硬X射线微聚焦用WSi2/Al0.98Si0.02多层膜Laue透镜

摘要

本发明涉及硬X射线微聚焦用WSi2/Al0.98Si0.02多层膜Laue透镜，该多层膜Laue透镜由WSi2层和掺杂2wt％Si的金属Al层交替镀制形成，厚度比为0.5。与现有技术相比，本发明提出新型材料Laue透镜的设计，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，降低多层膜的界面粗糙度，改善成膜质量，有效增大Laue透镜的口径和光通量，优化聚焦性能。

说明书

技术领域

本发明属于精密光学元件研究领域，应用于发展纳米级硬X射线显微聚焦技术，尤其是涉及一种硬X射线微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜。

背景技术

X射线显微技术因其穿透性强、工作波长短、无损伤测量、元素灵敏度高等特点，被广泛应用于等离子体诊断、生物医学显微等研究领域。X射线显微成像系统的分辨率由它聚焦元件可获得的焦斑大小所决定。由于X射线的折射率n值接近1，衍射式聚焦元件相较于反射和折射式元件，实现X射线聚焦更为便捷。传统的衍射式聚焦元件为菲涅耳波带片。根据瑞利判据，菲涅耳波带片的分辨率取决于最外层带宽，且衍射效率随入射X射线能量增加而减小。因此为获得高效率和高分辨率的聚焦，需要尽可能增加波带片的高宽比。使用电子束刻蚀制备的波带片，分辨率可达12nm，但高宽比在30以内，适用于软X射线波段。使用溅射切片的方法可获得1000以上的高宽比，但分辨率在100nm量级。

为实现硬X射线波段的纳米聚焦，2004年美国Argonne国家实验室提出了多层膜Laue透镜(MLL)，在平面基底上，从最外层倒序镀制梯度结构的多层膜，再对其进行切片抛光装配，获得一维聚焦。将两片MLL正交放置，可获得二维聚焦。2011年，Argonne实验室使用两个正交放置的MLL在12keV波段获得了25×27nm²的二维聚焦；2013年，Brookhaven实验室在相同波段获得了11nm的一维聚焦。

MLL是基于多层膜技术制备的一维波带片结构。多层膜沉积过程中应力的累加会大大降低可获得的口径大小，减小衍射效率；界面粗糙度、位置误差等成膜质量因素导致多层膜结构的不完美性，影响聚焦性能。限制了硬X射线显微成像系统的性能。

中国专利CN103151089A公开了硬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。并通过计算获得了γ为0.5的WSi₂/Si多层膜Laue透镜93％的衍射效率。而本发明选用的的WSi₂/Al_0.98Si_0.02材料在应力上优于WSi₂/Si材料，且可获得的衍射效率大于专利CN103151089A所设计的WSi₂/Si多厚度比复合多层膜Laue透镜，达到了γ为0.5的WSi₂/Si多层膜Laue透镜的99％。

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进一步提高Laue透镜的口径和聚焦性能的硬X射线微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

硬X射线微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜，该多层膜Laue透镜由WSi₂层和掺杂2wt％Si的金属Al层交替镀制形成。

所述的多层膜Laue透镜的厚度比(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Laue透镜为倾斜式结构或楔形式结构。

倾斜式结构的多层膜Laue透镜为整体倾斜固定角度的透镜。

楔形式结构的多层膜Laue透镜为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条件的透镜。

所述的多层膜Laue透镜的结构采用以下方法确定：

(1)根据高通量显微实验应用时要求的能段、工作距离、聚焦成像分辨率和口径，选择WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜的工作波长λ、焦距f和最外层带宽的厚度dr_out；

(2)多层膜Laue透镜在入射面处，膜层位置由公式(1)确定：

$r_n^2=nf\lambda +\frac{n^2{\lambda }^2}{4}---\left(1\right)$

其中n为膜层数，r_n为第n层膜层的位置半径，不同半径位置的环带厚度由公式(2)确定：

$d_{r_n}=\frac{\lambda f|\frac{{\mathrm{n\lambda }}^2}{2}}{2r_n}---\left(2\right)$

(3)采用衍射动力学中的一维耦合波理论，计算负1级衍射效率随深度z变化的曲线η_-1(z)；

(4)根据步骤(3)计算得到的效率曲线η_-1(z)，选取效率最大的最佳截面深度z_opt；

(5)根绝最佳截面深度z_opt，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WSi2/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜的聚焦分辨率；

(6)根据步骤(5)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WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜焦深长度。

所述的多层膜Laue透镜的截面深度为垂直于多层膜制样表面的元件长度。

现有的WSi₂/Si多层膜Laue透镜具有良好的聚焦性能，但Si层应力较大，限制了通光口径尺寸影响了聚焦性能。本发明研究开发得到的WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜，金属Al的光学性能与Si相似，且同等条件下应力性能优于Si，而纯金属Al易结晶，本发明在Al层中掺入2％Si，使用掺入2％Si的金属Al代替原来的Si层，同时兼顾衍射效率，减小应力并平滑界面粗糙度，减小结晶对成膜质量的影响，增大可获得的多层膜Laue透镜口径，进一步提高聚焦性能，为实现高通量高分辨率的硬X射线显微聚焦提供了新方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜衍射效率的曲线。

具体实施方式

硬X射线微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜，其结构采用以下方法确定：

(1)根据高通量显微实验应用时要求的能段、工作距离、聚焦成像分辨率和口径，选择WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜的工作波长λ、焦距f和最外层带宽的厚度dr_out；

(2)多层膜Laue透镜在入射面处，膜层位置由公式(1)确定：

$r_n^2=nf\lambda +\frac{n^2{\lambda }^2}{4}---\left(1\right)$

其中n为膜层数，r_n为第n层膜层的位置半径，不同半径位置的环带厚度由公式(2)确定：

$d_{r_n}=\frac{\lambda f|\frac{{\mathrm{n\lambda }}^2}{2}}{2r_n}---\left(2\right)$

(3)采用衍射动力学中的一维耦合波理论，计算负1级衍射效率随深度z变化的曲线η_-1(z)；

(4)根据步骤(3)计算得到的效率曲线η_-1(z)，选取效率最大的最佳截面深度z_opt；

(5)根绝最佳截面深度z_opt，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WSi2/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜的聚焦分辨率；

(6)根据步骤(5)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WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜焦深长度。

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1

采用本发明的方法，针对高通量硬X射线聚焦显微实验应用，设计了WSi₂/Al_0.98Si_0.02多多层膜Laue透镜，工作在E＝14keV(λ＝0.0867nm)，f＝17.51mm,dr_out＝15nm，本实施例中使用倾斜式的结构：

(1)根据透镜结构公式(1,2)算得多层膜Laue透镜的初始结构，并选择透镜倾角＝1.44mrad，兼顾衍射效率与应力，本次设计的多层膜厚度比为0.5；

(2)利用一维耦合波理论，计算负1级衍射效率随深度z变化的曲线η_-1(z)。

(3)根据衍射曲线η_-1(z)选取效率最大的最佳深度z_opt＝8.20μm。

(4)根绝最佳深度z_opt，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WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜的聚焦分辨率为26.80nm。

(5)根据计算所得结果，衍射效率28％，证实这种材料具有极高的可行性和潜能。

制备得到的硬X射线微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜的结构如图1所示，由WSi₂层1和掺杂2wt％Si的金属Al层2交替镀制形成。其厚度比为0.5。多层膜Laue透镜是梯度变化的多层膜，最外层膜厚确定分辨率的大小。图2为WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜衍射效率随深度的变化曲线，在深度为8.2μm处获得了28.75％的衍射效率。

实施例2

硬X射线微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜，该多层膜Laue透镜由WSi₂层和掺杂2wt％Si的金属Al层交替镀制形成。多层膜Laue透镜在一个膜层周期内，WSi₂层膜厚与总膜层厚度的比值为0.1。本实施例中，多层膜Laue透镜为倾斜式结构，倾斜式结构的多层膜Laue透镜为整体倾斜固定角度的透镜。

实施例3

硬X射线微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多层膜Laue透镜，该多层膜Laue透镜由WSi₂层和掺杂2wt％Si的金属Al层交替镀制形成。多层膜Laue透镜在一个膜层周期内，WSi₂层膜厚与总膜层厚度的比值为0.9。本实施例中，多层膜Laue透镜为楔形式结构。楔形式结构的多层膜Laue透镜为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条件的透镜。