一种多倾斜角复合多层膜劳厄透镜及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硬X射线纳米聚焦光学元件及其设计方法，尤其涉及多层膜劳厄透镜，属于同步辐射光束线工程、同步辐射光学领域
【背景技术】
[0002]第三代同步辐射所具有的高亮度、高准直性等特性以及硬X射线所具有的独特性质，例如强穿透能力、对结构信息和化学信息的敏感性、对电磁场的不敏感性等，使得硬X射线显微镜在材料学、医学、生物学以及环境科学等诸多领域具有广泛的使用。X射线显微镜的性能取决于聚焦光斑的光强与大小。迄今为止，各种各样利用反射、折射以及衍射的聚焦光学元件已经能够将硬X射线聚焦到几十纳米大小的量级。在这些聚焦光学元件中，衍射型聚焦元件一一多层膜劳厄透镜(MLL)最有希望实现真正意义上的纳米量级(Inm)的聚焦(参考文献: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 在实验上已经对硬 X射线实现最高分辨率约Ilnm的一维聚焦，效率约15% ；25X27nm的二维聚焦，效率约20Z0o
[0003]由于MLL具有极大的深宽比(沿着入射光方向的深度与最外层膜层厚度的比值)，X射线在其中的传播必须采用衍射动力学来描述，此时每一层膜层是否满足Bragg条件MLL能否获得高效率高分辨率的关键。根据膜层满足Bragg条件的程度，可以将多层膜劳厄透镜分为四种类型:水平型(Flat)、倾斜型(Tilted)、Wedge (楔形)以及弯曲型(Curved)(参考文献:H.Yan et al., Takag1-Taupin descript1n ofx-ray dynamicaldiffract1n from diffractive optics with large numerical aperture，Phys.Rev.B 76, 115438(2007)) o在这四种类型中，Flat和Tilted MLL在结构本质上是一样的，不同的是Flat MLL其所有膜层与入射光的夹角都为0，所有膜层都不满足Bragg条件，而Tilted MLL其所有膜层与入射光具有相同的角度，只有一部分膜层满足Bragg条件。因此对于Tilted MLL而言，要实现衍射极限聚焦，必须减小深度，尽量降低衍射动力学效应的影响，这必然会导致其只有较低的效率(参考文献:Hanfei Yan et al., Optimizat1nof multi layer Laue lenses for a scanning X-ray microscope, J.SynchrotronRad.20,89(2013))。Wedge MLL其每一个膜层都具有不同的倾斜角，所有膜层都近似满足Bragg条件，理论计算结果显示其可以实现高效率的衍射极限聚焦。Tilted MLL镀制工艺相对简单，目前实验上报道的MLL基本上都属于此种类型，而Wedge MLL由于其结构的复杂性，导致其镀制工艺比较困难，目前还未见实验上的报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种新的MLL结构一一多倾斜角复合MLL，以解决TiltedMLL实现衍射极限聚焦时效率低和Wedge MLL镀制工艺难的问题。
[0005]本发明可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种多倾斜角复合MLL，其特征在于:该多倾斜角复合MLL是由一系列Tilted MLL沿着垂直于入射光方向排列而成；对于其中单个Tilted MLL，其所有膜层与入射光具有相同的夹角；靠近中心区域膜层厚度较大的Tilted MLL，其膜层与入射光具有较小的夹角；靠近外层区域膜层厚度较小的Tilted MLL，其膜层与入射光具有较大的夹角；该多倾斜角复合MLL能够实现衍射极限聚焦，具有与Wedge MLL相接近的聚焦性能。
[0007]所述的每个Tilted MLL具有相等或者近似相等的膜层数量。
[0008]所述的单个Tilted MLL中，其膜层与入射光的夹角Θ使得该Tilted MLL中膜层编号为最中间的相邻两个膜层满足Bragg条件。
[0009]所述的多倾斜角复合MLL，其入射面和出射面相互平行，且垂直于入射光。
[0010]所述的多倾斜角复合MLL，其具体结构参数可以通过以下的步骤来实现:
[0011](I)首先根据入射X射线的能量(波长λ)、镀膜的能力(膜层总厚度L)和聚焦分辨率r选择合适的焦距f，f可由瑞利判据公式得到，r = 0.5 λ /NA ~ λ f/L ;再根据要求的工作距离wd以及实际镀膜的精度选择一个折衷的方案，确定Flat MLL中最外层膜层厚度、最内层膜层的厚度、总的膜层数N以及每一层膜层的编号n，具体而言即先通过工作距离公Swd=f ε求得ε，这儿ε = (x。4)/x。，X。指的是最外层膜层的位置，此时根据波带片公式即可得到最外层膜层厚度、最内层膜层厚度、总的膜层数N以及每一层膜层的编号η。这儿需要特别指出的是在本技术方案中，Flat MLL中每一层膜层的编号η是固定，其由波带片公式所决定χ(η)2= ηλ?.，X(η)指的是编号为η的膜层的位置；并且多倾斜角复合MLL中每一层膜层的编号和Flat MLL相同，即多倾斜角复合MLL中第i层膜层和Flat MLL中第i层膜层的编号是一样的，它们总的膜层数N也是一样的。
[0012](2)根据所述的波长、焦距、最外层和最内层膜层厚度，运用衍射动力学理论Takag1-Taupin descript1n of dynamical diffract1n theory (TTD)或者Coupled wavetheory (CWT)计算Wedge MLL不同深度下的波前分布和衍射效率(参考文献: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(衍射效率最大值所对应的深度);同时根据最佳深度处出射面上的波前分布，再运用菲涅尔-基尔霍夫衍射积分计算焦点附近的光强分布，得到焦点附近的最强峰值。
[0013](3)根据波带片公式计算Flat MLL中每一层膜层的厚度，d(η) = χ(η)-χ(n_l)，式中d(n)指的是编号为η的膜层的厚度。
[0014](4)假设多倾斜角复合MLL由mfTilted MLL组合而成，每个Tilted MLL的膜层数为N/m。如果N/m不是整数，则对其四舍五入取整Int (N/m+0.5)，将多出或少掉的层数算在最外层区域的Tilted MLL上，其膜层数为N-(m-l) X Int (N/m+0.5)，而且其他的TiltedMLL 的膜层数为 Int (N/m+0.5)。
[0015](5)对于第i个Tilted MLL,其膜层与入射光的夹角Θ i使得该Tilted MLL中膜层编号为最中间的相邻两个膜层满足Bragg条件。夹角Θ i可由Bragg公式得到，2 [2d (im)]sin Θ i= λ，式中i m为该Tilted MLL中最中间膜层的编号，i m= (i ^i1)/2，;^和i汾别是该Tilted MLL第一层和最后一层的编号，d(im)为编号为乜的膜层的厚度，其值由步骤
(3)所给出。
[0016](6)对于多倾斜角复合MLL中第I个Tilted MLL(最内层区域的Tilted MLL)，其第一层膜层(假设膜层编号为k)在出射面上的位置由波带片公式给定，xM(k) = (kAf)1/2,在入射面上的位置Xin(k) = Xre(k)+WXtan( Θ丨)，式中w是根据Wedge MLL计算得到的最佳深度，Q1是第I个Tilted MLL中膜层与入射光的夹角。第二层膜层在出射面上的位置为 xre (k+1) = xre (k) +d (k+l)/cos( Θ J，在入射面上的位置为 xin(k+1) = xin(k) +d (k+1)/cos(9 J，后续膜