Отдел рентгеновской оптики

Брегг-френелевская оптика

Данное направление исторически является основополагающим для отдела "Рентгеновская оптика". Идея совмещения брэгговской дифракции на кристалле с дифракцией на рельефе зонной пластинки Френеля, изготовленной на поверхности кристалла, родилась в начале 80-х гг. К середине-концу 80-х гг была разработана технология и изготовлены первые брэгг-френелевские линзы (БФЛ) на кристаллах. В первых же экспериментах с ними была получена дифракционная эффективность фокусировки 36% при пространственном разрешении порядка единиц микрон. По эффективности фокусировки БФЛ были лучшими среди элементов дифракционной рентгеновской оптики того времени. В сочетании с высокой термостабильностью и механической прочностью это сразу же выдвинуло БФЛ в ряд основных рентгенооптических элементов для строящихся в то время синхротронных источников III-го поколения. Вскоре идеи брэгг-френелевской оптики (БФО) были перенесены в новую область - появились новые рентгенооптические элементы: многослойные дифракционные решетки и БФЛ на многослойных рентгеновских зеркалах. В первых элементах БФО топология рельефа вытравливалась непосредственно в кристалле/многослойном зеркале. В последнее время более широкое распространение получили элементы БФО с рельефом сформированном в пленке фазосдвигающего материала (обычно металла), напыленного на поверхность кристалла/многослойного зеркала. К ним следует также отнести синтезированные компьютерные голограммы для безмасочной рентгеновской литографии. В настоящее время элементы брэгг-френелевской оптики занимают свое место в ряду других рентгенооптических элементов и помогают решать множество научных проблем

Преломляющая рентгеновская оптика

Нами была обоснована идея и разработана технология изготовления планарных параболических и киноформных линз из различных материалов (кремний, полимеры, искусственный алмаз). Эффективность фокусировки излучения такими линзами составляет до 90% для рентгеновского излучения жесткого диапазона при субмикронных размерах фокального пятна. Проведенные эксперименты продемонстрировали возможность получения с помощью таких линз высокосколлимированного пучка с угловой расходимостью менее 1 мкрад. Результаты этих экспериментов позволяют прогнозировать широкое применение таких элементов в системах фокусировки и суперколлимации пучков в фазово-контрастных микроскопах субмикронного разрешения.

Френелевские линзы нормального падения

Исследование структурных дефектов в кристаллах

Диагностика полей поверхностных акустических волн (ПАВ) методами рентгеновской дифрактометрии

Современные средства связи широко используют акустоэлектронные приборы, основанные на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в различных телекоммуникационных системах (мобильные телефоны, пейджеры, радио, телевидение и т.д.). При этом их рабочие частоты непрерывно увеличиваются и, в настоящее время, составляют величины 0.9 - 2.5 ГГц. Это означает, что длина волны ПАВ становится порядка единиц микрон при амплитуде не более 10 А. При таких параметрах ПАВ разработанные ранее методы диагностики с использованием лазерного излучения оказываются малопригодными. В этой связи развитие и использование методов рентгеновской дифрактометрии и топографии для диагностики приборов и материалов акустоэлектроники является особенно актуальным.

При распространении ПАВ на поверхности кристалла образуется рельеф дифракционной решетки с периодом ПАВ. В очень хорошем приближении профиль рельефа можно считать синусоидальным. Из-за малой длины волны рентгеновское излучение претерпевает при дифракции значительную фазовую модуляцию даже при малых амплитудах ПАВ. В результате этого в дальней зоне дифракции (зоне Фраунгофера) регистрируется характерная картина пиков интенсивности излучения, соответствующих различным порядкам дифракции. Параметры ПАВ определяются затем методом подгонки решения прямой задачи дифракции к экспериментально полученным данным. К настоящему времени разработаны теоретические модели решения прямой задачи дифракции рентгеновского излучения на ПАВ в условиях полного внешнего отражения (ПВО); дифракции на многослойных рентгеновских зеркалах напыленных на поверхность пьезоэлектрического кристалла (с возбуждаемой, впоследствии, ПАВ); дифракция на ПАВ при углах падения излучения близких к углу Брэгга для исследуемого кристалла.

Рентгеновская акустооптика на приборах ПАВ

Одной из важнейших задач оптики является управление пространственно-временной структурой излучения. В рентгеновском диапазоне длин волн эту задачу помогают решать приборы на ПАВ. Изменяя параметры ПАВ, такие как длина волны и амплитуда, можно управлять положением дифрагированного излучения в пространстве и модулировать его по определенному закону во времени, соответственно. Т.к. управлять возможно только дифрагированным излучением, то важнейшим показателем для приборов является эффективность дифракции. С этой точки зрения наиболее эффективными в настоящее время являются ПАВ-приборы с напыленным на поверхность многослойным рентгеновским зеркалом: при дифракции рентгеновского излучения на многослойном зеркале, модулированном ПАВ, удается перенаправить в дифракционный порядок свыше 50% излучения. На этом принципе работает разработанный в нашей лаборатории рентгеноакустический прерыватель. С помощью аналогичного прибора была успешно передана информация (компьютерный файл) в рентгеновском диапазоне длин волн. Другим типом разрабатываемых приборов является фокусирующий рентгеноакустический дефлектор. В этом устройстве в акустическом тракте ПАВ-прибора формируется топология зонной пластинки Френеля. Структура зон подбирается таким образом, чтобы дифрагированное на ПАВ излучение оказалось сфокусированным в заданном порядке дифракции. Изменяя затем длину волны ПАВ возможно осуществлять сканирование сфокусированным рентгеновским излучением в некотором угловом диапазоне.

Исследование структурного совершенства реальных пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллов

Исследование распространения объемных и поверхностных акустических волн в твердых телах методами растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Исследование стационарных полей объемных и поверхностных акустических волн в твердых телах методом рентгеновской топографии

Исследование кинетических процессов, протекающих при ионно-стимулированном микроструктурировании кремния

Проводится теоретическое и экспериментальное исследование кинетики ионно-стимулированных фазовых превращений при формировании пространственно-модулированного диэлектрического контраста в кремнии с целью разработки интегрированных электрон-фотонных систем обработки информации. Приповерхностная область (толщиной, порядка десятых долей микрона) однородной кремниевой матрицы пересыщается атомами кислорода и (или) азота (например, методом ионной имплантации). В результате релаксации пересыщенного твердого раствора появляются включения фазы оксинитрида кремния (стехиометрический ряд от оксида до нитрида кремния), которые и создают диэлектрический контраст с кремнием. Включения фазы могут образовать сплошной заглубленный от поверхности кремния слой или, при использовании сфокусированного пучка ионов, периодическую систему диэлектрических стержней различного сечения и периода в кремнии. Целью исследований является выявление закономерностей кинетики роста пространственно неоднородного ансамбля включений фазы для оптимизации процесса лучевого способа микроструктурирования кремния.

Исследование оптических свойств двумерных периодических дискретных сред (двумерных фотонных структур)

Исследование основано на точном подходе в теории многократного рассеяния волновых полей в двумерных неоднородных средах, представляющем собой дальнейшее развитие методологии трансфер-матриц в соответствии с методом соотношений переноса. При виртуальном расслоении рассеивающей среды на элементарные слои с зазорами, что является основой методологии трансфер-матриц, учитывается рассечение отдельных рассеивателей периодической объемной структуры. Подход приводит к уравнениям инвариантного погружения для матричных коэффициентов отражения и прохождения неоднородной среды. Двумерный фотонный кристалл рассматривается как набор дифракционных решеток с произвольной формой сечения элементарной ячейки решетки. Каждая решетка виртуально расслаивается на тонкие слои с исчезающе малыми зазорами. Расчет прохождения и отражения по мощности падающего излучения происходит последовательно для каждого слоя на основе численного решения дифференциального уравнения Риккати с заданными "начальными" по параметру инвариантного погружения условиями. Распространение излучения между решетками приводит к набегу фазы волны.

Данный подход - метод уравнения Риккати, имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими известными подходами. Среди них: (а) представление фотонного кристалла в виде пачки оптических решеток позволяет провести исследование динамики формирования оптического спектра структуры, начиная от одного слоя рассеивателей (от одной решетки), что, в свою очередь, позволяет указать минимальную толщину слоя структуры, обладающей фотонными свойствами, а также выделить роль индивидуальных резонансов в отдельных рассеивателях и Брэгговского многократного рассеяния в формировании и частотном положении запрещенной зоны (или зон) фотонного кристалла; (б) отсутствие каких-либо ограничений на форму геометрического сечения, на связность множества точек плоскости сечения, ограниченных контуром сечения, и на распределение диэлектрической проницаемости по сечению непересекающихся элементарных ячеек, составляющих фотонный кристалл; (в) принципиальная возможность расчета структур, состоящих из различных оптических решеток; (г) метод уравнения Риккати, по-видимому, значительно превосходит по скорости счета другие методы и, что существенно, приводит к результатам с гарантированной, наперед заданной точностью.

Дифракционная рентгеновская оптика скользящего падения

Дифракционная оптика скользящего падения является оптикой отражательного типа. В отличие от Брэгг-Френелевской оптики вместо Брэгговской дифракции (отражения) от кристаллов в ней используется полное внешнее отражение (ПВО) рентгеновского излучения. Оптика, основанная на эффекте ПВО, осуществляет наилучшее приближение к чисто фазовой модуляции падающего излучения, что позволяет добиваться очень высоких значений дифракционной эффективности рентгенооптических элементов. Значительный шаг в развитии дифракционной оптики скользящего падения был сделан в 1998 г., когда была разработана технология и созданы первые многоуровневые Френелевские линзы скользящего падения (ФЛСП). Основная идея многоуровневой оптики состоит в том, чтобы аппроксимировать поверхность, осуществляющую заданное преобразование волнового фронта, некоторым ступенчатым рельефом, изготовление которого технологически более доступно. В условиях полного внешнего отражения такой рельеф осуществляет дискретную модуляцию фазы падающего излучения с уровнем градации, определяемым высотой одной ступеньки. В оптике видимого диапазона этот эффект получил название "квантование фазы". Экспериментально полученное значение дифракционной эффективности 4-х уровневой линзы составило величину 75% при теоретическом значении 81%, что является лучшим достижением в дифракционной рентгеновской оптике. С самого начала элементы дифракционной оптики скользящего падения создавались с целью их использования на лабораторном источнике рентгеновского излучения. К настоящему времени эта задача близка к завершению. Дифракционная рентгеновская оптика скользящего падения вплотную приблизилась к уровню, позволяющему конструировать действующие рентгенооптические приборы для осуществления локальных рентгеновских исследований.

Рентгеновская сканирующая микроскопия высокого разрешения для микрофлуоресцентного анализа элементного состава материалов микроэлектроники

Рентгеновская микроскопия, по своему пространственному разрешению, занимает промежуточное положение между оптической и электронной микроскопией. Вместе с тем, она имеет ряд преимуществ, связанных с физикой взаимодействия рентгеновского излучения с веществом, перед другими локальными методами исследования. Однако, до сих пор применение высокоразрешающей рентгеновской микроскопии как метода научных исследований ограничивается тем, что из-за крайне низкой эффективности используемых рентгенооптических элементов, все действующие рентгеновские микроскопы вынуждены использовать в качестве источника синхротронное излучение.

Высокая эффективность многоуровневых ФЛСП позволила впервые в дифракционной рентгеновской оптике создать действующий прототип сканирующего микроскопа на лабораторном источнике излучения. Использование в спроектированном сканирующем рентгеновском микроскопе шестиуровневых ФЛСП, обладающих экспериментально измеренной эффективностью до 80%, в схеме Киркпатрика-Баеза позволяет собирать около 40-60% падающего излучения в фокальном пятне.

В настоящее время действующий прототип сканирующего микроскопа имеет следующие характеристики: пространственное разрешение 3 х 6 мкм2; максимально возможное поле сканирования - 1 x 1 см2; минимально допустимый шаг сканирования - 0,2 мкм. Еще одной важной характеристикой данного прибора является значительная глубина резкости ~ 1 мм. Это позволяет использовать разработанный сканирующий рентгеновский микроскоп для исследования толстых образцов, а также, при соответствующем инструментальном и программном оснащении, осуществлять микротомографию различных объектов.

Рентгеновская in-line (Габоровская) голография

Рентгеновское излучение, обладающее высокой проникающей способностью, всегда привлекало внимание широкого круга исследователей как инструмент для определения внутренней структуры объектов. Однако, во многих практически важных случаях, высокая проникающая способность означает, что поглощение в данном объекте слабое и, следовательно, рентгеновское излучение претерпевает лишь фазовую модуляцию при рассеянии на объекте. Возможность непосредственно преобразовывать фазовую модуляцию излучения в видимое распределение интенсивности или, другими словами, получать фазоконтрастные изображения, в жестком рентгеновском излучении появилась сравнительно недавно. Она связана с появлением синхротронных источников III-го поколения, таких как ESRF, APS, Spring8. Вместе с тем, для широкого использования методов рентгеновского фазового контраста необходимо развивать аналогичные методы с применением лабораторных источников рентгеновского излучения. Но если, в силу свойств источника излучения, на синхротронах III-го поколения фазоконтрастные изображения получаются естественным образом, то для экспериментальной реализации схем рентгеновской in-line голографии в лабораторных условиях требуются серьезные усилия.

Классическая схема Габоровской голографии чрезвычайно проста: излучение, рассеянное объектом, интерферирует с опорной волной, проходящей вне объекта. Результирующее распределение интенсивности называют in-line голограммой. Для экспериментальной реализации этой схемы требуется "всего лишь" источник когерентного (или частично- когерентного) излучения и пространственно-чувствительный детектор. Один из предлагаемых нами подходов для решения поставленной задачи основывается на малоизвестном факте, что для получения фазоконтрастных изображений достаточно обеспечить только пространственную когерентность излучения. Другими словами, можно получать изображения фазовых объектов (объектов без поглощения), освещая их точечным полихроматическим источником. Другим методом решения поставленной задачи является использование рентгенооптических элементов для формирования вторичного источника излучения, обеспечивающего необходимую степень когерентности излучения. Таким источником может быть фокальная линия линзы скользящего падения или выходная апертура рентгеновского волновода.

Однако, несмотря на всю важность эксперимента в in-line голографии, он не решает поставленной задачи - определения трехмерного распределения комплексного показателя преломления. Если при регистрации изображений с амплитудным контрастом распределение интенсивности соответствует, по крайней мере, распределению модуля показателя преломления, то в случае фазоконтрастных изображений это уже не так. Поэтому в in-line голографии на первый план выходят теоретические методы анализа формирования изображения и, построенные на их основе, методы решения обратной задачи.