极紫外与软X射线多层膜偏振光学元件研究

摘要

在极紫外与软X射线波段存在大量的原子共振吸收边，如生命物质中C、N、O等和磁性金属材料中Fe、Co、Ni等元素的吸收边及稀土元素吸收边。根据稀土材料分子及磁性材料分子自旋及轨道角动量与偏振光的相互作用来研究材料电子壳层的精细结构并确定其磁学特性，对研究超快/大容量磁光存储器件有着重要作用。利用磁圆二色性制造的圆偏振元件与高分辨率软X射线扫描显微镜组成成像系统，可以对磁性薄膜样品实现几十纳米空间分辨率的磁畴研究。依据单个自旋与多重散射分离的磁性扩展X射线吸收精细结构谱可以分析纳米材料结构。利用生物组织对不同偏振光吸收特性的差异进行X射线磁圆二色性、X射线磁线二色性分析，可以测定生物大分子结构。因此，偏振光为生物、医学、材料、物理与化学等学科提供了强有力的研究工具，测量不同材料尤其是磁性和生命物质与偏振极紫外与软X射线的相互作用已成为近年来国内外同步辐射研究的热点。其中，实现极紫外与软X射线光束的高偏振性能、确定入射光的偏振状态、检验出射光的偏振状态均非常重要。多层膜是唯一能在极紫外与软X射线波段实现偏振测量的元件。我国已开展极紫外与软X射线多层膜偏振元件的研究，获得了可实用的周期多层膜和非周期宽带偏振元件，并在同步辐射光束线站进行了偏振测量实验。但是目前对多层膜偏振元件的研究还存在不足：缺少系统的设计标准；可实现的多层膜偏振元件的带宽仍然有限，在较宽范围进行起偏检偏时需要多个偏振元件配合使用，给装调与测试带来不便。
　　 本文对极紫外与软X射线波段反射及透射式多层膜偏振元件的设计、制备和检测进行了深入研究。通过比较采用不同评价函数的设计结果，详细分析了入射角度、膜层数、粗糙度等主要参数对偏振多层膜性能的影响，得出了单波长及宽带目标偏振元件设计时角度、膜层数和评价函数的选择标准。针对单波偏振元件，比较了周期与非周期结构设计结果的异同，结果显示采用周期结构设计并不逊于非周期结构。采用遗传算法设计出性能优于传统设计结果的反射及透射式多层膜偏振元件。通过数值分析结合Levenberg-Marquardt算法设计出La/B4C、Mo/Y、Mo/Si及Mg/SiC超宽带反射式多层膜偏振元件，其带宽比传统周期设计结果提高了十倍以上。采用膜堆叠加方法设计出跨越Fe、Co、Ni元素L吸收边的W/B4C宽带偏振元件。
　　 利用磁控溅射方法，对宽厚度范围非周期多层膜标定沉积速率。首次制备出工作波段从B吸收边6.6nm起最宽达到9.6nm的La/B4C超宽带偏振元件、从8.0nm最宽达到13.0m的Mo/Y超宽带偏振元件及13.0-30.0nm工作波段的Mo/Si反射式宽带多层膜偏振元件。BESSYⅡ和ELETTRA同步辐射装置上的偏振测试结果表明，制备的宽带La/B4C样品在6.6-8.6nm波段及6.6-9.6nm工作波段分别获得了3.8％和3.4％平坦的s光反射率，偏振度高于0.995，最宽带宽达到周期结构20倍，角宽达到周期结构17倍；制备的宽带Mo/Y非周期多层膜样品，分别在8.5-12.5nm及8.0-13.0nm波段具有3.9％和3.2％的s光平均反射率，偏振度在0.996以上，最宽带宽达到周期结构17倍；工作在45°的Mo/Si超宽带偏振元件在13.0-30.0nm范围内显示出平坦的s光平均反射率高达13.5％。上述超宽带偏振元件在保证高偏振度的同时极大拓展了多层膜的有效带宽，仅利用三块超宽带偏振元件就获得从6.6nm到30.0nm，带宽达23.4nm的高性能偏振光。分析表明界面粗糙及表面氧化是造成反射率低于理论值及出现震荡的主要因素。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2极紫外与软X射线多层膜偏振光学元件的发展

1.3论文主要研究内容

第2章 极紫外与软X射线多层膜偏振元件设计

2.1引言

2.1.1多层膜光学元件的设计理论

2.1.2薄膜光学理论递推公式

2.2优化算法的选择

2.3材料的选择

2.4反射式单波长多层膜偏振元件设计

2.4.1反射式单波长多层膜起偏器的角度选择

2.4.2反射式单波长多层膜起偏器的膜层数选择

2.4.3非准布儒斯特角工作多层膜起偏器的评价函数选择

2.5反射式多层膜宽带偏振元件的设计

2.5.1起偏角度的选择

2.5.2宽带偏振元件的设计结果

2.6透射式偏振元件设计

2.6.1透射式多层膜起偏器设计参数的选择

2.6.2粗糙度对透射式偏振元件性能的影响

2.6.3单波长偏振元件周期设计和非周期设计的异同

2.7本章小结

第3章 极紫外与软X射线多层膜偏振元件制备与结构表征

3.1引言

3.2多层膜偏振元件的制备

3.2.1磁控溅射原理

3.2.2高真空磁控溅射设备简介

3.2.3多层膜偏振元件制备工艺

3.3多层膜偏振元件的结构表征

3.3.1 X射线衍射仪简介

3.3.2速率标定

3.3.3周期和非周期结构多层膜的结构表征

3.4本章小节

第4章 极紫外与软X射线多层膜偏振元件性能检测与结果分析

4.1引言

4.2偏振测量装置光路校准

4.2.1北京同步辐射装置的偏振测量仪器介绍

4.2.2光路校准

4.3偏振元件反射率测试

4.3.1合肥同步辐射实验室光谱辐射标准与计量光束线介绍

4.3.2宽带偏振元件带宽的测试

4.4偏振性能测试

4.4.1 BESSY Ⅱ及ELETTRA偏振测量装置的介绍

4.4.2多层膜偏振元件性能测试结果

4.5超宽带测试结果的分析

4.6本章小节

第5章 全文总结

5.1主要研究成果

5.2论文主要创新点

5.3进一步工作展望

致谢

参考文献

个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果