CN114496337A - 多层膜劳厄透镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

多层膜劳厄透镜及其设计方法

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；

对所述衍射结构中的所述吸收层和所述间隔层进行修形，并计算修形后出射面的实际电场分布，直至实际电场分布与最佳电场分布之间的误差在设定范围之内，确定修形参数Q；

根据所述修形参数Q对所述衍射结构的出射面进行刻蚀，刻蚀深度为最佳截面深度*修形参数Q。

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，通过修形来实现对制备的透镜结构产生误差的补偿，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。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中多层膜劳厄透镜结构示意图；

图2为理想的多层膜劳厄透镜与实际制备的多层膜劳厄透镜结构示意图；

图3为本实施例中多层膜劳厄透镜结构示意图；

图4为本实施例中多层膜劳厄透镜在最佳截面深度处的出射电场；

图5为本实施例中提供的多层膜劳厄透镜在实现聚焦时焦点附近的强度分布；其中图a为理想结构多层膜劳厄透镜，图b为含误差的实际结构多层膜劳厄透镜，图c为修形后实际结构多层膜劳厄透镜；

图6为本实施例中的多层膜劳厄透镜的焦平面处归一化电场强度曲线与理想情况比较示意图；

图7为本实施例中提供的多层膜劳厄透镜修形实施方式。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

劳厄透镜是一种具有多层膜结构的线性波带片，现有的劳厄透镜一般由原子序数不同的两种材料在基底层的表面交替镀制形成，镀制形成的结构为衍射结构，具体如图1所示，高原子序数的材料形成吸收层，低原子序数的材料形成间隔层，一个吸收层和与其相邻一个间隔层作为一个膜层周期；在该劳厄透镜结构中形成一个坐标系，其中，形成的衍射结构具有入射面和出射面，该衍射结构沿Z轴的长度为截面深度，图中Dn所示的指代不同周期的厚度，X轴最大位置处的层为该衍射结构的最外层，该最外层结构的厚度为Drout，r_n指示第n层膜层的位置半径，且每个透镜结构在制备时均具有理论计算的膜层数量，膜层厚度，以及膜层截面深度，理论计算的截面深度即为最佳截面深度。根据上述理论参数进行相应的多层膜劳厄透镜的制备，由于在实际制备过程中，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，对制备的多层膜劳厄透镜产生结构上的误差，形成如图2所示的实际结构，该实际结构中会存在各个膜层并没有按照厚度逐渐减小的规律排列的情况，影响其光学性能。

请参考图3，本实施例提供一种多层膜劳厄透镜，包括基底层10和设置在所述基底层10上的衍射结构20，所述衍射结构20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10向远离所述基底层10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。

本实施例提供的多层膜劳厄透镜，其中包括基底层10和设置在基底层10上的衍射结构20，该衍射结构20包括多层吸收层和间隔层，并且衍射结构20中周期厚度逐渐减小，该衍射结构20中的吸收层和间隔层的截面深度，即该衍射结构20在Z轴上的长度，为最佳截面深度*(1-修形参数Q)，其中Q为对当前层结构进行刻蚀的程度，Q一般为0.4-1之间的任意值，1为完全不刻蚀；通过对相应的吸收层和间隔层进行修形，将其截面深度进行调整，来实现对制备的透镜结构产生误差的补偿，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2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。

进一步的，所述最佳截面深度为所述多层膜劳厄透镜衍射效率最大值所对应的衍射结构20深度。

上述实施例中所说的最佳截面深度是该透镜衍射效率最大值时对应的衍射结构20深度，具体的可以根据负一级衍射效率随深度变化的效率曲线，选取效率最大的最佳截面深度Zopt，具体的步骤下面会详细说明。

首先，根据所述透镜的应用要求确定所述透镜的膜层总厚度、最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数；

确定各膜层在入射面1处的周期厚度；

根据入射光的波长λ，所述透镜-1级次衍射光的焦距f和膜层数量计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取最佳截面深度Zopt；

其中，涉及到的各膜层的厚度通过如下公式计算：

D_n＝fλ/r_n；

其中，D_n为第n层膜层的周期厚度，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；

其中，第n层膜层的位置半径r_n通过如下公式计算：

r_n＝nfλ+n²λ²/4。

进一步的，每个所述周期内的所述吸收层和所述间隔层厚度相同。

上述衍射结构20中包括多个周期，在每个膜层周期内，两种层结构的厚度相同，其中，吸收层的材料可以是WSi₂或Nb，间隔层的材料可以是Si或者Al，其中材料中吸收系数大的作为吸收层，相对的间隔层的吸收系数小于吸收层的吸收系数。

进一步的，所述衍射结构20包括相对设置的入射面1和出射面2，多个所述吸收层和所述间隔层在所述入射面1处的端面位于同一平面上。

进一步的，所述多层膜劳厄透镜出射面2的实际电场分布与最佳电场分布之间的误差在设定范围之内。

如图3所示，本实施例中提供的透镜结构其出射面2的各个层结构不在一个平面上，其主要是为了实现该多层劳厄透镜出射面2的实际电场分布于最佳电场分布之间的误差较小，将误差调整到可以接受的范围内，因此，只需要调整透镜结构的出射面2，因此，形成最终如图2所示的结构，该透镜结构的入射面1的端面位于同一平面上，并且通常该端面与基底层10垂直，由于不同层结构的截面深度不尽相同，因此，出射面2的端面也不在同一平面上，保证该出射面2的实际电场分布与最佳电场分布之间的误差在设定范围之内。

本实施例还提供一种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10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；

对所述实际衍射结构中的所述吸收层和所述间隔层进行修形，并计算修形后出射面2的实际电场分布，直至实际电场分布与最佳电场分布之间的误差在设定范围之内，确定修形参数Q；

根据所述修形参数Q对所述实际衍射结构的出射面2进行刻蚀，刻蚀深度为最佳截面深度*修形参数Q。

本实施例中提供的制备方法首先确定相应的衍射结构，该确定的衍射机构具有最佳截面深度，相应的最佳截面深度对应的出射面电场分布为最佳电场分布，是制备的透镜结构需要达到的理论目标；

根据理论确定的衍射结构在基底层10上进行相应实际衍射结构的制备，制备形成的透镜结构由于实际溅射速率与标定溅射速率之间有一定系统随机偏差，并且长时间的镀制会带来溅射速率的有规律的漂移，最终实际制备得到的多层膜劳厄透镜会存在一定的误差，参见图4所示，图4为多层膜劳厄透镜在最佳截面深度处的出射电场，其中黑色线为理想型情况，灰色线为实际结构下的情况，因此，需要对实际制备的透镜结构进行测量，将测量得到的实际电场分布图与理论的电场分布，也就是最佳电场分布图进行比较，通过调节制备的透镜结构来缩小实际电场分布与理论电场分布之间的差距。

可选的，对所述实际衍射结构中的所述吸收层和所述间隔层进行修形，包括：

将所述实际衍射结构分成等间距或者等膜层数量的N份，每份所述实际衍射结构对应一个所述修形参数Q；

对N个修形参数同时进行优化。

对实际制备得到的多层膜劳厄透镜沿图2中的X方向以等间距或者等膜层的方式进行细分，划分为N份，对每份结构设置一个修形参数Q，该修形参数的变化范围为0.4-1，由于不同层结构间存在较强的电场耦合作用，人为简单的优化单个子结构时，无法考虑齐全所有耦合因素，会给相邻的子结构的出射电场引入一些预料外的变化，并不能达到最理想的效果，因此使用遗传算法对N个修形参数同时进行优化，最终使得修形后的多层膜劳厄透镜在zopt处出射电场与理想型多层膜劳厄透镜在在最佳深度Zopt处出射电场近似相同。

其中，所述N为膜层数量的65％-70％。该多层膜劳厄透镜中对于聚焦效果贡献较大的膜层为厚度较小的膜层内，因此，为了节省修形的工艺步骤，只对作用较大的膜层结构进行修形，一般膜层数量的65％-70％，优选的从透镜最外层膜层开始算，设置70％膜层数量的N即可；其中，N可以是等间距的设置，也可以是等膜层数量的设置，优选的可以等膜层设置，每个膜层作为一份，进行计算和修形；

上述采用遗传算法对N个修形参数同时进行优化后，确定修形参数Q，确定修形后的实际电场分布与最佳电场分布之间的误差在设定范围之内，由于现有技术中刻蚀的精度一般在50纳米，根据刻蚀精度优选的设定实际电场分布与最佳电场分布之间的误差为±0.1π，根据刻蚀精度的发展，实际电场分布与最佳电场分布之间的误差可以进一步的缩小；

随后，根据遗传算法计算出的修形参数对实际衍射结构的出射面2进行刻蚀，包括：

根据所述实际衍射结构的份数N，和与N对应的修形参数Q逐份对所述实际衍射结构的出射面2进行刻蚀。

对实际衍射结构进行的刻蚀与上述对实际衍射结构进行分开的份数相关，每一份实际衍射结构对应一个修形参数Q，相应的在实际衍射结构的出射面2对相应份数的膜层进行刻蚀，刻蚀的深度最佳截面深度*修形参数Q。

至此，上述完成刻蚀的多膜层劳厄透镜在不需要其他辅助光学元件的情况下，对其结构误差引起的出射面2电场变化进行补偿，从而改善实际制备所得多层膜劳厄透镜的聚焦性能。

可选的，所述确定衍射结构包括如下步骤：

根据所述透镜的应用要求确定所述透镜的膜层总厚度、最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数；

确定各膜层在入射面1处的周期厚度；

根据入射光的波长λ，所述透镜-1级次衍射光的焦距f和膜层数量计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取最佳截面深度Zopt。

上述步骤中，首先需要确定的是衍射结构，根据所述透镜的应用要求确定所述透镜的膜层总厚度、最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数；

通过如下公式确定最外层厚度：

Δ＝1.22Drout，其中，Δ为通过透镜所需要达到的空间分辨率；

通过如下公式确定总膜层数：

N_max＝fλ/(4*Drout²)；

通过总层数即可得到总厚度；

随后确定各膜层在入射面1处的周期厚度包括如下步骤：

通过如下公式获得第n层膜层的位置半径r_n：

r_n＝nfλ+n²λ²/4；

其中，n为从所述基体向外的膜层数，f为所述透镜-1级次衍射光的焦距，λ为入射光的波长；

基于所述第n层膜层的位置半径获得第n层膜层的周期厚度D_n：

D_n＝fλ/r_n；

随后用衍射动力学中的Takagi-Taupin理论，计算-1级衍射效率随深度Z变化的曲线η-1；根据计算得到的效率曲线η-1，选取效率最大的最佳截面深度Zopt，同时计算理想型多层膜劳厄透镜在最佳截面深度Zopt处的出射电场Eopt；随后根据最佳截面深度值Zopt进行实际透镜的制备。

本实施例中优选的给出一个具体的实施方式，假定入射光能量E＝20keV，要求的聚焦分辨率为25nm，选定焦距为3mm，此时的总膜厚应为10μm，根据镀膜能力以及分辨率要求，选择最外层厚度为10nm，根据计算，总膜层数为500层。

根据上述步骤中的公司，确定衍射结构；

利用Takagi-Taupin理论，计算负1级衍射效率随深度z变化的曲线η-1(z)；

根据衍射曲线η-1(z)选取效率最大的最佳深度Zopt＝6μm；

根据最佳深度Zopt，计算理想结构多层膜Laue透镜出射面2的电场分布，记为Eopt；根据实际所测得结构按照同样方法，计算实际结构多层膜劳厄透镜出射面2的电场分布，记为Eopt'。

将实际结构的多层膜Laue透镜沿X方向细分为一定数量的子结构，细分数设为350，按照每层结构进行细分，并在Z方向对其进行刻蚀；

设修形参数为Q，变化范围为0.4-1，其中1为完全刻蚀。由于不同子结构间存在较强的电场耦合作用，人为简单的优化单个子结构时，无法考虑齐全所有耦合因素，会给相邻的子结构的出射电场引入一些预料外的变化，并不能达到最理想的效果，因此使用遗传算法对N个修形参数同时进行优化，优化结果优选的如图7所示，其中表明了每一层结构需要进行修形的参数，横坐标为层数，纵坐标为修形参数。

优化结束后，利用基尔霍夫-菲涅尔衍射积分，得到像面上的光强分布，获得修形后所述透镜的聚焦分辨率为26nm，理想型聚焦分辨率为25nm，实际结构下聚焦分辨率为39nm，参见图5和图6所示，图6中三条焦平面处电场强度归一化分布曲线分别为理论理想情况下、根据计算参数实际制备的、以及实际劳厄透镜结构经过修形刻蚀之后的结构，其中，修形刻蚀之后即上述实施例中提供的结构与理论理想情况下的曲线较为接近；

其中，本申请的劳厄透镜经过修形后，聚焦分辨率与理想型近似相同，远优于实际结构下劳厄透镜得聚焦分辨率，说明本申请的单级次衍射劳厄透镜能够在不借助任何附加光学元件得情况下，可以有效补偿实际情况下结构误差带来的出射面2上的电场得差异。

需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种多层膜劳厄透镜，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，所述最佳截面深度为所述多层膜劳厄透镜衍射效率最大值所对应的衍射结构深度。

3.根据权利要求1所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，每个所述周期内的所述吸收层和所述间隔层厚度相同。

4.根据权利要求1所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，所述衍射结构包括相对设置的入射面和出射面，多个所述吸收层和所述间隔层在所述入射面处的端面位于同一平面上。

5.根据权利要求1所述的多层膜劳厄透镜，其特征在于，所述多层膜劳厄透镜出射面的实际电场分布与最佳电场分布之间的误差在设定范围之内。

6.一种权利要求1-5任一所述的多层膜劳厄透镜的设计方法，其特征在于，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，

对所述实际衍射结构中的所述吸收层和所述间隔层进行修形，并计算修形后出射面的实际电场分布，直至实际电场分布与最佳电场分布之间的误差在设定范围之内，确定修形参数Q；

根据所述修形参数Q对所述实际衍射结构的出射面进行刻蚀，刻蚀深度为最佳截面深度*修形参数Q。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述对所述实际衍射结构中的所述吸收层和所述间隔层进行修形，包括：

将所述实际衍射结构分成等间距或者等膜层数量的N份，每份所述实际衍射结构对应一个所述修形参数Q；

对N个修形参数同时进行优化。

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述N为膜层数量的65％-70％。

9.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述修形参数Q对所述实际衍射结构的出射面进行刻蚀，包括：

根据所述实际衍射结构的份数N，和与N对应的修形参数Q逐份对所述实际衍射结构的出射面进行刻蚀。

10.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述确定衍射结构包括如下步骤：

根据所述透镜的应用要求确定所述透镜的膜层总厚度、最外层膜层的周期厚度Drout和总膜层数；

确定各膜层在入射面处的周期厚度；

根据入射光的波长λ，所述透镜-1级次衍射光的焦距f和膜层数量计算-1级衍射效率随截面深度Z变化的曲线η-1(Z)，获取最佳截面深度Zopt。

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