[发明专利]一种多倾斜角复合多层膜劳厄透镜及其设计方法

说明书

技术领域

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

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——多层膜劳厄透镜(MLL)最有希望实现真正意义上的纳米量级(1nm)的聚焦(参考文献：H.Yan et al.,Multilayer Laue Lens:A Path Toward One Nanometer X-Ray Focusing，X-ray Opt.Instrum.2010,401845(2010))。目前MLL在实验上已经对硬X射线实现最高分辨率约11nm的一维聚焦，效率约15％；25×27nm的二维聚焦，效率约2％。

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.,Takagi-Taupin div ofx-ray dynamical diffraction from diffractive optics with large numerical aperture，Phys.Rev.B 76,115438(2007))。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.,Optimization of multilayer Laue lenses for a scanning X-ray microscope,J.Synchrotron Rad.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

本发明的目的在于提出一种新的MLL结构——多倾斜角复合MLL，以解决Tilted MLL实现衍射极限聚焦时效率低和Wedge MLL镀制工艺难的问题。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

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。

所述的每个Tilted MLL具有相等或者近似相等的膜层数量。

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。

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。

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：