[發明專利]一種消球差硬x射線聚焦光學元件及其設計方法

有效

• 申請號: 201310595274.5
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103559927A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 廖可梁;盛偉繁;梁好;李明
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: G21K1/06
• 分類號: G21K1/06
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發明涉及一種硬X射線聚焦光學元件及其設計方法，尤其涉及一種消球差的硬X射線聚焦光學元件及其設計方法，屬于同步輻射光束線工程、同步輻射光學技術領域。

背景技術

同步輻射具有高亮度、寬波譜、高準直性、脈沖性、以及良好的偏振特性，是材料科學、環境科學、生物醫學、化學等領域不可缺少的高性能光源。同步輻射裝置是高性能硬X射線的主要來源。硬X射線穿透力強，在X射線譜學分析、熒光分析、X射線衍射、X射線吸收與相位成像等很多領域應用廣泛。在上述研究領域，微米尺度甚至納米尺度的硬X射線聚焦光斑十分必要。

近年來，越來越多的同步輻射裝置正在大力發展納米尺度的硬X射線聚焦技術。例如日本Spring-8同步輻射設施利用K-B鏡實現了硬X射線7nm的聚焦（文獻：Yamauchi,K.,et?al.,Single-nanometer?focusing?of?hard?x-rays?by?Kirkpatrick–Baez?mirrors.Journal?of?Physics:Condensed?Matter,2011.23(39):p.394206.），美國的先進光源（APS）利用多層膜勞厄透鏡（MLL）實現了16納米的聚焦(文獻：Kang,H.C.,et?al.,Nanometer?Linear?Focusing?of?Hard?X?Rays?by?a?Multilayer?Laue?Lens.Physical?Review?Letters,2006.96(12):p.127401.)，歐洲同步輻射裝置（ESRF）利用納米聚焦組合折射透鏡（CRL）實現了50納米的聚焦(文獻：Schroer,C.G.,et?al.,Hard?x-ray?nanoprobe?based?on?refractive?x-ray?lenses.Applied?Physics?Letters,2005.87(12):p.124103-124103-124103.)。但是，以上三種納米聚焦裝置各有優缺點。K-B鏡的優點是可以聚焦多色光、無色差，但是鏡體長、面形精度難加工、難于安裝和定位；多層膜勞厄透鏡的優點是數值孔徑大、衍射效率高、具備實現1納米以下聚焦的潛力，但是透鏡的接收孔徑為幾十微米量級，損失了大量的光通量，同時焦距短（幾毫米），實際應用困難；組合折射透鏡的優點是接收口徑大、焦距長，但缺點是透鏡材料對X射線的吸收強、聚焦效率低。

除了上述幾種主要的硬X射線聚焦光學元件外，國際上的科研人員提出了另外一種硬X射線聚焦光學元件，即相位片型（Kinoform）折衍射聚焦透鏡（文獻；Evans-Lutterodt,K.,et?al.,Using?Compound?Kinoform?Hard-X-Ray?Lenses?to?Exceed?the?Critical?Angle?Limit.Physical?Review?Letters,2007.99(13):p.134801.）。

相位片型聚焦透鏡接收口徑大，同時具有吸收最小化的特點，特別適合高效率硬X射線微納聚焦。如圖1所示，傳統的相位片型聚焦透鏡主要分為長透鏡與短透鏡兩種類型（文獻：Snigireva,I.,et?al.,Holographic?X-ray?optical?elements:transition?between?refraction?and?diffraction.Nuclear?Instruments?and?Methods?in?Physics?Research?Section?A:Accelerators,Spectrometers,Detectors?and?Associated?Equipment,2001.467–468,Part2(0):p.982-985.）。其中短透鏡的設計思路為：在投影近似下推導出透鏡的面形，去除掉引起光場相位變化為整數倍的材料，得到臺階式的多個聚焦片段；將各個聚焦片段平移到一個平面上。但由于透鏡的結構是在一定的近似條件下得到的；同時由于透鏡結構是由多個聚焦片段組成的，因此存在波前相位誤差，尤其是球差，影響聚焦性能。

發明內容

本發明目的在于提供一種消球差的硬X射線聚焦單元及其設計方法，可以解決現有的相位片型透鏡的面形帶來的波前像差的畸變，及其對聚焦性能的影響。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種消球差硬x射線聚焦光學元件，其特征在于包括多對折射單元，所述折射單元沿光軸對稱且滿足波帶片定律分布，每對所述折射單元對入射光線能實現等光程差的聚焦，且不同對折射單元的聚焦光線之間滿足等光程差。