司昊轩 1,2,3,4许昊 1,2,3,4杜慧瑶 1,2,3,4伊圣振 1,2,3,4,*王占山 1,2,3,4,*
1 同济大学 物理科学与工程学院，精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092
针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求，提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件，实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像，定量获取薄膜X光透过率及其空间分布，有效提升了面密度测量的精度，同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究，并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5 μm的微区分辨，能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性，相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术，并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。
金属薄膜 X射线成像 超环面弯晶 高谱分辨 面密度测量 metal foil X-ray imaging toroidal crystal high spectral resolution surface density measurement 强激光与粒子束
2023, 35(11): 112001
1 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，绵阳 621900
提出了一种采用球面弯晶聚焦结构获得高亮度桌面型单能X射线的方法。在子午方向利用晶体色散实现单能、在弧矢方向通过球面镜聚焦提高光强。理论建模和光学仿真评估了该结构的色散和聚焦性能，验证了球面弯晶聚焦结构相对于柱面弯晶在聚焦特性上的显著优势。针对Al靶Kα1线单能需求，设计和装调了基于低功率Al靶X射线管的单能装置，并实验验证了其性能。结果显示，当X射线管工作在7 W功率条件下，CCD曝光10 min，Al靶Kα1线全视场光谱的探测器计数大于2×105，能谱展宽约为0.592 eV；引入200 μm限束光阑，能谱展宽进一步减小至0.493 eV，探测器计数约为2×104。研究结果证实了该装置可以有效获得高亮度Al靶Kα1谱线，也为精确测量光学器件和系统的光谱特性提供了一种新的获得高亮度单能X射线的技术途径。
球面弯晶聚焦 高亮度 高单能性 桌面型 X射线源 Spherical bent-crystal focusing structure High intensity High monochromaticity Desktop X-ray source 
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Precision Optical Engineering, MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structured Materials, Shanghai Frontiers Science Center of Digital Optics, Shanghai Professional Technical Service Platform for Full-Spectrum and High-Performance Optical Thin Film Devices and Applications, School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
2 Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China
Curved crystal imaging is an important means of plasma diagnosis. Due to the short wavelengths of high-energy X rays and the fixed lattice constant of the spherical crystal, it is difficult to apply the spherical crystal in high-energy X-ray imaging. In this study, we have developed a high-energy, high-resolution X-ray imager based on a toroidal crystal that can effectively correct astigmatism. We prepared a Ge toroidal crystal for backlighting Mo Kα1 characteristic lines ( keV) and verified its high-resolution imaging ability in high-energy X-ray region, achieving a spatial resolution of 5–10 µm in a field of view larger than 1.0 mm.
laser plasma diagnostics toroidal crystal monochromatic X-ray imaging Chinese Optics Letters
2023, 21(10): 103401
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与 应用专业技术服务平台，上海200092
极紫外正入射光学系统广泛应用于生物结构显微成像、等离子体诊断、太阳物理观测和极紫外光刻等领域中，对其开展深入研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程研究所在极紫外正入射光学系统方面的最新进展进行介绍，列举了应用于超热电子诊断、微纳成像、极紫外辐照损伤及Z箍缩等离子体诊断等不同场景中的多套正入射光学系统。这些系统分别在相应的应用中实现了优异的性能表现：毫米级视场内微米级的空间分辨；几十微米级视场内亚微米的超高空间分辨；大数值孔径下的超高能量密度极紫外辐照及多能点多通道的时空间诊断。研究所在极紫外正入射光学系统研究中取得的进展为我国等离子体诊断设备的自主可控及高端制造装备的技术储备提供了有力支持。
极紫外 多层膜 Schwarzschild系统 等离子体诊断 成像系统 聚焦系统 extreme ultraviolet multilayer Schwarzschild system plasma diagnostics imaging system focusing system 光学 精密工程
2022, 30(21): 2678
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海200092
发展精密X射线诊断技术对于惯性约束聚变（ICF）物理过程的研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程技术研究所在高性能多层膜掠入射X射线光学方面的最新进展进行了较全面的介绍。针对ICF高时空分辨、能谱分辨和高集光效率诊断需求，从多通道掠入射X射线成像技术、多层膜掠入射X射线成像技术及应用效果几个方面，对目前研究进展进行了系统介绍。在多通道掠入射X射线成像方面主要介绍高分辨多通道KB成像系统及其高精度在线装调技术。在实现空间分辨优于5 μm、十六通道成像的基础上，采用 “物-诊断物镜-像”的高复位精度集成指示技术，有效保障了多通道KB系统的装置应用效果。在多层膜掠入射X射线成像方面，本文主要介绍多层膜分光器件的能谱调控和制备技术以及系统的精密瞄准技术。目前，多套基于多层膜阵列器件的多能谱X射线诊断设备已在激光装置上得到广泛应用，空间分辨率在3~5 μm，诊断能点达到4个，技术指标显著优于国外同类器件，为国内ICF诊断提供了有力支撑。
惯性约束聚变 等离子体诊断 多层膜 Kirkpatrick-Baez显微镜 高时空分辨 inertial confinement fusion plasma diagnostics multilayer Kirkpatrick-Baez microscope high spatiotemporal resolution 光学 精密工程
2022, 30(21): 2783
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海200092
中子散射和衍射是现代科学检测技术的重要领域之一，中子谱仪是实现中子检测的核心装置。中子薄膜器件及其光学系统可以实现中子束传输、聚焦、准直、极化等状态的调制，是构成中子导管、准直器、弯管、极化器、翻转器等中子光学装置的核心器件，可以提升中子传输效率，简化中子光学仪器结构，是中子谱仪功能实现和性能提升的关键。同济大学精密光学工程技术研究所，面向我国各类中子源应用谱仪开发的需求，聚焦中子薄膜器件关键制作技术创新，解决了中子超镜和极化中子薄膜翻转元件的制作问题；以高端薄膜器件支撑了高性能中子光学系统的研制，成功研制出中子导管部件、基于超镜的多层嵌套式中子聚焦系统、高通量高空间分辨率的中子多通道KB聚焦系统，成功应用于国内大型和小型中子源的谱仪装置，支撑了我国小角散射、粉末衍射、自旋回波等中子谱仪的自主研发和升级改造。
中子 超镜 聚焦 导管 翻转器 neutron supermirror focus guider flipper 光学 精密工程
2022, 30(21): 2752
同济大学精密光学工程技术研究所成立二十年来，以探索前沿科学问题、突破核心关键技术、服务国家重要应用为目标，形成了理论与模拟相结合、科学问题解决与关键技术突破相结合、基础研究与重要应用相结合的特色，形成了研究所的发展理念，打造了高水平研究平台，在X射线器件与系统、强激光薄膜与应用、光学纳米计量与测试、微纳光学与智能感知四个研究方向上取得了突出的研究成果，已成为高层次人才培养和高水平科学研究的重要基地。
光学 精密工程
2022, 30(21): 2555
同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室, 精密光学工程技术研究所, 上海 200092
在激光惯性约束聚变(ICF)研究中,涉及X射线时间、空间和能谱信息的等离子体诊断能够为数值模拟提供关键的实验数据支撑,有效推进对ICF关键物理问题的认识。以Kirkpatrick-Baez(KB)结构为代表的多通道掠入射系统是实现高分辨X射线时空成像的重要手段,在ICF诊断研究中有着广泛的应用。主要介绍了高分辨多通道KB成像系统的发展历史,梳理和分析了KB系统研制的瓶颈问题,在此基础上重点展示了国内近年来在基于多层膜光学的多通道KB诊断系统研制方面取得的研究进展。随着精密薄膜器件和掠入射X射线光学集成等关键技术的突破,多通道多层膜KB成像系统已经在我国ICF诊断研究中得到广泛应用,有力保障了国内ICF研究单位相关物理实验的开展。
光学学报
2022, 42(11): 1134007
同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室, 精密光学工程技术研究所, 上海 200092
极紫外、X射线和中子光学为现代科学的发展提供了高精度的观测手段,但这些手段的实现需要大量高性能薄膜光学元件和系统的支撑。由于短波长和材料光学常数的限制,短波光学元件的结构、性能和制作技术明显区别于长波光学元件。近二十年来,同济大学精密光学工程技术研究所建立了以短波反射镜为基底的精密加工检测平台,发展了超薄薄膜界面生长调控方法和大尺寸薄膜镀制技术,提出了高效率/高分辨率多层膜微纳结构的衍射理论和制备方法,初步阐明了短波辐照损伤的物理机制,形成了短波薄膜和晶体聚焦成像系统的高精度全流程研制技术,并将该技术成功应用于国内和国际短波光子大科学装置中。本文简要介绍本课题组在上述短波元件和系统领域中的研究进展。
极紫外、X射线、中子射线 薄膜 光栅 聚焦成像系统 加工 损伤
1 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室 上海200092
2 同济大学 物理科学与工程学院 上海200092
针对我国X射线时变与偏振卫星(XTP)项目中高能X射线聚焦望远镜的研制需求,初步设计了嵌套式、类Wolter-I型X射线望远镜并进行了结构优化。基于X射线望远镜的光学设计理论,给出了嵌套式聚焦望远镜的光学结构参数。利用有限元分析软件ABAQUS,建立了嵌套式X射线聚焦望远镜的有限元模型。采用基础激励法模拟了X射线聚焦望远镜模型的随机振动,得到了望远镜结构的应力分布。通过切换层的方式,降低了望远镜结构的应力,达到了多层膜承受应力的要求。该研究为XTP项目中的X射线望远镜载荷设计提供了参考。
X射线聚焦望远镜 光学设计 有限元分析 随机振动 X-ray focusing telescope optical design finife element analysis random vibration
