[发明专利]一种具有色散聚焦的椭圆反射式波带片设计和制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种椭圆反射式波带片设计和制作技术，更具体的说，涉及一种具有色散聚焦及去0级特性的椭圆反射式波带片设计和制作方法。

背景技术

随着先进的X光光源的发展，比如同步辐射、自由电子激光以及新近的betatron超快台面化的X射线源（S. Fourmaux et al, New Journal of Physics）等，对有关这些X射线源的诊断、能谱测量以及相关的实验研究提出了更高的要求，具体要求主要有：超快过程的研究、光源利用率高、高谱分辨的单色化光束线以及其它方面的要求。针对超快的betatron X射线源、利用飞片技术的同步辐射X射线源，其光谱的测量、单色化显得较困难，基于传统的衍射光栅方法，X光光源的传输效率低，能量损失较大。

Rayleigh于1871年，发明了菲涅尔波带片（简称FZP，Fresnel Zone Plate）（Optics, Addison-Wesley, E. Hecht and A. Zajac），可应用于X射线源诊断，该X射线波段的FZP是基于菲涅尔半波带法设计得到的X光段的经典光学元件，该元件与传统的可见光波段的透镜相似，均有聚焦、成像功能。与透镜相比，该元件性能更优，其成本更低，制作更易，面积可更大，重量较轻并且具有可折叠等特点，对远程光通信、光测距以及宇航等领域的发展有着非常重要的研究意义。FZP与传统透差异主要包括：一者，聚焦焦距与波长呈相反关系，而透镜相反；二者，FZP不仅可适用于可见光波段，还可适用于极紫外/软X射线波段，而透镜仅适用于可见光波段，这是因为它们的聚焦本质是完全不相同的，前者是基于衍射理论，后者是依据材料的折射特性。FZP也存在一些局限性，其聚焦尺寸由最外环宽度决定，由于存在体衍射效应，其聚焦尺寸不可能小于10nm；它的加工制作难度较大，与FZP厚度相关；另外，FZP几乎不能应用于硬X射线源的相关研究。

T.Wilhein等人于1997年，提出了一种反射式菲涅尔波带片（简称RZP，reflection zone plate），这种反射式波带片由一系列椭圆构成，为获得空间分辨率小于10nm提供了一个极佳的选择。2005年，A.G. Michette通过理论模拟分析获得了高级衍射条件下的聚焦尺寸达到了几nm的空间分辨。另外，RZP厚度对其衍射特性并没有特殊影响，加工制作相对来说更加容易。然而，A.G. Michette学者所提出的RZP表达示有诸多近似，以至于当波带片设计环数较多时其衍射特性存在较大误差，聚焦焦斑偏离理想位置，而基于Erko在 2005的 Madrid会议提出的斜切割的方法设计所得的波带片参数繁杂、不具体而且设计过程冗长，无法直接给出反射式波带片的物距、像距和反射射角等参数。

本发明则是一种与上述学者所提出的设计制作方法完全不同的新方法，其核心思想是在给定简明的椭圆反射式波带片参数基础上，基于菲涅尔半波带法，便捷、直接地设计制作出衍射特性与设计目标匹配更佳的椭圆反射式波带片，所设计出的波带片具有高空间分辨、谱分辨以及可消除0级污染的特性，不仅适用于可见光波段，还可适用于极紫外、软X射线波段以及基于多层膜工艺技术便可应用于硬X射线波段。基于本发明所设计的椭圆反射式波带片为超快X射线源的诊断、光源单色化及能谱测量等带来新的契机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有色散聚焦特性的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法。

本发明的具有色散聚焦的离轴椭圆反射式波带片设计和制作方法，包括以下步骤：

a) 根据需要确定椭圆反射式波带片的物距、像距、掠入射角以及设计的中心波长，在直角坐标系下选取Y=0的波带片基底平面；

b) 根据步骤a)的条件，构造出第1个椭球体，椭球体的长轴为物距、像距之和，焦点坐标由物距、像距及掠入射角决定，椭球体的两个焦点则为椭圆反射式波带片的物点和像点；

c) 根据步骤b)所构造的第1个椭球体和菲涅尔半波带法，构造出第2个、第3个……第n个椭球体；

d) 由步骤c)所构造的第2个至第n个椭球体与步骤a)中所选取Y=0的波带片基底平面所相交的环带，构成椭圆反射式波带片的环带结构；

e) 截取步骤d)中的环带结构的外侧部分，获得离轴椭圆反射式波带片的环带结构；

f) 波带片基底平面为透明衬底，在透明衬底上以间隔一个环带结构的方式涂覆高反射率材料，通过光刻方法制作出离轴椭圆反射式波带片。

所述的离椭圆反射式波带片第n个环带结构的布局由以下公式确定：