高能X射线Kinoform透镜的理论设计与实验制备

Kinoform lens is presently the frontier and hot topic of research of micro- and nano-focusing technique for synchrotron radiation. The superior focusing property of Kinoform lens relies on its special profile, thus it is quite crucial to carry out theoretical design and optimization work. This project plans to search for ideal Kinoform profile and analyze its focusing performance, based on ray-tracing and diffraction dynamics numerical simulation. In manufacturing procedure, the influence brought by fabrication error will directly determine final focusing performance of Kinoform lens, so it is necessary to explore and improve the processing technique. Based on the fact that it is rarely studied to focus high energy x-ray by Kinoform lens, this project is supposed to fabricate a Kinoform lens for high energy x-ray focusing with LIGA technique and perform off-line test. According to the feedback from off-line test results, the fabrication procedure will be modified and improved to form a mature route of design and fabrication, which lays foundation for the future actual usage of Kinoform lens in beamlines.

Kinoform透镜是目前同步辐射微/纳米聚焦技术的研究前沿与热点。Kinoform透镜优异的聚焦性能取决于其特殊的面型，理论设计及优化工作在Kinoform透镜的研究中尤显关键。本项目采用光学追迹与衍射光学计算的数值模拟方法寻找理想的Kinoform面型并分析其聚焦性能。在实际制作过程中，加工误差对面型的影响将会直接决定其最终的聚焦性能，因此有必要对加工工艺进行摸索与改进。针对国际上对高能段X射线Kinoform透镜研究较少的情况，本项目拟使用金属材料镍制备用于高能段X射线聚焦的Kinoform透镜。在理论结果基础之上，利用LIGA技术进行实际透镜的制备并开展形貌表征等离线测试。根据测试结果的反馈改进加工工艺以期形成成熟的设计、加工技术路线，为今后Kinoform透镜在光束线上的实际应用打下基础。

高能X射线由于其更强的穿透能力，使得其在材料、生物研究方面有着特殊的优势。本项目研究了用于高能X射线聚焦的Kinoform透镜的设计和制备方法。首先，我们设计出一种新型的棱镜型Kinoform透镜，这种透镜由一系列的齿状棱镜结构组成。与传统的Kinoform透镜不同，新设计出的棱镜型Kinoform透镜通过在不同的抛物面结构去掉引起2π相位差的材料得到。在薄透镜近似条件下，平面波入射后，这种棱镜型Kinoform透镜引起的相位分布同单独的一个相同焦距抛物面透镜引起的相位分布完全一样，因此可以得到很好的聚焦效果；同时，棱镜型Kinoform透镜的透过率、有效孔径都要大于相同焦距和口径下的传统的复合Kinoform透镜。更重要的是，这种结构的口径不会像传统Kinoform透镜那样受到制备条件的限制。其次，我们研究摸索出一整套LIGA制备方法并且制备出面形较好的Kinoform透镜样品。在制备过程中，我们引入了纳米岛阵列来增加光刻胶和金衬底之间的粘附力，避免了光刻胶大面积倒塌。我们制备出的典型的透镜样品口径为1.77mm，厚度可达到400微米，最小齿状结构的底部宽度为10微米，齿尖的宽度为4微米，深宽比达到100：1。除此之外，我们在上海光源的BL13W1线站使用CCD以及刀口扫描方法对制备出的Kinoform透镜进行了在线聚焦检测。实现了50KeV高能X射线的一维聚焦，焦点半高全宽为7.7微米，增益为14，并且在国内首次实现了50KeV高能X射线的二维聚焦，焦点半宽内的通量提高了一个量级以上。这种结构的透镜在高能微米衍射成像技术比如近场高能衍射显微镜以及使用金刚石压腔的高压实验测量成对分布函数中具有很大的应用前景，并且为将来应用于高能同步辐射光源打下基础。