一種多傾斜角復合多層膜勞厄透鏡及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種硬X射線納米聚焦光學元件及其設計方法，尤其涉及多層膜勞厄透鏡，屬于同步輻射光束線工程、同步輻射光學領域
【背景技術】
[0002]第三代同步輻射所具有的高亮度、高準直性等特性以及硬X射線所具有的獨特性質，例如強穿透能力、對結構信息和化學信息的敏感性、對電磁場的不敏感性等，使得硬X射線顯微鏡在材料學、醫學、生物學以及環境科學等諸多領域具有廣泛的使用。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元件已經能夠將硬X射線聚焦到幾十納米大小的量級。在這些聚焦光學元件中，衍射型聚焦元件一一多層膜勞厄透鏡(MLL)最有希望實現真正意義上的納米量級(Inm)的聚焦(參考文獻: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 在實驗上已經對硬 X射線實現最高分辨率約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來描述，此時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鍵。根據膜層滿足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: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，Flat和Tilted MLL在結構本質上是一樣的，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，要實現衍射極限聚焦，必須減小深度，盡量降低衍射動力學效應的影響，這必然會導致其只有較低的效率(參考文獻: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，理論計算結果顯示其可以實現高效率的衍射極限聚焦。Tilted MLL鍍制工藝相對簡單，目前實驗上報道的MLL基本上都屬于此種類型，而Wedge MLL由于其結構的復雜性，導致其鍍制工藝比較困難，目前還未見實驗上的報道。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提出一種新的MLL結構一一多傾斜角復合MLL，以解決TiltedMLL實現衍射極限聚焦時效率低和Wedge MLL鍍制工藝難的問題。
[0005]本發明可以通過以下技術方案來實現:
[0006]一種多傾斜角復合MLL，其特征在于:該多傾斜角復合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Tilted MLL，其所有膜層與入射光具有相同的夾角；靠近中心區域膜層厚度較大的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；該多傾斜角復合MLL能夠實現衍射極限聚焦，具有與Wedge MLL相接近的聚焦性能。
[0007]所述的每個Tilted MLL具有相等或者近似相等的膜層數量。
[0008]所述的單個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膜層滿足Bragg條件。
[0009]所述的多傾斜角復合MLL，其入射面和出射面相互平行，且垂直于入射光。
[0010]所述的多傾斜角復合MLL，其具體結構參數可以通過以下的步驟來實現:
[0011](I)首先根據入射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可由瑞利判據公式得到，r = 0.5 λ /NA ~ λ f/L ;再根據要求的工作距離wd以及實際鍍膜的精度選擇一個折衷的方案，確定Flat MLL中最外層膜層厚度、最內層膜層的厚度、總的膜層數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，此時根據波帶片公式即可得到最外層膜層厚度、最內層膜層厚度、總的膜層數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方案中，Flat 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；并且多傾斜角復合MLL中每一層膜層的編號和Flat MLL相同，即多傾斜角復合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N也是一樣的。
[0012](2)根據所述的波長、焦距、最外層和最內層膜層厚度，運用衍射動力學理論Takag1-Taupin descript1n of dynamical diffract1n theory (TTD)或者Coupled wavetheory (CWT)計算Wedge MLL不同深度下的波前分布和衍射效率(參考文獻: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的深度);同時根據最佳深度處出射面上的波前分布，再運用菲涅爾-基爾霍夫衍射積分計算焦點附近的光強分布，得到焦點附近的最強峰值。
[0013](3)根據波帶片公式計算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)假設多傾斜角復合MLL由mfTilted MLL組合而成，每個Tilted MLL的膜層數為N/m。如果N/m不是整數，則對其四舍五入取整Int (N/m+0.5)，將多出或少掉的層數算在最外層區域的Tilted MLL上，其膜層數為N-(m-l) X Int (N/m+0.5)，而且其他的TiltedMLL 的膜層數為 Int (N/m+0.5)。
[0015](5)對于第i個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)對于多傾斜角復合MLL中第I個Tilted MLL(最內層區域的Tilted MLL)，其第一層膜層(假設膜層編號為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Wedge MLL計算得到的最佳深度，Q1是第I個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，后續膜