一種多傾斜角復(fù)合多層膜勞厄透鏡及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硬X射線納米聚焦光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法，尤其涉及多層膜勞厄透鏡，屬于同步輻射光束線工程、同步輻射光學(xué)領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002]第三代同步輻射所具有的高亮度、高準(zhǔn)直性等特性以及硬X射線所具有的獨(dú)特性質(zhì)，例如強(qiáng)穿透能力、對結(jié)構(gòu)信息和化學(xué)信息的敏感性、對電磁場的不敏感性等，使得硬X射線顯微鏡在材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等諸多領(lǐng)域具有廣泛的使用。X射線顯微鏡的性能取決于聚焦光斑的光強(qiáng)與大小。迄今為止，各種各樣利用反射、折射以及衍射的聚焦光學(xué)元件已經(jīng)能夠?qū)⒂瞂射線聚焦到幾十納米大小的量級。在這些聚焦光學(xué)元件中，衍射型聚焦元件一一多層膜勞厄透鏡(MLL)最有希望實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米量級(Inm)的聚焦(參考文獻(xiàn):H.Yan et al., Multilayer Laue Lens:A Path Toward One NanometerX-Ray Focusing，X-ray Opt.1nstrum.2010, 401845 (2010)) o 目前MLL 在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)對硬 X射線實(shí)現(xiàn)最高分辨率約Ilnm的一維聚焦，效率約15% ；25X27nm的二維聚焦，效率約20Z0o
[0003]由于MLL具有極大的深寬比(沿著入射光方向的深度與最外層膜層厚度的比值)，X射線在其中的傳播必須采用衍射動力學(xué)來描述，此時(shí)每一層膜層是否滿足Bragg條件MLL能否獲得高效率高分辨率的關(guān)鍵。根據(jù)膜層滿足Bragg條件的程度，可以將多層膜勞厄透鏡分為四種類型:水平型(Flat)、傾斜型(Tilted)、Wedge (楔形)以及彎曲型(Curved)(參考文獻(xiàn):H.Yan et al., Takag1-Taupin descript1n ofx-ray dynamicaldiffract1n from diffractive optics with large numerical aperture，Phys.Rev.B 76, 115438(2007)) o在這四種類型中，F(xiàn)lat和Tilted MLL在結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一樣的，不同的是Flat MLL其所有膜層與入射光的夾角都為0，所有膜層都不滿足Bragg條件，而Tilted MLL其所有膜層與入射光具有相同的角度，只有一部分膜層滿足Bragg條件。因此對于Tilted MLL而言，要實(shí)現(xiàn)衍射極限聚焦，必須減小深度，盡量降低衍射動力學(xué)效應(yīng)的影響，這必然會導(dǎo)致其只有較低的效率(參考文獻(xiàn):Hanfei Yan et al., Optimizat1nof multi layer Laue lenses for a scanning X-ray microscope, J.SynchrotronRad.20,89(2013))。Wedge MLL其每一個(gè)膜層都具有不同的傾斜角，所有膜層都近似滿足Bragg條件，理論計(jì)算結(jié)果顯示其可以實(shí)現(xiàn)高效率的衍射極限聚焦。Tilted MLL鍍制工藝相對簡單，目前實(shí)驗(yàn)上報(bào)道的MLL基本上都屬于此種類型，而Wedge MLL由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致其鍍制工藝比較困難，目前還未見實(shí)驗(yàn)上的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種新的MLL結(jié)構(gòu)一一多傾斜角復(fù)合MLL，以解決TiltedMLL實(shí)現(xiàn)衍射極限聚焦時(shí)效率低和Wedge MLL鍍制工藝難的問題。
[0005]本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種多傾斜角復(fù)合MLL，其特征在于:該多傾斜角復(fù)合MLL是由一系列Tilted MLL沿著垂直于入射光方向排列而成；對于其中單個(gè)Tilted MLL，其所有膜層與入射光具有相同的夾角；靠近中心區(qū)域膜層厚度較大的Tilted MLL，其膜層與入射光具有較小的夾角；靠近外層區(qū)域膜層厚度較小的Tilted MLL，其膜層與入射光具有較大的夾角；該多傾斜角復(fù)合MLL能夠?qū)崿F(xiàn)衍射極限聚焦，具有與Wedge MLL相接近的聚焦性能。
[0007]所述的每個(gè)Tilted MLL具有相等或者近似相等的膜層數(shù)量。
[0008]所述的單個(gè)Tilted MLL中，其膜層與入射光的夾角Θ使得該Tilted MLL中膜層編號為最中間的相鄰兩個(gè)膜層滿足Bragg條件。
[0009]所述的多傾斜角復(fù)合MLL，其入射面和出射面相互平行，且垂直于入射光。
[0010]所述的多傾斜角復(fù)合MLL，其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)可以通過以下的步驟來實(shí)現(xiàn):
[0011](I)首先根據(jù)入射X射線的能量(波長λ)、鍍膜的能力(膜層總厚度L)和聚焦分辨率r選擇合適的焦距f，f可由瑞利判據(jù)公式得到，r = 0.5 λ /NA ~ λ f/L ;再根據(jù)要求的工作距離wd以及實(shí)際鍍膜的精度選擇一個(gè)折衷的方案，確定Flat MLL中最外層膜層厚度、最內(nèi)層膜層的厚度、總的膜層數(shù)N以及每一層膜層的編號n，具體而言即先通過工作距離公Swd=f ε求得ε，這兒ε = (x。4)/x。，X。指的是最外層膜層的位置，此時(shí)根據(jù)波帶片公式即可得到最外層膜層厚度、最內(nèi)層膜層厚度、總的膜層數(shù)N以及每一層膜層的編號η。這兒需要特別指出的是在本技術(shù)方案中，F(xiàn)lat MLL中每一層膜層的編號η是固定，其由波帶片公式所決定χ(η)2= ηλ?.，X(η)指的是編號為η的膜層的位置；并且多傾斜角復(fù)合MLL中每一層膜層的編號和Flat MLL相同，即多傾斜角復(fù)合MLL中第i層膜層和Flat MLL中第i層膜層的編號是一樣的，它們總的膜層數(shù)N也是一樣的。
[0012](2)根據(jù)所述的波長、焦距、最外層和最內(nèi)層膜層厚度，運(yùn)用衍射動力學(xué)理論Takag1-Taupin descript1n of dynamical diffract1n theory (TTD)或者Coupled wavetheory (CWT)計(jì)算Wedge MLL不同深度下的波前分布和衍射效率(參考文獻(xiàn):H.Yan etal.，Takag1-Taupin descript1n of χ-ray dynamical diffract1n from diffractiveoptics with large numerical aperture? Phys.Rev.B 76, 115438 (2007) ； J.Maser etal.? Coupled wave descript1n ofthe diffract1n by zone plates with high aspectrat1s, Opt.Commun.89，355 (1992))，得到最佳深度(衍射效率最大值所對應(yīng)的深度);同時(shí)根據(jù)最佳深度處出射面上的波前分布，再運(yùn)用菲涅爾-基爾霍夫衍射積分計(jì)算焦點(diǎn)附近的光強(qiáng)分布，得到焦點(diǎn)附近的最強(qiáng)峰值。
[0013](3)根據(jù)波帶片公式計(jì)算Flat MLL中每一層膜層的厚度，d(η) = χ(η)-χ(n_l)，式中d(n)指的是編號為η的膜層的厚度。
[0014](4)假設(shè)多傾斜角復(fù)合MLL由mfTilted MLL組合而成，每個(gè)Tilted MLL的膜層數(shù)為N/m。如果N/m不是整數(shù)，則對其四舍五入取整Int (N/m+0.5)，將多出或少掉的層數(shù)算在最外層區(qū)域的Tilted MLL上，其膜層數(shù)為N-(m-l) X Int (N/m+0.5)，而且其他的TiltedMLL 的膜層數(shù)為 Int (N/m+0.5)。
[0015](5)對于第i個(gè)Tilted MLL,其膜層與入射光的夾角Θ i使得該Tilted MLL中膜層編號為最中間的相鄰兩個(gè)膜層滿足Bragg條件。夾角Θ i可由Bragg公式得到，2 [2d (im)]sin Θ i= λ，式中i m為該Tilted MLL中最中間膜層的編號，i m= (i ^i1)/2，;^和i汾別是該Tilted MLL第一層和最后一層的編號，d(im)為編號為乜的膜層的厚度，其值由步驟
(3)所給出。
[0016](6)對于多傾斜角復(fù)合MLL中第I個(gè)Tilted MLL(最內(nèi)層區(qū)域的Tilted MLL)，其第一層膜層(假設(shè)膜層編號為k)在出射面上的位置由波帶片公式給定，xM(k) = (kAf)1/2,在入射面上的位置Xin(k) = Xre(k)+WXtan( Θ丨)，式中w是根據(jù)Wedge MLL計(jì)算得到的最佳深度，Q1是第I個(gè)Tilted MLL中膜層與入射光的夾角。第二層膜層在出射面上的位置為 xre (k+1) = xre (k) +d (k+l)/cos( Θ J，在入射面上的位置為 xin(k+1) = xin(k) +d (k+1)/cos(9 J，后續(xù)膜