Laue弯晶聚焦特性的光线追迹研究

由于可有效降低高热负载的影响, Laue弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30 keV以上)聚焦、 准直和单色化的最有效的光学元件.研究其聚焦光学特性,对发展高性能、高稳定的Laue弯晶单色器具有重要意义. 采用自行发展的光线追迹软件较为系统地研究了Laue弯晶的聚焦特性, 分析了入射光性质及弯晶参数对聚焦光斑、焦距、发散度等主要光学参数的影响. 结果表明,衍射能量越高,聚焦光斑越小,并趋于稳定值;弯曲半径越小,聚焦光斑越小, 并在其达到一阈值时得到聚焦光斑的极小值,之后随着弯曲半径的变小,由于像差等因素的影响, 聚焦光斑反而变大;晶体越厚,聚焦光斑越大,呈线性正比关系.对于衍射光发散度, 其随着衍射能量的增大而变小,并趋于稳定值;其与晶体曲率呈线性正比关系. 同时通过研究得到弯晶各参数的合理选择范围.     

GRIN光学中光线追迹的一种新方法

由哈密顿光学中的拉格朗日方程推出光线方程，用Runge—Kutta方法求解光线方程，给出光线追迹的新方法。     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

纯几何光线追迹的数值并行计算

二维光线追迹传输是光学传输工程模拟中的一个典型的数值计算问题，其计算非常复杂，随着离散化程度的增加，计算量也将极大地增加。考虑到更加复杂的全物理光线追迹模型传输结构和升级为三维光线追迹问题，其计算量更加庞大，计算时间更会剧增无疑，对此程序设计并行程序很有实际意义。     

衍射光学器件光线追迹公式的实验验证

本文介绍了一种衍射光学器件光线追迹的方法，并给出了计算公式。作为验证，在实验室里制作了具有连续相位的体全息器件，将其实际再现光斑与计算点列图进行比较。构造透射体全息片的物光为离轴的球面波，始于轴外点Ａ（０，１３２ｓｉｎ８°，－１３２ｃｏｓ８°），参考光为平面光束，其与Ｚ轴夹角为１７°。激光器采用氩离子激光器（Ｓｐｅｃｔｒａ－ｐｈｙｓｉｃｓＭｏｄｅｌ２０２０），波长４８８ｎｍ；干板感光胶为重铬酸明胶（ＤＣＧ），胶层厚为１５μｍ；通光口径３０ｎｍ。测试时把全息片放在干板的位置。挡住物光，让再现光以和参考光路相同的路径平行入射到全息片上，在全息片后垂直光轴放置毛玻璃片，平行光轴移动毛玻璃片，可观察到－１级衍射光的变化。在距离原点的距离分别为（ａ）４０ｍｍ，（ｂ）７０ｍｍ，（ｃ）８７ｍｍ，（ｄ）９５ｍｍ的地方用ＣＣＤ拍摄了衍射光的形状，与程序计算的点列图在形状和大小上都吻合     

失调光学系统光线追迹公式

本文借助坐标变换，对现有的光线追迹公式进行改进，推导出一套失调光学系统的光线追迹公式。利用该套公式可以计算出光学系统存在各种失调情况下的像差值。     

晶体器件中的光线追迹法

本文以Wollaston棱镜为例将作者原先提出的晶体中光线轨迹公式用于具有多个折射面的晶体器件,阐明公式中各物理量的计算方法,把它与坐标转换关系相结合,提出了一种较简单的光线追迹法,用以研究晶体器件的象差.为晶体器件设计提供了一种新方法.     

变折射率介质中光线追迹通用算法的研究

基于几何光学的光线折射和反射原理提出了变折射率介质中的光线追迹算法,给出了在光线追迹过程中进行递推的反射光线和折射光线的方向余弦方程;解决了空间中法线的确定和光线回转等问题。最后通过对多种不同的存在解析解的特殊折射率分布的数值解值和解析解值的比较,验证了算法的正确性,并且讨论了应用算法时应该注意的问题和算法中还有待解决的问题。该算法不但具有广泛的适用性,基本不受折射率分布的制约,而且其数值解精度达10^-5。该算法在变折射率介质的光学设计和空间成像补偿等方面有着广阔的应用前景。     

高收集率反射镜系统象质的光线追迹分析

最近沃森研制了一种高收集率反射镜系统[Cytometry 10,681—688(1989)],用以提高弱荧光探测的灵敏度。反射镜系统由一个椭球面象镜和球面后反射镜组成。荧光辐射样品放置在椭球体的一个焦点上,象成在另一个焦点上。本文用PC光线追迹程序评价了这种几何结构的象质。通过分析证实该系统有较高的收集率,但象质较差。讨论了较差象质对单分子探测的影响。     

用于空间相机设计的高精度光线追迹方法

空间光学系统在应用需求牵引下,向着大尺度、高精度、复杂化等方向发展,像差随着焦距与口径的增大呈幂指数增长,微小的误差扰动就会引起像质的大幅退化,因此对光线追迹算法的精度和稳定性提出了更严苛要求.本文从误差分析理论出发,提出了光线追迹精度表示模型,依据模型分析了计算过程误差来源,并设计了高精度光线追迹算法.数值仿真实验和典型空间相机设计案例结果表明,本文方法在精度上较原有方法提高了5—6个数量级,残差平均比Zemax小近3个数量级,数值稳定性也得到了极大提升.     

Characterization and on‐line adjustment of the sagittal‐bent Laue crystal profile

The sagittal‐bent Laue monochromator can provide an ideal way to focus high‐energy X‐ray beams. However, the anticlastic curvature induced by sagittal bending has a great influence on the crystal performance. Thus, characterizing the bent‐crystal shape is very important for predicting the performance of the bent‐crystal monochromator. In this paper the crystal profile is measured by off‐line optical metrology and on‐line X‐ray experiments. The off‐line results showed that the bent‐crystal surface could be well fitted to a saddle surface apart from a redundant cubic term which was related to the different couples applied on the crystal. On‐line characterization of the meridional and the sagittal radius of the bent crystal includes double‐crystal topography and ray‐tracing measurement. In addition, the double‐crystal topography experiment could be used as a quick diagnostic method for the bending condition adjustment. The sagittal radius of the bent crystal was characterized through a ray‐tracing experiment by using a particularly designed tungsten mask. Moreover, rocking curves under different bending conditions were measured as well. The results were highly consistent with analytical results derived from the elastic theory. Furthermore, radii along different vertical positions under various bending conditions were measured and showed a quadratic relationship between the vertical positions and the meridional radii.     

On the Theory of X-Ray Diffractional Laue Focusing on Two Bent Crystals

The Laue focusing of a spherical x-ray wave onto dynamical diffraction by a double-bent crystal system is studied. The geometrical equations of two-dimensional Laue focusing and the intensity distribution formula are derived. A high sensitivity of the two-dimensional Laue focusing to the crystal thickness and bending radii difference is revealed. It is shown that this sensitivity can be used to control the crystal thickness with accuracy up to 100 and bending radii up to 10^-2 m. The focusing process of the spherical wave inside crystals as well as in vacuum is investigated. The possibility of using the two-crystal Laue system as a lens for x-ray microscopy is studied. The spectral characteristics of a twice-diffracted wave are discussed. The spectral resolution is demonstrated to be 10⁶.     

一种变曲率面晶体X射线检测技术

在惯性约束聚变光谱诊断物理实验研究中,晶体衍射后X射线光谱信号较弱,需要高收光效率及宽频谱范围的光谱诊断仪器.在传统锥面弯曲晶体基础上提出变曲率弯晶多能点成像技术,该技术具有宽频谱范围、强聚焦能力、高光谱分辨的特点.在晶体衍射成像结构设计中,由于能够确保成像光线的旋转对称性,因此在原理上可消除传统弯晶X射线衍射成像像差.利用研制的变曲率面石英晶体对钛靶X射线源进行X射线聚焦检测,并与同种材料的平面晶体进行收光效率对比,实验结果表明该变曲率面石英晶体的收光效率可以达到平面石英晶体的100倍,检测X射线能量范围为4.51~5.14keV.该晶体谱仪结合X射线条纹相机能够检测宽频谱范围的微弱X射线信号,条纹相机探测面可与晶体检测光路方向垂直布局.     

Performance calculations of the X‐ray powder diffraction beamline at NSLS‐II

The X‐ray Powder Diffraction (XPD) beamline at the National Synchrotron Light Source II is a multi‐purpose high‐energy X‐ray diffraction beamline with high throughput and high resolution. The beamline uses a sagittally bent double‐Laue crystal monochromator to provide X‐rays over a large energy range (30–70 keV). In this paper the optical design and the calculated performance of the XPD beamline are presented. The damping wiggler source is simulated by the SRW code and a filter system is designed to optimize the photon flux as well as to reduce the heat load on the first optics. The final beamline performance under two operation modes is simulated using the SHADOW program. For the first time a multi‐lamellar model is introduced and implemented in the ray tracing of the bent Laue crystal monochromator. The optimization and the optical properties of the vertical focusing mirror are also discussed. Finally, the instrumental resolution function of the XPD beamline is described in an analytical method.     

三角形弯晶单色器的分光及聚焦特性研究

北京同步辐射装置（ＢＳＲＦ）的４Ｗ１Ｃ光束线用斜切角为１２．１６°的三角形Ｓｉ（１１１）、Ｓｉ（２２０）和Ｓｉ（４２２）晶体在衍射角为２３．６５°时选择０．２５２ｎｍ、０．１５４ｎｍ和０．０８９ｎｍ波长的单色Ｘ光．三角形晶体压弯成柱面，可实现单色光水平方向的聚焦，为漫散射实验站提供聚焦的单色Ｘ光．解析计算和ＳＨＡＤＯＷ软件包进行追踪的结果与实验测试结果符合得很好．     

斜钨矿结构钨酸铅晶体电子结构和光学的偏振性质研究

利用完全势缀加平面波局域密度泛函近似,计算了完整的白钨矿结构和斜钨矿结构的钨酸铅（PbWO4）晶体的电子结构;模拟计算了复数折射率、介电函数及吸收光谱的偏振特性。分析了各个吸收光谱的峰值所对应的可能的电子跃迁以及钨酸铅晶体的偏振特性。钨酸铅晶体的光学性质的各向异性反映了钨酸铅晶体的品格结构的各向异性。计算结果表明：斜钨矿结构的钨酸铅晶体的光学性质与白钨矿结构的钨酸铅的光学性质之间存在明显的差异。这说明钨酸铅晶体是一种结构敏感的晶体;计算结果为研究钨酸铅晶体的光学性质与晶体结构之间的关系提供理论基础。     

含铅空位PbWO4晶体光学性质的模拟计算

为了研究钨酸铅晶体中铅空位对光学性质的影响,利用完全势缀加平面波局域密度泛函近似,按照能量最低原理采用共轭梯度方法,对含铅空位的PbWO4(PWO)晶体进行结构优化处理。计算了含铅空位的PWO晶体的电子结构、复数折射率、介电函数及吸收光谱,并与完整的PWO晶体进行了比较。结果表明：完整的PWO晶体在可见和近紫外区域内无吸收,而含铅空位的PWO晶体在可见和近紫外区域出现2个明显的吸收峰,这2个吸收峰可分解成4个高斯线型的吸收带,它们的峰值分别为350nm、405nm、550nm和670nm。可以得出这样的推论：PWO晶体中350nm、420nm、550nm和670nm吸收带的出现都与铅空位的存在有关。     

Quantitative performance measurements of bent crystal Laue analyzers for X‐ray fluorescence spectroscopy

Third‐generation synchrotron radiation sources pose difficult challenges for energy‐dispersive detectors for XAFS because of their count rate limitations. One solution to this problem is the bent crystal Laue analyzer (BCLA), which removes most of the undesired scatter and fluorescence before it reaches the detector, effectively eliminating detector saturation due to background. In this paper experimental measurements of BCLA performance in conjunction with a 13‐element germanium detector, and a quantitative analysis of the signal‐to‐noise improvement of BCLAs are presented. The performance of BCLAs are compared with filters and slits.     

CsLiB6O10晶体光学参变振荡器的光学特性

根据三波耦合过程中的能量和动量守恒、晶体的塞耳迈耶尔色散方程,通过数值模拟计算了213nm作CLBO光学参变振荡抽运源时,分别得到了在Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配时参量光调谐范围为237～289nm、807～2793nm和404～2800nm。获得了在Ⅰ类匹配时的单谐振或双谐振腔的CLBO光学参变振荡转换效率都大于同等条件下的BBO光学参变振荡,Ⅱ类匹配时,CLBO晶体的转换效率略小于BBO晶体,但是CLBO光学参变振荡转换效率的最大值较BBO光学参变振荡出现于更短的紫外波段。从理论上证明了CLBO晶体是优质的深紫外透光波段非线性光学晶体。