[发明专利]一种相位片型纳米聚焦单元及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬X射线聚焦光学元件及其设计方法，尤其涉及一种相位片型纳米聚焦光学元件，属于同步辐射光束线工程、同步辐射光学技术领域。

背景技术

同步辐射由于其高亮度、宽波谱、高准直性、脉冲性、以及良好的偏振特性，在材料科学、环境科学、生物医学、化学等领域应用广泛。同步辐射装置是高性能硬X射线的主要来源。硬X射线穿透力强，在X射线谱学分析、荧光分析、X射线衍射、X射线吸收与相位成像等很多领域应用广泛。在上述研究领域，微米尺度甚至纳米尺度的硬X射线聚焦光斑十分必要。

为了能在同步辐射光束线站上，利用聚焦透镜得到高通量、纳米尺度的硬X射线聚焦光斑，国际上的先进同步辐射装置的科研人员提出了多种聚焦装置。这些聚焦装置可分为三类：利用反射原理的反射镜，如K-B聚焦镜（文献：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.）；利用折射原理的折射透镜，如组合折射透镜（文献：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.）；利用衍射效应的衍射光学元件，如多层膜劳厄透镜（文献：Yan,H.and Y.S.Chu,Optimization of multilayer Laue lenses for a scanning X-ray microscope.Journal of Synchrotron Radiation,2013.20(1):p.89-97.）。

根据瑞利判据，聚焦光学系统的空间分辨率由FWHM=0.61λ/NA决定，其中NA为聚焦光学系统的数值孔径，且而硬X射线的波长与原子之间的距离相当，远小于可见光波段的波长，具有实现纳米尺度分辨率的可能性。但是由于在硬X射线波段，物质的折射率表示为其中δ为折射率与1的偏离量，β为吸收率；但由于物质与X射线的相互作用弱，使得δ与β分别为10^-5～10^-7、10^-7～10^-9量级，这使得物质对于硬X射线折射能力弱。单个聚焦光学元件，由折射效应、反射效应决定的数值孔径NA的上限为（文献：Evans-Lutterodt,K.,et al.,Single-element elliptical hard x-ray micro-optics.Opt.Express,2003.11(8):p.919-926.；文献：Susini,J.,Design parameters for hard x-ray mirrors:the European Synchroton Radiation Facility case.Optical Engineering,1995.34(2):p.361-376.）。这限制了NA的进一步增大，从而限制了聚焦系统的聚焦效果。以硅材料为例，由决定的可以获得的最小焦斑大小为20nm左右。为了实现纳米尺度的硬X射线聚焦，有必要使用新型的衍射聚焦光学元件突破NA不能超过的限制。