X射线二维微纳聚焦成像Kinoform透镜的关键技术研究

The Kinoform lens being heavily developed nowadays in the world is one of the key optical components in the micro-nanoprobing technology by hard X-ray. However, the lens structure by the traditional design is only capable of carrying out one dimensional focusing as a line, and its optical aperture as well as its focusing efficiency is limited by the capability of deep dry-etch in silicon, significantly slowing down the advance of this technique. To tackle the structural weakness and break through the bottle neck of the technique for the conventional Kinoform lens, this grant application proposes to develop a novel Kinoform lens with a round configuration in a plate, which possesses the functionality of two dimensional focusing. This proposal, which stands on the world frontline and follows the developing trend of X-ray optics, is entirely in line with the strategy development of synchrotron radiation source and its beam line technique, urgently called by the nation. To solve the key scientific problem that is how to adjust the lens curves and its materials to achieve focusing and imaging of hard X-ray, this project will conduct basic theoretical research and innovate novel applications of 3D greyscale electron beam lithography on the shaping of the lens. The task of the project is to successfully fabricate the new 2D Kinoform lens, achieve high efficiency (>50%) focusing and imaging with 100 nm resolution, and significantly improve the beam line technique of synchrotron radiation.

当前国际上正在研发的Kinoform透镜是发展同步辐射硬X射线微纳探针技术的关键光学部件。然而，传统设计下的透镜结构对硬X射线只能形成一维线型聚焦，而且其光学孔径和聚焦分辨率受困于深硅刻蚀工艺的技术水平而发展缓慢。本申请针对该透镜存在的结构性缺陷及其遇到的技术瓶颈，响应国家发展同步辐射光源束线技术的急需，瞄准当前X射线光学部件的国际前沿及其提高衍射效率的发展趋势，在申请人拥有的X射线透镜工艺积累的基础上，提出研发一种新型的具有二维聚焦功能的平板Kinoform透镜。为解决如何利用新型透镜的牙形曲面及其材质对硬X射线实现高效率聚焦成像这个关键科学问题，本项目将通过聚焦的基础理论研究和电子束三维灰度光刻等工艺的创新应用，成功研制新型二维Kinoform透镜，实现对同步辐射光源硬X射线（5-10 keV）的高效率（>50%）微纳聚焦（焦斑达到100纳米）和成像，大力提升我国同步辐射束线技术水平。

同步辐射X射线光学聚焦和成像系统是纳米检测技术的一个不可或缺的重要手段，在几乎所有自然科学基础研究中可以找到重大应用。然而，由于传统矩形波带片透镜的衍射效率低下（振幅型波带片透镜效率理论极限仅仅10%，实际透镜在5%左右），成为X射线纳米探针技术的发展瓶颈，成为全世界同步辐射光学系统领域一个长期悬而未决的重大难题。本项目在国际上首次发明了一种具有锯齿曲面波带的Kinoform平板透镜，通过将高级次聚焦的能量，转移到第一级次聚焦点上，极大地提升了Kinoform平板透镜的聚焦和成像效率。本项目基于波束传播方法（BPM），深入研究了Kinoform透镜锯齿曲面结构及透镜材质与聚焦和成像特性之间的关系，在理论上建立了分别相应于软X射线和硬X射线波段的Kinoform透镜最佳形貌设计方法。通过研发三维灰度电子束光刻纳米制造创新工艺，成功研制了分别适合于软X射线的介质型（SiO2和PMMA）Kinoform平板透镜和适合于硬X射线的金质Kinoform透镜。在同步辐射软X射线波段，运用介质型（HSQ和PMMA）Kinoform透镜，首次实现了高效率聚焦和成像。分辨率为100纳米的Kinoform透镜实现最高效率达到13%，突破了传统矩形金波带片的10%的理论极限聚焦效率！通过对所研制的实际金质Kinoform透镜的波带锯齿曲面进行扫描电镜表征，测算了该100纳米分辨率的金质Kinoform透镜效率可达48%，也超越了传统矩形相位透镜的极限值（40%）。为展示该透镜高衍射效率，我们进一步把所研制的HSQ材质的Kinoform 透镜成功地应用到了相干衍射成像（CDI）中，获得了30纳米分辨率的软X射线成像，并对小鼠肺细胞实现了成像。.本项目全面完成了任务计划书规定的研究内容、达到了项目的预定目标，技术指标全面完成。项目在同步辐射X射线光学系统的聚焦和成像所取得的突破性进展，为进一步发展高效率、高分辨率同步辐射X射线聚焦和成像透镜开辟了一条新的、切实可行的技术路线，使我国在该领域达到了国际领先的地位。