基于原子层沉积技术的高精度多层膜X射线菲涅尔波带片的制备研究

基于原子层沉积与聚焦离子束切割抛光相结合的工艺,提出了一种多层膜型波带片制备技术。利用耦合波理论计算出最外环宽为10 nm的Al_2O_3/HfO_2、Al_2O_3/SiO_2、Al_2O_3/Ir和Al_2O_3/Ta_2O_5四种材料组合的多层膜波带片在X射线能量为8 keV和15 keV时的菲涅尔波带片的理论衍射效率,讨论了最外环宽和波带片高度对衍射效率的影响,选择了Al_2O_3/HfO_2为后续叠层制备。研究了原子层沉积制备Al_2O_3和HfO_2薄膜的生长特性,验证了原子层沉积技术制备单层膜厚为10 nm叠层结构的可行性,实验结果表明,利用原子层沉积技术制备Al_2O_3和HfO_2薄膜粗糙度可控在1 nm,均匀性优于±1.5%,单叠层厚度误差仅为0.416 nm.同时,利用聚焦离子束切割抛光技术得到了最外环宽为10 nm,高宽比200的高分辨率X射线菲涅尔波带片。     

X射线波带片的制作及其应用

波带片的低衍射效率限制其在可见光波段的使用,可是在Ｘ射线波段,波带片是唯一达到衍射极限的光学元件,因而引起人们的极大兴趣。本文介绍了当前国际上Ｘ射线波带片的主要制作方法及其应用,同时回顾了用于Ｘ射线聚焦、成像的光学元件——Ｘ射线菲涅耳波带片及近几年才出现的布拉格－菲涅耳波带片的历史背景、基本概念和主要类型。     

克尔效应对高斯光束聚焦特性的影响

利用菲涅尔—基尔霍夫衍射积分公式，研究薄片近似情况下的Kerr效应带来的波前畸变对高斯光束聚焦特性的影响.在相位延迟为－2~2 rad的范围内进行的模拟计算表明：正Kerr效应能提高高斯光束的聚焦强度、增大相对焦移量、提高聚焦光束的焦平面桶中功率和降低几何焦平面的峰值光强；而负Kerr效应，则会降低聚焦强度、增大相对焦移量、降低聚焦光束的焦平面桶中功率和几何焦平面的峰值光强.可以通过增大光束菲涅尔数来抑制Kerr效应对聚焦特性的影响.     

微聚焦菲涅耳波带板聚焦特性研究

通过激光轰击Ti平面靶,用微聚焦菲涅尔波带板做成像器,测到了在放大倍数为66倍时X射线焦斑图像.利用Fresnel-Kirchhoff衍射积分公式数值模拟了微聚焦菲涅尔波带板的点扩展函数,模拟结果表明该微聚焦菲涅尔波带板在两倍焦距处强聚焦.改变物距和像距但保持透镜的物像距公式,也可得到类似的结果.模拟和实验表明微聚焦波带板可以应用于X射线点对点成像,实现激光等离子体X射线高空间分辨成像. 关键词： 菲涅尔波带板 Fresnel-Kirchhoff衍射 数值模拟 点扩展函数     

相位切趾波带片的设计

本文叙述了菲涅耳波带片和相位波带片的基本理论。对相位波带片选用的材料和厚度与效率的关系进行了计算和分析。对选用切趾波带片能增大带宽、提高信噪比作了讨论。我们设计了用于高分辨率扫描软X 射线显微镜的聚焦微波带片,它是一个总环数为116、遮挡环数为30、空间分辨率为0.2μm、在23～45(?)波长范围内一级衍射效率达16～19%的Cu 材料相位切趾波带片。     

基于角谱法的振幅型光子筛的设计和分析

对光子筛的聚焦成像原理作了分析,并用平面波角谱方法对光子筛聚焦成像进行了数值模拟.模拟结果表明,光子筛聚焦具有提高分辨率和抑制高级衍射的优点.在理论分析和计算机模拟的基础上,设计并制作了Fresnel波带片、未平滑处理和平滑处理后的光子筛.用波长为532 nm激光光源对波带片和光子筛聚焦光斑进行检测.结果表明,光波通过光子筛聚焦后的光斑比波带片的光斑更细,成像对比度更高.     

一种聚合物分散液晶菲涅尔波带片

利用波长为800nm,脉宽130fs的飞秒激光在镀铝膜的玻璃基片上刻蚀出波带环图案,然后用溶致相分离法将其制备成聚合物分散液晶菲涅尔波带片.用波长为632nm的He-Ne激光对聚合物分散液晶菲涅尔波带片进行测试,结果表明:随着电压的增加该样品具有良好的光电可控性,可以实现对焦点光强的调控.在沿光轴方向上,测试到的主焦点位置与理论计算值相差小于5%,且聚合物分散液晶菲涅尔波带片在160V电压时衍射效率为10.4%,接近理论衍射效率12.1%,表明了该设计的可行性.     

使用二元相位菲涅尔波带片产生轴向线聚焦

介绍了一种全新的轴向线聚焦方案.采用菲涅尔波带片，在实验中产生了沿轴向长为5mm，宽 100μm的线聚焦.光学测量表明，线聚焦轴向强度分布比较均匀.这些参数基本上可以满足激 光等离子体实验的要求. 关键词： 菲涅尔波带片 轴向线聚焦     

一种新型透射式自聚焦光栅的设计及理论研究

结合普通透射光栅的分光特性和菲涅耳波带片的聚焦特性,提出一种应用于软X射线波段的新型透射式自聚焦光栅。根据菲涅耳衍射理论,对其衍射特性进行理论推导,证明该新型光栅存在一个与光栅平面垂直的焦平面,不同波长的光波聚焦于该焦平面的不同位置。在焦平面上,焦点位置随光子能量的变化是线性的,即能实现光子能量的线性测量。通过解析推导,得到在沿着焦平面和垂直于焦平面两个方向上光斑的展宽模式,发现该新型光栅在沿着焦平面的光斑展宽模式不同于普通光栅。根据基尔霍夫衍射公式,设置实用化参数,对其衍射模式进行了详细的数值模拟研究,并讨论了相应的测谱范围和谱分辨率。     

软X射线聚焦波带片相对衍射特性的实验研究

通过测量软X射线相位型和振幅型聚焦波带片的一级衍射强度,实验得到了自行研制的两种相位型软X射线聚焦波带片的相对衍射特性。测量实验装置简单,调节相对容易。选择合适的针孔大小可使得接收信号有足够的信噪比。对波带片聚酰亚胺衬底的厚度进行了归一化。分别将3个镍和锗波带片的一级衍射强度与金波带片进行了比较。在3.2nm工作波长,研制的镍、锗软X射线相位型波带片的平均一级衍射效率分别是软X射线振幅型金波带片一级衍射效率的1.60和1.26倍,与理论值1.77和1.34很接近。测试结果表明,我们制作的相位型波带片具有较高精度。     

Kinoform单透镜的硬X射线聚焦性能

Kinoform单透镜可以高效聚焦硬X射线至纳米量级, 在X射线纳米显微学和纳米光谱学领域有着重要的应用前景. 基于衍射光学和傅里叶光学理论, 给出了X射线经由Kinoform单透镜聚焦的物理模型, 基于数值模拟, 研究了不同材料、光子能量、台阶数量和顶点曲率半径对Kinoform单透镜聚焦性能的影响. 结果表明, 孔径为1 mm的Kinoform单透镜对30 keV的X射线聚焦, 可以得到14 nm焦斑、62 μm焦深, 且可实现4个量级的光强增益和大于30%的光强透过率.     

多层膜劳厄透镜对8keV X射线的聚焦性能模拟研究

基于多层膜技术的劳厄(Laue)透镜能实现硬X射线纳米级聚焦,在X射线微纳分析领域具有重要的应用前景.基于衍射动力学理论,分析了X射线在多层膜劳厄透镜中的传播,计算了不同结构的多层膜劳厄透镜对8 keVX射线的聚焦性能.结果表明,最外层厚度为5 nm的倾斜多层膜劳厄透镜可获得5.7 nm的聚焦光斑和26%的平均衍射效率...     

A linear Bragg–Fresnel optics fabricated for 1D focusing of 18 nm X-ray radiation

The theoretical and technique results of a 1D focusing linear Bragg–Fresnel optics working at 18 nm X-ray radiation are given in the present paper. A theoretical method describing its optical performances is introduced briefly, the parameters of the diffraction pattern are presented. The preparation of multilayer mirrors, the decision of X-ray absorber layer thickness and the fabrication process of the diffraction pattern are described. The studied results of thermal and chemical stabilities for Mo/Si multilayer structure are shown. Some measured results for the 1D focusing linear Bragg–Fresnel optics are given.     

Toward two-dimensional nanometer resolution hard X-ray differential-interference-contrast imaging using modified photon sieves

In this Letter, we report a significant step forward in the design of single-optical-element optics for two-dimensional (2D) hard X-ray differential-interference-contrast (DIC) imaging based on modified photon sieves (MPSs). MPSs were obtained by a modified optic, i.e., combining two overlaid binary gratings and a photon sieve through two logical XOR operations. The superior performance of MPSs was demonstrated. Compared to Fresnel zone plates-based DIC diffractive optical elements (DOEs), which help to improve contrast only in one direction, MPSs can provide better resolution and 2D DIC imaging. Compared to normal photon sieves, MPSs are capable of imaging at a significantly higher image contrast. We anticipate that MPSs can provide a complementary and versatile high-resolution nondestructive imaging tool for ultra-large-scale integrated circuits at 45 nm node and below.     

Fourier treatment to the diffractive optical element composed of Fresnel zone and pinholes

Currently, the minimum feature size fabricated is about 15-40 nm. The resolution of Fresnel zone plates is limited by the width of the outermost zone. Although the photon sieves make it possible to focus soft X-rays to spot sizes smaller than the diameter of the smallest pinhole they have low diffraction efficiency. In order to foster strengths and circumvent weaknesses of them, we propose a new model which is composed of Fresnel zone and pinholes and give its fast Fourier algorithm. The simulation results demonstrate that the resolution of photon sieves is not better than that of Fresnel zone plates in low order of local rings. In this case, we can substitute pinholes for Fresnel zone in photon sieves. Resolution is nearly a constant, and also the diffraction efficiency improves.     

Single order soft X-ray diffraction with quasi-random radius pinhole array spectroscopic photon sieves

A novel single order diffraction grating in the soft X-ray region, called quasi-random radius pinhole array spectro- scopic photon sieves （QRSPS）, is proposed in this paper. This new grating is composed of pinholes on a substrate, whose radii are quasi-random, while their centers are regular. Analysis proves that its transmittance function across the grating bar is similar to that of sinusoidal transmission gratings. Simulation results show that the QRSPS can suppress higher-order diffraction effectively. And the QRSPS would still retain its characteristic of single order diffraction when we take the effect of X-ray penetration into account. These properties indicate that the QRSPS can be used in the soft X-ray spectra measurement.     

高Q值超薄完美吸波体设计方法研究

为了增强完美吸波体的吸波性能,提出了一种高Q值超薄完美吸波体的设计方法. 该方法将基片集成波导技术与一般完美吸波体设计方法有机结合,通过合理添加金属过孔实现了高Q值的完美吸波体设计. 利用该方法设计出了厚度0.0065λ、半波功率带宽5.8%的完美吸波体,其吸波率Q值为33.9,比普通完美吸波体吸波率Q值提升了20%以上;其1.5和3 dBsm的雷达散射截面缩减Q值分别提高了54%和67%以上;同时该方法消除了传统设计中的频率偏移问题. 实测与仿真结果表明所设计的吸波体具有高Q值特征,也具有良好的雷达散射截面缩减效果,散射截面缩减最高达14 dBsm. 仿真和实测验证了设计方法的可靠性. 关键词： 基片集成波导技术 频率偏移 吸波率 雷达散射截面     

环路热管式光子吸收器的换热可行性

利用环路热管换热技术对光子吸收器进行换热可以提高光子吸收器的换热效率、减小其结构尺寸,而且运行时无振动,是未来高性能加速器中设计光子吸收器的重要技术储备。分析环路热管在光子吸收器上应用时的传热性能,发现目前环路热管的换热能力完全满足光子吸收器的换热需求,但热沉的结构、特别是导热距离需要严格优化。利用航天五院C18型号环路热管,优化设计了一台环路热管式光子吸收器样机,数值模拟其运行时的温度分布,并实验测试了光子吸收器样机的总体换热能力。     

X射线相衬成像光子筛

基于 Zernike相衬成像原理和光瞳切趾原理,提出一种将相位板和切趾光子筛集成为一个相衬显微物镜的 X射线相衬成像光子筛的设计方法.这种 X射线相衬成像物镜可以实现生物体组织或者其他弱吸收材料的高分辨率和高衬度成像.通过优化光子筛透镜的衍射结构,可以抑制成像系统的点扩展函数的旁瓣和消除高阶衍射焦点,从而提高成像分辨率;另外,将光子筛透镜和变相板合为一体,克服了成像透镜和变相板难以对准的缺陷.以高斯切趾光子筛为例,实验验证了设计方法的可行性. 关键词： X射线显微技术 相衬成像 光瞳切趾 光子筛     

卢卡斯光子筛的聚焦特性研究

介绍了一种基于卢卡斯数编码设计的轴上四焦点光子筛,其各焦距分布与黄金分割比密切相关.实验上利用相移数字全息验证了设计器件具有轴上四焦点聚焦特性,测量结果表明:轴向焦距和横向焦斑光强分布与理论设计值一致.该振幅型光子筛具有体积小、重量轻、易加工等优点,可应用于X波段显微和生物细胞阵列成像等领域.