X射線光學(xué)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
X射線光學(xué)的實(shí)例教程
2018年10月16日，南極熊從外媒獲悉，Max Planck智能系統(tǒng)研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了3D打印技術(shù)的一項(xiàng)新應(yīng)用，他們使用雙光子3D打印技術(shù)從聚合物材料中制造出具有納米尺寸特征和出色聚焦能力的X射線透鏡。
而整個(gè)制造過程僅僅需要花費(fèi)一分鐘，這項(xiàng)技術(shù)制造出具X射線光學(xué)特性的單透鏡，大大降低了原型制造的成本。
據(jù)悉，X射線顯微鏡是獨(dú)特地結(jié)合納米尺寸分辨率和大穿透深度的成像工具，它允許您在不破壞計(jì)算機(jī)中央處理單元的情況下查看其中的缺陷，X射線顯微鏡或XRM是唯一能夠以高分辨率研究埋藏特征的技術(shù)。
然而，X射線的聚焦并非那么容易，它需要納米級(jí)幾何形狀的光學(xué)器件。由于其復(fù)雜的納米制造方法，單個(gè)鏡頭可能花費(fèi)高達(dá)數(shù)萬歐元，制造成本非常高昂。
該研究所的現(xiàn)代磁系統(tǒng)和物理智能部門共同合作，試圖尋找一種更便宜的方法來制作該光學(xué)器件，能夠有效地聚焦X射線。這就是3D打印技術(shù)的特點(diǎn)得到應(yīng)用的地方，他們發(fā)現(xiàn)飛秒雙光子3D納米打印是制造這種衍射X射線光學(xué)元件的最佳方法。
此前，南極熊也曾多次報(bào)道過國(guó)內(nèi)外的雙光子3D打印技術(shù)，下圖中是雙光子聚合加工的技術(shù)原理。
南極熊曾參觀過中國(guó)院理化所的雙光子3D打印設(shè)備，可以進(jìn)行微納米級(jí)別的3D打印。
Umut T. Sanli博士解釋說：“我們使用了飛秒脈沖紅外（IR）激光器，以及可以通過同時(shí)吸收多個(gè)紅外光子來聚合的光刻膠，以寫入小于光波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。通過這種方式，我們實(shí)現(xiàn)了極具挑戰(zhàn)性的X射線透鏡幾何結(jié)構(gòu)，具有納米級(jí)特征和非常高的聚焦效率，他繼續(xù)說道。初步結(jié)果顯示，使用直接軟X射線成像和3D打印的透鏡表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，效率高達(dá)20％。”
由于輻射損壞，幾乎每年都需要更換XRM的X射線光學(xué)系統(tǒng)。
展開 摘要
Hartmann 傳感器是研究入射 X 射線束波前形狀的常用工具，因?yàn)樗鼈兙哂邢詈痛髣?dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。 在這個(gè)用例中，我們遵循 de La Rouchefoauld O. 等人的工作[Sensors 2021, 21, 874.]，模擬通過哈特曼波前傳感器傳播的 X 射線場(chǎng)，該傳感器由一系列針孔組成。 每個(gè)針孔的衍射將導(dǎo)致檢測(cè)器平面的偏移，可用于計(jì)算輸入的波前。
建模任務(wù)
單個(gè)孔徑的模擬
通過可編程參數(shù)運(yùn)行構(gòu)建數(shù)組
基本高斯波前模擬
傾斜方孔的影響
包括彗差的模擬
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
展開 萬 50萬
射線源壽命 終生 2年 2年 2年
由于X射線測(cè)厚儀的故障率高，備件價(jià)格和使用本錢高，對(duì)維護(hù)要求高，且需要定期更換射線管等實(shí)際情況。
【引語】
泵浦探測(cè)X射線（Pump–probe X- ray）技術(shù)是一項(xiàng)研究材料動(dòng)力學(xué)的新型工具。它可以直接捕獲瞬態(tài)光誘導(dǎo)的微觀自由度變化。在典型的X射線時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)中，材料樣品被強(qiáng)激光脈沖激發(fā)，稱為泵脈沖，引起材料的動(dòng)態(tài)變化。時(shí)間延遲的X射線脈沖通過與材料的相互作用探測(cè)其動(dòng)態(tài)變化，隨后通過檢測(cè)器收集散射（或透射）的光束。根據(jù)對(duì)硬和軟X射線中光子能量的篩選，可以使用諸如X射線衍射，X射線吸收光譜和共振X射線衍射等技術(shù)獲得有關(guān)材料的原子或電子結(jié)構(gòu)的信息。
光脈沖可以引起固體特性的動(dòng)態(tài)變化。在量子材料中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多相關(guān)的新現(xiàn)象: 電子相之間的超快轉(zhuǎn)變，鐵電階次的轉(zhuǎn)換和非平衡涌現(xiàn)行為(non-equilibrium emergent behaviors)，光致超導(dǎo)現(xiàn)象等等。研究這些現(xiàn)象需要在超快時(shí)間分辨率下對(duì)多個(gè)微觀自由度進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。飛秒X射線技術(shù)為其提供了可能。它可以探測(cè)材料的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，電子和磁自由度的動(dòng)態(tài)。 這篇文章總結(jié)了一系列代表性的實(shí)驗(yàn)研究。
一．鐵質(zhì)材料
超快鐵電轉(zhuǎn)換
由于相反相位電極化所引發(fā)的結(jié)構(gòu)扭曲狀態(tài)和雙穩(wěn)定狀態(tài)，使得鐵電材料具有很大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和技術(shù)意義。利用這些特性，數(shù)字信息可以存儲(chǔ)在鐵電體中，進(jìn)而使其用于非易失性信息存儲(chǔ)裝置的研發(fā)。通常，通過施加脈沖電場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)鐵電極化的轉(zhuǎn)換。然而，這種鐵電轉(zhuǎn)換是由非相干動(dòng)力學(xué)和疇界的傳播驅(qū)動(dòng)的。這使得轉(zhuǎn)換耗時(shí)達(dá)到數(shù)百皮秒。為了縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間，科學(xué)家嘗試過通過利用脈沖拉曼散射或直接激發(fā)驅(qū)動(dòng)鐵電軟模，以實(shí)現(xiàn)超高速轉(zhuǎn)換。
科學(xué)家S. Gr¨ubel等人利用單周期太赫茲脈沖直接激發(fā)材料引起晶格振動(dòng) 并利用超快X射線對(duì)Sn2P2S6在其鐵電相中軟模受直接激發(fā)而引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了定量測(cè)量。
展開 使用快速物理光學(xué)建模和設(shè)計(jì)軟件VirtualLab Fusion，不僅可以直接獲得原始相位信息(這是仿真技術(shù)的好處之一)，還可以模擬光在整個(gè)夏克-哈特曼光學(xué)設(shè)備中的傳播。下面你可以看到一些物理光學(xué)模擬夏克-哈特曼類系統(tǒng)的例子。
夏克-哈特曼傳感器的仿真
用不同數(shù)值孔徑的平面波和球面波描述了夏克-哈特曼傳感器的工作原理。傳感器本身由雙凸微透鏡陣列組成。
用于x射線光學(xué)的哈特曼波前傳感器
在這個(gè)用例中，我們模擬了x射線場(chǎng)通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳
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X射線光學(xué)的最新內(nèi)容
[NEWSLETTER] X射線成像中的泰伯效應(yīng)2個(gè)月前
X射線成像已在醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)檢查等領(lǐng)域有許多應(yīng)用。一個(gè)常見的X射線成像設(shè)備的設(shè)計(jì)是基于泰伯效應(yīng)——一種衍射效應(yīng)，其中一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，如光柵，可在其背后一定距離產(chǎn)生該結(jié)構(gòu)精確的像。
作為一個(gè)基于快速物理光學(xué)的軟件平臺(tái)，VirtualLab Fusion提供了合適的求解器來傳播光線，包括所有的衍射效應(yīng)。關(guān)于VirtualLab Fusion在這一領(lǐng)域的能力的簡(jiǎn)短演示，請(qǐng)看下面的例子：
用于X
[VirtualLab] 用于X射線成像的單光柵干涉儀2個(gè)月前
摘要
X射線成像通常是基于Talbot效應(yīng)，以及光柵的周期性自成像。按照N. Morimoto等人的工作，我們選擇了三種類型的相位光柵，有十字、棋盤和網(wǎng)狀圖案。這些光柵在一個(gè)單一的光柵干涉儀中被采用，被建模為僅有相位的傳輸函數(shù)（因?yàn)閄射線的波長(zhǎng)比光柵的最小特征尺寸小得多），并且在VirtualLab Fusion中測(cè)試它們的自成像。
建模任務(wù)
相位光柵
如果光柵結(jié)構(gòu)的最小特征大于入射光波長(zhǎng)的大約五倍
摘要
掠入射反射光學(xué)元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統(tǒng)。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過使用兩個(gè)物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來實(shí)現(xiàn)的。
摘要
掠入射反射光學(xué)元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統(tǒng)。（A.
單透鏡對(duì)x射線的折射通常很小，但復(fù)合透鏡（由數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)排列成線性陣列的獨(dú)立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過透鏡的數(shù)量來控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據(jù)Snigirev等人的論文。[應(yīng)用光學(xué)，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復(fù)合折射透鏡進(jìn)行一維和二維X射線聚焦。
摘要
單透鏡對(duì)x射線的折射通常很小，但復(fù)合透鏡（由數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)排列成線性陣列的獨(dú)立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過透鏡的數(shù)量來控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據(jù)Snigirev等人的論文。[應(yīng)用光學(xué)，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復(fù)合折射透鏡進(jìn)行一維和二維
[NEWSLETTER] 單光柵X射線干涉儀7個(gè)月前
X射線成像技術(shù)是基于泰伯效應(yīng)和光柵自成像。根據(jù)N. Morimoto 等人工作，我們選擇了三種典型的相位光柵，并分類利用它們?cè)赩irtualLab Fusion 中建模了單光柵干涉儀。通過傅里葉變換設(shè)置，我們可以計(jì)算其自成像，即相位光柵后面的衍射圖（建模為透射函數(shù)），并比較不同類型光柵的結(jié)果。
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在如醫(yī)療成像和工業(yè)檢查等廣泛的應(yīng)用中，X射線成像是一種有價(jià)值的工具。在VirtualLab Fusion中，我們已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)著名的X射線成像系統(tǒng)，它們可以用來探索所討論裝置的成像特性，或用來說明特殊的X射線成像原理。在本通訊中，我們展示了兩個(gè)X射線成像實(shí)驗(yàn)：(1)使用Kirkpatrick-Baez鏡創(chuàng)建納米級(jí)X射線成像點(diǎn)；(2)用單光柵干涉儀說明相襯X射線成像原理。
X射線束的掠入射聚焦鏡
用于X射線束的掠入射聚焦鏡8個(gè)月前
摘要
掠入射反射光學(xué)在x射線束線中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統(tǒng)中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個(gè)物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個(gè)維度即可完成聚焦。系統(tǒng)可以將入射的X射線聚焦到納米級(jí)的光斑尺寸。
在如醫(yī)療成像和工業(yè)檢查等廣泛的應(yīng)用中，X射線成像是一種有價(jià)值的工具。在VirtualLab Fusion中，我們已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)著名的X射線成像系統(tǒng)，它們可以用來探索所討論裝置的成像特性，或用來說明特殊的X射線成像原理。在本通訊中，我們展示了兩個(gè)X射線成像實(shí)驗(yàn)：(1)使用Kirkpatrick-Baez鏡創(chuàng)建納米級(jí)X射線成像點(diǎn)；(2)用單光柵干涉儀說明相襯X射線成像原理。
