本文总结了当前同步辐射 X射线反射镜光学制造技术的需求背景、发展现状以及未来方向。同步辐射光源是国家重大科学装置, 作为同步辐射光源重要光学元件的 X射线反射镜, 直接决定着光学调制品质。短波长掠入射的特殊应用场景, 使 X射线反射镜有着更为特殊且高精度的面形要求, 其加工与检测技术长期为国外所垄断, 国内发展较为缓慢, 面对国内未来同步辐射装置的建设需求, 我国亟需打破这一现状。

设计和加工了一台相位补偿的压电变形镜,使用干涉仪离线表征了其压电变形性能,并提出迭代全局优化算法,实现了变形镜对目标面形的快速高精度逼近。结合X射线散斑扫描技术,在光束的聚焦模式下测试了变形镜的在线相位补偿性能和对聚焦光斑尺寸的优化能力,结果显示,初始的43.4 μm焦斑尺寸经相位补偿后被压缩到了12.9 μm。上述研究为上海同步辐射光源的快速相位补偿提供了可能。

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。

对采用圆锥嵌套Wolter-I型结构的X射线聚焦望远镜在装配过程中产生的面形偏差进行了模拟和分析。首先, 利用ANSYS有限元软件建立二维模型。然后, 以实际装配步骤和夹具为加载和边界条件, 通过分析不同半径镜片的装配过程, 得到了面形偏差与三根压条的载荷关系曲线, 由此优选出了不同半径镜片对应的最佳装配载荷。分析显示: 除对应的最大面形偏差外, 优选出的装配载荷均可控制在0.1 μm以内, 满足装配精度要求, 而且对应装配载荷下玻璃镜片的最大Mises应力也均小于玻璃的强度极限, 不会在装配过程中失效。此外, 建立了三维分析模型并与二维简化模型分析结果进行了比较。结果显示: 计算偏差主要集中在镜片的前、后两端约5 mm范围内, 最大偏差为2.3 μm; 镜片中段两种模型的计算偏差小于0.03 μm, 表明提出的二维简化模型可以用于玻璃镜片装配的快速面形偏差分析和载荷确定。文中对镜片装配过程的分析可为提高装配精度提供理论依据。

针对X射线脉冲星导航与X射线空间通信的需求，对多层嵌套式X射线聚焦光学器件进行研制与实验标定。根据掠入射原理，对聚焦透镜进行理论设计，确定聚焦透镜的关键参数。讨论聚焦透镜的材料、镀膜等研制工艺。分别在可见光与X射线条件下测试了聚焦透镜的性能参数。结果表明测得可见光焦斑直径为14 mm，X射线焦斑直径为20 mm，在10 m真空管道中测得光子能量为1.5 keV时聚焦效率为30.2%，有效面积为2400 mm2。

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。

龙虾眼X射线系统是实现大视场X射线成像的有效手段。现研制了由多组平行玻璃平板构成的Schmidt型X射线龙虾眼光学系统,开展了X射线聚焦和成像的演示实验。基于掠入射反射理论,以210 μm厚的超光滑平板玻璃作为光学元件,通过堆叠的方式制作了放大倍数为1的演示系统。用8 keV的X射线光源对系统进行了聚焦和实验,直径280 μm的光源聚焦半高宽约为320 μm,与理论模拟结果基本一致。利用X射线背光照明,得到2 mm×2 mm大小图样的成像。实验结果表明,该龙虾眼光学系统可以在几毫米视场下达到百微米分辨。