1 中国科学院高能物理研究所, 北京 100049
2 散裂中子源科学中心, 广东 东莞 523803
第四代同步辐射光源为多个研究领域提供了亮度和相干度更高、性能更加优异的X射线。为了充分发挥这些光束的潜力,需要精确的光束线装调和高质量的X射线光学元件。波前检测技术在这些方面发挥着重要作用。近10年来快速发展起来的基于X射线近场散斑的波前检测技术,具有简便易行、测量精度高等优点。利用散斑在深菲涅耳区形状和大小不变的特性,在参考图和样品图之间进行互相关计算,提取出入射波、待测光学元件透射波或反射波的波前信息。综述了利用X射线近场散斑开展波前检测的研究现状,介绍了X射线散斑追迹技术、X射线散斑向量追迹技术、X射线散斑扫描技术、自相关X射线散斑扫描技术、通用调制图样分析技术和Ptychographic X射线散斑追迹技术的原理、实验流程,以及各自的优势和应用。
X射线光学 同步辐射 波前检测 X射线近场散斑 面形检测
1 1.中国科学院 高能物理研究所, 北京同步辐射实验室, 北京 100049
2 2.中国科学院大学 核科学与技术学院, 北京 100049
同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。
无机材料 同步辐射 光束线 结构表征 综述 inorganic materials synchrotron radiation beamline structure characterization review
1 中国科学院 高能物理研究所， 北京 100049
2 中国科学院大学， 北京 100049
Laue晶体单色器常用于单色化高能X射线（＞50 keV），通过对其晶片压弯可以实现高能光束聚焦。晶片压弯过程中会不可避免地产生扭曲，从而影响单色器的工作效率。利用波动光学仿真的方法，分析弯晶面形扭曲对Laue晶体单色器性能的影响，并提出一种角位移微调轴角装置，用来消除这种扭曲。该装置基于直梁型柔性铰链，利用叠加原理和对称结构。利用有限元方法分析了该装置的力学性能。分析结果表明，轴角装置的转角范围为±2°时，其转动中心最大偏移为20 μm，实现了角位移分辨率好于1″，动态范围达到104，达到设计目标。
Laue晶体单色器 光学仿真 轴角装置 柔性铰链 压弯机构 Laue crystal monochromator optical simulation rotary mechanism flexure hinge bending mechanism 强激光与粒子束
2019, 31(9): 091003
1 中国科学院 高能物理研究所, 北京 100049
2 中国科学院大学, 北京100049
为了解决大口径光学元件面形高精度测量问题，建立了拼接测量系统，通过测量得到整体表面面形。在拼接测量过程中，需要将待测面形进行划分，按着一定的顺序进行测量，再根据各个子口径之间的相对位置进行拼接。各个子口径存在重叠部分，采用均化的处理方法会导致高频面形数据的丢失。采用小波变换的拼接重叠区域融合方法可以减少高频数据的丢失。首先，对各个子口径的重叠区域分别进行小波变换得到低频和高频系数矩阵；然后，根据不同的方法对低频和高频系数矩阵进行融合得到新的系数矩阵；最后，通过小波逆变换得到整体面形。对尺寸为120 mm×40 mm的长方形反射镜面形进行拼接干涉测量，并用功率谱密度对本文方法和平均融合结果进行客观比较。实验结果表明，该方法可以保留更多的高频面形数据。
拼接干涉仪 大口径光学元件 小波融合 功率谱密度曲线 stitching interferometer large optical elements wavelet fusion power spectral density curve 强激光与粒子束
2018, 30(8): 081001
为提高硬X射线聚焦元件的聚焦性能，利用LIGA(Lithographie， Galvanoformung， Abformung)技术，制备了深度为60 μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质硬X射线组合Kinoform透镜(CKL)，并获得了良好的面形。制备的CKL以宽度为几个微米的细窄线条为主要结构，包括曲面和直角面形，线条最窄宽度为2 μm。为保证CKL良好的曲面及直角结构，样品制备分为三部分: 过渡掩模板的制备，LIGA掩模板的制备，以及最终样品的硬X射线曝光制备。在LIGA掩模板制备过程中，采用制备有纳米柱阵列的硅衬底有效解决了光刻胶脱胶的问题。在最终样品制备过程中，选用分子量较高的PMMA片作衬底，提高了PMMA刚度，有效缓解了细窄线条的倒塌黏连问题，保证了CKL的良好面形。在北京同步辐射光源(BSRF)成像站测试了CKL透镜的性能，结果显示其对于8 keV的X射线，聚焦焦斑的半高全宽(FWHM)为440 nm。
Kinoform镜 X射线聚焦透镜 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) LIGA技术 Kinoform lens x-ray focusing lens LIGA technology Polymethyl Methacrylate(PMMA) 光学 精密工程
2017, 25(11): 2817
中国科学院 高能物理研究所 北京同步辐射装置X射线光学与技术实验室，北京 100049
针对同步辐射领域光学元件的口径逐渐增大，其面形测量精度的要求已达到纳弧度级的问题，本文研究了该领域先进的面形测量方法——拼接干涉技术，以实现光学元件的高分辨率二维测量。 介绍了拼接干涉技术的基本原理，综述了目前同步辐射光学领域常用的面形测量设备——激光光束长程面形仪、高精度自准直纳米测量仪,以及拼接干涉仪的发展历程和特点，比较了它们各自的缺点和优势。最后，分析了拼接干涉涉及的主要误差来源，指出该技术的应用和发展趋势主要有拼接算法的创新，干涉仪测量的快速化，拼接干涉仪的商业化，以及拼接干涉技术与其他科学技术的融合等。
光学元件 面形检测 拼接干涉术 同步辐射 综述 optical element surface figure test stitching interferometry synchrotron radiation overview 光学 精密工程
2016, 24(10): 2357
中国科学院 高能物理研究所 北京同步辐射装置 X射线光学与技术实验室, 北京 100049
根据对阵列探测器光电响应误差校正的要求, 基于纳米颗粒溶液漫散射效应建立了能产生高平整度参考光场的激光平场系统。介绍了激光平场装置的结构和工作原理及光学设计中涉及的若干关键技术。使用光纤将激光高效地导入溶液中, 通过优化光纤位置和腔体结构参数, 在保证一定光场均匀度的前提下, 提高系统的光能利用率, 降低界面上的背向散射损耗。基于改进过的蒙特卡洛程序, 数值计算了腔体材料反射率对系统透射率的影响。最后, 利用现有的高反射率聚四氟乙烯材料, 设计了激光平场系统。结果显示, 光纤端口的最优位置取决于腔体反射率, 对于高反射率的腔体材料, 靠近腔体背部的光纤端口可以有效增强前向散射。设计的激光平场系统能够提供的光场均匀度好于0.3%, 可基本满足长程面形仪等高精度激光测量装置中探测器误差校正的需求。
激光平场系统 纳米颗粒 溶液 漫散射 CCD探测器 非均匀响应 校正 laser flat-field system nano-particle solution diffusion CCD array detector non-uniform response correction
中国科学院高能物理研究所, X射线光学与技术实验室, 北京 100049
利用矩阵光学方法, 计算得出五角棱镜两种光学平行差的解析表达式, 分析五角棱镜光学平行差与工作面法向矢量夹角的矩阵关系.基于Agilent激光干涉仪角度测量系统和DHC三维转台搭建实验装置, 测量了Thorlabs五角棱镜的两种光学平行差.实验和解析式计算结果偏离度不超过4%.五角棱镜滚动角、偏摆角的变化等效于五角棱镜光学平行差的变化.通过坐标系变换, 五角棱镜的自身误差和系统在线测量误差可以被同时标定.该研究对五角棱镜的实际加工、测量系统标定, 以及高准确度面形检测提供了参考.
光学器件 五角棱镜 误差分析 矩阵光学 系统校准 Optical devices Pentaprism Tolerance analysis Matrix optics System calibration
