[发明专利]一种消球差硬x射线聚焦光学元件及其设计方法

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，尤其涉及一种消球差的硬X射线聚焦光学元件及其设计方法，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

同步辐射具有高亮度、宽波谱、高准直性、脉冲性、以及良好的偏振特性，是材料科学、环境科学、生物医学、化学等领域不可缺少的高性能光源。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。

近年来，越来越多的同步辐射装置正在大力发展纳米尺度的硬X射线聚焦技术。例如日本Spring-8同步辐射设施利用K-B镜实现了硬X射线7nm的聚焦（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.），美国的先进光源（APS）利用多层膜劳厄透镜（MLL）实现了16纳米的聚焦(文献：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.)，欧洲同步辐射装置（ESRF）利用纳米聚焦组合折射透镜（CRL）实现了50纳米的聚焦(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.)。但是，以上三种纳米聚焦装置各有优缺点。K-B镜的优点是可以聚焦多色光、无色差，但是镜体长、面形精度难加工、难于安装和定位；多层膜劳厄透镜的优点是数值孔径大、衍射效率高、具备实现1纳米以下聚焦的潜力，但是透镜的接收孔径为几十微米量级，损失了大量的光通量，同时焦距短（几毫米），实际应用困难；组合折射透镜的优点是接收口径大、焦距长，但缺点是透镜材料对X射线的吸收强、聚焦效率低。

除了上述几种主要的硬X射线聚焦光学元件外，国际上的科研人员提出了另外一种硬X射线聚焦光学元件，即相位片型（Kinoform）折衍射聚焦透镜（文献；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.）。

相位片型聚焦透镜接收口径大，同时具有吸收最小化的特点，特别适合高效率硬X射线微纳聚焦。如图1所示，传统的相位片型聚焦透镜主要分为长透镜与短透镜两种类型（文献：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.）。其中短透镜的设计思路为：在投影近似下推导出透镜的面形，去除掉引起光场相位变化为整数倍的材料，得到台阶式的多个聚焦片段；将各个聚焦片段平移到一个平面上。但由于透镜的结构是在一定的近似条件下得到的；同时由于透镜结构是由多个聚焦片段组成的，因此存在波前相位误差，尤其是球差，影响聚焦性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种消球差的硬X射线聚焦单元及其设计方法，可以解决现有的相位片型透镜的面形带来的波前像差的畸变，及其对聚焦性能的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种消球差硬x射线聚焦光学元件，其特征在于包括多对折射单元，所述折射单元沿光轴对称且满足波带片定律分布，每对所述折射单元对入射光线能实现等光程差的聚焦，且不同对折射单元的聚焦光线之间满足等光程差。