基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜表征X射线光源参数

X射线光源的焦斑尺寸和焦深对X射线光谱学,尤其是对于微区X射线衍射与荧光分析等领域十分重要的参数。如何高效而准确的表征这些参数对于X射线光源的应用和发展至关重要。现有的光源参数表征方法,尤其在表征微焦斑光源的参数时,都存在自身的局限性。锥形单玻璃管X射线聚焦镜是一种常用的X射线聚焦器件。根据锥形单玻璃管X射线聚焦镜滤波特性和几何特点,分析得到聚焦镜的聚焦光能量上限的大小受到光源焦斑尺寸的影响,提出这个能量上限与光源尺寸和光源到聚焦镜入口的距离之间的数学关系。设计了一种基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数的方法。对锥形单玻璃管X射线聚焦镜的参数进行测量和确定后,将聚焦镜放置要测量的光源前,与光源形成聚焦光路。在光路准直并确保只有在聚焦镜内发生单次全反射的X射线射出聚焦镜的情况下,通过改变聚焦镜与光源焦斑距离并利用能谱探测系统来探测聚焦光并得到多个对应的聚焦光能谱。对所得能谱进行计算与分析,得到各能谱中的能量最大值,即聚焦光的能量上限。利用聚焦光能量上限、光源焦斑尺寸和光源到聚焦镜的距离之间的关系并结合线性拟合法,可同时得到光源焦斑尺寸和焦深。选用制造商给出焦斑尺寸约60 μm,焦深为20 mm的微焦斑钼靶光源作为测量对象,利用基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征方法测量的结果为焦斑尺寸为60.1 μm,焦深为19.7 mm。用小孔成像法表征该光源焦斑尺寸为60.3 μm,焦深为20.1 mm。相较于现有的方法,基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数方法对表征微焦斑光源有一定优势,对表征高能X射线光源有潜在发展和利用价值。     

EP-FXT聚焦镜真实表面状态的性能模拟方法

后随X射线望远镜(follow-up X-ray telescope, FXT)是爱因斯坦探针卫星的主要载荷之一.为了获取高信噪比的数据,实现对观测天体的高精度定位, FXT使用Wolter-Ⅰ型X射线聚焦光学系统,该系统一直是X射线空间天文观测中的重要设备.根据Wolter-Ⅰ型的聚焦原理,结合实际的加工特点,利用蒙特卡罗模拟算法对影响光学成像质量的几个关键参量,如表面粗糙度、面形误差进行了模拟,结合模拟结果对各参量的作用效果进行了分析.之后利用PANTER实验室提供的聚焦镜性能测试结果对模拟方法进行了验证,同时对面形误差参量进行了限制.最终聚焦镜结构热控件半能量宽度(half energy width, HEW)模拟与实测结果基本一致.该模拟过程可以很有效地应用于聚焦镜加工工艺的摸索,为FXT的聚焦镜测试和标定工作提供参考.结合实测标定数据,该模拟方法生成的有效面积、渐晕和点扩散函数等可用于在轨观测标定数据库.     

离轴90°抛物面镜焦斑特性分析

随着离轴抛物面反射聚焦镜在激光加工领域的广泛应用,如何提高其聚焦光斑质量成为一个嗫需解决的问题.理论上,抛物面反射聚焦方式可以消除球差的影响,得到高质量的聚焦光斑.但是抛物面反射镜是最难调整的反射镜系统之一,对光轴失准的敏感度极高.细微的失准引发的像散将大大降低焦斑的光强.为了深化对其的认识,通过几何光学和物理光学的方法,对离轴90°抛物面镜应用于激光聚焦光路时,光轴的角度失准对聚焦光斑造成的影响进行分析.结果表明,细微的角度失准将导致焦斑面积大大增加,从而大大降低了焦斑的光强.并通过二阶矩法证明了角度失准将导致抛物面镜焦平面附近产生一对互相垂直的焦线,同时证明了两焦线所处z平面与焦点F的绝对距离相等,并与入射偏角θ呈线性关系.焦线的存在使入射高斯光束转变为椭圆高斯光,降低了焦面处的峰值光强.抛物面镜对角度失准的敏感度非常高,几个mrad的失准角将导致焦面处的峰值光强下降一半.     

爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜的粒子污染仿真

X射线聚焦镜是一种对粒子污染物颗粒极其敏感的设备,通常依靠控制地面各流程的污染物积累来限制其影响.本文根据粒子污染物的特点,结合Mie散射理论构建了聚焦镜片上的粒子污染颗粒物与入射X射线光子的相互作用模型.在此基础上,结合蒙特卡罗法进行光线追迹工作,构建出爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜的粒子污染仿真程序.通过仿真计算得到入射X射线光子与粒子污染物相互作用时的反应截面与散射角分布函数.这两个量与粒子污染物的尺度相关联,本文将聚焦镜片样本上粒子污染颗粒尺度分布的测量结果进行拟合,得到粒子污染尺度分布.根据上述结果进行仿真计算,得到粒子污染物密度与聚焦镜的有效面积和角分辨的关系,并使用防污染监测数据和爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜性能测试数据验证了仿真结果的可靠性.对爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜粒子污染的仿真实现了对粒子污染物影响的定量分析,明确了粒子污染物对聚焦镜各方面性能的具体影响,为防污染工作提供了理论支持.     

多层嵌套式X射线聚焦光学器件

针对X射线脉冲星导航与X射线空间通信的需求,对多层嵌套式X射线聚焦光学器件进行研制与实验标定。根据掠入射原理,对聚焦透镜进行理论设计,确定聚焦透镜的关键参数。讨论聚焦透镜的材料、镀膜等研制工艺。分别在可见光与X射线条件下测试了聚焦透镜的性能参数。结果表明测得可见光焦斑直径为14mm,X射线焦斑直径为20mm,在10m真空管道中测得光子能量为1.5keV时聚焦效率为30.2%,有效面积为2400mm2。     

用于超薄反射镜热成形的Pt、Pt/Cr分离膜

针对热弯玻璃成形法制备高精度超薄反射镜时Pt分离膜造成的镜片污染问题,研究了Pt/Cr分离膜中不同Cr层厚度对热成形超薄反射镜玻璃基底表面粗糙度的影响.采用厚度为0.3 mm的Schott D263玻璃作为超薄反射镜基底材料,选取Pt、Pt/Cr作为模具和D263镜片之间的分离层材料进行实验.Pt薄膜的厚度为50nm,Cr层厚度分别为5nm、3.5nm、2.5nm、1.5nm,热成形实验采用"直接"复制方式.实验结果表明:Cr层厚度为1.5nm时,成形后模具表面分离膜未发生脱落,镜片表面粗糙度约为0.5nm,与D263镜片初始值接近,能够满足高能X射线望远镜对反射镜基底表面粗糙度的要求.     

Angel型平面龙虾眼光学器件微孔统计特性测试和分析

为了研究Angel型平面龙虾眼光学器件微孔统计特性对聚焦成像性能的影响,研发了一套点对点的真空X射线束流测试装置,采用微焦斑X射线束对研制的光学器件进行了聚焦成像测试。通过利用刀口狭缝系统对平面龙虾眼光学器件进行二维扫描测试,发现光学器件的不同区域存在不同程度的Tilt型工艺缺陷;基于蒙特卡罗软件模拟了Tilt工艺缺陷对聚焦成像的影响。实验结果表明:实验所采用的平面龙虾眼光学器件能在3650 mm焦距处将入射的X射线束会聚成清晰的十字图像,焦斑最大半峰全宽约为4.63 mm,对应的角分辨率最大约为4.36′,点扩展函数的不均匀性约为33.7%。模拟结果表明:Tilt型工艺缺陷会导致中心亮斑强度下降,十字线弥散、不连续,二次焦斑畸变,成像质量变差。     

多层嵌套掠入射光学系统研制及在轨性能评价

X射线掠入射光学系统是我国首颗脉冲星导航试验卫星主载荷聚焦型脉冲星探测器的核心部件,在增大探测面积、提高探测器灵敏度方面发挥着重要作用,实现了国内首次在轨验证.针对脉冲星导航探测X射线光子到达时间的特点,开展了基于单次抛物面镜反射的掠入射聚焦光学系统设计,通过理论计算与推导,获得了可制造的光学系统反射镜设计参数,光学系统理论有效面积为15.6 cm~2@1 keV,对设计的光学系统进行了聚焦性能仿真,全视场范围内均满足探测器聚焦要求,开展电铸镍复制工艺研究,完成了芯轴的超精密控形加工,在此基础上制造了4层金属反射镜,利用北京同步辐射4B7B光束线测试了各层反射镜的反射率,基于实测反射率的光学系统有效面积为13.2 cm~2@1 keV.最后基于在轨观测数据,评价得到光学系统的有效面积为4.22 cm~2@1 keV,分析了地面标定有效面积与在轨评价有效面积存在差别的原因,验证了设计、仿真与制造方法的正确性,为大面积掠入射光学系统的研制奠定了基础.     

X射线聚焦望远镜光学设计

X射线聚焦望远镜是X射线空间观测的重要设备,针对X射线聚焦望远镜光学设计工作,采用掠入射原理对X射线进行聚焦,利用蒙特卡罗算法仿真镜片面型和粗糙度对角分辨率影响,并确定了不同分辨率水平对镜片面型的不同需求;对X射线聚焦望远镜有效面积进行分析,并确定了膜层结构、层数与有效面积的关系,最终完成了焦距5.25 m、嵌套层数45层,有效面积为842和563 cm~2@6 keV的X射线聚焦望远镜设计.     

Angel型龙虾眼X射线光学器件的研制及性能测试

Angel型龙虾眼X射线光学器件是一种新型X射线聚焦成像器件,具有独特的4π立体角聚焦能力和最佳有效面积-重量比,是未来最具有运用前景的X射线成像光学系统之一。依据龙虾眼的结构特性,采用微通道板方孔阵列制作技术成功研制了龙虾眼光学器件。采用Zygo干涉仪、条纹反射面型仪以及X射线束流检测设备对龙虾眼光学器件球面成型精度和聚焦成像特性进行了测试。测试结果表明:微孔光学器件的球面面型精度均方根为0.72μm,峰谷值为2.27μm,曲率半径约为752.3 mm。在电压为2 kV,电流为50μA条件下,横轴和纵轴的焦斑半峰全宽的直径约为0.39 mm和0.42 mm,对应的成像角分辨率分别为3.65 arcmin和3.93 arcmin。     

Imaging and quality assessment of high-harmonic focal spots

We present a direct method of studying the focusability of an intense, short-pulse extreme-ultraviolet (XUV) beam obtained by high-harmonic generation. We perform near-field imaging of the focal spot of five high-harmonic orders strongly focused by a broadband toroidal mirror. To visualize the focal spot directly, we image the fluorescence induced by an XUV beam on a cerium-doped YAG crystal on a visible CCD camera. We can thus measure the harmonic spot size on a single image, together with the Strehl ratio, to evaluate the quality of focusing. Such techniques should become instrumental in optimizing the focusing conditions and reaching intensities required for exploring attosecond nonlinear optics in the XUV range.     

Isotropic diffraction-limited focusing using a single objective lens

Focusing a light beam through a lens produces an anisotropic spot elongated along the optical axis, because the light comes from only one side of the focal point. Using the time-reversal concept, we show that isotropic focusing can be realized by placing a mirror after the focal point and shaping the incident beam. This idea is applied to confocal microscopy and brings about a dramatic improvement of the axial resolution.     

Two-photon fluorescence isotropic-single-objective microscopy

Two-photon excitation provides efficient optical sectioning in three-dimensional fluorescence microscopy, independently of a confocal detection. In two-photon laser-scanning microscopy, the image resolution is governed by the volume of the excitation light spot, which is obtained by focusing the incident laser beam through the objective lens of the microscope. The light spot being strongly elongated along the optical axis, the axial resolution is much lower than the transverse one. In this Letter we show that it is possible to strongly reduce the axial size of the excitation spot by shaping the incident beam and using a mirror in place of a standard glass slide to support the sample. Provided that the contribution of sidelobes can be removed through deconvolution procedures, this approach should allow us to achieve similar axial and lateral resolution.     

电场作用下的变焦非球面液滴微透镜

提出了一种制作变焦非球面液滴微透镜并在线检测其光学性能的新方法。在实时进行光学检测的条件下,选择光固化材料,利用电场作用操控液滴透镜的面形实现变焦,在检测到较好的透镜面形和聚焦状态时,采用紫外光固化技术使液滴透镜固化,可制作具有良好光学成像和聚焦性能的非球面微透镜。研制了紫外光固化非球面液滴微透镜制作平台及在线检测系统,实验观察并讨论了液滴透镜面形和聚焦光斑随电场作用的变化规律,成功实现了液滴透镜的变焦,并获得了良好的非球面面形和聚焦光斑,证明了用此方法制作高成像性能的非球面微透镜的可行性。     

连续相位板远场焦斑能量集中度实验研究

在惯性约束聚变（ICF）研究过程中,焦面上聚焦光斑形态要求极为苛刻。基于离线测试平台,从实验上研究了各种应用误差对连续相位板（CPP）远场焦斑能量集中度的影响。得出光束旋转误差、口径误差、平移误差和倾斜误差在可控范围内CPP远场焦斑能量集中度均高于95%,其波动范围小于0.5%,CPP的容忍度较强。而实验畸变波前属于空间频率小于0.02 mm-1的低频波前,严重影响了CPP的整形能力,波前畸变是影响能量集中度高于90%的主要因素。     

实现ICF束匀滑的二元光学器件设计与制作

 采用爬山法和模拟退火法相结合的混合优化算法,设计得到了二元光学器件的良好位相结构;基于高斯分布随机信号模型,分析了二元光学器件对输入波面位相畸变的宽容度。首次针对波长λ＝1.053μm研制了φ10mm的连续位相二元光学器件,并通过多级衰减片及CCD实现了焦斑光强分布测量,结果表明得到了边缘陡峭、旁瓣小、中心主瓣具有一定均匀性、且没有中心零级锐脉冲的焦斑光强分布。     

A method for measuring the thickness of transparent oil film on water surface using laser trigonometry

We present a method for measurement of thickness of transparent oil film on water surface based on laser trigonometry. With an oblique incident mode of single-point laser triangulation ranging system, laser light is incident on the upper and lower surfaces of the oil film being measured and an ellipse light spot is formed on the upper and lower surfaces of the oil film. The two light spots are imaged on an image plane CCD by an imaging lens and the image spot is formed and stored in a computer. The thickness of oil film being measured can be obtained by displacement of the image spot and the configuration parameter of the imaging system. The experiment is conducted using edible peanut oil and diesel oil. The research results show that the method presented in this paper is feasible and applicable to dynamic on-line measurement of oil film thickness of oil spill on sea surface.     

径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离子体激元透镜

表面等离子体激元透镜(plasmonic lens, PL)是一种通过激发和操控表面等离子体激元 (SPPs), 突破衍射极限, 实现亚波长紧聚焦的纳米光子器件. 如何实现高效率的紧聚焦及调控, 一直是研究PL的重点. 如果选取电矢量沿径向振动的径向偏振光作为PL的入射光, 可从各个方向激发SPPs, 提高紧聚焦的能量效率. 本文提出了一种在径向偏振光激发下的长焦深、长焦距、亚波长紧聚焦的表面等离子体激元透镜, 该透镜由中心T 形微孔、阶梯形同心环和同心环结构组成. 本文首先利用有限元方法数值分析了中心微孔-同心环结构透镜的聚焦特性, 结果显示径向偏振光由底部入射可高效激发SPPs, 并且中心微孔透射光与散射至自由空间的SPPs由于多光束干涉形成了紧聚焦. 为进一步压缩焦斑、增加焦距、加深焦深、改善透镜聚焦特性, 本文引入中心T形微孔-阶梯形同心环结构, 从而对阶梯表面的SPPs同时提供了相位调制和传播方向的控制. 经过参数优化, 该透镜结构实现了光斑焦深、半高宽、焦距分别是入射光波长的2.5倍、0.388 倍、3.22倍的亚波长紧聚焦; 而且该透镜具有结构紧凑、尺寸小、易于集成的优点, 满足了纳米光子学对于器件微型化和高度集成化的要求. 该研究结果在纳米光子集成、近场光学成像与探测、纳米光刻等相关领域具有潜在的应用价值.     

Method for computing the intensity distribution in the image plane of an aberration-free lens with allowance for the wave properties of light

For the Gaussian model of a lens, a Green-function-based method is proposed to compute the intensity distribution in the lens image plane. The method is used to accomplish several test tasks, which include the simulation of the image of a square area, the diffraction by an infinitely long slit, the focusing of a convergent wave with a Gaussian amplitude profile in the focal waist region, and the image of a surface representing an analog of a diffraction grating. After a suitable modification, the method can serve for simulating the propagation of light waves within a real lens and for solving other applied problems.     

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。