一种宽带响应的软X射线偏振镜及其制备方法与流程

一种宽带响应的软x射线偏振镜及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及精密光学系统技术领域，特别是涉及一种宽带响应的软x射线偏振镜及其制备方法。


背景技术：

2.极紫外波段和软x射线波段，依托于光源的偏振属性可以开展大量基础科学研究，例如法拉第旋光效应、磁光克尔效应、磁畴成像等。尤其软x射线波段，存在主要磁性金属元素和稀土元素的3d吸收边，以及磁性材料中含有的b，c，o，n 1s吸收边，可以通过偏振测量获得多种磁性材料的物理性质，对超短脉冲激光、大容量磁光存储器件具有重要意义。
3.常见的偏振实验，包括基于磁圆二色性效应构成的圆偏振片和高分辨率软x射线扫描显微镜组成的成像系统，可以进行对磁性薄膜实现几十纳米的空间分辨率的磁畴研究。另外，磁圆二色性和法拉第效应可用于圆偏振光的定量测量；如利用生物组织对不同偏振光吸收特性进行二色性分析，可以实现对生物大分子结构的测定。软x射线共振磁散射可以用于磁光材料和反磁性材料的传感器分析，依托单个自旋和多重散射分离磁性可以扩展x射线吸收精细结构谱，分析纳米材料结构。
4.围绕偏振实验需要准确标定光源的偏振度与器件偏振率。另外，在对在非正入射和非掠入射光学器件的偏振标定时，也需要考虑光源偏振特性的影响。因此，开展软x射线的精密偏振镜件具有重要意义。多层膜偏振片可以满足主要软x射线实验的偏振度需要，同时多层膜圆偏振片和相移片可以代替昂贵的椭圆偏振振荡器，实现线偏振光到圆偏振光的转换以及左旋和右旋圆偏振光之间的相互转换，极大拓展了线偏振光同步辐射的应用范围。
5.基于bragg反射的周期多层膜可以实现高反射率与高偏振度，但带宽很窄，针对宽能谱的目标光源时，需要不断改变其角度和位置才能够满足不同能量下的衍射极大和准直、聚焦功能。为改进这类起偏器，kortright等人提出了横向梯度多层膜代替单一周期膜，可以通过改变光斑的不同位置，实现一定范围的偏振调制。但该种方案需要精确控制多层膜的厚度，需要较高的工艺。另外，横向梯度多层膜在使用中也需要不断改变机械位置，必须依托精密的机械结构。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种宽带响应的软x射线偏振镜及其制备方法，以实现宽谱的软x射线波段起偏与检偏。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种宽带响应的软x射线偏振镜，所述软x射线偏振镜为非周期多层膜结构的偏振镜；所述软x射线偏振镜包括基底以及设置在所述基底上的膜层序列；所述膜层序列包括多个且非周期排列的膜层，分别为第一膜层和第二膜层，且所述第一膜层和所述第二膜层交替设置；各个所述第一膜层的厚度和各个所述第二膜层的厚度均是通过igor数值算法推导
确定的。
9.可选的，所述膜层序列的材料为la/b4c；其中，所述第一膜层为la吸收层，所述第二膜层为b4c层。
10.可选的，所述软x射线偏振镜的中心入射角度为所述膜层序列对应的布儒斯特角。
11.可选的，所述软x射线偏振镜的应用波段为6.6nm-8.6nm和6.6nm-9.6nm。
12.可选的，所述基底和所述膜层序列之间还设置有ti层。
13.一种宽带响应的软x射线偏振镜的制备方法，包括：
14.通过igor数值算法和levenberg-marquardt算法确定的膜层序列中各个膜层的厚度，进而确定所述膜层序列的分布区间；
15.根据所述膜层序列的分布区间，在基底上沉积所述膜层序列，进而得到软x射线偏振镜。
16.可选的，所述通过igor数值算法和levenberg-marquardt算法确定的膜层序列中各个膜层的厚度，具体包括：
17.采用igor数值算法确定各个膜层厚度的初始值；
18.采用levenberg-marquardt算法确定各个膜层厚度的最终值。
19.可选的，所述通过igor数值算法和levenberg-marquardt算法确定的膜层序列中各个膜层的厚度，具体包括：
20.根据确定各个膜层厚度的初始值；
21.其中，z为各膜层界面的位置；z
2j+2
为第2j+2膜层界面的位置，j表示膜层数，γ为第一膜层的周期厚度占比，λ为入射的软x射线波长，q为散射转移矢量，q
′
为q的导数，κ1为入射波矢量的实部；所述第一膜层为la吸收层；
22.根据计算平坦响应值；
23.基于所述平坦响应值调整各个膜层的厚度，进而确定各个膜层厚度的最终值；
24.其中，r
s0
为s偏振光的计算反射率，rs为s偏振光的目标反射率，n为波段中选择的离散波长数；mf为平坦响应值；λi为第i个软x射线波长。
25.可选的，还包括：
26.利用掠入射x射线反射gixrr对制备的软x射线偏振镜进行厚度标定，绘制速率曲线；所述速度曲线用于所述软x射线偏振镜的制备；
27.利用gixrr对制备的软x射线偏振镜的界面宽度进行表征，并利用debye-waller因
子对所述界面宽度进行拟合计算，得到计算曲线；
28.结合所述速率曲线与所述计算曲线，对所述膜层序列的沉积速率和各个膜层厚度进行优化。
29.可选的，在掠入射x射线反射测试中，x射线光源为cu-kα线，波长为0.154nm，测试模式为θ-2θ联动扫描模式。
30.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
31.与现有技术相比，本发明提出的新型软x射线宽带偏振镜，直接满足宽谱光源的应用需求，不需要借助机械结构提供转动与偏移，实现软x射线实验设备的精简化与高效率。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明宽带响应的软x射线偏振镜的结构示意图；
34.图2为本发明宽带响应的软x射线偏振镜的制备方法流程图；
35.图3为本发明宽带响应的软x射线偏振镜的输出s光波长谱的反射率和极化率示意图；
36.图4为本发明宽带响应的软x射线偏振镜的输出角度谱的反射率和极化率示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明的目的是提供一种宽带响应的软x射线偏振镜及其制备方法，应用于软x射线波段的起偏及检偏。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.实施例一
41.本实施例所述的宽带响应的软x射线偏振镜为非周期多层膜结构的偏振镜；如图1所示，该软x射线偏振镜包括基底以及设置在所述基底上的膜层序列；所述膜层序列包括多个且非周期排列的膜层，分别为第一膜层和第二膜层，且所述第一膜层和所述第二膜层交替设置；各个所述第一膜层的厚度和各个所述第二膜层的厚度均是通过igor数值算法推导确定的。
42.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的膜系材料选用采用la/b4c材料组合，即所述膜层序列的材料为la/b4c；其中，所述第一膜层为la吸收层，所述第二膜层为b4c层。
43.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的软x射线偏振镜的应用波段6.6nm-8.6nm(187.9ev-144.2ev)和6.6nm-9.6nm(187.9ev-129.2ev)。
44.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的软x射线偏振镜的中心入射角度为所述膜层序列对应的布儒斯特角。
45.作为一种优选的实施方式，本实施例所述的基底和所述膜层序列之间还设置有ti层。
46.所述膜层序列中各个膜层的分布采用以下方法确定：
47.(1)采用igor数值算法推导膜层序列，其迭代公式如(1)所示；
[0048][0049]
其中，z为各膜层界面的位置，γ为吸收层la的周期厚度占比，λ为入射软x射线波长，q为散射转移矢量，κ1为入射波矢的实部。
[0050]
设置目标区间反射率为常数，可以生成一组满足宽带响应的膜层序列。
[0051]
采用levenberg-marquardt算法进行优化，优化函数如(2)所示；
[0052][0053]
其中，r
s0
为s偏振光的计算反射率，rs为s偏振光目标反射率，n为波段中选择的离散波长数。
[0054]
实施例二
[0055]
如图2所示，本实施例提供了实施例一描述的宽带响应的软x射线偏振镜的制备方法，包括：
[0056]
步骤100：通过igor数值算法和levenberg-marquardt算法确定的膜层序列中各个膜层的厚度，进而确定所述膜层序列的分布区间。
[0057]
步骤200：根据所述膜层序列的分布区间，在基底上沉积所述膜层序列，进而得到软x射线偏振镜。
[0058]
其中，步骤100具体包括：
[0059]
采用igor数值算法确定各个膜层厚度的初始值。
[0060]
采用levenberg-marquardt算法确定各个膜层厚度的最终值。
[0061]
进一步包括：
[0062]
根据确定各个膜层厚度的初始值；
[0063]
其中，z为各膜层界面的位置；z
2j+2
为第2j+2膜层界面的位置，j表示膜层数，γ为第一膜层的周期厚度占比，λ为入射的软x射线波长，q为散射转移矢量，q
′
为q的导数，κ1为入射波矢量的实部；所述第一膜层为la吸收层；
[0064]
根据计算平坦响应值；
[0065]
基于所述平坦响应值调整各个膜层的厚度，进而确定各个膜层厚度的最终值；
[0066]
其中，r
s0
为s偏振光的计算反射率，rs为s偏振光的目标反射率，n为波段中选择的离散波长数；mf为平坦响应值；λi为第i个软x射线波长。
[0067]
作为一种优选的实施方式，本实施例所述的制备方法还包括：
[0068]
利用掠入射x射线反射(gixrr)对样品(即制备好的软x射线偏振镜)进行厚度标定，绘制速率曲线，以用于非周期样品制备。
[0069]
利用gixrr对样品界面宽度进行表征，并利用debye-waller因子对界面宽度进行拟合计算，得到计算曲线。
[0070]
利用gixrr对非周期样品进行测试，结合速率曲线与计算曲线，对所述膜层序列的沉积速率和各个膜层厚度进行优化，最终制备的样品的效果如图3和4所示。
[0071]
所述x射线反射测试中的x射线光源为cu-kα线，波长为0.154nm，测试模式为θ-2θ联动扫描模式。
[0072]
作为一种优选的实施方式，本实施例所述的制备方法还包括：
[0073]
制备前，腔室本底真空需低于5.0
×
10-5
pa，以避免la氧化。
[0074]
制备时，在基底上先镀上一层ti作为打底层以提高薄膜的附着力，同时防止la与基底杂质发生反应。
[0075]
下面通过具体应用来说明本发明。
[0076]
应用一
[0077]
用本发明的方法，针对软x射线偏振镜的应用，设计工作在6.6nm-8.6nm宽能谱软x射线偏振镜，材料选用la/b4c。
[0078]
采用非周期多层膜设计方案，其膜厚区间1.8nm-3.8nm。
[0079]
制备非周期多层膜样品，膜厚分布在1.8nm-3.8nm之间，利用gixrr对样品厚度进行标定，并进行线性拟合，膜厚误差小于1％。
[0080]
计算s偏振光的平均反射率为7.8％
±
0.2％，极化率p：99.9
±
0.04。
[0081]
实测s偏振光的平均反射率为3.8％
±
0.5％，极化率p：99.9
±
0.04。
[0082]
实测s偏振光角度谱38.7
°
到54.6
°
范围内的s偏振光平均反射率为3.3％
±
0.84％。
[0083]
应用二
[0084]
用本发明的方法，针对软x射线偏振镜的应用，设计工作在6.6nm-9.6nm宽能谱软x射线偏振镜，材料选用la/b4c。
[0085]
采用非周期多层膜设计方案，其膜厚区间1.2nm-5.7nm。
[0086]
制备非周期多层膜样品，膜厚分布在1.2nm-5.7nm之间，利用gixrr对样品厚度进行标定，并进行线性拟合，膜厚误差小于1％；
[0087]
计算s偏振光的平均反射率为6.9％
±
0.2％，极化率99.9
±
0.09；
[0088]
实测s偏振光的平均反射率为3.4％
±
0.5％，极化率99.8
±
0.17；
[0089]
实测s偏振光角度谱33.5
°
到54.5
°
获得较为平坦的s偏振光反射率曲线，平均反射率为2.3％
±
0.72％。
[0090]
本发明涉及用于软x射线的宽带偏振镜，该发明采用非周期多层膜结构，采用la/b4c作为基础膜系，其膜层分布由igor数值算法计算宽谱膜层初值，再通过levenberg-marquardt算法优化实现，其中优化函数设置为宽谱区域内的平坦响应函数。中心入射角度设置为布儒斯特角以满足高极化率。根据6.6nm-8.6nm宽谱设计与6.6nm-9.6nm宽谱设计的测试结果，平均极化率均高于99。与现有技术相比，本发明提出的新型软x射线宽带偏振镜，直接满足宽谱光源的应用需求，不需要借助机械结构提供转动与偏移，实现软x射线实验设备的精简化与高效率。
[0091]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0092]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。