一般來說，反射型鏡片存在“掠射角小、反射率低”的問題。而多層膜鏡片則是通過構建多個反射界面和周期，并使反射界面等周期重復排列，相鄰界面上的反射線有相同的相位差，就會發(fā)生干涉，如果相位差剛好為2pi的整數(shù)倍，則會干涉相長，得到強反射線。

從布拉格公式可以看出：多層膜就是通過對d值的控制，來實現(xiàn)波長選擇的人工晶體。

而在工藝實現(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，通過選擇材料，控制鍍膜的厚度及周期的選定，實現(xiàn)對硬X射線到真空紫外波段的光的調(diào)制。

上圖為來自德國Incoatec的四靶材磁控濺射鍍膜系統(tǒng)。可實現(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)說明膜層是非晶結構。同時可以明顯看到：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和優(yōu)勢在于可以通過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。當然，這是以精度極高的鍍膜工藝為前提。

下圖的數(shù)據(jù)展示了進行梯度漸變鍍膜時，從鏡片一端到另一端鍍膜的周期設計數(shù)值 vs. 實際工藝水平?？梢钥吹剑洪L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)。相當于在1500公里的長度上，厚度起伏要控制mm水平。這是非常驚人的原子層級的工藝水平。

Frank Hertlein, A.E.M. 2008

除了可以通過曲面基底和梯度鍍膜實現(xiàn)對X光的塑形和單色，還可通過對膜層材料、膜厚、鍍膜層數(shù)等參數(shù)的設計和控制，來實現(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。

要實現(xiàn)高分辨：首先要選擇對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，多層膜的主流應用方向和場景主要有：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，常利用金剛石對頂砧來獲得一些極端條件。在極端的高壓、高溫下，利用X射線來診斷新的物相及其演化過程是重要的研究手段。

由于對X光源、探測器以及實驗技術等方面的苛刻要求，尤其是需要將微束的X光，精準的穿過樣品而不打到封墊上。長期以來，基于DAC的X射線高壓衍射實驗只能在同步輻射實現(xiàn)。但同步輻射有限的機時根本無法滿足龐大的用戶需求。不能在實驗室進行基于DAC的X射線高壓衍射實驗和樣品篩選，一直是廣大高壓科研群高壓衍射實驗室體的一大痛點。

以多層膜鍍膜工藝為技術核心，將多層膜鏡片與微焦點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，使得在實驗室實現(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。曝光時間300s，探測器為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，這對于很多基于DAC的靜高壓應用來說非常有吸引力。

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）

曝光時間300s，探測器為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)動的X射線脈沖進行超快時間分辨研究中，泵浦探針是常用的技術手段。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。通過延時臺的調(diào)節(jié)，控制泵浦激光和X射線探針到達樣品的時間間隔，可實現(xiàn)亞皮秒量級時間分辨的測量。

而在基于激光驅(qū)動的超快X射線衍射實驗中，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間展寬？如何同時兼顧以上的實驗要求？都是需要考慮的問題。很多時候還需要兼顧多個技術指標，所以我們非常有必要對各類光學組件和X射線飛秒脈沖源的耦合效果和特點有一個比較清晰的認知。

四種光學組件和激光驅(qū)動X射線源的耦合效果對比

首先我們先對彎晶、多層膜鏡、多毛細管和單毛細管四種組件的聚焦效果有個直觀的了解。以下是將四種光學組件和激光驅(qū)動飛秒X射線源耦合，然后進行了對比。

四種光學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測聚焦光斑的對比。可以看到：彎晶和多層膜的工藝控制精度很高，實測光斑和理論值比較接近。而毛細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致的，不同能量的光都會對聚焦光斑有貢獻，導致光斑較大。而各種組件的工藝誤差，導致的強度不均勻分布，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，測量有無光學組件時的強度和能譜，可以推演出相應的技術參數(shù)。這里我們直接給出了核心參數(shù)的總結對比。其中，大多數(shù)用戶最為關注，同時也是對于實驗最為重要的，主要是有效立體角、輸出光通量、光譜純度和時間展寬。

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：毛細管并不具備單色的能力，雖然有效立體角大，但輸出的是復色光。對于時間展寬的比較，很難通過實驗手段獲得測量精度在幾十到百飛秒水平的結果，所以主要通過理論分析和計算來獲得。

對于同為衍射型組件的Ge(444)雙曲彎晶和多層膜鏡片，光程差引入項主要是X光在組件內(nèi)的貫穿深度。對于Ge(444)，8keV對應的布拉格角約為70度，X光的衰減長度約為28um，對應的時間展寬約90fs。對于多層膜鏡片，因為它屬于掠入射型的衍射組件，X光的衰減長度在um量級，對應的時間展寬甚至可以到10fs水平，因此這里的數(shù)據(jù)相對比較保守的。而對于毛細管這種反射型器件，光程差引入項主要是毛細管的長度差。對于單毛細管，光程差在10fs水平，對于多毛細管，位于中心區(qū)域和邊緣的子毛細管長度是有較大的差異的，光程差可達ps水平。

每一種光學組件都有其適用的場景，對于非單色的超快應用，如超快熒光、吸收譜，毛細管可能更為合適，而對于追求單色的超快應用，如超快衍射，多層膜是比較好的選擇，兼顧了單色性、時間展寬和有效立體角（輸出通量）三個核心指標！

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