在可見光領域，消色差透鏡的使用已有百年之久，通過兩種色散力不同的玻璃并滿足相應的曲率條件的雙透鏡來實現。而在X射線領域，大部分物質對X射線的色散力差異極小，同樣的方法并不適用。

近日，瑞士保羅謝爾研究所的Umut T. Sanli、齊鵬，巴塞爾大學的Griffin Rodgers和德國電子同步加速器研究所（DESY）的Jan Garrevoet等研究人員以 “Apochromatic X-ray focusing（復消色差X射線聚焦）”為題在Light: Science & Applications發表研究論文。

消色差(achromatic)透鏡由具有不同色散能力的兩個透鏡組成，可將兩個不同波長的光聚焦到同一點，從而在一定波長范圍內達到消色差效果。

復消色差(apochromatic) 透鏡可以認為是消色差透鏡的改進版，色偏移曲線是三次方程，可將三個不同波長的光聚焦到一點，使消色差的波長范圍提升數倍，見圖1。

圖1：X射線復消色差聚焦原理：折射透鏡和菲涅爾波帶片以特定間隔前后放置，色差相互糾正，三種不同的能量/波長的X射線可同時聚焦于點F。 

在可見光領域，消色差和復消色差透鏡存在已有百年之久。而在X射線領域，直到2022年世界上首個消色差透鏡才剛剛問世。本文報道了該研究團隊在消色差透鏡的工作基礎上，使用滿足特殊條件的菲涅爾波帶片 (FZP) 和復合折射透鏡 (CRL)，成功研制的世界上首個X射線復消色差透鏡系統。實驗顯示，該復消色差透鏡在7 keV到12 keV的能量范圍內表現出良好的消色差效果，相比消色差透鏡，消色差范圍提高了四倍，可以更廣泛地應用于折射和衍射透鏡的色差校正。

該研究開發的復消色差X射線透鏡系統由兩個相互獨立的光學元件組成：一個是雙光子聚合3D打印技術制造的復合折射透鏡，另一個是通過電子束光刻和金電鍍制造的菲涅爾波帶片，見圖2。

圖2. X射線復消色差透鏡的組成部分。a）3D打印的發散型CRL置于250納米厚的氮化硅膜上的光學顯微鏡圖像；b）復合折射透鏡和c）45度視角的波帶片的掃描電子顯微鏡圖像；d）復合折射透鏡（左下角）與火柴棒的對比。

在德國PETRA III同步輻射P06光束線上進行的X射線掃描透射顯微成像和疊層成像測量結果顯示，該透鏡系統在7至12 keV的X射線能量范圍內表現出極佳的消色差性能，見圖3。

圖3：Siemens星測試樣品在不同能量X射線束中的掃描透射顯微圖像 (樣品在光軸上位置無變化)。圖中展示了兩個不同的FZP-CRL分離距離d。

相比前述報道的初代X射線消色差透鏡，復消色差透鏡的有效能量范圍提高了四倍。該系統的實現對短曝光時間和高信噪比的時間分辨實驗有重要意義。

該系統亞微米尺寸的焦點可分辨480 nm線寬的測試樣品。納米3D打印技術的發展使數值孔徑更高的光學元件的制備并不困難，可以進一步提高其空間分辨率。但由于折射透鏡對X射線的吸收，實現100納米以內的高分辨率仍然頗具挑戰。在硬X射線波段，相對較低的X射線吸收可以帶來更大的改進空間。納米級3D打印技術的快速發展將是實現所需折射結構制造的關鍵。

X射線消色差和復消色差透鏡的問世，是X射線顯微成像領域具有里程碑意義的重大進展，甚至有可能以其經濟、緊湊和同軸成像的優勢取代現有的反射鏡系統，將在基于加速器和實驗室X射線源的顯微成像系統中扮演越來越重要的角色。

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本文編輯：趙陽

文章來源：中國光學