一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，所述多层膜矩形光栅结构包括矩形光栅基底、周期多层膜和表面层，包括以下步骤：获取目标能点，对在该目标能点下不同材料对的周期多层膜获得的最高反射率进行排序；针对最高反射率高于或等于设定阈值的材料对，计算在设定的吸收层厚度与周期厚度比值下的平均折射率小量，选择平均折射率小量最小的材料对作为多层膜材料；选择在所述目标能点下吸收系数与折射率小量的比值最小的材料作为表面层材料；通过数值优化方法确定多层膜每个周期内吸收层占比和表面层厚度。与现有技术相比，本发明专利技术可以工作在更小工作角度，在保证较高效率的同时，提高分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法
本专利技术涉及衍射光栅设计领域，尤其是涉及一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法。
技术介绍
X射线光谱学是利用X射线与物质相互作用，从光谱中获取物质信息的学科，在能源领域、生命科学领域、材料科学领域中有着重要应用。分光元件作为X射线光谱检测中的核心元件，决定了设备对物质精细信息的获取能力。常规的X射线分光元件主要包括光栅、晶体和多层膜。从应用波段划分，单层膜光栅多用于1keV以下，由于1keV以上，掠入射角度非常小，导致光子通量很低；晶体多用于2keV以上，但基于布拉格条件，晶体在2-5keV能段需要工作在近正入射模式，导致热载过大，严重影响元件的性能；多层膜作为一维人工晶体，周期灵活可调，可在远离全反射角的条件下实现高反射率，是天然晶体在中低能段的延伸，但缺点是分辨率较低。为同时发挥多层膜高反射率和光栅高分辨率的优点，Barbee、Keski-Kuha等人提出将两者相结合的多层膜光栅结构，包括多层膜闪耀光栅结构(BlazedMultilayerGrating，BMG)和多层膜矩形光栅结构(AlternateMultilayerGrating，AMG)。相比于光栅，多层膜光栅结构的反射效率显著提升，破解了韧X射线能段单色器效率低下的难题。矩形光栅是最常用的光栅元件之一，与闪耀光栅相比，具有制备难度低的优点，如FadiChoueikani将矩形光栅和多层膜结合，在2.2keV能点获得了27％的效率，并应用在法国同步辐射SOLEIL的DEIMOS线站上。但多层膜矩形光栅要工作在多层膜布拉格角附近，该角度远大于传统单层膜光栅的全反射工作角度，所以角色散低，分辨率远远不如传统单层膜光栅。如果在常规多层膜结构参数下，直接增大多层膜周期厚度，容易使多层膜布拉格角落入全反射区域，使±1级效率迅速降低，难以同时保证效率和分辨率。因此，如何使AMG高效率地工作在较小的入射角条件，以有效提高分辨率，已成为急需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，有效降低平均电子密度，减小元件工作角度，以解决传统AMG工作角度过大、分辨率较低的难题。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，所述多层膜矩形光栅结构包括矩形光栅基底、周期多层膜和表面层，包括以下步骤：获取目标能点，对在该目标能点下不同材料对的周期多层膜获得的最高反射率进行排序；针对最高反射率高于或等于设定阈值的材料对，计算在设定的吸收层厚度与周期厚度比值下的平均折射率小量，选择平均折射率小量最小的材料对作为多层膜材料；选择在所述目标能点下吸收系数与折射率小量的比值最小的材料作为表面层材料；通过数值优化方法确定多层膜每个周期内吸收层占比和表面层厚度。进一步地，所述设定阈值为90％。进一步地，所述平均折射率小量通过以下公式计算：其中，γ为吸收层厚度与周期厚度比值，δA为吸收层折射率小量，δS为间隔层折射率小量。进一步地，所述设定的吸收层厚度与周期厚度比值取值为0.25-0.35。进一步地，所述通过数值优化方法确定多层膜每个周期内吸收层占比和表面层厚度具体包括以下步骤：1)以传统高衍射效率多层膜矩形光栅结构的最大衍射效率值eff′作为参考值，设定吸收层厚度与周期厚度比值γ为可选范围的最小值，并确定一周期厚度d使γ×d≥1，判断此时的衍射效率eff是否满足eff>0.5eff′，若是，则γ不变，增大d，直至满足eff＝0.5eff′，进入步骤4)，若衍射效率eff<0.5eff′，则进入步骤2)；2)增大γ，确定一周期厚度d使γ×d≥1，判断此时的衍射效率eff是否满足eff>0.5eff′，若是，则γ不变，增大d，直至满足eff＝0.5eff′，进入步骤4)，若衍射效率eff<0.5eff′，则进入步骤3)；3)增大γ，确定一周期厚度d使γ×d≥1，判断此时的衍射效率eff是否满足eff>0.5eff′，若是，则γ不变，增大d，直至满足eff＝0.5eff′，进入步骤4)；4)确定表面层厚度dcap，eff>0.5eff′，保持γ不变，继续增大d，直至满足eff＝0.5eff′；5)取此时的dcap、γ和d作为优化结果。进一步地，所述传统高衍射效率多层膜矩形光栅结构中，占宽比Γ＝0.5，γ＝0.5。进一步地，所述吸收层厚度与周期厚度比值γ的取值大于等于0.1。进一步地，所述表面层厚度dcap的取值范围为2nm到10nm。进一步地，所述多层膜矩形光栅结构的光栅周期取值范围为100nm-1000nm，使用能段为1-5keV的X射线能段。本专利技术还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器；和被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如所述小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法的指令。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)传统多层膜矩形光栅为获得高衍射效率，工作角度远大于全反角，导致其角色散低，分辨率低。本专利技术对多层膜矩形光栅结构进行设计，增加表面层，优化周期多层膜和表面层的结构参数，减小全反角并且使工作角度位于全反角附近，提高角色散，大幅降低多层膜光栅在相应X射线能量处的表面平均电子密度和全反射角度区域，使多层膜能取尽可能大的周期厚度，减小工作角度，在保证较高效率的同时，提高分辨率。2)相对传统单层膜矩形光栅，本专利技术的多层膜矩形光栅结构能显著提高衍射效率，克服了传统多层膜矩形光栅分辨率较低的缺点，使AMG在±1级次工作下，可以工作在更小工作角度。3)本专利技术通过数值优化的方法确定吸收层厚度与周期厚度比值、周期厚度以及表面层厚度等多层膜堆结构参数，能够有效、准确地满足周期多层膜周期厚度尽可能大等要求，保证设计成功率。附图说明图1是传统X射线多层膜矩形光栅结构示意图；图2是本专利技术方法设计的小工作角度高衍射效率X射线多层膜矩形光栅结构示意图；图1和图2中，1是吸收层，2是间隔层，3是多层膜堆，4是光栅掠入射角，5是光栅出射角，多层膜堆高度为L，槽深h，光栅周期D，D凸起为一个周期内矩形槽型凸起部分的横向宽度，吸收层厚度与周期厚度的比值为γ，周期厚度d，表面层dcap；图3是模拟Cff值随掠入射角变化的曲线和多层膜矩形光栅-1级次衍射效率随掠入射角变化的曲线，其中，曲线a为光栅周期D＝416.67nm时，Cff随掠入射角变化的曲线；曲线b为基于高效率设计原则的传统X射线多层膜矩形光栅－1级次衍射效率随掠入射角变化的曲线；曲线c为欲获得高分辨率的传统X射线多层膜矩形光栅直接增大周期厚度时，－1级次衍射效率随掠入射角变化的曲线；曲线d为模拟的本专利技术的小工作角度高衍射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，所述多层膜矩形光栅结构包括矩形光栅基底、周期多层膜和表面层，其特征在于，包括以下步骤：/n获取目标能点，对在该目标能点下不同材料对的周期多层膜获得的最高反射率进行排序；/n针对最高反射率高于或等于设定阈值的材料对，计算在设定的吸收层厚度与周期厚度比值下的平均折射率小量，选择平均折射率小量最小的材料对作为多层膜材料；/n选择在所述目标能点下吸收系数与折射率小量的比值最小的材料作为表面层材料；/n通过数值优化方法确定多层膜每个周期内吸收层占比和表面层厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，所述多层膜矩形光栅结构包括矩形光栅基底、周期多层膜和表面层，其特征在于，包括以下步骤：
获取目标能点，对在该目标能点下不同材料对的周期多层膜获得的最高反射率进行排序；
针对最高反射率高于或等于设定阈值的材料对，计算在设定的吸收层厚度与周期厚度比值下的平均折射率小量，选择平均折射率小量最小的材料对作为多层膜材料；
选择在所述目标能点下吸收系数与折射率小量的比值最小的材料作为表面层材料；
通过数值优化方法确定多层膜每个周期内吸收层占比和表面层厚度。


2.根据权利要求1所述的小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，其特征在于，所述设定阈值为90％。


3.根据权利要求1所述的小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，其特征在于，所述平均折射率小量通过以下公式计算：



其中，γ为吸收层厚度与周期厚度比值，δA为吸收层折射率小量，δS为间隔层折射率小量。


4.根据权利要求1所述的小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，其特征在于，所述设定的吸收层厚度与周期厚度比值取值为0.25-0.35。


5.根据权利要求1所述的小角度高衍射效率多层膜矩形光栅结构优化设计方法，其特征在于，所述通过数值优化方法确定多层膜每个周期内吸收层占比和表面层厚度具体包括以下步骤：
1)以传统高衍射效率多层膜矩形光栅结构的最大衍射效率值eff′作为参考值，设定吸收层厚度与周期厚度比值γ为可选范围的最小值，并确定一周期厚度d使γ×d≥1，判断此时的衍射效率eff是否满足eff>0.5eff′，若是，则γ不变，增大d，直至满足eff＝0.5eff′，进入步骤4)，若衍射效率eff<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秋实，王占山，庄野琪，蒋励，张众，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31