[发明专利]多层膜劳厄透镜及其设计方法

说明书

本申请公开了一种多层膜劳厄透镜及其设计方法，透镜包括基底层和设置在所述基底层上的衍射结构，所述衍射结构包括叠层设置的多个周期，每个所述周期均包括叠置的吸收层和间隔层，所述周期从靠近所述基底层向远离所述基底层的方向，厚度逐渐减小；每个所述吸收层和所述间隔层的截面深度为最佳截面深度*(1‑修形参数Q)，其中，Q为0.4‑1之间的任意值。根据本申请实施例提供的技术方案，通过对多层膜劳厄透镜进行修形，通过修形来实现对在制备透镜过程中产生的结构误差的补偿，不需要其他辅助光学元件的情况下，缩小其与理想的多层膜劳厄透镜出射面电场之间的差异，从而改善实际制备所得的多层膜劳厄透镜的聚焦性能。

技术领域

本发明一般涉及精密光学元件领域，具体涉及高分辨率X射线显微聚焦元件，尤其涉及多层膜劳厄透镜及其设计方法。

背景技术

X射线波段覆盖了大部分元素的共振线，具有很高的元素灵敏度，同时拥有波长短，穿透性强等特点，可以实现材料和生物细胞的无损伤测量，因此X射线显微是生物、医学、材料、物理与化学等研究领域重要的研究工具，X射线会聚光斑的大小直接关系到显微分析的分辨率和灵敏度。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。传统的波带片能将软X射线会聚到十几纳米，但在硬X射线波段，需要更大高宽比才能实现理想的聚焦，且随着X射线能量的增加，需要的高宽比更大，传统的光刻方法很难制作能够聚焦到更小光斑的波带片。

为了解决该问题，美国Argonne实验室在2004年提出了在平面基底上倒序镀制波带片结构的多层膜，再对其进行切片抛光至理想深度，它能获得任意的深宽比。这一新方法称为多层膜劳厄透镜(Multilayer Laue Lens,MLL)，根据理论计算可以获得1nm以下的聚焦，是目前最有发展潜力的硬X射线纳米聚焦元件之一。2006年美国Argonne国家实验室采用WSi₂/Si材料组合制备出了总厚度12.4微米的倾斜型多层膜劳埃透镜，在19.5KeV能点下聚焦效率44％，光斑大小为30nm，聚焦焦距为4.72mm；2012年美国Ray Conley等人在新建的高精度镀膜实验室完成了低误差的多层膜制作，并且开展了膜片的无应力微加工技术，实现了实用微型透镜的制备，一维聚焦光斑11nm,2015年Huang等人制备了孔径31μm，焦距3.2mm的楔形MLL，在美国APS光源14.6keV测试得到25.6nm的一维聚焦光斑，27％的衍射效率。

然而在实际制备过程中，实际溅射速率与标定溅射速率之间由于系统随机误差存在有一定差别，并且长时间的镀制会带来溅射速率的有规律的漂移，两者都会给最终制备得到的多层膜劳厄透镜带来结构误差，使得其结构偏离理想结构，进而由于结构误差的影响，实际多层膜劳厄透镜在出射面上的电场与理想型多层膜劳厄透镜在出射面上的电场偏离较大，最终影响其光学性能，降低其衍射效率以及聚焦分辨率，通常情况下都需要使用额外的光学元件例如相移片来进行补偿，但是这会增加整个系统的调试工作，并且，不利于多层膜劳厄透镜在不同系统上应用。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种多层膜劳厄透镜及其设计方法。

第一方面，提供一种多层膜劳厄透镜，包括基底层和设置在所述基底层上的衍射结构，所述衍射结构包括叠层设置的多个周期，每个所述周期均包括叠置的吸收层和间隔层，

所述周期从靠近所述基底层向远离所述基底层的方向，厚度逐渐减小；

每个所述吸收层和所述间隔层的截面深度为最佳截面深度*(1-修形参数Q)，其中，Q为0.4-1之间的任意值。

第二方面，提供一种上述多层膜劳厄透镜的设计方法，包括以下步骤：

确定衍射结构，所述衍射结构的深度为最佳截面深度，所述最佳截面深度对应有最佳电场分布；

在基底层上形成实际衍射结构，形成的所述实际衍射结构的电场分布为实际电场分布；