[发明专利]使用波带片将柱面波线光源聚焦为点光斑的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光线聚焦方法，尤其涉及一种柱面波线光源聚焦方法。

背景技术

X射线被广泛用于分析物质的形态、成分和结构等信息，目前同步辐射X射线微探针和显微技术已经成为探测物质微观世界、研究物质特性的强有力工具。基于第三代同步辐射装置的高性能X射线微纳探针已经被广泛用于高空间分辨的超灵敏元素分析、元素化学态分析和物质晶体结构的分析等，深入到生物、环境、材料、微电子和地球科学等众多的前沿领域。

空间分辨率是X射线显微成像技术最关键的技术指标之一。作为常规衍射光学元件，波带片已经被广泛用于实现亚微米尺度分辨率的X射线聚焦与成像。目前软X射线波带片已经实现了12nm的空间分辨[Chao,W.,Kim,J.,Rekawa,S.,Fischer,P.&Anderson,E.H.,Demonstration of 12nm resolution Fresnel zone plate lens based soft X-ray microscopy.Opt.Express 17,17669-17677(2009)]，硬X射线波带片也已经实现了小于50nm的空间分辨。

由于同步辐射光束线的特点，常常需要对垂直与水平方向上的光使用单独的光学元件进行处理(比如KB镜)。经过一系列光学元件之后，光在垂直与水平方向上的发散度、源距等参数往往会存在差异。以上海光源硬X射线微聚焦线站BL15U1为例，其是采用一个超环面镜对水平方向进行预聚焦，同时对垂直方向进行准直。为了能对两个方向同时聚焦，常规采用的方法是使用类似于KB镜对两个方向进行独立聚焦，而这种方法的调节过程很复杂。使用圆形波带片实现聚焦的光束线，通常都要保证源距足够大，这样使得垂直与水平方向的焦点位置之差小于景深，从而需要较长的光束线并使得有效使用光通量降低。对这个问题，有人尝试针对特定波长和特定的光束线研制了椭圆波带片来消除像差[H.Ade,C.H.Ko,and E.Anderson,″Astigmatism Correction in X-Ray-Scanning Photoemission Microscope with Use of Elliptic Zone Plate,″Appl Phys Lett 60,1040-1042(1992)]。但是上述解决方法只能针对特定的光束线的情况与特定的光子波长，不具备光子能量可调性。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用波带片将柱面波线光源聚焦为点光斑的方法，该方法可以使用波带片在不太长的光束线上，且水平与垂直方向上发散度有较大差异、源距不等的情况下对两个方向聚焦，将柱面波线光源聚焦为点光斑，并保证具有一定的能量可调性。

发明人经过对波带片聚焦的大量研究分析后发现：波带片聚焦时，对通过一任意半径处的环带的光，要保证所有的光从光源点到焦点处之间的光程差一致。而使用圆形波带片对正入射的柱面波线光源聚焦时，则不可避免使通过每一个环带的光的本身就存在额外的光程差。根据瑞利的四分之一波长定律，当波前失谐超过波长的四分之一时，聚焦效果就会明显变差。当波带片直径足够小时，其波前失谐并不是太明显，但这时波带片的数值孔径也非常小，意味着聚焦光斑很大；而在实际的波带片尺寸下，就必须要考虑波前失谐。

根据上述发明目的和发明构思，本发明提出了一种使用波带片将柱面波线光源聚焦为点光斑的方法，其包括下列步骤：

根据柱面波线光源的波长确定所使用波带片的焦距f:f=r₁²/λ，其中r₁为波带片第一环的半径(通常为μm量级，计算时单位统一为m)，λ为柱面波线光源的波长(对X射线，为nm量级，计算时单位统一为m)；

根据下述模型确定波带片的旋转角度θ：sin²θ＝f/(p+f)，其中为柱面波线光源的源距（波带片与柱面波线光源之间的距离p，其通常为m量级，计算时单位统一为m）；

将波带片放置在柱面波线光源的光路上，并绕着一旋转轴心按照上述旋转角度进行旋转，所述旋转轴心通过波带片的中心，并与柱面波线光源的光轴平行。

进一步地，在上述使用波带片将柱面波线光源聚焦为点光斑的方法中，还需要沿着光路方向在波带片的后方依次设置一中央挡块和一小孔光阑以阻挡直通光和除了一级衍射光以外其他级次的衍射光，所述中央挡块紧邻波带片设置，所述中央挡块的外径略大于小孔光阑的孔径。