專利名稱：軟x射線反射式多層膜寬帶起偏器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種軟X射線波段多層膜偏振光學(xué)元件，具體為軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器，可用于軟X射線磁圓二色、磁線二色分析，以及軟X射線共振磁散射等許多偏振測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
軟X射線波段起偏器是一種在準(zhǔn)布儒斯特角(由于材料有吸收，沒有P偏振光反射率等于0的布儒斯特角)入射條件下的偏振器，圖1是波長(zhǎng)固定、周期稍有不同的Mo/Si多層膜Rs、Rp和Rs/Rp隨入射角的變化，d＝10.1nm多層膜(圖1a)的反射角正好與準(zhǔn)布儒斯特角匹配，Rs和Rs/Rp都達(dá)到較大值，d＝10.5nm多層膜(圖1b)的反射角與準(zhǔn)布儒斯特角不匹配，因?yàn)镽p不再被完全壓低，Rs和Rs/Rp不同時(shí)達(dá)到最大(其中Rs、Rp和Rs/Rp分別表示光的S偏振分量的反射率，P分量的反射率和偏振度)。這表明每一個(gè)多層膜偏振光學(xué)元件只能用在某一特定的波長(zhǎng)處達(dá)最佳性能。為了避免這個(gè)缺點(diǎn)，需設(shè)計(jì)寬波段偏振元件。傳統(tǒng)的軟X射線波段寬帶起偏器一般有以下兩種1，軟X射線梯度多層膜寬帶起偏器梯度多層膜主要是利用在基片不同位置鍍制不同的周期厚度多層膜，使其對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的起偏器，在使用梯度多層膜起偏器時(shí)，只需調(diào)整入射光入射到不同位置處，都可以達(dá)到一定的偏振度，如圖2a所示，多層膜周期數(shù)為50，正入射角為40.5度，在中心波長(zhǎng)16.0nm處，周期厚度為11.1nm，對(duì)應(yīng)不同的周期厚度10.2-11.8nm時(shí)，Rs與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，頂層膜厚度比(每個(gè)周期中對(duì)應(yīng)上層的膜層厚度與周期厚度之比)為0.32，粗糙度為0nm，其優(yōu)點(diǎn)是能夠保證在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的偏振光S分量都很大，但偏振光P分量也跟著變大，使得偏振度Rs/Rp降低，如圖2b所示，Rp與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，而且梯度多層膜的制備非常復(fù)雜，經(jīng)過標(biāo)定的梯度多層膜在使用時(shí)要精確調(diào)整對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)處的位置，過程非常繁瑣復(fù)雜，要求的精度也非常高。
2，軟X射線波段可調(diào)角度的雙多層膜起偏器可調(diào)角度的雙多層膜起偏器，利用多層膜起偏器在不同波段對(duì)應(yīng)不同角度時(shí)有較高的偏振度，使用兩塊相同的起偏器平行放置，同時(shí)可以保證出射光束方向不偏轉(zhuǎn)，如圖3a所示，但是這種類型的起偏器在工作過程中，對(duì)應(yīng)不同波段要同時(shí)精確旋轉(zhuǎn)兩個(gè)起偏器，并保持彼此平行，調(diào)整起來不方便，而且最終的光通量相對(duì)梯度多層膜也要降低，圖3b、3c所示為Mo/Si多層膜，周期為50，周期厚度為11.00nm，頂層膜厚度比為0.320，對(duì)應(yīng)不同角度時(shí)多層膜的偏振分量Rs和Rp的反射率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種既具有高的偏振度和光通量，同時(shí)在制備和使用中比較方便實(shí)用的軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器。軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器及其制備方法，具有制作工藝簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，偏震度高，而且還可以在很寬的波段使用。
軟X射線多層膜系的反射特性的計(jì)算是以Fresnel公式為出發(fā)點(diǎn)，得出整個(gè)膜系復(fù)振幅反射率公式。軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器如圖4所示，在復(fù)折射率為n~o=no-iko]]>的無限厚基片上，依次鍍上厚度為dj(j＝1到j(luò)＝m止)的各向同性均勻薄膜，材料的復(fù)折射率為n~j=nj-ikj.]]>波長(zhǎng)為λ的軟X射線平行光束從真空中以入射角θ入射到膜系表面。本專利的入射角θ必須在中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)布儒斯特角。
第j層多層膜系的振幅反射率Rj為Rj=rj(1-rjRj-1)+(Rj-1-rj)exp(-iδj)1-rjRj-1+rj(Rj-1-rj)exp(-iδj)]]>其中Rj，Rj-1為第j層，第j-1層多層膜系的振幅反射率，rj為第j層介質(zhì)相對(duì)于真空中介質(zhì)的Fresnel反射系數(shù)rj=cosθ-n~jcosθjcosθ+n~jcosθj]]>(s偏振)rjn~jcosθ-cosθn~jcosθ+cosθj]]>(p偏振)從j＝1(Ro＝ro)開始，直到j(luò)＝m進(jìn)行迭代計(jì)算，得到m層多層膜系統(tǒng)的振幅反射率Rm，以及多層膜系統(tǒng)的光強(qiáng)反射率|Rm|2(s偏振和p偏振的反射率分別為Rs，Rp)。多層膜的偏振度P定義為P＝Rs/Rp，然后利用單純型優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，求出評(píng)價(jià)函數(shù)的極小值，評(píng)價(jià)函數(shù)定義為F=(Σλ(R0-Rs+τ×(Rp/Rs))2)1/2]]>其中Rs表示S偏振分量，Rp表示P偏振分量，R0為目標(biāo)Rs的函數(shù)，τ為一個(gè)調(diào)整系數(shù)，保證光通量和偏振度同時(shí)優(yōu)化到最大值。圖4為利用非周期多層膜系優(yōu)化的Rs和Rp對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，在波長(zhǎng)從13納米到25納米寬的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)Rs的值均大于10％，而且Rp值均小于1％，偏振度達(dá)到10到104量級(jí)，能夠保證在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都保證很大的偏振度。


圖1a為現(xiàn)有技術(shù)波長(zhǎng)為13.9納米，周期為50，周期厚度為10.1納米，頂層膜厚度比為0.4，粗糙度為0納米時(shí)，Mo/Si多層膜Rs、Rp和Rs/Rp隨入射角的變化曲線；圖1b為現(xiàn)有技術(shù)波長(zhǎng)為13.9納米，周期為50，周期厚度為10.5納米，頂層膜厚度比為0.4，粗糙度為0納米時(shí)，Mo/Si多層膜Rs、Rp和Rs/Rp隨入射角的變化曲線；圖2a為現(xiàn)有技術(shù)Mo/Si梯度多層膜寬帶起偏器示意圖，多層膜周期數(shù)為50，正入射角為40.5度，在中心波長(zhǎng)16.0納米處，周期厚度為11.1納米，頂層膜厚度比為0.32，對(duì)應(yīng)不同的周期厚度10.2-11.8納米，頂層膜厚度比為0.32，粗糙度為0納米時(shí)，Rs與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線；圖2b為現(xiàn)有技術(shù)Mo/Si梯度多層膜，多層膜周期數(shù)為50，正入射角為40.5度，在中心波長(zhǎng)16.0納米處，周期厚度為11.1納米，頂層膜厚度比為0.32，對(duì)應(yīng)不同的周期厚度10.2-11.8納米，頂層膜厚度比為0.32，粗糙度為0納米時(shí)，Rp與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線；圖3a為現(xiàn)有技術(shù)可調(diào)角度的雙多層膜起偏器示意圖，其中P1，P2為起偏器，D為探測(cè)器，在工作過程中根據(jù)不同的波長(zhǎng)要求，通過調(diào)節(jié)P1和P2的位置和角度達(dá)到寬帶偏振；圖3b為現(xiàn)有技術(shù)Mo/Si多層膜，周期為50，周期厚度為11.00納米，Mo膜層的厚度與周期厚度比率為0.320，對(duì)應(yīng)不同角度時(shí)多層膜的偏振分量Rs的反射率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線；
圖3c為現(xiàn)有技術(shù)Mo/Si多層膜，周期為50，周期厚度為11.00nm，Gamma＝0.320，對(duì)應(yīng)不同角度時(shí)多層膜的偏振分量Rp的反射率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線；圖4為本發(fā)明的反射式多層膜寬帶起偏器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a為本發(fā)明利用非周期多層膜系設(shè)計(jì)反射式多層膜寬帶起偏器，Rs、Rp隨入射光波長(zhǎng)的變化曲線以及對(duì)應(yīng)膜層厚度隨膜層序列數(shù)的關(guān)系曲線反射式多層膜寬帶起偏器的優(yōu)化結(jié)果，在波長(zhǎng)從11nm到19nm寬的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)Rs的值一般大于10％，而且Rp值一般小于1％，偏振度達(dá)到10到104量級(jí)；圖5b為本發(fā)明反射式多層膜寬帶起偏器膜層厚度與層數(shù)之間的關(guān)系曲線反射式多層膜寬帶起偏器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器的選材原則從光學(xué)本身角度看，主要是尋找兩種材料折射率差最大的材料對(duì)，同時(shí)在給定波段都有最小的吸收，本發(fā)明選取的是鉬(Mo)、硅(Si)兩種材料，利用上述方法編譯的程序，計(jì)算出對(duì)應(yīng)波段所需多層膜每層膜的厚度，厚度為0.5納米到8.5納米之間，具體的厚度參數(shù)如圖5b所示。本發(fā)明也適用于在軟X射線波段其他的材料對(duì)組合，如鎢/碳、鎢/硅等。
制備軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器，使用磁控濺射鍍膜法。在實(shí)驗(yàn)中使用的是JGP560C6型高真空多功能磁控濺射鍍膜設(shè)備，鍍膜開始前，用酒精乙醚對(duì)起偏器基片(超光滑硅片)進(jìn)行清洗，并用脫脂棉將表面擦干凈，在本底真空度低于5.0×10-5Pa，鍍膜時(shí)真空度保持在250Pa，對(duì)鉬、硅兩種靶材表面充氬氣，流量控制在15.5SCCM，鍍膜前須起輝預(yù)濺半個(gè)小時(shí)以清洗靶材，用步進(jìn)電機(jī)控制起偏器基片的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)由電腦操作，當(dāng)完成對(duì)鉬、硅兩種材料濺射速率標(biāo)定后，根據(jù)理論算得的用0.5-8.5納米厚度的鉬、硅膜層(見圖5b)，把相應(yīng)鍍制的時(shí)間輸入電腦，程序運(yùn)行時(shí)，起偏器基片在兩種鉬、硅間來回旋轉(zhuǎn)停留，使鉬、硅交替地鍍制在起偏器基片上，程序運(yùn)行結(jié)束后，取出鍍制好的起偏器。本發(fā)明的制備方法也適用于軟X射線波段其他的波長(zhǎng)范圍。本發(fā)明可應(yīng)用于軟X射線磁圓二色、磁線二色分析、以及軟X射線共振磁散射等許多偏振測(cè)量領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器，其特征在于由鉬、硅兩種材料對(duì)，算出從13納米到25納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)所需的多層膜每層膜的厚度而形成的多層膜寬帶起偏器，對(duì)應(yīng)s分量反射率Rs的值均大于10％，而且p分量的反射率Rp值均小于1％，偏振度Rs/Rp達(dá)到10到104量級(jí)，保證在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都保證很大的偏振度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器，其特征在于所述的多層膜厚度，厚度為0.5納米～8.5納米之間，并且該厚度可用薄膜制備設(shè)備制備出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器，其特征在于本發(fā)明的鉬、硅兩種材料對(duì)，也適用于在軟X射線波段其他的材料對(duì)組合，如鎢/碳、鎢/硅等。
4.一種軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器的制備方法，其特征在于用高真空多功能磁控濺射膜設(shè)備對(duì)起偏器鍍膜，先用酒精乙醚對(duì)起偏器基片，超光滑硅片進(jìn)行清洗，并對(duì)表面擦干凈，在本真空度低于5.0×10-5Pa，鍍膜時(shí)真空保持在250Pa，對(duì)鉬、硅兩種靶材表面充氬氣，流量控制在15.5SCCM，鍍膜前須起輝預(yù)濺半小時(shí)以清洗靶材，用步進(jìn)電機(jī)控制起偏器基片的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)由電腦操作，在對(duì)鉬、硅兩種材料濺射速率標(biāo)定后，用0.5納米～8.5納米厚度的鉬、硅材料，把對(duì)應(yīng)鍍制的時(shí)間輸入電腦，程序運(yùn)行時(shí)，起偏器基片在兩種鉬、硅間來回旋轉(zhuǎn)停留，使鉬、硅交替地鍍制在起偏器基片上；并且該方法也適用于軟X射線波段其他的波長(zhǎng)范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用多層膜結(jié)構(gòu)的軟X射線波段高偏振度，高光通量的軟X射線反射式多層膜寬帶起偏器及其制備方法，不同于傳統(tǒng)的寬帶起偏器，它不僅具有較高的光通量和偏振度以及較寬的帶寬，而且制作工藝簡(jiǎn)單，使用調(diào)節(jié)方便。本專利介紹了起偏器的設(shè)計(jì)思路和具體的制備方法，以及在此設(shè)計(jì)思想下所計(jì)算出的寬帶起偏器的光學(xué)性能等。本發(fā)明可應(yīng)用于軟X射線磁圓二色、磁線二色分析，以及軟X射線共振磁散射等許多偏振測(cè)量領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B5/30GK1556422SQ200410015648
公開日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2004年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月6日
發(fā)明者王占山, 王洪昌 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)