大焦深X射线涡旋场的产生技术研究

The optical vortices which process the spiral wave front and the singular phase have significant application in the fields of micromanipulation, trapping. Recently, the x-ray phase vortices are being paid more and more attention for the special physical properties. To overcome the inherent disadvantage of having a short depth of focus of the traditional generated x-ray phase vortices, in this project, by combining the self-similar properties of the fractal structure and the spiral phase of the spiral zone plates together, we propose a new zone plate which named amplitude-type spiral fractal zone plate to generate series of x-ray phase vortices with a long depth of focus to enhance the rotating and trapping of the particles with different sizes and edge energies more flexible and effective. Compared with the traditional spiral zone plate, the depth of the focal vortices generated by the amplitude-type spiral fractal zone plate has been increased with two orders of magnitude. We will study the modes of the generated x-ray phase vortices and the trend of the intensity distribution along the optical axis by simulation and experiment carried on the synchrotron radiation. This new generating technology for the x-ray vortices with long depth of focus can be widely applied in the areas of lithography, x-ray astronomy, microscopy and micromachines.

光学涡旋是具有螺旋型波前和相位奇点的特殊光场，在微粒操控、原子俘获等方面具有十分重要的潜在应用价值。近期，X射线涡旋场因其独特的物理性质得到广泛关注。为了克服X射线涡旋场受焦深较短的应用限制，提高涡旋场在焦点附近对具有不同尺寸和吸收边能量的微粒子操控的灵活性和有效性，本项目基于分形结构的自相似特性和螺旋波带片在焦点处具有螺旋型位相特征，将二者结合提出了一种产生大焦深X射线位相涡旋场技术—振幅型螺旋分形波带片。与传统螺旋波带片相比，振幅型螺旋分形波带片产生的X射线聚焦涡旋焦深提高了两个量级。将通过数值模拟分析和同步辐射源上X射线实验表征方法，研究产生的X射线涡旋场的模态特征及轴向嬗变规律。这种大焦深X射线涡旋场在光刻、X射线天文学、显微镜、微电力系统等研究领域具有广泛应用前景。

随着一些特殊应用的发展，例如：3D探测技术、生物显微、多粒子操控以及具有大纵宽比的光学器件的制作等，具有超大焦深的涡旋光束必不可少。针对目前焦深受限这一问题，提出了一种可以产生大焦深光学涡旋的新技术。项目研究中，第一，展示了拥有扩展焦深作用的衍射光学元件-分形螺旋波带片，其结合了分形的结构和螺旋波带片的特点，可以在传播方向上产生一系列光学涡旋。在数值模拟和实验研究中将分形螺旋波带片与螺旋波带片和分形波带片进行对比研究，验证了分形螺旋波带片的轴向强度分布特征；讨论了不同参数下分形螺旋波带片的聚焦特性，展示了其在边缘增强成像中的潜在应用价值；第二，提供了一种实现任意长焦深光学涡旋新技术。通过改变每一环带的面积，可以由平面波产生具有超大焦深的光学涡旋。基于菲涅尔衍射理论，分析了这一衍射器件的聚焦特性，并通过实验研究验证了其有效性。第三，提出了一种轴向线聚焦螺旋波带片，研究了其设计方案、制作以及衍射特性。数值模拟表明，轴向线聚焦波带片不仅可以产生空心光束，并可应用于多个波长。此外，恢复了设计焦深范围内产生的空心光束，与理论预期符合很好，有望为光学操控、光刻及成像等领域带来新的机会。