一种消像差X射线复合折射透镜及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种消像差X射线复合折射透镜及其设计方法。本方法为：X光入射至CRL上的第一个面L1，根据费马原理推导出将入射光聚焦至f1的面L1及其厚度d1，f1>f；推导将经过面L1的光折射入空气并在空气中进一步聚焦至点f2的面L2及其厚度d2，f＜f2＜f1；通过L2的光重新回到空气中，推导将经过面L2的光折射入透镜材料并且在材料中进一步聚焦至点f3的面L3及其厚度d3，f＜f3＜f2；推导将经过L3的折射入空气并且在空气中进一步聚焦至点f4的面L4及其厚度d4，f＜f4＜f3；依此类推，直至第2*N个面L2N及其厚度d2N。本发明专利技术解决了传统CRL的像差问题，从而达到更好的聚焦效果。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及一种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、同步辐射光学领域。
技术介绍
：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，是材料学、环境学、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X射线的主要来源。X射线穿透能力强，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X射线聚焦光斑十分有必要。但是在X射线被发现之后的一百多年里，由于X射线在材料中的折射效应非常微弱，吸收效应很大，导致人们一度认为X射线的折射透镜是无法实现的。从而发展了其他的聚焦技术，比如利用X射线反射进行聚焦的KB镜[P.KirkpatrickandA.V.Baez,FormationofopticalimagesbyX-rays，J.Opt.Soc.Am,38,766-772(1948)]，利用X射线衍射进行聚焦的菲涅耳波带片[A.V.Baez,FresnelzoneplateforopticalimageformationusingextremeultravioletandsoftXradiation，J.Opt.Soc.Am.51，405-421(1961)]。直到1996年Snigirev等人使用低原子序数的材料制备出复合折射透镜(CRL)[A.Snigirevetal，Acompoundrefractivelensforfocusinghigh-energyX-rays，Nature,384,49-51(1996)]，解决了X射线在材料中折射效应微弱并且吸收大的问题，实现了X射线的一维折射聚焦。这种复合折射透镜是由一系列聚焦单元组合起来的。最早的X射线CRL是使用计算机控制的钻床在金属片上钻出的一系列的圆孔，这种圆形面形的透镜存在着严重的像差。随着加工技术的发展，出现了非球面的CRL，如使用抛物面形或者椭圆面形，可以在一定程度上消除像差。最常见的CRL为N个相同的聚焦单元的组合。有的聚焦单元为双面抛物线，有的聚焦单元为一侧平面另一侧为抛物面，例如文献[B.Lengeler，etal.，Imagingbyparabolicrefractivelensesinthehardx-rayrange,J.SynchrotronRad.(1999).6,1153-1167][AndrzejAndrejczuk，etal.，Aplanarparabolicrefractivenickellensforhigh-energyX-rays,J.SynchrotronRad.21,57(2014)]。无论由上述的哪一种聚焦单元组成的CRL，其N个聚焦单元均是相同的，X射线经过第一个透镜不产生像差，但是经过第一个透镜之后，光路相较于入射光线已经发生变化，后续使用相同的面形会引入像差。而且抛物面并非是将平行光或者点光源发出的发散光聚焦至一个点的完美解析面形。本专利技术设计的消像差CRL，每一个透镜的面形均严格按照入射到面形上的实际光线来设计，从而可以实现消像差。
技术实现思路
：针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种消像差X射线复合折射透镜及其设计方法。针对上面提到的两种聚焦单元，本专利技术的设计过程分别为：设所需CRL的焦距为f(定义从透镜的初始端至焦点的距离为焦距)，X射线在材料中的折射率为n(n＜1，空气的折射率为1)，CRL透镜的物理口径为D(-D/2＜y<D/2)，共有N个折射单元，即2*N个面组成。X光平行入射至CRL上。下面根据两种聚焦单元分别阐述：1.聚焦单元的两个面均有聚焦作用。(1)设平行光由空气入射到透镜(透镜材料折射率为n)的第一个面L1(即入射面)的最近的点处在x＝0平面。由于n＜1，根据费马原理推导出的面L1为一双曲面形，实际焦距应减掉透镜本身的厚度d1，于是可以将入射光聚焦至f1(f1>f)的面形表达式为同时，由x＝0时y＝D/2可以得到L1的厚度d1。(2)通过第一个面L1进入折射率为n的材料的光由平行光变为会聚光，其会聚点为(f1,0)。根据费马原理，可以将其折射入空气并在空气中进一步聚焦至点(f2,0)(f<f2＜f1)的面L2的表达式为这是一个四次曲线方程。将y＝D/2代入L2的表达式，求出x的值，取最小正数值xmin，则面形L2在x轴方向的厚度为d2＝xmin-d1。(3)通过第二个面L2的光重新回到空气中，为会聚点为(f2,0)的会聚光，同样根据费马原理，可以将其折射入透镜材料并且在材料中进一步聚焦至点(f3,0)(f＜f3＜f2)的面L3的表达式为这是一个四次曲线方程。其在x轴方向的厚度为d3，同时，当y＝D/2时，x＝d1+d2，带入上式，可得d3。(4)通过第三个面L3的光为会聚点为(f3,0)的会聚光，根据费马原理，可以将其折射入空气并且在空气中进一步聚焦至点(f4,0)(f＜f4＜f3)的面L4的表达式为这是一个四次曲线方程。其在x轴方向的厚度为d4，将y＝D/2代入L3的表达式，求出x的值，取最小正数值xmin，则面L3在x轴方向的厚度为d3＝xmin-d1-d2。(5)依此类推，直到第i个面形，若i为奇数，则光通过第i个面，由空气折射入材料中。通过第i-1个面的光为会聚点为(fi-1,0)的会聚光，经过面Li进入到材料中，将其进一步聚焦至焦点(fi,0)(f＜fi<fi-1)的面Li的表达式为其在x轴方向的厚度为di，同时，当y＝D/2时，x＝d1+d2+…+di-1，带入上式，可得di。若i为偶数，则光通过第i个面，由材料重新折射入空气中。通过第i-1个面的光为会聚点为(fi-1,0)的会聚光，经过面Li由材料进入到空气中，将其在空气中进一步聚焦至焦点(fi,0)(f＜fi＜fi-1)的面Li的表达式为其在x轴方向的厚度为di，同时，当y＝D/2时，代入Li的表达式，求出x的值，取最小正数值xmin，则面Li在x轴方向的厚度为di＝xmin-d1-d2-…-di-1。(6)当i＝2*N时，为透镜最后一个面，将会聚点为(f2N-1,0)的会聚光折射入空气并且进一步在空气中聚焦至焦点(f,0)(f<f2N-1)的面形L2N的表达式为其在x方向的厚度为d2N，当y＝D/2时，代入L2N的表达式，求出x的值，取最小正数值xmin，则面L2N在x轴方向的厚度为d2N＝xmin-d1-d2-…-d2N-1。(最后一个面和i为偶数是一致的，只不过f2N＝f)2.聚焦单元只有一个面有聚焦作用(第一个面不影响传播方向，第二个面聚焦)。(1)平行光入射。第一个聚焦单元的第一个面为平面。这时L1为x＝0平面。(2)通过第一个面L1的光由空气进入到折射率为n的材料中，仍然为平行光。根据费马原理，可以将其折射入空气中并且在空气中聚至点(f1，0)(f1＜f)的面L2的表达式为其为一椭圆面形。将y＝D/2代入L2的表达式，可以得到L2的厚度d1(取x最小的那个值)，即第一个聚焦单元的厚度。(3)通过第二个面L2的光由材料进入空气，并且变为会聚光，其波面为圆形，圆心位于点(f1,0)，不改变其传播方向的面L3的表达式为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消像差X射线复合折射透镜，包括N个聚焦单元，即2*N个面，X射线在复合折射透镜CRL中的折射率为n；其特征在于，沿入射方向，第一个面L1为一将入射光聚焦至f1的双曲面，d1为L1的厚度；第i个面Li为一将入射光聚焦至fi的四次曲面，di为Li的厚度，i＝2～2N；其中，CRL的焦距为f，第一个面L1的焦距为f1，f1>f；第一个面L1的面形表达式为i为奇数时，第i个面形Li的表达式为其厚度为di，f＜fi＜fi‑1；i为偶数时，第i个面形Li的表达式为xmin为满足Li表达式的x最小正数值，Li的厚度为di＝xmin‑d1‑…‑di‑1，f＜fi＜fi‑1。

【技术特征摘要】
1.一种消像差X射线复合折射透镜，包括N个聚焦单元，即2*N个面，X射线在复合折射透镜CRL中的折射率为n；其特征在于，沿入射方向，第一个面L1为一将入射光聚焦至f1的双曲面，d1为L1的厚度；第i个面Li为一将入射光聚焦至fi的四次曲面，di为Li的厚度，i＝2～2N；其中，CRL的焦距为f，第一个面L1的焦距为f1，f1>f；第一个面L1的面形表达式为i为奇数时，第i个面形Li的表达式为其厚度为di，f＜fi＜fi-1；i为偶数时，第i个面形Li的表达式为xmin为满足Li表达式的x最小正数值，Li的厚度为di＝xmin-d1-…-di-1，f＜fi＜fi-1。2.如权利要求1所述的消像差X射线复合折射透镜，其特征在于，CRL的口径为D，取-D/2＜y＜D/2、焦点fi的坐标为(fi，0)；当i为奇数时，将y＝D/2，x＝d1+d2+…+di-1代入面形Li的表达式得到厚度di；i为偶数时，将y＝D/2代入面形Li的表达式，求出满足Li表达式的x最小正数值xmin；根据x＝0时y＝D/2代入得到L1的厚度d1。3.如权利要求1或2所述的消像差X射线复合折射透镜，其特征在于，焦距f1＝2Nf，焦距fi＝2Nf/i。4.一种消像差X射线复合折射透镜，包括N个聚焦单元，即2*N个面，X射线在复合折射透镜CRL中的折射率为n；沿入射方向，每个聚焦单元的第一个面为一平面或圆面，第二个面为有聚焦功能的面，CRL的焦距为f；其特征在于，第一个聚焦单元的第一个面L1为一平面，第一个聚焦单元的第二个面L2的焦距为f1，f＜f1；第二个面L2的面形表达式为为第一个聚焦单元的厚度；i为3～2N中的奇数时，第i个面形Li为一将入射光聚焦至(f(i-1)/2,0)、半径为ri的圆面，其表达式为(x-f(i-1)/2)2+y2＝ri2，f(i-1)/2＜f(i-3)/2；i为3～2N中的偶数时，第i个面形Li为一将入射光聚焦至(fi/2,0)的四次曲面，其表达式为f＜fi/2＜fi/2-1，fi/2-1为面形Li-2的焦点。5.如权利要求4所述的消像差X射线复合折射透镜，其特征在于，CRL的口径为D，取-D/2＜y＜D/2、焦点fi的坐标为(fi，0)；将y＝D/2代入L2的表达式，取x最小的那个值为d1；i为3～2N中的奇数时，将x＝d(i-1)/2，y＝D/2代入Li的表达式，得到圆的半径从而的得到面Li的表达式；i为3～2N中的偶数时，将y＝D/2代入Li的表达式，取x最小正数值xmin，Li所属聚焦单元的厚度di/2＝xmin-d1-d2-…-di/2-1。6.一种消像差X射线复合折射透镜设计方法，其步骤为：1)设定所需复合折射透镜CRL的焦距为f，X射线在复合折射透镜CRL中的折射率为n，CRL透镜的物理口径为D，复合折射透镜CRL共有N个聚焦单元，即2*N个面组成；建立坐标系，取-D/2＜y＜D/2、焦点f的坐标为(f,0)；其中，每一聚焦单元的两个面均为有聚焦功能的面；2)X光入射至CRL上的第一个面L1，根据费马原理推导出将入射光聚焦至(f1,0)的面L1及其厚度d1，其中，f1>f；3)通过第一个面L1进入折射率为n的材料的光变为会聚光，其会聚点为(f1,0)；根据费马原理，推导将经过面L1的光折射入空气并在空气中进一步聚焦至点(f2,0)的面L2及其厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟伟，王家园，常广才，汤善治，刘静，李明，盛伟繁，刘鹏，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，厦门大学，
类型：发明
国别省市：北京;11