（光学专业论文）极紫外与软x射线多层膜偏振元件研究.pdf

摘要 摘要 极紫外和软x 射线偏振测量开创了许多新的同步辐射实验方法，如：软x 射线磁圆二色测量、软x 射线元素分辨法拉第效应和克尔效应测量、自旋分辨 的光电子和俄歇电子谱测量、磁畴显微镜、偏振散射测量以及软x 射线偏振测 量术等，这些方法为生物、医学、信息、材料、物理与化学等学科提供了强有 力的研究工具。多层膜起偏器、检偏器和相移片是实现该波段偏振测量的关键 元件。目前，美国、欧洲和日本等国已制成了可实用的多层膜偏振元件，并获 得应用。我国对多层膜偏振元件一直缺乏系统研究，致使无法开展该波段的偏 振测量研究。 极紫外和软x 射线常规偏振光学元件是周期多层膜，本文探讨了其设计原 理和方法，成功制备了c r s e 、c r c 、l a b 4 c 、m o y 、m o s i 反射式周期多层膜 偏振元件和m o y 、m o s i 透射式周期多层膜偏振元件，保证了北京同步辐射偏 振测量装置在线调试和偏振测量，填补了我国在极紫外和软x 射线波段偏振光 学及其应用领域的空白。 针对极紫外和软x 射线常规周期多层膜偏振元件带宽窄导致的测试困难的 现状，本文首次提出了非周期多层膜宽带偏振光学元件的方法，克服了常规周 期多层膜带宽窄、测试时元件需要平移或旋转的难题。采用恰当初始膜系和局 部优化算法相结合，将优化时间缩短至几十秒，大大提高了优化效率，完成了 非周期多层膜宽带起偏器、检偏器和相移片设计。采用磁控溅射方法研制了非 周期宽带偏振光学元件，实验中成功解决了薄膜沉积速率精确标定和非周期多 层膜制作过程中膜厚的精确控制问题，制备了1 3 1 9 n m 的m o s i 与8 1 3 n m 的m o p 反射式宽带多层膜起偏器( 检偏器) ，和相应波段的宽角“起偏器”( 检 偏器) ；以及m o s i 宽带相移片。 利用德国b e s s y 同步辐射的偏振装置实现了研制偏振元件的表征，测试主 i 摘要 要结果为：m o s i 宽带多层膜在1 5 1 7 r i m 、1 4 1 8 r i m 、1 3 1 9 r i m 波段的平均反射 率为3 6 6 、2 1 1 、1 8 2 ，偏振度都大于9 8 。m o y 宽带多层膜在8 5 1 0 1 n m 、 9 1 1 1 7 r i m 的平均反射率为5 5 、6 1 ，偏振度大于9 6 。m o s i 宽带相移片 在1 3 8 r i m 1 5 5 r i m 波段，位相差平均值为4 1 7 0 ，透射率从6 降至为2 。上述 结果与设计值相符。通过拟合分析，得到了膜层的制备厚度以及粗糙度等参数。 利用m o s i 宽带反射式检偏器与宽带透射式相移片，首次完成了b e s s y 同步辐 射u e 5 6 1 - p g m 光束线的宽带全偏振分析，在1 2 7 1 5 5 r i m 波段测试结果与光 源理论特性一致。 关键词：极紫外与软x 射线，偏振，宽带，同步辐射，磁控溅射 i x a b s t r a c t a b s t r a c t p o l a r i z e dl i g h ti nt h ee x t r e m eu l t r a v i o l e t ( e u v ) a n ds o f tx - r a yr a n g ei sa v a l u a b l et o o li nt h ei n v e s t i g a t i o no fm a g n e t i cm a t e r i a l sa n dm a g n e t o o p t i c a le f f e c t s ， m e a s u r e m e n to f f a r a d a ya n dk e r re f f e c t s ，a n dp o l a r i z a t i o na n a l y s i so f t h es y n c h r o t r o n r a d i a t i o n t h e s ep o l a r i z i n gm e a s u r e i n t sc o u l db eu s e di nt h es t u d yo faw i d er a n g e o fp h e n o m e n ai nb i o l o g y , c h e m i s t r y , p h y s i c s ，a n dm a t e r i a ls c i e n c e s u c had e m a n d i n c r e a s e st h ed e v e l o p m e n to ft h ep o l a r i z i n gc o m p o n e n t sb a s e do nm u l t i l a y e r i n t e r f e r e n c e , w h i c ha r et h ek e yo p t i c a le l e m e n t si n t h em e a s u r e m e n to ft h e p o l a r i z a t i o nf o rt h es y n c h r o t r o nr a d i a t i o n t h em u l t i l a y e rp o l a r i z e r s ，a n a l y z e r sa n d p h a s er e t a r d e r su s i n gd i f f e r e n tm a t e r i a l c o m b i n a t i o n sh a v e b e e nd e v e l o p e di n a m e r i c a n ，e u r o p e a na n dj a p a n e s eg r o u p s t h ep o l a r i z a t i o ni n v e s t i g a t i o ni nc h i n a h a s n o tb e e np e r f o r m e db e c a u s eo f l a c k i n gt h er e l e v a n tp o l a r i z i n gc o m p o n e n t s t h ec r i t e r i aa n dm e t h o df o ro p t i m u mp o l a r i z a t i o no fe u va n ds o f tx r a y m u l t i l a y e rp o l a r i z i n go p t i c a lc o m p o n e n t sa r ep r e s e n t e d t h ec r s e ，c r c ，l a b 4 c ， m o y ，m o s ir e f l e c t i v ea n a l y z e r sa n dm o y 、m o s it r a n s m i s s i o np o l a r i z e r sa n dp h a s e r e t a r d e r sa r ef a b r i c a t e du s i n gd i r e c tc u r r e n tm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e s eo p t i c a l e l e m e n t sc a l lp r o v i d ef u l lc o n t r o lo ft h ep o l a r i z a t i o no ft h ei n c i d e n tt i g h ti nx - r a y s p e c t r o s c o p y t h ec r ca n dm o s ir e f l e c t i v ea n a l y z e r sa r eu s e di n t h eo n - l i n e a l i g n m e n to ft h ep o l a r i m e t e ri nb e i j i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y s r f ) ，a n d t h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo f t h eb e a ml i n e3 w i ba r em e a s u r e d t h et r a d i t i o n a lp e r i o d i cm u l t i l a y e rp o l a r i z i n gc o m p o n e n t sa r ee f f e c t i v eo v a a v e r ys m a l lw a v e l e n g t hr a n g e ，a n dt h en a r r o wb a n dw a v e l e n g t ha n da n g u l a rp r o p e r t i e s m a yb ed i s a d v a n t a g e o u sf o rs o m es t u d i e s i no r d e rt oo v e r c o m et h i s ，t h ea p e r i o d i c m u l t i l a y e rs t r u c t u r e sh a v eb e e nd e v e l o p e db a s e do nac o m b i n a t i o no fa n a l y t i c a la n d n u m e r i c a lm e t h o d , w h i c hi su s e di nt h ed e s i g no f s u p c n n i r r o ri nt h eh a r dx - r a y r a n g e t h eb r o a d b a n dm o s ia n dm o ym u l t i l a y e r a n a l y z e r sa r ed e p o s i t e do n t h e s u p e r - p o l i s h e ds i l i c o nw a f e r ，a n dt h eb r o a d b a n dm o s im u l t i l a y e rp h a s er e t a r d e r sa r e m a d eu s i n gd i r e c tc u r r e n tm a g n e t r o ns p u t t e r i n go ns i l i c o nn i 仃i d em e m b r a n e x - r a y x 些! ! ! 竺! d i f f r a c t i o n ( x r d ) i su s e dt od e t e r m i n et h em u l t i l a y e rp e r i o d si no r d e rt oc a l i b r a t et h e d e p o s i t i o nr a t ef o re a c hm a t e r i a l t h e s em u l t i l a y e rp o l a r i z i n gc o m p o n e n t sw e r ea l lc h a r a c t e r i z e du s i n gt h es o f t x - r a yp o l a r i m e t e ra tb e s s y ，a n dt h em e a s u r e dr e s u l t sa g r e ew i t ht h ed e s i g no n e s f o rm o s ib r o a d b a n da n a l y z e r , n e a r l yc o n s t a n ts - r e f l e e t i v i t y , u pt o3 7 ，i so b s e r v e d o v e rt h e1 5 - 1 7n n lw a v e l e n g t hr a n g e ，w h e r et h ed e g r e eo f p o l a r i z a t i o ni sm o r et h a n 9 8 m e a s u r e ds - r e f l e c t i v i t i e sa tt h eb r e w s t e ra n g l ea r e5 5 f o ro n em o y m u l t i l a y o ra n a l y z e rm u l t i l a y e rd e s i g n e df o r8 5 - 1 0 1n n lw a v e l e n g t hr a n g ea n d6 1 f o rt h eo t h e rd e s i g n e df o r9 1 11 t r i m t h em o ym u l t i l a y e r sa l s oe x h i b i th i 班 p o l a r i z a t i o nd e g r e eu pt o9 8 7 9 t h es r e f l e c t i v i t yo fm o s ib r o a da n g u l a ra n a l y z e r i sh i g h e rt h a n4 5 6 o v c rt h ea n g u l a rr a n g eo f 4 5 - 4 9 。a t1 3 n m w h e n , t h ed e g r e eo f p o l a r i z a t i o ni sm o r et h a n9 9 9 8 t h em e a s u r e dp h a s es h i f tw a sa b o u t4 2 。i nt h e w a v e l e n g t hr a n g eo f1 3 8 1 5 5 n m ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs - c o m p o n e n tt r a n s m i s s i o n d e c r e a s e df r o m6 t o2 w i t hi n c r e a s i n gw a v e l e n g t h t h ep o l a r i z a t i o no ft h e r a d i a t i o na saf u n c t i o no f t h ew a v e l e n g t ho f1 2 7 - 1 5 5 n mw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n ga b r o a d b a n dm o s ip h a s er e t a r d e r - a n a l y z e rp a i r , a n dt h es t o k e s p o i n c a r 6p a r a m e t e r so f b e a ml i n eu e 5 6 1 一p g mw e r ed e t e r m i n e dt h r o u g ht h ec o m p l e t ep o l a r i z a t i o na n a l y s i s k e yw o r d s ：e u va n ds o f tx - r a y , p o l a r i z a t i o n , b r o a d b a n d , s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n , m a g n e t r o ns p u t t e r i n g x i 图表目录 图表目录 图1 1 在不同波段，选择的偏振分析方法、光学元件及使用材料。l 图1 2 尼克尔棱镜和渥拉斯顿棱镜工作原理示意图 2 图1 3 金从3 0 r i m 到2 0 0 n m 理论计算的偏振度r s p p ，r s 和对应工作的布儒斯特角随波长 的关系曲线3 图1 4 ( a ) 三镜和( b ) 四镜三次反射或四次反射起偏器工作原理示意图3 图1 5 o 、s i 的光学常数刀k 随波长的变化曲线。 4 图1 6 宽角光学元件可以对较大角度范围内的光源进行准直示意图。8 图1 7 双晶x 射线单色器型宽带起偏器结构及工作原理示意图，p l 和p 2 是两块完全相同的 起偏器9 图1 8 梯度多层膜宽带起偏器结构及工作原理示意图，元件的工作波长通过不同的周期厚 度来进行选择。1 0 图1 9 周期性多层膜与非周期多层膜结构示意图l l 图1 1 0 利用分析数值方法设计的多层膜反射率曲线与泰姬陵的轮廓图1 l 图2 1 理想界面多层膜结构示意图1 4 图2 2 1 3 9 n m 处不同m o s i 多层膜最大r s 和r p 随入射角的变化1 6 图2 3 周期厚度不同的m o s i 多层膜起偏器r s 、r p 和r s r p 随入射角的变化。1 7 图2 4 理论计算得到的多种材料组合偏振元件的偏振特性1 8 图2 5m o s i 周期多层膜的透射率曲线t s ，t p 以及t p t s 曲线1 9 图2 6m o s i 周期多层膜相移片的位相差和透射率随波长的变化曲线。1 9 图2 7 宽带多层膜起偏器初始膜系示意图2 1 图2 8m o s i 多层膜的m o 膜和s i 膜初始和优化厚度关于膜层数的分布曲线2 4 图2 9 由初始膜系计算和优化得到的m o s i 多层膜起偏器反射率及偏振度关于波长的关系曲 垒髦2 5 图2 1 1 0 周期与非周期多层膜起偏器反射率和带宽比较2 6 图2 1 1 m o s i 多层膜优化所得到的布儒斯特角以及r 5 关于波长的关系曲线。2 7 图2 1 2 在不同入射角时优化得到的反射率r s 、r p 关于波长的关系曲线2 7 图2 1 3m o s i 宽带多层膜起偏器在不同目标反射率值时的优化设计曲线。2 8 图2 1 4 m o s i 宽带多层膜起偏器在不同目标反射率和带宽时的优化结果2 8 图2 1 7m o s i 宽带多层膜起偏器在考虑不同粗糙度时的优化设计曲线2 9 图2 1 6 选择m o s i ，m o y 、l a b 4 c 等材料组合进行优化设计。实现了从6 6 r i m 至1 9 n m 波 长范围内的非周期宽带多层膜偏振元件。3 0 图2 1 7m o s i 多层膜的m o 膜和s i 膜初始值，以及经过优化后所得到的厚度关于膜层数分 布曲线3 1 图2 1 8 由初始膜系计算和经过优化得到的m o s i 多层膜反射率关于角度的关系曲线3 2 图2 1 9 m o s i 宽角多层膜起偏器优化运算时间与周期数( a ) 和目标反射率( b ) 的关系曲线3 2 i 图表目录 图2 2 0 m o s i 多层膜的反射率以及对应的偏振度p 随角度的变化关系3 3 图2 2 1m o s i 多层膜在不同目标反射率时反射率随角度的变化关系3 3 图2 2 2m o s i 多层膜宽角起偏器在1 3 n m 处，不同角度范围优化得到反射率r s 与偏振度p 关于角度的关系曲线。3 4 图2 2 3 多层膜宽角起偏器在不同波长，不同材料组合m o s i 、m o b e 、n i c 时，优化得到 反射率r s 、r p 关于角度的关系曲线3 5 图2 2 4 宽角多层膜起偏器优化得到反射率r s 、r p 关于角度的关系曲线3 5 图2 2 5 透射式宽带起偏器偏振特性曲线3 6 图2 2 6 宽带相移片的相移，偏振特性与波长的曲线。3 7 图3 1 磁控溅射镀膜设备结构示意图4 l 图3 2b e d ed 1 型x 射线衍射仪结构示意图4 2 图3 3 利用小角度衍射法测得的探测器每秒钟的计数( c p s ) 关于掠入射角的测试曲线与拟合 曲线( 左图) 。利用修正的布拉格公式拟合曲线与拟合结果( 右图) 4 4 图3 4m o 憎多层膜速率标定曲线。“ 图3 5b s r f 偏振装置不同工作模式示意图4 5 图3 6 b e s s y 偏振装置示意图4 6 图3 7 镀制在s i 片上的m o s i 多层膜的透射电镜截面图象4 7 图3 8a f m 测量的不同清洗方法得到的s i 基片a f m 表面形貌4 7 图3 9e x e s 实验的s i 的i ( b 发射谱与权重拟合曲线4 8 图3 1 0 的多层膜透射元件面形测量结果4 9 图4 1m o s i 多层膜的x r d 小角衍射曲线和拟合曲线5 1 图4 2m o y 多层膜的x r d 小角衍射曲线和拟合曲线5 2 图4 3l a b 4 c 多层膜的x r d 小角衍射曲线和拟合曲线。5 2 图4 4c r c 多层膜的x r d 小角衍射曲线和拟合曲线5 2 图4 5m o s i 非周期多层膜的x r d 小角衍射曲线和理论计算曲线5 4 图4 6 m o y 非周期多层膜的x r d 小角衍射曲线和理论计算曲线5 4 图4 7 m o s i 非周期宽带多层膜在n s r l 和b e s s y n 的测试曲线5 5 图4 8m o s i 非周期宽角多层膜在n s r l 的测试曲线一5 6 图4 9m o s l 非周期宽带多层膜在b s r f 的测试曲线。5 7 图4 1 0m o s i 非周期宽角多层膜在b s r f 的测试曲线5 7 图4 1 1 利用b s r f 偏振装置测试的c r c 多层膜信号强度关于起偏器方位角的关系曲线5 8 图4 1 2c r c 多层膜在b e s s yi i 测试和拟合的反射率关于角度的关系曲线5 9 图4 1 3c r c 多层膜在b e s s y 测试和拟合的反射率关于波长的关系曲线5 9 图4 1 4 c r c 多层膜在b e s s y h 测试及拟合的反射率r s 在不同入射角下与波长的关系曲线 6 ( ) 图4 1 5c r c 多层膜在b e s s yi i 测试及拟合的反射率r s 在不同波长时下关于角度的关系曲 线6 0 图4 1 6l a b 4 c 多层膜在b e s s yi i 测试和拟合的反射率关于波长的关系曲线6 1 图4 1 7l a b 4 c 多层膜在b e s s yi i 测试和拟合的反射率关于角度的关系曲线6 1 w 图表目录 图4 1 8m o y 多层膜在b e s s yi i 测试和拟合的反射率关于波长的关系曲线6 2 图4 1 9m o y 多层膜在b e s s yi i 测试和拟合的反射率关于角度的关系曲线6 2 图4 2 0m o s i 、m o y 、l a b 4 c 、c r c 、s c c r 多层膜在b e s s yi i 测试的反射率在准布儒斯 特角时关于波长的关系曲线6 3 图4 2 1m o s i 透射式多层膜在b e s s yi i 测试的透过率关于角度( a ) 和波长( b ) 的关系曲 垒毙。6 4 图4 2 2 m o y 透射式多层膜在b e s s y i i 测试的透过率关于角度( a ) 和波长的关系曲线( b ) 6 5 图4 2 3m o s i 多层膜宽带起偏器的理论设计和测试的反射率r 5 关于波长曲线。6 6 图4 2 4m o s i 多层膜宽带起偏器的理论设计和测试的偏振度p 关于波长曲线6 6 图4 2 5m o s i 多层膜宽带起偏器样品( a ) 在b e s s yi i 测试的反射率r 5 、r p 在不同入射角时 关于波长曲线6 7 图4 2 6m o s i 多层膜宽带起偏器样品( a ) 在b e s s yi i 测试的反射率鼬、r p 在不同波长时关 于入射角曲线6 7 图4 2 7m o s i 多层膜宽带起偏器样品( a ) 设计、测试和拟合得到的反射率r 5 ，r p 与波长的关 j 曲线6 9 图4 2 8m o s i 多层膜宽带起偏器样品( a ) 理论设计与拟合得到的厚度关于膜层数的关系曲线 7 ( ) 图4 2 9m o s i 多层膜宽角起偏器在b e s s yi i 测试的反射率r s 、r p 与掠入射角的关系曲线 7 l 图4 3 0m o p 多层膜宽带起偏器理论计算的偏振度p ( a ) 和反射率r s ( b ) 与波长的关系曲线 7 ：! 图4 3 1 在图4 3 0 中m o p 多层膜宽带起偏器样品a 和b 理论计算的m o 和y 厚度分布曲线 7 ：! 图4 3 2m o p 多层膜宽带起偏器测试的偏振度p ( a ) 和反射率r s ( b ) 与波长的关系曲线7 3 图4 3 3m o f y 多层膜宽角起偏器测试的偏振度p ( a ) 反射率r s ( a ) 7 4 图4 3 4m o p 多层膜宽带起偏器理论计算( 1 ) ，测试( 2 ) 和拟合( 3 ) 的偏振度p 和反射 率r s 与波长的关系曲线7 4 图4 3 5m o y 多层膜宽带起偏器样品在4 7 度时理论设计与拟合得到的厚度关于膜层数的关 系曲e 7 5 图4 3 6 m o 多层膜宽带起偏器样品在4 5 。时测试的( 1 ) 与计算( 2 ) 得到的偏振度p 和反 射率r s 与波长的关系曲线7 6 图4 3 7 m o y 多层膜宽带起偏器样品在1 1 8 n m ( 2 ，4 ) 和1 1 2 n m ( 1 ，3 ) 时测试的( 1 ，2 ) 与利用上述拟合参数计算( 3 ，4 ) 得到的偏振度p 和反射率r s 与角度的关系曲线 7 6 图4 3 8 偏振测量装置示意图：透射式起偏器，反射式检偏器，两个元件都可绕光轴独立旋 转，透射强度可由探测器测量。7 8 图4 3 91 5 n m m o s i 非周期多层膜宽带起偏器样品在全偏振测试曲线8 0 图4 3 9 非周期m o s i 多层膜相移片计算和拟合的位相差和透射率比值t p f r s ，以及测试透射 v 图表目录 率t p 、t s 关于掠入射角的关系曲线8 l 图4 4 0 非周期m o s i 多层膜相移片计算和拟合位相差和透射率t p 、t s 关于波长的关系曲 线8 2 图4 4 1 ( a ) 在掠入射角度为4 7 0 和5 4 0 ，测试拟合得到的非周期m o s i 多层膜相移片位相差 和( b ) 透射率t p t s 关于波长的关系曲线。8 2 图4 4 2 b e s s y i i 的u e 5 6 l o p g m 光束线的测试偏振参数与波长的关系曲线8 3 图4 4 3b e s s y i i 的u e 5 6 1 - p g m 光束线测试偏振参数与谐荡器的轨道偏移的关系曲线8 4 表3 1 合肥国家同步辐射实验室光谱辐射标准和计量光束线参数4 5 表4 1 利用多层膜的x r d 小角衍射曲线，拟合得到的m o s i 、m o y 、i a b 4 c 、c r c 多层膜 结构参数：厚度、粗糙度和光学常数5 3 表4 2 根据多层膜的同步辐射曲线，得到的m o s i 、m o y 、l a b 4 c 、c r c 、s c c r 多层膜结 构参数：厚度、反射率和偏振度6 3 表4 3m o s i 宽带起偏器的设计参数以及测试得到的反射率和偏振参数6 6 表4 4m o s i 多层膜宽角起偏器的设计参数以及在b e s s yi i 测试得到的反射率和偏振参数 7 0 表4 5m o y 多层膜起偏器的设计参数以及在b e s s yi i 测试得到的反射率和偏振参数7 3 表4 6 在l l 1 3 n m 带宽范围内m o s i 宽带起偏器的设计参数与测试偏振性能7 7 表5 1 利用多层膜的x r d 小角衍射曲线，拟合得到的m o s i 、m o y 、l a b 4 c 、c r c 多层膜 结构参数：厚度、粗糙度和光学常数。5 3 表5 2 根据多层膜的同步辐射曲线，得到的m o s i 、m o y 、l a b 4 c 、c r c 、s c c r 多层膜结 构参数：厚度、反射率和偏振度。6 3 表5 3m o s i 宽带起偏器的设计参数以及在b e s s yi i 测试得到的反射率和偏振参数6 6 表5 4m o s i 多层膜宽角起偏器的设计参数以及在b e s s y 测试得到的反射率和偏振参数 7 0 表5 5m o y 多层膜起偏器的设计参数以及在b e s s yi i 测试得到的反射率和偏振参数7 3 表5 6 在1 1 1 3 r i m 带宽范围内m o s i 宽带起偏器的设计参数与测试偏振性能。7 7 v i 致谢 致谢 本论文是在导师王占山教授的悉心指导下完成的。王占山教授深厚的理论 功底严谨的治学态度，高尚的人格魅力深深感染着我，使我在研究生的学习过 程中慢慢领悟“知识、人格、能力”的真正含义，切身体会到做事细心认真的重要 性，并在科研过程中学会类别联想，加强理论与实验相结合在此，谨向王占山 教授表示崇高的敬意和诚挚的谢意。 特别感谢陈玲燕教授在科研和生活上对作者的指导和帮助，陈玲燕老师乐 观的生活态度，清晰的科研思路，忘我的奉献精神使我受益终身! 感谢秦树基教 授与吴永刚教授对本论文样品的制备工作给予的指导和帮助j 感谢俄罗斯晶体研究所的i g o rk o z h e v n i k o v 博士在多层膜宽带偏振元件设 计过程中给予的有益讨论与建议 感谢德国b e s s y 同步辐射实验室f r a n z s c h a e f e r 博士和a n d r e a s g a u p p 博士 在多层膜偏振元件测试中给予的无私帮助和悉心指导 感谢英国国王学院的a l a nm i c h e t t e 教授，k e i t hp o w e l l 博士和s l a w k a p f a u n t s e h 博士在本课题进展过程中的积极讨论和在测试过程中给予的帮助 感谢英国d a r e s b u r y 同步辐射实验室实验室的m i k em a c d o n a l d 和i a n p o o l e 博士在全偏搌分析拟合过程中参与的讨论。 感谢法国巴黎六大的p h i l i p p ej o n n a r d 教授对m o s i 非周期样品粗糙度的测 试分析。 感谢北京同步辐射实验室的崔名启教授，孙丽娟博士、朱杰博士利用偏振 装置中对偏振元件性能的测试分析 感谢合肥国家同步辐射实验室周红军副教授、霍同林博士对偏振元件反射 率性能的初步测试。 本论文碍以顺利完成与实验室全体老师和卿弟师妹的分工协作和无私帮助 是密不可分的，正是课题组的这种可贵的团队精神使得本论文中多层膜样品的制 备和检测得以顺利完成，在此向他们表示衷心感谢! 作者感谢家人对作者多年的关心和支持，父母的言传身教使自己终身受益， 无私关怀和精神鼓励使本论文得以顺利完成。 向所有关心、支持和帮助我的老师亲人、同学和朋友们表示最诚挚的谢 意! 本论文在国家自然科学基金资助重点项目( 项目批准号1 0 4 3 5 0 5 0 ) 、国家自 然科学基金资助项目( 批准号：6 0 1 7 8 0 2 1 国家自然科学基金与英国皇家学会协 议项目) ，上海市科技攻关项目( 批准号：0 2 2 2 6 1 0 4 9 ) ，2 0 0 5 年度教育部“同步 辐射博士生创新中心研究生创新基金等共同资助下完成 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 光的偏振是指光的振动方向不变( 线偏振) ，或电矢量末端在垂直于传播方 向平面上的轨迹呈椭圆( 椭圆偏振) 或圆( 圆偏振) 的现象。在1 7 0 4 1 7 0 6 年 间，牛顿最早把偏振的概念引入光学。1 8 0 9 年，马吕斯首先提出光的偏振，并 在实验室发现了入射到偏振片上的线偏振光，及其透射光强度的变化规律( 马吕 斯定律) 。1 8 1 5 年，布儒斯特发现自然光在电介质界面上反射和折射时，当入射 角的正切等于媒质的相对折射率时，反射光线将为线偏振光( 布儒斯特定律) 。 在1 8 6 5 1 8 7 3 年间，麦克斯韦建立了光的电磁理论，从本质上说明光是横波，其 振动方向和光的传播方向垂直。法拉第( 1 8 4 5 年) 与科尔( 1 8 7 6 年) 发现了磁 性体和光相互作用而表现出的磁光效应，进一步验证了光的电磁波特性。 使用偏振光可以开展许多实验来研究材料的特性。为定量分析物理过程，需 要起偏器、检偏器和相移片等偏振光学元件，这些元件还可以用来测量光源的偏 振特性，实现线偏振光与圆偏振光之间的相互转换。从可见光到硬x 射线波段， 根据材料的光学特性，选择合适的材料作为偏振元件，开展了相应的偏振研究方 法，如图1 1 所示。 图1 1 在不同波段，选择的偏振分析方法、光学元件及使用材料 第1 章绪论 1 2 偏振光学元件的发展和研究现状 在可见光( 4 0 0 8 0 0 n m ) 和紫外光( 1 9 0 4 0 0 n m ) 波段，可以用透射材料的二 向色性和双折射特性制成起偏器、检偏器和相移片【1 1 。二向色性为材料对偏振光 的平行分量和垂直分量具有不同的吸收特性；双折射为各向异性的晶体对一束入 射光产生折射率不同的两束光( o 光和e 光) 的现象。因此二向色性是由材料光学 常数的虚部各向异性引起的，而双折射则体现了材料光学常数的实部的各向异 性。利用双折射原理制成尼克尔棱镜和渥拉斯顿棱镜，工作原理如图1 2 所示， 沃拉斯顿棱镜可以得到。光和e 光，但是尼克尔棱镜只能得到e 光。 光轴( a ) 脱尔棱镜 加拿大胶 国) 涎拉斯顿棱镜 d o ”矿弋铲 爹、 图1 2 尼克尔棱镜和渥拉斯顿棱镜工作原理示意图 在真空紫外波段( 4 0 1 9 0 n m ) ，根据材料的吸收特性可以使用双折射和反射 两种模式组成偏振元件。在波长范围1 3 0 1 9 0 n m 区间的真空紫外波段可以选择 m 酽2 和l i f 等介质材料利用双折射性质制成起偏器或检偏器【2 】。k i l n 等人利用 m g f 2 和a 1 作为低吸收和高吸收材料对组成m g f 2 ，a l m g f 2 三层膜结构作为起偏 器【3 】，在波长为1 3 0 4 n m ，入射角为4 5 0 时，得到反射率为r s - - 9 2 7 4 ，r p = 0 0 0 1 ， 偏振度p - - - ( r s r p ) ( r s + r p ) = 1 0 0 ；此外，还利用这种三层膜结构作为相移片【4 】， 在1 2 1 6 r i m ，设计得到r s = 8 1 0 5 ，r p = 8 1 0 4 ，位相差为9 0 0 7 0 。s t e a - n r n e t z 等人【卸 利用i g f 2 双罗森棱镜制成起偏器，实现了该波段的偏振测试。w i n t e r 等人 6 1 使 用四块m 萨2 晶片组成堆片在氢光谱中的莱曼0 【线( 1 2 1 6 r i m ) 得到透射率2 0 ， 偏振度为8 5 。m c i l r a t h 和s a i t o 等人使用l i f 晶体【q 或单层金膜作为反射式起 偏器，在置于布儒斯特角时可以获得全偏振光。图1 3 给出了金膜在3 0 r i m 到 2 0 0 r i m 范围内理论计算的偏振效率r s r p ，反射率r 5 和对应布儒斯特角随波长 的关系曲线。由于金膜在该波段有吸收，因此不存在p 偏振光等于零的角度，此 时偏振角定义为准布儒斯特角，在短波长时准布儒斯特角接近4 5 。，偏振效率低 2 第1 章绪论 于7 5 。 在4 0 l l o n m 真空紫外波段，由于材料有吸收的存在，无法再利用双折射方 法来制成偏振元件。h u n t e r l 8 1 提出了真空紫外波段起偏器的设计准则：为获得较 大偏振度，应使用折射率尽可能大的材料，如金和铂等。由于单层膜起偏器的偏 振度低，同时在使用过程中会改变光路方向，为克服这些缺点，可以使用三次反 射或四次反射起偏器组来代替单次反射起偏器。三次反射或四次反射起偏器工作 原理如图1 4 所示。 趴卜 令 ! 一一一t = 一i y ： t j 一，一一”：i ” ? j 一。一7 。 i i 钟1 0 01 2 01 4 01 6 0 1 8 02 0 0 w a v e l e n g t h ( n m j 图1 3 金从3 0 h m 到2 0 0 m 理论计算的偏振效率r 奶印，r s 和对应工作的布儒斯特角随波长 的关系曲线 图1 4 ( a ) 三镜和( b ) 四镜三次反射或四次反射起偏器工作原理示意图 使用三镜起偏器时，需对两个镜子的角度e l ，0 2 同时进行优化；四镜起偏 器与三镜起偏器相比，虽然牺牲了光通量，但可以得到更高的偏振度。利用金单 层膜组成反射式起偏器，采用三反模式进行起偏，通过调整这些镜子的入射角和 优化膜层厚度可得到9 5 的偏振度和近1 5 的光通量。此外，在优化膜层厚度 时，也可以使用多种材料组成的亚四分之