硬X射線微聚焦用WSi2/Al0.98Si0.02多層膜Laue透鏡的制作方法

本發明屬于精密光學元件研究領域，應用于發展納米級硬X射線顯微聚焦技術，尤其是涉及一種硬X射線微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡。

背景技術：

X射線顯微技術因其穿透性強、工作波長短、無損傷測量、元素靈敏度高等特點，被廣泛應用于等離子體診斷、生物醫學顯微等研究領域。X射線顯微成像系統的分辨率由它聚焦元件可獲得的焦斑大小所決定。由于X射線的折射率n值接近1，衍射式聚焦元件相較于反射和折射式元件，實現X射線聚焦更為便捷。傳統的衍射式聚焦元件為菲涅耳波帶片。根據瑞利判據，菲涅耳波帶片的分辨率取決于最外層帶寬，且衍射效率隨入射X射線能量增加而減小。因此為獲得高效率和高分辨率的聚焦，需要盡可能增加波帶片的高寬比。使用電子束刻蝕制備的波帶片，分辨率可達12nm，但高寬比在30以內，適用于軟X射線波段。使用濺射切片的方法可獲得1000以上的高寬比，但分辨率在100nm量級。

為實現硬X射線波段的納米聚焦，2004年美國Argonne國家實驗室提出了多層膜Laue透鏡(MLL)，在平面基底上，從最外層倒序鍍制梯度結構的多層膜，再對其進行切片拋光裝配，獲得一維聚焦。將兩片MLL正交放置，可獲得二維聚焦。2011年，Argonne實驗室使用兩個正交放置的MLL在12keV波段獲得了25×27nm²的二維聚焦；2013年，Brookhaven實驗室在相同波段獲得了11nm的一維聚焦。

MLL是基于多層膜技術制備的一維波帶片結構。多層膜沉積過程中應力的累加會大大降低可獲得的口徑大小，減小衍射效率；界面粗糙度、位置誤差等成膜質量因素導致多層膜結構的不完美性，影響聚焦性能。限制了硬X射線顯微成像系統的性能。

中國專利CN103151089A公開了硬X射線微聚焦多厚度比復合多層膜Laue透鏡，針對透鏡結構中，從中心到外層不同區域的局部光柵選擇不同的膜層厚度比γ(以WSi₂/Si材料組合為例，γ＝dsi/(dWSi₂+dsi)：對中心區域周期較大的光柵選擇較小的γ，減小應力；對外層區域周期較小的光柵選擇相對較大的γ，保證衍射效率。并通過計算獲得了γ為0.5的WSi₂/Si多層膜Laue透鏡93％的衍射效率。而本發明選用的的WSi₂/Al_0.98Si_0.02材料在應力上優于WSi₂/Si材料，且可獲得的衍射效率大于專利CN103151089A所設計的WSi₂/Si多厚度比復合多層膜Laue透鏡，達到了γ為0.5的WSi₂/Si多層膜Laue透鏡的99％。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種進一步提高Laue透鏡的口徑和聚焦性能的硬X射線微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

硬X射線微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡，該多層膜Laue透鏡由WSi₂層和摻雜2wt％Si的金屬Al層交替鍍制形成。

所述的多層膜Laue透鏡的厚度比(一個膜層周期內，WSi₂層膜厚與總膜層厚度的比值)在0.1～0.9范圍內。

所述的多層膜Laue透鏡為傾斜式結構或楔形式結構。

傾斜式結構的多層膜Laue透鏡為整體傾斜固定角度的透鏡。

楔形式結構的多層膜Laue透鏡為從透鏡中心到外層的不同局部光柵分別傾斜對應的Bragg角，以完全滿足Bragg條件的透鏡。

所述的多層膜Laue透鏡的結構采用以下方法確定：

(1)根據高通量顯微實驗應用時要求的能段、工作距離、聚焦成像分辨率和口徑，選擇WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡的工作波長λ、焦距f和最外層帶寬的厚度dr_out；

(2)多層膜Laue透鏡在入射面處，膜層位置由公式(1)確定：

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

其中n為膜層數，r_n為第n層膜層的位置半徑，不同半徑位置的環帶厚度由公式(2)確定：

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

(3)采用衍射動力學中的一維耦合波理論，計算負1級衍射效率隨深度z變化的曲線η_-1(z)；

(4)根據步驟(3)計算得到的效率曲線η_-1(z)，選取效率最大的最佳截面深度z_opt；

(5)根絕最佳截面深度z_opt，計算出射面的電場分布，利用基爾霍夫-菲涅爾衍射積分，得到像面上的光強分布，獲得WSi2/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡的聚焦分辨率；

(6)根據步驟(5)計算得到的出射面電場分布，繪制等高圖，得到XZ平面上焦深的分布，獲得WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡焦深長度。

所述的多層膜Laue透鏡的截面深度為垂直于多層膜制樣表面的元件長度。

現有的WSi₂/Si多層膜Laue透鏡具有良好的聚焦性能，但Si層應力較大，限制了通光口徑尺寸影響了聚焦性能。本發明研究開發得到的WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡，金屬Al的光學性能與Si相似，且同等條件下應力性能優于Si，而純金屬Al易結晶，本發明在Al層中摻入2％Si，使用摻入2％Si的金屬Al代替原來的Si層，同時兼顧衍射效率，減小應力并平滑界面粗糙度，減小結晶對成膜質量的影響，增大可獲得的多層膜Laue透鏡口徑，進一步提高聚焦性能，為實現高通量高分辨率的硬X射線顯微聚焦提供了新方法。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡衍射效率的曲線。

具體實施方式

硬X射線微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡，其結構采用以下方法確定：

(1)根據高通量顯微實驗應用時要求的能段、工作距離、聚焦成像分辨率和口徑，選擇WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡的工作波長λ、焦距f和最外層帶寬的厚度dr_out；

(2)多層膜Laue透鏡在入射面處，膜層位置由公式(1)確定：

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

其中n為膜層數，r_n為第n層膜層的位置半徑，不同半徑位置的環帶厚度由公式(2)確定：

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

(3)采用衍射動力學中的一維耦合波理論，計算負1級衍射效率隨深度z變化的曲線η_-1(z)；

(4)根據步驟(3)計算得到的效率曲線η_-1(z)，選取效率最大的最佳截面深度z_opt；

(5)根絕最佳截面深度z_opt，計算出射面的電場分布，利用基爾霍夫-菲涅爾衍射積分，得到像面上的光強分布，獲得WSi2/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡的聚焦分辨率；

(6)根據步驟(5)計算得到的出射面電場分布，繪制等高圖，得到XZ平面上焦深的分布，獲得WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡焦深長度。

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

采用本發明的方法，針對高通量硬X射線聚焦顯微實驗應用，設計了WSi₂/Al_0.98Si_0.02多多層膜Laue透鏡，工作在E＝14keV(λ＝0.0867nm)，f＝17.51mm,dr_out＝15nm，本實施例中使用傾斜式的結構：

(1)根據透鏡結構公式(1,2)算得多層膜Laue透鏡的初始結構，并選擇透鏡傾角＝1.44mrad，兼顧衍射效率與應力，本次設計的多層膜厚度比為0.5；

(2)利用一維耦合波理論，計算負1級衍射效率隨深度z變化的曲線η_-1(z)。

(3)根據衍射曲線η_-1(z)選取效率最大的最佳深度z_opt＝8.20μm。

(4)根絕最佳深度z_opt，計算出射面的電場分布，利用基爾霍夫-菲涅爾衍射積分，得到像面上的光強分布，獲得WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡的聚焦分辨率為26.80nm。

(5)根據計算所得結果，衍射效率28％，證實這種材料具有極高的可行性和潛能。

制備得到的硬X射線微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡的結構如圖1所示，由WSi₂層1和摻雜2wt％Si的金屬Al層2交替鍍制形成。其厚度比為0.5。多層膜Laue透鏡是梯度變化的多層膜，最外層膜厚確定分辨率的大小。圖2為WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡衍射效率隨深度的變化曲線，在深度為8.2μm處獲得了28.75％的衍射效率。

實施例2

硬X射線微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡，該多層膜Laue透鏡由WSi₂層和摻雜2wt％Si的金屬Al層交替鍍制形成。多層膜Laue透鏡在一個膜層周期內，WSi₂層膜厚與總膜層厚度的比值為0.1。本實施例中，多層膜Laue透鏡為傾斜式結構，傾斜式結構的多層膜Laue透鏡為整體傾斜固定角度的透鏡。

實施例3

硬X射線微聚焦用WSi₂/Al_0.98Si_0.02多層膜Laue透鏡，該多層膜Laue透鏡由WSi₂層和摻雜2wt％Si的金屬Al層交替鍍制形成。多層膜Laue透鏡在一個膜層周期內，WSi₂層膜厚與總膜層厚度的比值為0.9。本實施例中，多層膜Laue透鏡為楔形式結構。楔形式結構的多層膜Laue透鏡為從透鏡中心到外層的不同局部光柵分別傾斜對應的Bragg角，以完全滿足Bragg條件的透鏡。