科學家開發出一種用於改善x射線激光特性的透鏡

一個國際合作的科學家小組定製出了一種特殊的X光眼鏡，使X射線激光束比以往任何時候都更加強大。單獨製作的矯正透鏡消除X射線光學的不可避免的缺陷棧，幾乎完全集中了X射線束的四分之三到光場，形成了250納米（毫米的百萬分之一）的直徑的光場，接近理論極限。集中的X射線束不僅可以提高一定的測量質量，而且開辟了全新的研究途徑，依托德國電子加速中心由研究的首席科學家Christian Schroer帶領的團隊將這一研究成果發表在《自然通訊》雜誌上。

雖然X射線遵循與可見光相同的光學規律，且是難以集中或轉移的：“隻有很少的材料可用於製作合適的X射線透鏡和反射鏡，”來自德國電子加速中心的論文的合著者Andreas Schropp說。“同時，由於X射線的波長要大幅度小於可見光，這類製造X射線透鏡需要在光波長尺度上的更高的精密度，而鏡片形狀的稍有缺陷就會造成不利影響。”

合適的透鏡和反射鏡的生產已達到很高的精度水平，但標準鏡頭，由鈹元素製作，通常是在中心附近有稍微太強烈彎曲，正如Schropp提到的那樣。“鈹透鏡采用精密模具模壓成型。對幾百納米的順序形狀誤差的過程中幾乎是不可避免的。”這導致更多的光由聚焦點散射出來，且由於物理定律是不可避免。更重要的是，這種光分布在相當大的麵積上。

這種缺陷在許多應用中是不相關的。“然而，如果你想利用X射線激光的輻射照射到小樣品上，你要將焦點集中在一個盡可能小的區域，”Schropp說。“在某些成像技術中也是如此，在這裏你要盡可能多地獲取細節的圖像。”

為了優化聚焦，科學家們首先精心測量便攜式鈹X光透鏡的堆棧的缺陷。然後他們在耶那大學用精密激光，利用這些數據定製鏡片的石英玻璃。然後科學家在美國SLAC國家加速器實驗室利用LCLS X射線激光對這些眼鏡進行測試的效果。

“沒有矯正的眼鏡，我們的鏡頭聚焦約為總X射線光的百分之75左右，分布到一個直徑約1600納米的區域。這是理論上可實現聚焦麵積的約十倍大，”報告的主要作者Frank Seiboth說，他是來自德累斯頓技術大學，現在工作在德國電子加速中心。“當玻璃被使用，百分之75 的X射線分可以集中到直徑約250納米的區域，是它接近理論值的最優結果。”

利用校正的透鏡，能夠提高X射線光被集中到中央的斑點的聚焦程度的三倍。與此相反，半高全寬（FWHM），這一在科學領域對光學聚焦清晰度表征的參數，加不加這種矯正透鏡並沒有太大變化，保持在大約150納米。

可移動的標準的光學和特製透鏡的相同的組合也被在德國電子加速中心的同步輻射X射線源PETRA III和英國鑽石光源研究小組的研究中。在這兩種情況下，校正透鏡導致一個類似的改善，在X-射線激光處就看到。“原則上，我們的方法允許一個人改正透過透鏡的每個X射線，”首席科學家Schroer解釋說，他也是漢堡大學的物理學教授。

“這些所謂的相位板不僅對現有的X射線源，但他們特別能成為下一代X射線激光和同步輻射光源的一個關鍵組成部分，” Schroer強調。“聚焦的X射線的理論極限不僅是一個基本的條件，在一係列的不同的實驗技術中的這一重大改進，可以為新的研究方法鋪平了道路。例子包括光粒子的非線性散射，或由兩個光粒子的相互作用產生物質粒子。對於這些方法，X光需要集中在一個微小的空間，這意味著有效的聚焦是必不可少的。”

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