dsi是局部光栅中Si膜层的厚度，dffSi2是局部光栅中WSi2膜层的厚度。
3.根据权利要求
2所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的厚度比Y取值在0.2 0.7。
4.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，复合多层膜Laue透镜可以采用倾斜式结构(tilted)或楔形式结构(wedged)。
5.根据权利要求
4所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的倾斜式结构是透镜整体倾斜固定角度，所述的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，以完全满足Bragg条件。
6.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，为减小透镜的膜系应力，同时保证多层膜Laue透镜的衍射效率，透镜结构从中心到外层被分为多个不同厚度比的区域，区域的划分和厚度比的确定包括以下步骤: (1)根据高通量实验应用时要求的能段、工作距离、聚焦成像分辨率和光通量要求，选择多层膜Laue透镜的工作波长λ、焦距f和最外层的光栅周期Drrat ； (2)多厚度比复合多层膜Laue透镜在入射面(深度z= 0)处，膜层位置由公式(I)确 定:
7.根据权利要求
6所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，多层膜Laue透镜确定厚度比分布后，计算此时η个光栅的平均衍射效率，取平均效率最大值对应的深度Zmax为透镜结构的深度值。
专利摘要
本发明涉及硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，针对透镜结构中，从中心到外层不同区域的局部光栅选择不同的膜层厚度比γ(以WSi2/Si材料组合为例，γ＝dsi/(dWSi2+dsi)对中心区域周期较大的光栅选择较小的γ，减小应力；对外层区域周期较小的光栅选择相对较大的γ，保证衍射效率。与传统的多层膜Laue透镜相比，本发明提出多厚度比复合结构的设计，在保证衍射效率的前提下，减小上千层膜层镀制过程中膜系的应力，从而可以制作更厚的多层膜结构，有效增大Laue透镜的口径和光通量。
文档编号G21K1/06GKCN103151089SQ201110400987
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月6日
发明者朱京涛, 黄秋实, 李浩川, 王占山 申请人:同济大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
技术领域：
本发明涉及高分辨率X射线显微聚焦元件的研究，属精密光学元件研究领域，尤其是涉及一种硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜。
背景技术：
根据瑞利判据，光源的波长越短，光学系统的分辨率越高。X射线波长远远小于可见光、可实现纳米级的分辨率。相比软X射线，硬X射线的能量高、穿透深度大，硬X射线显微术能实现高原子序数元素的鉴定，并可对更厚样品进行无损深度检测。扫描X射线荧光显微镜以及3维层析技术的发展使得硬X射线显微术在生命、材料、和环境科学等领域获得重要应用。X射线显微成像系统的分辨率由微聚焦光斑的尺寸决定。由于在X射线波段，所有材料的折射率都接近于1，传统的折射透镜无法实现X射线聚焦。波带片是X射线波段常用的微聚焦元件之一，能提供很高的分辨率。基于菲涅尔波带片的X射线显微镜已在软X射线波段获得接近IOnm的成像分辨率。但在硬X射线波段，理想波带片的高宽比(深度/最外层宽度)要做到几百甚至上千，利用传统刻蚀的方法难以实现。这大大制约了高分辨率的硬X射线显微技术的发展。
为从根本上克服大高宽比的限制，美国Argonne国家实验室在2004年提出一种新型的一维多层膜波带片结构，多层膜Laue透镜(MLL)。它通过在平面基底上从最外层开始倒序镀制梯度多层膜结构，再进行切片减薄抛光，获得一维波带片结构。2个多层膜Laue透镜垂直拼接可实现2维聚焦。这种方法既可以获得非常大的高宽比，又保证了多层膜波带片膜层的精确位置和成膜质量，有效提高了硬X射线波带片的聚焦效率和分辨率。2008年，Argonne实验室利用多层膜Laue透镜在19.5keV处实现了 16nm的一维线聚焦。2010年,2个Laue透镜通过精确垂直拼接实现了 25X27nm2的二维聚焦。
由于Laue透镜是基于多层膜技术制作的一维波带片结构，上千层薄膜沉积过程中产生的应力问题使得透镜的口径难以做大。而为实现二维聚焦功能，需要将2块透镜进行垂直拼接，入射光经过2次衍射后通量衰减更大；这限制了利用多层膜Laue透镜进行聚焦成像实验时所能获得的光通量，影响了硬X射线显微成像的质量和采集时间。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，由WSi2和Si两种材料层交替镀制形成，其中每层WSi2M料层和Si材料层构成局部光栅结构。
所述的局部光栅结构具有厚度比Y，Y = dsi/(dWSi2+dsi)，其中dsi是局部光栅中Si膜层的厚度，dffSi2是局部光栅中WSi2膜层的厚度。
所述的厚度比Y取值在0.2 0.7。
复合多层膜Laue透镜可以采用倾斜式结构(tilted)或楔形式结构(wedged)。[0011]所述的倾斜式结构是透镜整体倾斜固定角度，所述的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，以完全满足Bragg条件。
(I)根据高通量显微实验应用时要求的能段、工作距离、聚焦成像分辨率和通量要求，选择WSi2/Si多层膜Laue透镜的工作波长λ、焦距f和最外层光栅的周期Drrat ;并确定透镜结构是倾斜型(tilted)或是楔型(wedged)。
(2)多厚度比复合多层膜Laue透镜在入射面(深度ζ = O)处，膜层位置由公式
权利要求
1.硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，该复合多层膜Laue透镜由在基底上通过交替镀制WSi2和Si两种材料层形成，其中每层WSi2M料层和Si材料层构成局部光栅结构。
2.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的局部光栅结构具有厚度比Y，Y =dsi/(dWSi2+dsi)，其中dsi是局部光栅中Si膜层的厚度，dffSi2是局部光栅中WSi2膜层的厚度。
3.根据权利要求
2所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的厚度比Y取值在0.2 0.7。
4.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，复合多层膜Laue透镜可以采用倾斜式结构(tilted)或楔形式结构(wedged)。
5.根据权利要求
4所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，所述的倾斜式结构是透镜整体倾斜固定角度，所述的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，以完全满足Bragg条件。
6.根据权利要求
1所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，为减小透镜的膜系应力，同时保证多层膜Laue透镜的衍射效率，透镜结构从中心到外层被分为多个不同厚度比的区域，区域的划分和厚度比的确定包括以下步骤: (1)根据高通量实验应用时要求的能段、工作距离、聚焦成像分辨率和光通量要求，选择多层膜Laue透镜的工作波长λ、焦距f和最外层的光栅周期Drrat ； (2)多厚度比复合多层膜Laue透镜在入射面(深度z= 0)处，膜层位置由公式(I)确 定:
7.根据权利要求
6所述的硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，其特征在于，多层膜Laue透镜确定厚度比分布后，计算此时η个光栅的平均衍射效率，取平均效率最大值对应的深度Zmax为透镜结构的深度值。
专利摘要
本发明涉及硬X射线微聚焦多厚度比复合多层膜Laue透镜，针对透镜结构中，从中心到外层不同区域的局部光栅选择不同的膜层厚度比γ(以WSi2/Si材料组合为例，γ＝dsi/(dWSi2+dsi)对中心区域周期较大的光栅选择较小的γ，减小应力；对外层区域周期较小的光栅选择相对较大的γ，保证衍射效率。与传统的多层膜Laue透镜相比，本发明提出多厚度比复合结构的设计，在保证衍射效率的前提下，减小上千层膜层镀制过程中膜系的应力，从而可以制作更厚的多层膜结构，有效增大Laue透镜的口径和光通量。
文档编号G21K1/06GKCN103151089SQ201110400987
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月6日
发明者朱京涛, 黄秋实, 李浩川, 王占山 申请人:同济大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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