极紫外/软X射线多层膜衍射光栅

　　引 言

　　作为电磁波谱的一部分，软X射线和极紫外波段(15-3000eV)[1]的辐射是最晚被开始研究的。由于此波段存在大量的原子共振线与吸收线，任何材料对此波段的辐射都存在严重的吸收，甚至空气也不例外，其吸收长度通常为微米或纳米量级。因此，软X射线和极紫外波段辐射的研究具有极大的困难，既不象红外、紫外与可见光一样可以采用透射式光学系统，也不象硬X射线般有天然晶体可供利用。很长一段时间内，一直受限于掠入射光学系统。多层膜反射镜的问世[2]使这一情况得到改观。近20年来，人们利用多层膜反射镜成功设计了正入射条件下的高反射率、小型化的光学系统，实现了软X射线和极紫外天文学、软X射线显微术、极紫外投影光刻、X射线等离子体诊断[3]等应用。但多层膜反射镜具有天然的弱点，即它的有限的光谱带宽。多层膜反射镜的λ/ λ通常不超过100，这在充满了各种谱线、相互间波长间隔极小的软X射线和极紫外光谱的应用中并没有太大的应用前景。为了在高光谱分辨率在的研究中得到应用，人们将多层膜与光栅结合，构成二维的人造周期结构[4]。这种复合结构既满足高反射率、又具有高的光谱分辨率。软X射线多层膜光栅集这些特性与一身，是软X射线和极紫外光学元件家族其它成员所无法相比的。因此，这种新型光学元件自从1984年被首次成功制备出来后[5]，就得到了迅速的发展与广泛的应用。

　　1 极紫外/软X 射线多层膜光栅的色散特性

　　鉴于传统光栅在软X射线波段衍射效率急剧下降，人们开始探寻将多层膜镀制在光栅上提高衍射性能的方法，Keisi-Kuha于1984年最初进行了在正弦光栅上镀制多层膜的尝试[5]，Barbee则首先在矩形光栅上镀制了多层膜[4]，而最早的多层膜闪耀光栅由Jark制成[6]。这些初期结果显示：在光栅结构的基础上引入多层膜，可以在EUV/SXR波段提高反射率，从而增加衍射效率。

　　随后20多年中，人们对EUV/SXR多层膜光栅进行了深入研究，发现多层膜光栅的优点不仅限于此。实际上多层膜光栅中水平方向光栅和垂直方向多层膜都是周期结构，由此构成的复合系统有着复杂的色散特性，能够利用这种复合结构得到具有高衍射效率、高分辨率与合适通带宽度的光谱，满足许多应用的需要。

　　Barbee[4]首先对这种复合结构的衍射特性进行了研究。如图1所示，当入射光以角度θ0入射到多层膜光栅上，会向各个方向衍射。设光栅与多层膜周期分别为d和D，光栅衍射级次与多层膜Bragg衍射级次分别为m和n，那么衍射光线与0级衍射的角度偏离为：