光学元件对x射线衍射性质的分析

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1、第一章绪论帚一早三；酉记1．1引言X射线是物质原子被高速电子撞击之后产生的一种电磁波，能量范围在极紫外辐射和伽马射线之间。X射线最早由德国科学家伦琴发现，最初的含义为“未知的射线”，并在1895年公布了一张他妻子手部的X射线照片【lJ。X射线根据本身能量的高低，划分为软X射线和硬X射线两个波段，其中软X射线的能量为O．12keV到12keV，波长范围为0．1nm到10nm。硬X射线的能量为12keV到120keV，波长范围为0．01nm到o．1nm。随着x射线越来越广泛的应用于医药、能源、环境、航空航天【2‘7】等领域，其已经成为

2、了科学研究最强有力的工具【81。利用x射线的成像和聚焦原理形成的X射线显微技术【9J、光谱技术以及能谱技术，已经成为生物分子以及材料分析的基本方法。近年来由于能源短缺所引发的能源危机已经逐渐的被各个国家所重视，通过可控热核聚变产生新型能源已经成为了国内外极其重视的项目，而ICF(惯性约束聚变)是实现核聚变的方法之一。ICF是指通过激光束照射氘氚靶表面使其加热，当靶表面消融为高温等离子体，最后通过高速喷射出的高温等离子体产生的强大反冲力挤压靶心，使得靶心的温度密度急剧升高而发生的聚变。由于点火时间极短，聚变过程中将会产生大量的X射线

3、，通过对这些X射线和等离子体的分析就可得到内部聚变的信息，为靶的形状设计和等离子体的研究提供科学依据【10。¨。以X射线光学元件为核心器件的X射线光谱仪和能谱仪是ICF中重要的诊断设备之一，这意味着X射线衍射光学元件已经成为空间探测技术的关键。在X射线应用过程中，最为关键的方面是对X射线光学元件的研究。这是因为X射线在不同材料中的折射率都接近于1，在界面处，X射线的反射和折射的现象都不明显，所以导致了X射线较难发生折射的现象。X射线光学元件主要有反射式和透射式两种，其中反射式又包括了多层膜正入射和掠入射两种类型。按照工作波段可以分

4、为X射线光学器件、红外光学器件、可见光光学器件和紫外光学器件。按照图形的形状又可以分为光子筛、波带片、光栅三种类型。1．2波带片和光栅的发展1．2．1波带片的发展菲涅耳波带片是一种衍射光学的聚焦元件，图形是由一系列黑白相间的同心圆环构成，其中同心圆的各个圆环的面积相等。各圆环称为半波带，通过波带片相邻的透明和不透明波带的光线，到达焦点的位相差为兀，光程差为波长的一半，这使得焦点处的光强处于干涉加强的状态。波带片的半径公式为#=M2，其中随着n的增大，线密度增大，线条为准周期分布，第n环半径为rn，第一环的半径为rl，环带数目为nI

5、l2

6、。如图1．1为菲涅耳波带片的图形结构。如图所示菲涅耳波带片是沿着径向周期变小的圆形光栅，这些圆形光栅和普通的直线型光栅结构相同是由透光圆环和不透光圆环交替分布的。当光通过波带片时，光线会绕着不透光圆环而发生衍射现象，并且会在聚焦的焦点处相干叠加。最后在焦点处由于相干叠加会产生一个极大的光强，形成衍射图样。这种成像方式对于X射线波段来说，是目前有效的成像方式【13-14】图1．1编制版图生成器自动生成的菲涅耳波带片的结构图第一个波带片是由LordRayleigh在1871年制作成功的，但他的工作成果并未发表，仅仅将这项工作记录

7、到了他的工作记录本中【15】。之后Rayleigh在1888年提出了位相型波带片的概念【161，主要目的是为了提高波带片的衍射效率，以此来克服振幅型波带片的缺点。根据这一概念R．W．Wood[17】在1898年成功的使用玻璃衬底制作了可见光波段的位相型波带片，并在可见光波段进行了实验的验证工作。接下来在渡过了半个世纪的空白期之后，1951年和1952年，Baez和Myers的工作使人们的视线重新回到波带片的应用领域当中，并且将波带片的应用领域拓展到了X射线波段【l3

8、。1960年A．VBaze发明了第一个用于软X射线波段的自支撑波

9、带片，波带片的镂空结构并不使用薄膜衬底来支撑图形，支撑结构是通过使用金属加强筋来支撑波带片图形119-20]。Rogers在1972年展示了他的小组在波带片对伽马射线成像方面所取得的成果【2¨。1980年，Kearney等人通过波带片对中子实现了成像和聚焦【22J，1991年和1999年Takuma和Doak等人又分别使用菲涅耳波带片对基态和激发态的He原子进行聚焦【23出】。近年来由于其在X射线成像方面的应用的发展，波带片已经成为了各学科领域研究的热点。1．2．2衍射光栅的发展光栅的定义在广义上是指可以对入射的振幅或者相位(或者

10、同时)进行周期性空间调制的一类光学元件。按照调制的方式，可将光栅分为三类：振幅光栅、混合光栅、位相光栅。振幅光栅只能对入射光的振幅进行调制，位相光栅只能对入射光的相位进行调制，混合光栅可以同时调制入射光的振幅和位相。按照光栅的工作方式，可将光栅分为