專(zhuān)利名稱(chēng)：軟x射線透射式多層膜寬帶相移片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軟X射線波段多層膜偏振光學(xué)元件，尤指一種為軟X射線透射式多層膜寬帶相移片，可以實(shí)現(xiàn)線偏振光和圓偏振光之間的轉(zhuǎn)換，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射線波段偏振光學(xué)元件包括起偏器、檢偏器和相移片，在軟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)量實(shí)驗(yàn)中，要實(shí)現(xiàn)線偏振光和圓偏振光相互轉(zhuǎn)換時(shí)，此時(shí)需要使用相移片。要使線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光，必須使偏振光的S分量和P分量之間的位相差Δφ達(dá)到90度，并且S分量的強(qiáng)度和P分量的強(qiáng)度相同，在透射式相移片中Ts＝Tp。圖1是理論設(shè)計(jì)的透射式四分之一相移片，Mo/Si多層膜入射角在42.7度，周期數(shù)為20時(shí)，多層膜理論計(jì)算的透過(guò)率Ts、Tp和位相差Δφ隨波長(zhǎng)的變化曲線。在13.9nm處，透過(guò)率Ts、Tp同時(shí)達(dá)到24％，而且此時(shí)位相差為90度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮相移片為自支撐式結(jié)構(gòu)，即無(wú)襯底時(shí)的情況。但是此種相移片只能在特定的角度下，在某一波長(zhǎng)處達(dá)到相移要求。為了避免這個(gè)缺點(diǎn)，需設(shè)計(jì)寬波段相移片。但是要實(shí)現(xiàn)在某一波段內(nèi)的位相差Δφ都達(dá)到90度，并且Ts＝Tp非常困難，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只需滿(mǎn)足Δφ＝90±30度，Ts和Tp之間的差值控制在20％以?xún)?nèi)就可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。
1，傳統(tǒng)的軟X射線波段四分之一相移片傳統(tǒng)的軟X射線波段四分之一相移片，主要是針對(duì)單一波長(zhǎng)在某一固定角度下滿(mǎn)足位相差Δφ達(dá)到90度并且透過(guò)率Ts、Tp相同，定義Δφ＝φp-φs(1)如圖2所示，在入射角為50度時(shí)，Mo/Si周期性多層膜的透過(guò)率和位相差關(guān)于波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，Mo/Si多層膜的周期數(shù)為20，Mo厚度為5.4nm，Si厚度為5.4nm。在13.9nm波長(zhǎng)處，Ts和Tp近似相等，Δφ達(dá)到90度，但是在其他波長(zhǎng)處，Ts和Tp相差較大，而且相移也與90度相差很大，該種方法設(shè)計(jì)的四分之一相移片雖然優(yōu)化設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，周期性多層膜比較容易制備，但是所設(shè)計(jì)的相移片的使用范圍小，只能滿(mǎn)足單一波長(zhǎng)，有時(shí)不能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種軟X射線波段寬帶四分之一相移片，既保證有較寬的帶寬，同時(shí)可以有較大的光通量，即Ts和Tp，并滿(mǎn)足位相差接近90度。該種類(lèi)型的相移片與單一波長(zhǎng)的相移片相比較，可以滿(mǎn)足一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)都可以達(dá)到相應(yīng)的位相延遲，完成線偏振光和圓偏振光之間的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的軟X射線波段寬帶四分之一相移片相比，設(shè)計(jì)結(jié)果更能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)制備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，只需通過(guò)優(yōu)化調(diào)整多層膜的膜層厚度就可得到所想要的工作波段偏振度。
軟X射線多層膜膜系的透射特性的計(jì)算是以Fresnel公式為出發(fā)點(diǎn)，得出整個(gè)膜系復(fù)振幅透射率公式。軟X射線透射式多層膜寬帶相移片如圖3所示，在復(fù)折射率為n~o=no-iko]]>的基片上，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。本發(fā)明的入射角θ的選擇必須滿(mǎn)足使位相差接近90度，同時(shí)有較大的光通量，因此在優(yōu)化多層膜厚度前，必須現(xiàn)對(duì)入射角進(jìn)行優(yōu)化選擇。
由單層膜振幅反射率可知，膜系內(nèi)第j層的振幅反射率為Rj=rj+Rj-1exp(-2iδj)1+rjRj-1exp(-2iδj)]]>Tj=tj*Tj-1exp(-iδj)1+rjRj-1exp(-2iδj)--(2)]]>其中每一界面的Fresnel反射系數(shù)rj′，透射系數(shù)t′j和位相差δj分別為r′j=n~j-1cosθj-1-n~jcosθjn~j-1cosθj-1+n~jcosθj;]]> r′j=n~jcosθj-1-n~j-1cosθjn~jcosθj-1+n~j-1cosθj;]]> δj=2πn~jdjcosθj/λ--(5)]]>從j=1(Ro′=ro′)]]>開(kāi)始，直到j(luò)＝m進(jìn)行迭代計(jì)算，得到m層多層膜系統(tǒng)的振幅透射率Tm′(s，p)，以及對(duì)應(yīng)的多層膜系統(tǒng)的光強(qiáng)透射率T(s，p)。
T(s,p)=Tm′(s,p)·Tm′(s,p)*--(6)]]>
透射方向的位相為φ(s,p)=Tm′(s,p)*-Tm′(s,p)Tm′(s,p)+Tm′(s,p)**i--(7)]]>透射方向的位相差為Δφ＝φs-φp(8)上述計(jì)算中，RJ′(s，p)定義為第j層和第j+1層界面的振幅反射率，R′(s，p)j-1為第j-1層與第j層界面上的振幅反射率，r′(s，p)j為第j層與第j+1層界面的Fresnel反射系數(shù)。R(s，p)、T(s，p)為最終的多層膜反射率和透射率。上角標(biāo)(s，p)分別代表光的s分量和p分量。
評(píng)價(jià)函數(shù)定義為F=(1nΣk=1n((π/2-Δφ(k)Δφ(k))2+γ(Ts(k)-Tp(k)Ts(k))2))1/2--(9)]]>其中Δφ(k)為位相延遲，Ts(k)和Tp(k)是S分量和P分量的透過(guò)率，k為第k個(gè)波長(zhǎng)，n為優(yōu)化時(shí)所取的波長(zhǎng)總個(gè)數(shù)，γ為調(diào)整因子，保證光通量和位相差同時(shí)優(yōu)化到目標(biāo)值，最后利用單純形調(diào)優(yōu)法對(duì)多層膜的厚度進(jìn)行優(yōu)化，圖4為利用周期多層膜系優(yōu)化的Ts、Tp和Δφ對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，在波長(zhǎng)從12.5nm到15nm寬的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)Ts和Tp的值均大于5％，而且其差值均小于20％，位相差Δφ在60-100度之間，達(dá)到相移要求，能夠保證在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)通過(guò)調(diào)整入射角度，可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。
圖1為已有技術(shù)單一波長(zhǎng)透射式四分之一相移片示意圖。
圖2為已有技術(shù)單一波長(zhǎng)透射式四分之一相移片理論設(shè)計(jì)結(jié)果圖。
圖3為本發(fā)明的軟X射線透射式多層膜寬帶相移片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的Mo/Si多層膜寬帶相移片結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，圖1為已有技術(shù)單一波長(zhǎng)透射式四分之一相移片示意圖，正入射角42.7度，周期為30，Mo膜厚度為3.47nm，Si膜厚度為5.82nm，粗糙度為0nm時(shí)，Mo/Si多層膜透過(guò)率Ts、Tp和位相差Δφ隨入射光波長(zhǎng)的變化曲線，在13.9nm波長(zhǎng)處，透過(guò)率Ts、Tp同時(shí)達(dá)到24％，位相差為90度；圖2為已有技術(shù)單一波長(zhǎng)透射式四分之一相移片理論設(shè)計(jì)結(jié)果圖，正入射角50度，周期為20，Mo膜厚度為5.4nm，Si膜厚度為5.4nm，粗糙度為0nm時(shí)，Mo/Si多層膜透過(guò)率Ts、Tp和位相差Δφ隨入射光波長(zhǎng)的變化曲線，在13.9nm波長(zhǎng)處，透過(guò)率Ts、Tp同時(shí)達(dá)到21％，位相差為90度；圖3為本發(fā)明的軟X射線透射式多層膜寬帶相移片結(jié)構(gòu)示意圖；在制備多層膜相移片時(shí)Mo和Si兩種材料交替蒸鍍?cè)赟i3N4基片上。
本發(fā)明的透射式多層膜寬帶相移片的選材原則從光學(xué)特性和實(shí)驗(yàn)制備的角度選取的是鉬(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，圖4為本發(fā)明的Mo/Si多層膜寬帶相移片結(jié)果圖，多層膜周期數(shù)為16，正入射角為60.8度，Mo膜厚度為5.11nm，Si膜厚度為6.91nm，粗糙度為0nm時(shí)，Ts、Tp和位相差Δφ隨入射光波長(zhǎng)的變化曲線。制備軟X射線透射式多層膜寬帶相移片，使用磁控濺射鍍膜法。由于在軟X射線波段，多層膜相移片的周期厚度比較薄，多層膜的厚度控制對(duì)相移片的性能非常重要，因此軟X射線透射式多層膜寬帶相移片的制備在高真空多功能磁控濺射鍍膜設(shè)備中完成，利用計(jì)算機(jī)來(lái)控制鍍膜時(shí)間來(lái)達(dá)到精確控制膜層厚度。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，為了提高相移片的透過(guò)率，相移片的制備要做成自支撐模式，因此在實(shí)驗(yàn)中選取Si3N4作為襯底，本底真空度低于5.0×10-5Pa，鍍膜時(shí)真空度保持在0.25Pa，鉬、硅兩種靶材表面充氬氣，流量控制在15.5SCCM，鍍膜前需起輝預(yù)濺半個(gè)小時(shí)以清洗靶材，在制備過(guò)程中利用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制相移片基片的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)由電腦來(lái)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)理論算得的鉬、硅膜層厚度，把相應(yīng)鍍制的時(shí)間輸入電腦，程序運(yùn)行時(shí)，相移片基片在兩種鉬、硅間來(lái)回旋轉(zhuǎn)停留，使鉬、硅交替地鍍制在相移片基片上，為防止Si3N4襯底在成膜過(guò)程中起皺，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要注意溫度和濕度的控制。程序運(yùn)行結(jié)束后，取出鍍制好的樣品，然后將Si3N4襯底用離子束刻蝕方法進(jìn)行剝離，在刻蝕過(guò)程中必須控制刻蝕的能量和時(shí)間，防止將鍍制的多層膜刻掉，刻蝕完成后就可以把相移片應(yīng)用于各種偏振測(cè)量系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種軟X射線透射式多層膜透射式相移片，為自支撐多層膜，其特征在于采用透射式周期性多層膜結(jié)構(gòu)，以鉬(Mo)硅(Si)兩種材料，高低折射率在Si3N4襯底上交替鍍制而成。
2.軟X射線透射式多層膜寬帶相移片的制備方法，其特征在于使用磁控濺射鍍膜法，在高真空多功能磁控濺射鍍膜設(shè)備中循環(huán)鍍制，取Si3N4作為襯底，本底真空度低于5.0×10-5Pa，鍍膜時(shí)真空度保持在0.25Pa，鉬、硅兩種靶材表面充氬氣，流量控制在15.5SCCM，濕度為70％，利用計(jì)算機(jī)來(lái)控制鍍膜時(shí)間來(lái)達(dá)到精確控制膜層厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軟X射線透射式多層膜寬帶相移片的制備方法，其特征在于先在Si3N4襯底上完成多層膜的制備，在周期性多層膜鍍制完成后，最后采用離子束刻蝕方法將Si3N4襯底去掉。
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射線波段高位相差，高光通量，寬波段相移片的設(shè)計(jì)。不同于傳統(tǒng)的單波長(zhǎng)單波長(zhǎng)四分之一相移片的設(shè)計(jì)，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，使用時(shí)調(diào)節(jié)方便。本發(fā)明介紹了該器件的設(shè)計(jì)和具體的制備方法，以及在此設(shè)計(jì)下所計(jì)算出的寬帶相移片的光學(xué)性能等。本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟X射線透射式多層膜寬帶相移片可應(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)G02B5/30GK1588139SQ20041006727
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者王占山, 王洪昌 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)