科学家开发出一种用于改善x射线激光特性的透镜

一个国际合作的科学家小组定制出了一种特殊的X光眼镜，使X射线激光束比以往任何时候都更加强大。单独制作的矫正透镜消除X射线光学的不可避免的缺陷栈，几乎完全集中了X射线束的四分之三到光场，形成了250纳米（毫米的百万分之一）的直径的光场，接近理论极限。集中的X射线束不仅可以提高一定的测量质量，而且开辟了全新的研究途径，依托德国电子加速中心由研究的首席科学家Christian Schroer带领的团队将这一研究成果发表在《自然通讯》杂志上。

虽然X射线遵循与可见光相同的光学规律，且是难以集中或转移的：“只有很少的材料可用于制作合适的X射线透镜和反射镜，”来自德国电子加速中心的论文的合著者Andreas Schropp说。“同时，由于X射线的波长要大幅度小于可见光，这类制造X射线透镜需要在光波长尺度上的更高的精密度，而镜片形状的稍有缺陷就会造成不利影响。”

合适的透镜和反射镜的生产已达到很高的精度水平，但标准镜头，由铍元素制作，通常是在中心附近有稍微太强烈弯曲，正如Schropp提到的那样。“铍透镜采用精密模具模压成型。对几百纳米的顺序形状误差的过程中几乎是不可避免的。”这导致更多的光由聚焦点散射出来，且由于物理定律是不可避免。更重要的是，这种光分布在相当大的面积上。

这种缺陷在许多应用中是不相关的。“然而，如果你想利用X射线激光的辐射照射到小样品上，你要将焦点集中在一个尽可能小的区域，”Schropp说。“在某些成像技术中也是如此，在这里你要尽可能多地获取细节的图像。”

为了优化聚焦，科学家们首先精心测量便携式铍X光透镜的堆栈的缺陷。然后他们在耶那大学用精密激光，利用这些数据定制镜片的石英玻璃。然后科学家在美国SLAC国家加速器实验室利用LCLS X射线激光对这些眼镜进行测试的效果。

“没有矫正的眼镜，我们的镜头聚焦约为总X射线光的百分之75左右，分布到一个直径约1600纳米的区域。这是理论上可实现聚焦面积的约十倍大，”报告的主要作者Frank Seiboth说，他是来自德累斯顿技术大学，现在工作在德国电子加速中心。“当玻璃被使用，百分之75 的X射线分可以集中到直径约250纳米的区域，是它接近理论值的最优结果。”

利用校正的透镜，能够提高X射线光被集中到中央的斑点的聚焦程度的三倍。与此相反，半高全宽（FWHM），这一在科学领域对光学聚焦清晰度表征的参数，加不加这种矫正透镜并没有太大变化，保持在大约150纳米。

可移动的标准的光学和特制透镜的相同的组合也被在德国电子加速中心的同步辐射X射线源PETRA III和英国钻石光源研究小组的研究中。在这两种情况下，校正透镜导致一个类似的改善，在X-射线激光处就看到。“原则上，我们的方法允许一个人改正透过透镜的每个X射线，”首席科学家Schroer解释说，他也是汉堡大学的物理学教授。

“这些所谓的相位板不仅对现有的X射线源，但他们特别能成为下一代X射线激光和同步辐射光源的一个关键组成部分，” Schroer强调。“聚焦的X射线的理论极限不仅是一个基本的条件，在一系列的不同的实验技术中的这一重大改进，可以为新的研究方法铺平了道路。例子包括光粒子的非线性散射，或由两个光粒子的相互作用产生物质粒子。对于这些方法，X光需要集中在一个微小的空间，这意味着有效的聚焦是必不可少的。”

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