3 X射線光學表征3.1 100 nm分辨率波帶片的聚焦特性
100 nm波帶片的光學聚焦特性在上海光源同步輻射BL15U1線站進行了光學表征。圖 22是光學測試系統(圖 22(a))和光路示意圖(圖 22(b))。X射線的能量是10 keV，波帶片的第一環直徑為3.46 μm，總共有300個波帶，最外環的寬度為100 nm，金的厚度為1.6 μm，波帶片的前方有直徑為40 μm、厚度為40 μm的Beamstop來遮擋直通的零級X射線，防止光強太大損壞探測器。在距離波帶片7 cm的地方用光闌選擇一級衍射光，將焦點投影在后面的熒光片上，從而將X射線轉化至可見光范圍直接用CCD來成像。利用刀口(Knife-edge)掃描方法，得到聚焦光斑的尺寸和強度分布如圖 22(c)所示。其聚焦斑的半高寬為234 nm，盡管略優于商業提供的100 nm波帶片的聚焦斑尺寸，但與理論計算值122 nm相比有較大的偏差。其主要原因是測試過程中X射線光的不均勻性造成的[22]。
3.2 會聚透鏡的均勻輻照質量
圖 12所示的會聚鏡輻照特性在上海光源同步輻射線站(BL15U1)進行了表征[38]。其光學測量的光路如圖 23(a)所示。圖 23(b)展示集成光柵會聚透鏡在CCD上的成像照片。中間正方形面積對應于會聚透鏡的幾何孔徑大小為20 μm×20 μm。其周圍的多余曝光是由于光柵中的加強筋結構衍射造成的。圖 23(c)是光強的三維分布，其頂部為平坦的平臺，顯示很均勻的輻照。
為了定量計算其輻照的均勻性，從圖 23(c)中輻照中心處取出沿著x軸和y軸的強度分布曲線，如圖 24所示[38]。其高度的方均根差僅僅是1%。因此，集成光柵組成的會聚鏡可以提供方形全場均勻輻照，非常適合于全場透射顯微成像系統，但是仍存在轉換效率的問題。集成金屬光柵型會聚鏡利用第一級干涉加強的光，零級和其它高級次的能量都被浪費。解決這個問題的出路除了提高高寬比以外，還可以對金屬光柵線條的形貌做進一步的改進，以消除高級次干涉諧波的能量。
3.3 分辨率板的X射線成像
本文所制備的300 nm分辨率板(圖 7(a)和7(b))在天津三英精密儀器股份有限公司開發的微米CT設備(Nanovoxel2000)進行了光學成像演示。該設備的照片如圖 25(a)和25(b)所示。
圖 26右列展示300 nm分辨率板的硬X射線成像。作為比較，采用ZEISS公司提供的同樣的測試板成像圖(左列)。兩者在對比度和光通量上無明顯區別[38]。
4 未來展望
采用傳統的納米加工技術，即電子束光刻結合金電鍍，本文作者團隊已經成功研發了X射線衍射透鏡的納米加工工藝，研制了最外環寬度為50 nm的波帶片、200 nm的會聚透鏡和50~300 nm的分辨率板，并演示了較好的光學聚焦特性。圖 27展示了這一發展進度，并以近幾年發展速度為依據，預測了未來五年的發展進程：即到2022年，將實現X射線10 nm分辨率的衍射聚焦和成像。作者將這個發展速度建議為我國波帶片透鏡分辨率技術的摩爾定律(即技術發展路線圖)，以趕超國際X射線光學部件技術的發展。
然而，要保持這樣的發展速度，并在未來5年中趕上國際先進水平，關鍵不僅在于線寬的縮小。當前電子束光刻設備的圖形化能力能夠比較輕易地產生亞10 nm的光刻線條[45]。實現10 nm分辨率的X射線聚焦成像的關鍵是：在提高分辨率的同時要保持實際成像所需要的衍射效率，這是未來該領域必須著重解決的難題。要攻克衍射效率與分辨率相互制約的瓶頸，出路在于將傳統的電子束光刻方法與其它納米加工手段緊密結合，延伸出創新工藝。而且，半導體工藝技術的發展，也為高分辨率光學透鏡的研發提供更加先進的技術手段。因此，為順應基礎科學研究的高速發展，X射線聚焦成像分辨率在未來五年之內達到10 nm的目標不僅是可行的，而且也是必須的。
5 結論
本文綜述了國內外以及本文作者團隊在納米加工X射線衍射光學透鏡方面的最新進展。得到的結論可以歸納如下：
(1) X射線光學聚焦透鏡主要有衍射型、折射型和反射型三大類。在軟X射線(水窗口)和硬X射線的低段(1~14 keV)，主要是以衍射透鏡為主，而在硬X射線的中高能量區域(＞20 keV)，以折射型和反射型為主。
(2) 衍射光學部件的光學性能發展的最大瓶頸是分辨率與衍射效率相互制約，以至于衍射效率無法滿足高質量的探測和成像。當前在能量低于12 keV的X射線光學部件制造中，主流工藝是電子束光刻結合重金屬電鍍工藝。但由于電子束在光刻膠中的散射和二次電子的橫向擴散造成的鄰近效應，限制了波帶片透鏡的高寬比，導致實際透鏡的光通量遠低于理論極限值。
(3) 提高光學部件衍射效率的途徑包括改變波帶片形貌、研發創新工藝以超越傳統電子束光刻所能實現的極限厚度，如二次光刻、雙波帶片的疊加和波帶金屬的原子層生長等。
(4) 本文作者團隊經過多年的摸索，建立起以電子束光刻為手段的穩定可靠的納米加工工藝，并成功研制了最外環寬度分別為200 nm(高寬比10：1)，100 nm(高寬比16：1)和50 nm(高寬比6：1)的波帶片。100 nm波帶片的聚焦寬度已經達到國際先進水平。同時還成功研制了20~300 nm的分辨率板、200 nm的集成光柵型會聚透鏡和國際上最高(2.6 μm)的納米金立柱列陣。通過硬X射線表征，會聚透鏡和分辨率板所展示的光學特性已達國際水平，結束了我國無法通過自主設計研制X射線透鏡的歷史。
在上述一系列成果的基礎上，本文進一步論述了我國未來五年在X射線衍射光學部件的研究重心和發展趨勢：為提高分辨率、衍射效率和高能量而著重深究衍射效率與納米結構的緊密關系，通過新型結構和納米工藝的創新來克服兩者之間的相互制約。本文最后提出了“發展X射線衍射透鏡技術的摩爾定律”，指出了我國十三五期間實現10納米聚焦和成像分辨率、使我國的X射線光學聚焦成像達到國際先進水平的路線圖。
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