X射线波带片

综述了用于Ｘ射线聚焦、成像的光学元件———Ｘ射线菲涅耳波带片及近几年才出现的布拉格－菲涅耳波带片的历史背景、基本概念、基本特征和主要类型．同时介绍了当前国际上Ｘ射线波带片的主要制作方法及最新进展．     

X射线波带片的制作及其应用

波带片的低衍射效率限制其在可见光波段的使用,可是在Ｘ射线波段,波带片是唯一达到衍射极限的光学元件,因而引起人们的极大兴趣。本文介绍了当前国际上Ｘ射线波带片的主要制作方法及其应用,同时回顾了用于Ｘ射线聚焦、成像的光学元件——Ｘ射线菲涅耳波带片及近几年才出现的布拉格－菲涅耳波带片的历史背景、基本概念和主要类型。     

波带片的衍射(一)

一、引言 菲涅耳波带片①的衍射,揭示了利用衍射原理制造成像元件的可能性.然而由于制作上的困难、衍射效率低及存在多级像等原因,长期以来它没有得到很快的发展及实际应用.60年代以来全息透镜的研制和应用,使波带片在光学教学中占有了新的地位.但是,菲涅耳波带片为什么存在多个焦点?各焦点的位置和强度怎样?波带片与普通透镜的成像原理有何不同?这些问题在一般的光学教材中尚未见有严密而易于为大学生所接受的数学论证.本文从菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式出发,经过恰当的近似处理,求出了波带片沿轴线上的衍射场分布,然后对上述问题进行了讨…     

软X射线布拉格—非涅耳多层膜一维聚焦镜的近似理论设计

从动力学原理出发对Ｘ射线布拉格－菲涅耳多层膜－维聚焦镜的近似设计理论作了推导，给出了近似方程并对近似理论作了误差分析，同时给出了作者编制的数值化计算机程序系统的设计框图及其设计结果，也给出了多层膜膜系设计结果。     

软X射线布拉格-菲涅耳多层膜一维聚焦镜的近似理论设计

从动力学原理出发对Ｘ射线布拉格－菲涅耳多层膜一维聚焦镜的近似设计理论作了推导，给出了近似方程并对近似理论作了误差分析。同时给出了作者编制的数值化计算机程序系统的设计框图及其设计结果，也给出了多层膜膜系设计结果     

原子层沉积与聚焦离子束切片法制备X射线波带片

针对X射线波带片对大高宽比的应用需求,采用原子层沉积法在光滑的金属丝表面生长膜厚可高精度控制的多层膜环带结构,再利用聚焦离子束切片技术获得大高宽比的多层膜X射线波带片。采用复振幅叠加法设计了以Al₂O₃/HfO₂分别为明环和暗环材料的X射线波带片,实验上利用原子层沉积在直径为72μm的金丝表面交替沉积了10.11μm的Al₂O₃/HfO₂多层膜,环带数为356,总直径为92.22μm,最外环宽度为25 nm。通过聚焦离子束切割得到高为1.08μm、高宽比达43∶1的X射线多层膜菲涅耳波带片。该波带片应用于上海光源(BL08U1A)软X射线成像线站时,在1.2 keV X射线下实现聚焦成像功能,展现出利用该技术制备多层膜X射线波带片的潜力。     

菲涅耳衍射公式误差相位的讨论

根据波动光学的理论,对菲涅耳近场衍射公式误差相位的影响进行了分析。以单缝衍射为例,讨论了误差相位与计算精度的联系。结合菲涅耳线波带片焦面光强分布的计算,对比了菲涅耳衍射公式与基尔霍夫衍射公式的计算结果,说明在不满足误差相位近似条件下使用菲涅耳衍射公式带来的影响。最后对影响波带片焦面光强分布的几个因素进行了讨论。     

软X射线聚焦波带片制备工艺的研究

利用全息光刻和离子束刻蚀技术制作了用于软Ｘ射线聚焦和色散的三种参数的高精度菲涅耳波带片，给出了实验结果。     

水窗波段反射式偏振光学元件的设计和制作

水窗波段是软X射线进行生物活细胞显微成像的最佳波段,因此对于水窗波段偏振光学元件的研究有着非常重要的意义。用菲涅耳公式计算出在水窗波段内不同材料组合对应不同波长的最大反射率,模拟分析了多层膜周期和表界面粗糙度对多层膜偏振光学元件性能的影响。用超高真空磁控溅射镀膜设备,制作出2．40nm、3．00nm和4．30nm波长处W／B4C多层膜偏振元件,并用X射线衍射仪对元件的周期厚度进行了测量,得到的测量结果与设计值偏差很小,可以进行实际应用。为水窗波段反射式偏振光学元件的研究提供了理论依据,同时也为相应偏振光学元件的制备确定了合适的工艺参量。     

一种新的菲涅耳位相波带片

利用液晶分子取向的电场可控及光学各向异性的特点,设计了一种新型的菲涅耳痊相波带片,这种器件具有制作简单、造价低廉、抗划损的优点。     

软X射线Bragg-Fresnel二维聚焦镜的设计理论和方法

Ｘ射线Ｂｒａｇｇ－Ｆｒｅｓｎｅｌ元件是近十年发展起来的一种用于Ｘ射线波段的新型光学元件。本文介绍一种具有二维聚焦效能的Ｂｒａｇｇ－Ｆｒｅｓｎｅｌ元件的设计理论和方法。设计中采用衍射理论并用Ｃ语言编制计算机程序系统对衍射图形进行设计。对于使用波长１３．８ｎｍ，入射角５°，使用焦距２００ｍｍ的使用条件，设计结果为３５Ｍｏ／Ｓｉ双层多层膜，周期厚度７．１４ｎｍ，理论反射率约为６０％；衍射图形共４００个环带，最内环半宽度５２．５μｍ，最外环宽度１．３μｍ。     

Single resonance monolithic Fabry-Perot filters formed by volume Bragg gratings and multilayer dielectric mirrors

A new class of Fabry-Perot filters produced by a multilayer dielectric mirror deposited on top of a reflecting volume Bragg grating is described. The first fabricated prototype for the 852 nm region demonstrates a 30 pm bandwidth, 90+% transmission at resonance, and a good agreement with theoretical simulation.     

A linear Bragg–Fresnel optics fabricated for 1D focusing of 18 nm X-ray radiation

The theoretical and technique results of a 1D focusing linear Bragg–Fresnel optics working at 18 nm X-ray radiation are given in the present paper. A theoretical method describing its optical performances is introduced briefly, the parameters of the diffraction pattern are presented. The preparation of multilayer mirrors, the decision of X-ray absorber layer thickness and the fabrication process of the diffraction pattern are described. The studied results of thermal and chemical stabilities for Mo/Si multilayer structure are shown. Some measured results for the 1D focusing linear Bragg–Fresnel optics are given.     

Development of laser deposited multilayer zone plate structures for soft X-ray radiation

As a novel approach, the combination of pulsed laser deposition and focused ion beam was applied to fabricate different types of multilayer zone plate structures for soft X-ray applications. For this purpose, high quality non-periodic ZrO₂/Ti multilayers were deposited by pulsed laser deposition on planar Si substrates and on rotating steel wires with layer thicknesses according to the Fresnel zone plate law. Linear focusing optics were fabricated by cutting slices out of the multilayers by focused ion beam and placing them directly over pinholes within Si₃N₄ substrates. Additionally, it was shown that laser deposition of depth-graded multilayers on a wire is also a promising way for building up multilayer zone plates with point focus. First experiments using a table-top X-ray source based on a laser-induced plasma show that the determined focal length and spatial resolution of the fabricated multilayer Laue lens corresponds to the designed optic.     

双包层光纤光栅选频双包层光纤激光器

双包层光纤激光器中多采用法布里珀罗(F-P)线形腔结构,谐振腔为一只二向色镜和光纤端面菲涅耳反射镜(反射率约为4％)构成,这属于一种有缺陷的腔结构,其稳定性不好,产生激光的波长很难得到有效控制,后腔镜不能精确选择激光器的输出波长,激光器的输出谱线较宽。在某些对激光波长有明确要求的应用中,该结构会受到限制。采用布拉格光纤光栅作腔镜,利用其窄带滤波特性,可以得到窄线宽的激光输出,目前报道的作为腔镜的布拉格光纤光栅为在单包层光敏光纤上制作而成,然后分别将不同反射率的光纤光栅与双包层增益光纤熔接,这给腔镜与双包层光纤之间带来很大的耦合损耗,影响了激光器的功率输出。该文报道了用相位掩模法在双包层光纤芯上写入了布拉格光纤光栅,并把此光纤光栅做为后腔镜．对长度为10m、20m的D形掺Yb^3 双包层光纤激光器进行实验研究,在1058nm附近得到稳定的窄线宽激光输出,3dB带宽为0．329nm。激光器最大输出功率为570mW。最后对实验结果进行了理论分析。     

基于紫外纳米压印的菲涅耳透镜制作

针对传统聚光系统中菲涅耳透镜成本较高并且光强分布不均匀的弊端,提出了利用紫外纳米压印技术制作菲涅耳透镜的方法.利用几何光学的光线追迹理论,设计了菲涅耳透镜模具.采用自行研制的紫外纳米压印系统对模具进行压印,紫外曝光后制得薄膜菲涅耳透镜.在太阳光下进行了测试,测试结果表明,低成本、高聚光倍数和光强分布均匀的菲涅耳透镜是可以实现的.     

Monitoring the ultrafast electric field change at a mid-infrared plasma Bragg mirror

The electric field change of a femtosecond mid-infrared (MIR) pulse reflected by a new type of Bragg mirror is directly measured by time-resolved cross-correlation spectroscopy. The refractive-index contrast of the plasma Bragg mirror is achieved by use of different doping levels of only one type of semiconductor material (n(+) -doped GaAs and undoped GaAs). The direct measurement of the time dependence of the electric field of a reflected MIR pulse permits the observation of a noninstantaneous response of a Bragg mirror compared with a metallic surface, which is due to the penetration of the pulse into the multilayer structure.     

Design and characterization of extreme-ultraviolet broadband mirrors for attosecond science

A novel multilayer mirror was designed and fabricated based on a recently developed three-material technology aimed both at reaching reflectivities of about 20% and at controlling dispersion over a bandwidth covering photon energies between 35 and 50 eV. The spectral phase upon reflection was retrieved by measuring interferences in a two-color ionization process using high-order harmonics produced from a titanium: sapphire laser. We demonstrate the feasibility of designing and characterizing phase-controlled broadband optics in the extreme-ultraviolet domain, which should facilitate the manipulation of attosecond pulses for applications.     

低温退火的X射线W/Si多层膜应力和结构性能

W/Si多层膜反射镜在硬X射线天文望远镜中有重要应用. 为减小其应力对反射镜面形和望远镜分辨率的影响, 同时保证较高的反射率, 采用150, 175和200 ℃ 的低温退火工艺对采用磁控溅射镀制的W/Si周期多层膜进行后处理. 利用掠入射X射线反射测试和样品表面面形测试对退火前后W/Si多层膜的应力和结构进行表征. 结果表明, 在150 ℃ 退火3 h 后, 多层膜1级峰反射率和膜层结构几乎没有发生变化, 应力减少约27%; 在175 ℃ 退火3 h后, 多层膜膜层结构开始发生变化, 应力减少约50%; 在200 ℃退火3 h 后, 多层膜应力减小超过60%, 但1级布拉格峰反射率相对下降17%, 且膜层结构发生了较大变化. W, Si界面层的增大和相互扩散加剧是应力和反射率下降的主要原因.