一種具有色散聚焦的橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作技術(shù)，更具體的說(shuō)，涉及一種具有 色散聚焦及去0級(jí)特性的橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著先進(jìn)的X光光源的發(fā)展，比如同步輻射、自由電子激光以及新近的betatron 超快臺(tái)面化的X射線源（S.Fourmauxetal,NewJournalofPhysics)等，對(duì)有關(guān)這些 X射線源的診斷、能譜測(cè)量以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究提出了更高的要求，具體要求主要有：超快 過(guò)程的研究、光源利用率高、高譜分辨的單色化光束線以及其它方面的要求。針對(duì)超快的 betatronX射線源、利用飛片技術(shù)的同步輻射X射線源，其光譜的測(cè)量、單色化顯得較困 難，基于傳統(tǒng)的衍射光柵方法，X光光源的傳輸效率低，能量損失較大。
[0003] Rayleigh于 1871 年，發(fā)明了 菲捏爾波帶片（簡(jiǎn)稱(chēng)FZP，F(xiàn)resnelZonePlate) (Optics,Addison-Wesley,E.HechtandA.Zajac)，可應(yīng)用于X射線源診斷，該X射線波 段的FZP是基于菲涅爾半波帶法設(shè)計(jì)得到的X光段的經(jīng)典光學(xué)元件，該元件與傳統(tǒng)的可見(jiàn) 光波段的透鏡相似，均有聚焦、成像功能。與透鏡相比，該元件性能更優(yōu)，其成本更低，制作 更易，面積可更大，重量較輕并且具有可折疊等特點(diǎn)，對(duì)遠(yuǎn)程光通信、光測(cè)距以及宇航等領(lǐng) 域的發(fā)展有著非常重要的研究意義。FZP與傳統(tǒng)透差異主要包括：一者，聚焦焦距與波長(zhǎng)呈 相反關(guān)系，而透鏡相反；二者，F(xiàn)ZP不僅可適用于可見(jiàn)光波段，還可適用于極紫外/軟X射線 波段，而透鏡僅適用于可見(jiàn)光波段，這是因?yàn)樗鼈兊木劢贡举|(zhì)是完全不相同的，前者是基于 衍射理論，后者是依據(jù)材料的折射特性。FZP也存在一些局限性，其聚焦尺寸由最外環(huán)寬度 決定，由于存在體衍射效應(yīng)，其聚焦尺寸不可能小于l〇nm;它的加工制作難度較大，與FZP 厚度相關(guān)；另外，F(xiàn)ZP幾乎不能應(yīng)用于硬X射線源的相關(guān)研究。
[0004] T.Wilhein等人于1997年，提出了一種反射式菲涅爾波帶片（簡(jiǎn)稱(chēng)RZP， reflectionzoneplate),這種反射式波帶片由一系列橢圓構(gòu)成，為獲得空間分辨率小于 10nm提供了一個(gè)極佳的選擇。2005年，A.G.Michette通過(guò)理論模擬分析獲得了高級(jí)衍射 條件下的聚焦尺寸達(dá)到了幾nm的空間分辨。另外，RZP厚度對(duì)其衍射特性并沒(méi)有特殊影 響，加工制作相對(duì)來(lái)說(shuō)更加容易。然而，A.G.Michette學(xué)者所提出的RZP表達(dá)示有諸多近 似，以至于當(dāng)波帶片設(shè)計(jì)環(huán)數(shù)較多時(shí)其衍射特性存在較大誤差，聚焦焦斑偏離理想位置，而 基于Erko在2005的Madrid會(huì)議提出的斜切割的方法設(shè)計(jì)所得的波帶片參數(shù)繁雜、不具 體而且設(shè)計(jì)過(guò)程冗長(zhǎng)，無(wú)法直接給出反射式波帶片的物距、像距和反射射角等參數(shù)。
[0005] 本發(fā)明則是一種與上述學(xué)者所提出的設(shè)計(jì)制作方法完全不同的新方法，其核心思 想是在給定簡(jiǎn)明的橢圓反射式波帶片參數(shù)基礎(chǔ)上，基于菲涅爾半波帶法，便捷、直接地設(shè)計(jì) 制作出衍射特性與設(shè)計(jì)目標(biāo)匹配更佳的橢圓反射式波帶片，所設(shè)計(jì)出的波帶片具有高空間 分辨、譜分辨以及可消除〇級(jí)污染的特性，不僅適用于可見(jiàn)光波段，還可適用于極紫外、軟X 射線波段以及基于多層膜工藝技術(shù)便可應(yīng)用于硬X射線波段?；诒景l(fā)明所設(shè)計(jì)的橢圓反 射式波帶片為超快X射線源的診斷、光源單色化及能譜測(cè)量等帶來(lái)新的契機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有色散聚焦特性的離軸橢圓反射式波帶 片設(shè)計(jì)和制作方法。
[0007] 本發(fā)明的具有色散聚焦的離軸橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法，包括以下步 驟： a) 根據(jù)需要確定橢圓反射式波帶片的物距、像距、掠入射角以及設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)，在 直角坐標(biāo)系下選取Y=0的波帶片基底平面； b) 根據(jù)步驟a)的條件，構(gòu)造出第1個(gè)橢球體，橢球體的長(zhǎng)軸為物距、像距之和，焦點(diǎn) 坐標(biāo)由物距、像距及掠入射角決定，橢球體的兩個(gè)焦點(diǎn)則為橢圓反射式波帶片的物點(diǎn)和像 占. c) 根據(jù)步驟b)所構(gòu)造的第1個(gè)橢球體和菲涅爾半波帶法，構(gòu)造出第2個(gè)、第3個(gè)…… 第n個(gè)橢球體； d) 由步驟c)所構(gòu)造的第2個(gè)至第n個(gè)橢球體與步驟a)中所選取Y=0的波帶片基底 平面所相交的環(huán)帶，構(gòu)成橢圓反射式波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)； e) 截取步驟d)中的環(huán)帶結(jié)構(gòu)的外側(cè)部分，獲得離軸橢圓反射式波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)； f) 波帶片基底平面為透明襯底，在透明襯底上以間隔一個(gè)環(huán)帶結(jié)構(gòu)的方式涂覆高反 射率材料，通過(guò)光刻方法制作出離軸橢圓反射式波帶片。
[0008]所述的離橢圓反射式波帶片第n個(gè)環(huán)帶結(jié)構(gòu)的布局由以下公式確定：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有色散聚焦的離軸橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法，其特征在于包括以下 步驟： a) 根據(jù)需要確定橢圓反射式波帶片的物距、像距、掠入射角以及設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)，在直 角坐標(biāo)系下選取Y=0的波帶片基底平面； b) 根據(jù)步驟a)的條件，構(gòu)造出第1個(gè)橢球體，橢球體的長(zhǎng)軸為物距、像距之和，焦點(diǎn) 坐標(biāo)由物距、像距及掠入射角決定，橢球體的兩個(gè)焦點(diǎn)則為橢圓反射式波帶片的物點(diǎn)和像 占. c) 根據(jù)步驟b)所構(gòu)造的第1個(gè)橢球體和菲涅爾半波帶法，構(gòu)造出第2個(gè)、第3個(gè)…… 第n個(gè)橢球體； d) 由步驟c)所構(gòu)造的第2個(gè)至第n個(gè)橢球體與步驟a)中所選取Y=0的波帶片基底平 面所相交的環(huán)帶，構(gòu)成橢圓反射式波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)； e) 截取步驟d)中的環(huán)帶結(jié)構(gòu)的外側(cè)部分，獲得離軸橢圓反射式波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)； f) 波帶片基底平面為透明襯底，在透明襯底上以間隔一個(gè)環(huán)帶結(jié)構(gòu)的方式涂覆高反射 率材料，通過(guò)光刻方法制作出離軸橢圓反射式波帶片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有色散聚焦的離軸橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法，其 特征在于：所述的離橢圓反射式波帶片第n個(gè)環(huán)帶結(jié)構(gòu)的布局由以下公式確定：
式中為橢圓反射式波帶片環(huán)帶的X方向的中心坐標(biāo)，<3為長(zhǎng)軸，6為短軸，為第n環(huán)帶的x軸坐標(biāo)，為第n環(huán)帶的z軸坐標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有色散聚焦的離軸橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法，其 特征在于：步驟f中的商反射率材料為金、錯(cuò)、銅、鎮(zhèn)、銀、組、絡(luò)中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有色散聚焦的離軸橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法，其 特征在于：所述的高反射率材料的厚度為300納米到800納米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有色散聚焦的離軸橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法，其 特征在于：步驟f中透明襯底為由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亞胺中的一種材料或 多種制成。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種具有色散聚焦的離軸橢圓反射式波帶片設(shè)計(jì)和制作方法，包括以下步驟：根據(jù)需要確定橢圓反射式波帶片的物距、像距、掠入射角以及設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)，在直角坐標(biāo)系下選取Y=0的波帶片基底平面；構(gòu)造出第1個(gè)橢球體，橢球體的長(zhǎng)軸為物距、像距之和，焦點(diǎn)坐標(biāo)由物距、像距及掠入射角決定，橢球體的兩個(gè)焦點(diǎn)則為橢圓反射式波帶片的物點(diǎn)和像點(diǎn)；根據(jù)第1個(gè)橢球體和菲涅爾半波帶法，構(gòu)造出第2個(gè)、第3個(gè)……第n個(gè)橢球體；構(gòu)造的第2個(gè)至第n個(gè)橢球體與所選取Y=0的波帶片基底平面相交構(gòu)成橢圓反射式波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)；截取環(huán)帶結(jié)構(gòu)的外側(cè)部分，獲得離軸橢圓反射式波帶片的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。
【IPC分類(lèi)】G02B5-18, G02B27-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104570180
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510000903
【發(fā)明人】曹磊峰, 楊祖華, 王靜, 魏來(lái), 張強(qiáng)強(qiáng), 陳勇, 谷渝秋
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日