一般來(lái)說(shuō)，反射型鏡片存在“掠射角小、反射率低”的問(wèn)題。而多層膜鏡片則是通過(guò)構(gòu)建多個(gè)反射界面和周期，并使反射界面等周期重復(fù)排列，相鄰界面上的反射線有相同的相位差，就會(huì)發(fā)生干涉，如果相位差剛好為2pi的整數(shù)倍，則會(huì)干涉相長(zhǎng)，得到強(qiáng)反射線。

從布拉格公式可以看出：多層膜就是通過(guò)對(duì)d值的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇的人工晶體。

而在工藝實(shí)現(xiàn)方面，目前制備X射線多層膜鏡的主要工藝有：磁控濺射、電子束蒸鍍、離子束蒸鍍。一般使用較多的是磁控濺射或離子束鍍膜工藝，即在基板上交替沉積金屬和非金屬層，通過(guò)選擇材料，控制鍍膜的厚度及周期的選定，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬X射線到真空紫外波段的光的調(diào)制。

上圖為來(lái)自德國(guó)Incoatec的四靶材磁控濺射鍍膜系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)多種膜系組合的高精度鍍膜。

上圖為40層La-B4C多層膜的剖面透射電鏡圖像和選區(qū)電子衍射，彌散的衍射環(huán)說(shuō)明膜層是非晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)可以明顯看到：周期為10nm的膜層界面非常清晰和規(guī)則。這套鍍膜系統(tǒng)可獲得0.x nm的鍍膜精度。

多層膜最顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)基底的面型控制和鍍層的膜厚控制，將X光的塑形和單色統(tǒng)一起來(lái)。當(dāng)然，這是以精度極高的鍍膜工藝為前提。

下圖的數(shù)據(jù)展示了進(jìn)行梯度漸變鍍膜時(shí)，從鏡片一端到另一端鍍膜的周期設(shè)計(jì)數(shù)值 vs. 實(shí)際工藝水平?？梢钥吹剑洪L(zhǎng)度為150mm的基底上，單層鍍膜膜厚需要控制在3.8-5.7nm，公差需要在1%以內(nèi)。相當(dāng)于在1500公里的長(zhǎng)度上，厚度起伏要控制mm水平。這是非常驚人的原子層級(jí)的工藝水平。

Frank Hertlein, A.E.M. 2008

除了可以通過(guò)曲面基底和梯度鍍膜實(shí)現(xiàn)對(duì)X光的塑形和單色，還可通過(guò)對(duì)膜層材料、膜厚、鍍膜層數(shù)等參數(shù)的設(shè)計(jì)和控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬和反射率的靈活調(diào)整。如窄帶寬的高分辨多層膜，以及寬帶寬的高積分反射率多層膜。

要實(shí)現(xiàn)高分辨：首先要選擇對(duì)比度較低的鍍膜材料，如Be、C、B4C、或Al2O3；其次減小膜的厚度，多層膜的厚度降為10~20?；最后增加鍍膜層數(shù)，幾百甚至上千。

From C. Morawe, ESRF

DCMM at SLS, Switzerland, M. Stampanoni

目前，多層膜的主流應(yīng)用方向和場(chǎng)景主要有：粉末、X射線熒光、單晶衍射以及同步輻射的單色、衍射、散射裝置搭建。

典型的靜高壓研究中，常利用金剛石對(duì)頂砧來(lái)獲得一些極端條件。在極端的高壓、高溫下，利用X射線來(lái)診斷新的物相及其演化過(guò)程是重要的研究手段。

由于對(duì)X光源、探測(cè)器以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面的苛刻要求，尤其是需要將微束的X光，精準(zhǔn)的穿過(guò)樣品而不打到封墊上。長(zhǎng)期以來(lái)，基于DAC的X射線高壓衍射實(shí)驗(yàn)只能在同步輻射實(shí)現(xiàn)。但同步輻射有限的機(jī)時(shí)根本無(wú)法滿足龐大的用戶需求。不能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基于DAC的X射線高壓衍射實(shí)驗(yàn)和樣品篩選，一直是廣大高壓科研群高壓衍射實(shí)驗(yàn)室體的一大痛點(diǎn)。

以多層膜鍍膜工藝為技術(shù)核心，將多層膜鏡片與微焦點(diǎn)X光源耦合，我們可以為科研用戶提供單能微焦斑X射線源，使得在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)高壓衍射成為可能。

下圖是利用Mo靶（左）和Ag靶（右）單能微焦斑X射線源獲得的DAC加載下的LaB6樣品的衍射圖。曝光時(shí)間300s，探測(cè)器為IP板，樣品和IP板距離為200mm。

可以看到：300s曝光獲得的衍射數(shù)據(jù)質(zhì)量是可接受的。特別地，對(duì)于銀靶，由于其能量更高，可以壓縮倒易空間，在固定的2thelta角范圍內(nèi)，可以獲得更多的衍射信息，這對(duì)于很多基于DAC的靜高壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有吸引力。

DAC加載下的LaB6樣品的衍射數(shù)據(jù)：多層膜耦合Mo靶（左）和Ag靶（右）

曝光時(shí)間300s，探測(cè)器為IP板，樣品和IP板距離為200mm

Bernd Hasse, Proc. of SPIE Vol. 7448, 2009 (doi: 10.1117/12.824855)

在利用激光驅(qū)動(dòng)的X射線脈沖進(jìn)行超快時(shí)間分辨研究中，泵浦探針是常用的技術(shù)手段。脈寬為幾十飛秒的入射激光經(jīng)分束后，一路用于激發(fā)超快X射線脈沖，也就是探針光；另一路經(jīng)倍頻晶體倍頻作為泵浦光。通過(guò)延時(shí)臺(tái)的調(diào)節(jié)，控制泵浦激光和X射線探針到達(dá)樣品的時(shí)間間隔，可實(shí)現(xiàn)亞皮秒量級(jí)時(shí)間分辨的測(cè)量。

而在基于激光驅(qū)動(dòng)的超快X射線衍射實(shí)驗(yàn)中，如何提升樣品端的光通量？如何獲得低發(fā)散角的單色光束？如何抑制飛秒脈沖的時(shí)間展寬？如何同時(shí)兼顧以上的實(shí)驗(yàn)要求？都是需要考慮的問(wèn)題。很多時(shí)候還需要兼顧多個(gè)技術(shù)指標(biāo)，所以我們非常有必要對(duì)各類光學(xué)組件和X射線飛秒脈沖源的耦合效果和特點(diǎn)有一個(gè)比較清晰的認(rèn)知。

四種光學(xué)組件和激光驅(qū)動(dòng)X射線源的耦合效果對(duì)比

首先我們先對(duì)彎晶、多層膜鏡、多毛細(xì)管和單毛細(xì)管四種組件的聚焦效果有個(gè)直觀的了解。以下是將四種光學(xué)組件和激光驅(qū)動(dòng)飛秒X射線源耦合，然后進(jìn)行了對(duì)比。

四種光學(xué)組件在聚焦和離焦位置的光斑：

激光參數(shù)：800nm/1kHz/5mJ/45fs

源尺寸：10um 打靶產(chǎn)額：4*109 photons/s/sr

這是四種組件的理論放大倍率和實(shí)測(cè)聚焦光斑的對(duì)比。可以看到：彎晶和多層膜的工藝控制精度很高，實(shí)測(cè)光斑和理論值比較接近。而毛細(xì)管的大光斑并不是工藝精度的誤差，而是反射型器件的色差導(dǎo)致的，不同能量的光都會(huì)對(duì)聚焦光斑有貢獻(xiàn)，導(dǎo)致光斑較大。而各種組件的工藝誤差，導(dǎo)致的強(qiáng)度不均勻分布，則是在離焦位置處的光斑中得到較為明顯的體現(xiàn)。

利用針孔+SDD，在單光子條件下，測(cè)量有無(wú)光學(xué)組件時(shí)的強(qiáng)度和能譜，可以推演出相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。這里我們直接給出了核心參數(shù)的總結(jié)對(duì)比。其中，大多數(shù)用戶最為關(guān)注，同時(shí)也是對(duì)于實(shí)驗(yàn)最為重要的，主要是有效立體角、輸出光通量、光譜純度和時(shí)間展寬。

可以看到：典型的有效收集立體角在-4、-5sr的水平，而在樣品上的輸出光通量在5-6次方每秒這樣的水平。但是需要指出的是：毛細(xì)管并不具備單色的能力，雖然有效立體角大，但輸出的是復(fù)色光。對(duì)于時(shí)間展寬的比較，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得測(cè)量精度在幾十到百飛秒水平的結(jié)果，所以主要通過(guò)理論分析和計(jì)算來(lái)獲得。

對(duì)于同為衍射型組件的Ge(444)雙曲彎晶和多層膜鏡片，光程差引入項(xiàng)主要是X光在組件內(nèi)的貫穿深度。對(duì)于Ge(444)，8keV對(duì)應(yīng)的布拉格角約為70度，X光的衰減長(zhǎng)度約為28um，對(duì)應(yīng)的時(shí)間展寬約90fs。對(duì)于多層膜鏡片，因?yàn)樗鼘儆诼尤肷湫偷难苌浣M件，X光的衰減長(zhǎng)度在um量級(jí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間展寬甚至可以到10fs水平，因此這里的數(shù)據(jù)相對(duì)比較保守的。而對(duì)于毛細(xì)管這種反射型器件，光程差引入項(xiàng)主要是毛細(xì)管的長(zhǎng)度差。對(duì)于單毛細(xì)管，光程差在10fs水平，對(duì)于多毛細(xì)管，位于中心區(qū)域和邊緣的子毛細(xì)管長(zhǎng)度是有較大的差異的，光程差可達(dá)ps水平。

每一種光學(xué)組件都有其適用的場(chǎng)景，對(duì)于非單色的超快應(yīng)用，如超快熒光、吸收譜，毛細(xì)管可能更為合適，而對(duì)于追求單色的超快應(yīng)用，如超快衍射，多層膜是比較好的選擇，兼顧了單色性、時(shí)間展寬和有效立體角（輸出通量）三個(gè)核心指標(biāo)！

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