專(zhuān)利名稱(chēng):使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光線(xiàn)聚焦方法，尤其涉及一種柱面波線(xiàn)光源聚焦方法。
背景技術(shù)：
X射線(xiàn)被廣泛用于分析物質(zhì)的形態(tài)、成分和結(jié)構(gòu)等信息，目前同步輻射X射線(xiàn)微探針和顯微技術(shù)已經(jīng)成為探測(cè)物質(zhì)微觀(guān)世界、研究物質(zhì)特性的強(qiáng)有力工具?；诘谌捷椛溲b置的高性能X射線(xiàn)微納探針已經(jīng)被廣泛用于高空間分辨的超靈敏元素分析、元素化學(xué)態(tài)分析和物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的分析等，深入到生物、環(huán)境、材料、微電子和地球科學(xué)等眾多的前沿領(lǐng)域。
空間分辨率是X射線(xiàn)顯微成像技術(shù)最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一。作為常規(guī)衍射光學(xué)元 件，波帶片已經(jīng)被廣泛用于實(shí)現(xiàn)亞微米尺度分辨率的X射線(xiàn)聚焦與成像。目前軟X射線(xiàn)波帶片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 12nm 的空間分辨[Chao, ff. , Kim, J. , Rekawa, S. , Fischer, P. Mnderson, E.H. , Demonstration of 12nm resolution Fresnel zone plate lens based soft X-raymicroscopy. Opt. Express 17, 17669-17677 (2009)]，硬 X 射線(xiàn)波帶片也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小于50nm的空間分辨。
由于同步輻射光束線(xiàn)的特點(diǎn)，常常需要對(duì)垂直與水平方向上的光使用單獨(dú)的光學(xué)元件進(jìn)行處理(比如KB鏡)。經(jīng)過(guò)一系列光學(xué)元件之后，光在垂直與水平方向上的發(fā)散度、源距等參數(shù)往往會(huì)存在差異。以上海光源硬X射線(xiàn)微聚焦線(xiàn)站BL15U1為例，其是采用一個(gè)超環(huán)面鏡對(duì)水平方向進(jìn)行預(yù)聚焦，同時(shí)對(duì)垂直方向進(jìn)行準(zhǔn)直。為了能對(duì)兩個(gè)方向同時(shí)聚焦，常規(guī)采用的方法是使用類(lèi)似于KB鏡對(duì)兩個(gè)方向進(jìn)行獨(dú)立聚焦，而這種方法的調(diào)節(jié)過(guò)程很復(fù)雜。使用圓形波帶片實(shí)現(xiàn)聚焦的光束線(xiàn)，通常都要保證源距足夠大，這樣使得垂直與水平方向的焦點(diǎn)位置之差小于景深，從而需要較長(zhǎng)的光束線(xiàn)并使得有效使用光通量降低。對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有人嘗試針對(duì)特定波長(zhǎng)和特定的光束線(xiàn)研制了橢圓波帶片來(lái)消除像差[H. Ade, C. H. Ko, and E. Anderson, " Astigmatism Correction in X-Ray-ScanningPhotoemission Microscope with Use of Elliptic Zone Plate, " Appl Phys Lett60，1040-1042(1992)]。但是上述解決方法只能針對(duì)特定的光束線(xiàn)的情況與特定的光子波長(zhǎng)，不具備光子能量可調(diào)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法，該方法可以使用波帶片在不太長(zhǎng)的光束線(xiàn)上，且水平與垂直方向上發(fā)散度有較大差異、源距不等的情況下對(duì)兩個(gè)方向聚焦，將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑，并保證具有一定的能量可調(diào)性。
發(fā)明人經(jīng)過(guò)對(duì)波帶片聚焦的大量研究分析后發(fā)現(xiàn)波帶片聚焦時(shí)，對(duì)通過(guò)一任意半徑處的環(huán)帶的光，要保證所有的光從光源點(diǎn)到焦點(diǎn)處之間的光程差一致。而使用圓形波帶片對(duì)正入射的柱面波線(xiàn)光源聚焦時(shí)，則不可避免使通過(guò)每一個(gè)環(huán)帶的光的本身就存在額外的光程差。根據(jù)瑞利的四分之一波長(zhǎng)定律，當(dāng)波前失諧超過(guò)波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，聚焦效果就會(huì)明顯變差。當(dāng)波帶片直徑足夠小時(shí)，其波前失諧并不是太明顯，但這時(shí)波帶片的數(shù)值孔徑也非常小，意味著聚焦光斑很大；而在實(shí)際的波帶片尺寸下，就必須要考慮波前失諧。
根據(jù)上述發(fā)明目的和發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提出了一種使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法，其包括下列步驟
根據(jù)柱面波線(xiàn)光源的波長(zhǎng)確定所使用波帶片的焦距f:f=ri2/A，其中ri為波帶片第一環(huán)的半徑(通常為μ m量級(jí)，計(jì)算時(shí)單位統(tǒng)一為m)，λ為柱面波線(xiàn)光源的波長(zhǎng)(對(duì)X射線(xiàn)，為nm量級(jí),計(jì)算時(shí)單位統(tǒng)一為m)；
根據(jù)下述模型確定波帶片的旋轉(zhuǎn)角度Θ sin2 Θ = f/(p+f),其中為柱面波線(xiàn)光源的源距(波帶片與柱面波線(xiàn)光源之間的距離P，其通常為m量級(jí)，計(jì)算時(shí)單位統(tǒng)一為m)；
將波帶片放置在柱面波線(xiàn)光源的光路上，并繞著一旋轉(zhuǎn)軸心按照上述旋轉(zhuǎn)角度進(jìn) 行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸心通過(guò)波帶片的中心，并與柱面波線(xiàn)光源的光軸平行。
進(jìn)一步地，在上述使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法中，還需要沿著光路方向在波帶片的后方依次設(shè)置一中央擋塊和一小孔光闌以阻擋直通光和除了一級(jí)衍射光以外其他級(jí)次的衍射光，所述中央擋塊緊鄰波帶片設(shè)置，所述中央擋塊的外徑略大于小孔光闌的孔徑。
本技術(shù)方案通過(guò)調(diào)整波帶片的旋轉(zhuǎn)角度，補(bǔ)償了柱面波線(xiàn)光源與焦點(diǎn)之間的光程差，從而將柱面波線(xiàn)光源聚焦成了一個(gè)點(diǎn)光斑。在本技術(shù)方案中，焦點(diǎn)的位置、焦距均與波帶片未旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)正入射平面波聚焦一致，也就是說(shuō)，旋轉(zhuǎn)波帶片一定角度后對(duì)柱面波進(jìn)行聚焦，焦點(diǎn)位置與焦距均不發(fā)生變化，聚焦光斑的分辨率與瑞利分辨率差異非常小，基本一致。
采用本發(fā)明所述的使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法，較之現(xiàn)有的各種聚焦方法，具有下述有益效果
(I)僅使用單個(gè)光學(xué)元件(波帶片)就能有效地將柱面波線(xiàn)光源聚焦為圓形點(diǎn)光斑，從而大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)置，也便于操作；
(2)適用于同步輻射光束線(xiàn)的實(shí)際情況，使得不長(zhǎng)的光束線(xiàn)也可能實(shí)現(xiàn)納米尺度的聚焦；
(3)適用于任何使用波帶片聚焦的情形，例如用波帶片聚焦軟、硬X射線(xiàn)，聚焦中子等;
(4)由于波帶片的旋轉(zhuǎn)角度由源距和焦距決定，因此可以適用于各種源距、焦距，并具有能量可調(diào)性，適用性強(qiáng)。


圖I是本發(fā)明所述的使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法的原理圖。
圖2是本發(fā)明所述的使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法在一種實(shí)施方式下的實(shí)施狀態(tài)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合
和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
如圖I所示，本技術(shù)方案是通過(guò)調(diào)節(jié)波帶片2的旋轉(zhuǎn)角度Θ來(lái)實(shí)現(xiàn)將柱面波線(xiàn)光源I在試樣3上聚焦為點(diǎn)光斑Ftl的,旋轉(zhuǎn)角度θ的確定是本技術(shù)方案的關(guān)鍵，對(duì)于一個(gè)既定的波帶片，該旋轉(zhuǎn)角度Θ與焦距和柱面波線(xiàn)光源I與波帶片的源距有關(guān)。從圖I中可以看出，在進(jìn)行聚焦時(shí)，波帶片2的旋轉(zhuǎn)軸心必須與柱面波線(xiàn)光源I的光軸O1O平行。
圖2顯示了本發(fā)明所述的使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法在一種實(shí)施方式下的實(shí)施狀態(tài)示意圖。
請(qǐng)參閱圖I和圖2，在本實(shí)施例中，柱面波線(xiàn)光源為X射線(xiàn)柱面波線(xiàn)光源，其波長(zhǎng)λ為O. Inm,源距P為6. 4m,波帶片第一環(huán)的半徑F1為2 μ m，根據(jù)焦距公式f=ri2/ λ，可以得到本實(shí)施例中的焦距f為4cm。
按照下列方法將X射線(xiàn)柱面波線(xiàn)光源在試樣上聚焦為點(diǎn)光斑
將波帶片2設(shè)置在X射線(xiàn)柱面波線(xiàn)光源I的光路上，從而在試樣3上聚焦形成點(diǎn)光斑，在波帶片2的后方依次設(shè)置中央擋塊4和小孔光闌5以阻擋直通光和除了一級(jí)衍射光以外其他級(jí)次的衍射光，從圖2中可以看出，中央擋塊4緊鄰波帶片2設(shè)置，同時(shí)中央擋塊4的外徑略大于小孔光闌5的孔徑；
根據(jù)模型sin2 Θ = f/(p+f)確定波帶片2的旋轉(zhuǎn)角度Θ為4. 52度；
保證旋轉(zhuǎn)軸心與柱面波線(xiàn)光源的光軸平行(即旋轉(zhuǎn)軸心與入射光垂直)，采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波帶片繞著旋轉(zhuǎn)軸心旋轉(zhuǎn)4. 52度，以在試樣3上形成圓形點(diǎn)光斑。
要注意的是，以上列舉的僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，顯然本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，隨之有著許多的類(lèi)似變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員如果從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法，其特征在于，包括下列步驟 根據(jù)柱面波線(xiàn)光源的波長(zhǎng)確定所使用波帶片的焦距f =Pr1VX，其中ri為波帶片第一環(huán)的半徑，λ為柱面波線(xiàn)光源的波長(zhǎng)； 根據(jù)下述模型確定波帶片的旋轉(zhuǎn)角度Θ sin2 Θ = f/(p+f),其中為柱面波線(xiàn)光源的源距； 將波帶片放置在柱面波線(xiàn)光源的光路上，并繞著一旋轉(zhuǎn)軸心按照上述旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸心通過(guò)波帶片的中心，并與柱面波線(xiàn)光源的光軸平行。
2.如權(quán)利要求
I所述的使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法，其特征在于沿著光路方向在波帶片的后方依次設(shè)置一中央擋塊和一小孔光闌以阻擋直通光和除了一級(jí)衍射光以外其他級(jí)次的衍射光，所述中央擋塊緊鄰波帶片設(shè)置，所述中央擋塊的外徑略大于小孔光闌的孔徑。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種使用波帶片將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑的方法，其包括下列步驟根據(jù)柱面波線(xiàn)光源的波長(zhǎng)確定所使用波帶片的焦距ff=r12/λ，其中r1為波帶片第一環(huán)的半徑，λ為柱面波線(xiàn)光源的波長(zhǎng)；根據(jù)下述模型確定波帶片的旋轉(zhuǎn)角度θsin2θ＝f/(p+f)，其中p為柱面波線(xiàn)光源的源距；將波帶片放置在柱面波線(xiàn)光源的光路上，并繞著一旋轉(zhuǎn)軸心按照上述旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸心通過(guò)波帶片的中心，并與柱面波線(xiàn)光源的光軸平行。采用該方法可以將柱面波線(xiàn)光源聚焦為點(diǎn)光斑，并保證具有一定的能量可調(diào)性。
文檔編號(hào)G21K1/06GKCN102881347SQ201210391151
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月15日
發(fā)明者毛成文, 閆芬, 閆帥, 李?lèi)?ài)國(guó), 余笑寒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan