X射線光學的案例
用于X射線顯微鏡，科學家一分鐘內3D打印出納米鏡片
2018年10月16日，南極熊從外媒獲悉，Max Planck智能系統研究所的科學家們發現了3D打印技術的一項新應用，他們使用雙光子3D打印技術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。
而整個制造過程僅僅需要花費一分鐘，這項技術制造出具X射線光學特性的單透鏡，大大降低了原型制造的成本。
據悉，X射線顯微鏡是獨特地結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算機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。
然而，X射線的聚焦并非那么容易，它需要納米級幾何形狀的光學器件。由于其復雜的納米制造方法，單個鏡頭可能花費高達數萬歐元，制造成本非常高昂。
該研究所的現代磁系統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器件，能夠有效地聚焦X射線。這就是3D打印技術的特點得到應用的地方，他們發現飛秒雙光子3D納米打印是制造這種衍射X射線光學元件的最佳方法。
此前，南極熊也曾多次報道過國內外的雙光子3D打印技術，下圖中是雙光子聚合加工的技術原理。
南極熊曾參觀過中國院理化所的雙光子3D打印設備，可以進行微納米級別的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，以及可以通過同時吸收多個紅外光子來聚合的光刻膠，以寫入小于光波長的結構。通過這種方式，我們實現了極具挑戰性的X射線透鏡幾何結構，具有納米級特征和非常高的聚焦效率，他繼續說道。初步結果顯示，使用直接軟X射線成像和3D打印的透鏡表現出優越的性能，效率高達20％?！?由于輻射損壞，幾乎每年都需要更換XRM的X射線光學系統。
展開 用于X射線光學器件的哈特曼波前傳感器
摘要
Hartmann 傳感器是研究入射 X 射線束波前形狀的常用工具，因為它們具有消色差和大動態范圍等優點。 在這個用例中，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，該傳感器由一系列針孔組成。 每個針孔的衍射將導致檢測器平面的偏移，可用于計算輸入的波前。
建模任務
單個孔徑的模擬
通過可編程參數運行構建數組
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
文件信息
展開 飛秒X射線在量子材料動力學中的探測運用
【引語】
泵浦探測X射線（Pump–probe X- ray）技術是一項研究材料動力學的新型工具。它可以直接捕獲瞬態光誘導的微觀自由度變化。在典型的X射線時間分辨實驗中，材料樣品被強激光脈沖激發，稱為泵脈沖，引起材料的動態變化。時間延遲的X射線脈沖通過與材料的相互作用探測其動態變化，隨后通過檢測器收集散射（或透射）的光束。根據對硬和軟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射線衍射等技術獲得有關材料的原子或電子結構的信息。
光脈沖可以引起固體特性的動態變化。在量子材料中，已經發現了許多相關的新現象: 電子相之間的超快轉變，鐵電階次的轉換和非平衡涌現行為(non-equilibrium emergent behaviors)，光致超導現象等等。研究這些現象需要在超快時間分辨率下對多個微觀自由度進行詳細測量。飛秒X射線技術為其提供了可能。它可以探測材料的瞬態結構，電子和磁自由度的動態。 這篇文章總結了一系列代表性的實驗研究。
一．鐵質材料
超快鐵電轉換
由于相反相位電極化所引發的結構扭曲狀態和雙穩定狀態，使得鐵電材料具有很大的科學研究價值和技術意義。利用這些特性，數字信息可以存儲在鐵電體中，進而使其用于非易失性信息存儲裝置的研發。通常，通過施加脈沖電場可以實現鐵電極化的轉換。然而，這種鐵電轉換是由非相干動力學和疇界的傳播驅動的。這使得轉換耗時達到數百皮秒。為了縮短轉換時間，科學家嘗試過通過利用脈沖拉曼散射或直接激發驅動鐵電軟模，以實現超高速轉換。
科學家S. Gr¨ubel等人利用單周期太赫茲脈沖直接激發材料引起晶格振動 并利用超快X射線對Sn2P2S6在其鐵電相中軟模受直接激發而引起的結構響應進行了定量測量。
展開 同位素(γ射線)和X射線測厚儀特性對比
萬 50萬
射線源壽命 終生 2年 2年 2年
由于X射線測厚儀的故障率高，備件價格和使用本錢高，對維護要求高，且需要定期更換射線管等實際情況。
夏克-哈特曼波前傳感器
使用快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion，不僅可以直接獲得原始相位信息(這是仿真技術的好處之一)，還可以模擬光在整個夏克-哈特曼光學設備中的傳播。下面你可以看到一些物理光學模擬夏克-哈特曼類系統的例子。
夏克-哈特曼傳感器的仿真
用不同數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射線光學的哈特曼波前傳感器
在這個用例中，我們模擬了x射線場通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳
微透鏡陣列的高級模擬
使用快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion，不僅可以直接獲得原始相位信息(這是仿真技術的好處之一)，還可以模擬光在整個夏克-哈特曼光學設備中的傳播。下面你可以看到一些物理光學模擬夏克-哈特曼類系統的例子。
夏克-哈特曼傳感器的仿真
用不同數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射線光學的哈特曼波前傳感器
在這個用例中，我們模擬了x射線場通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳播。
夏克-哈特曼波前傳感器
使用快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion，不僅可以直接獲得原始相位信息(這是仿真技術的好處之一)，還可以模擬光在整個夏克-哈特曼光學設備中的傳播。下面你可以看到一些物理光學模擬夏克-哈特曼類系統的例子。
夏克-哈特曼傳感器的仿真
用不同數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射線光學的哈特曼波前傳感器
在這個用例中，我們模擬了x射線場通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳播。
X射線聚焦系統
高能光子(X射線)的使用已成為許多醫療和同步加速器應用的共同特點。與可見光譜中的光不同，X射線與大多數物質僅發生微弱的相互作用，這使得聚焦元件的設計比波長譜的其他部分更具挑戰性。下面我們展示了兩種解決此任務的方法，即使用復合透鏡和在掠入射下的橢圓反射鏡。使用建模和設計軟件VirtualLab Fusion對這些系統進行快速物理光學仿真，使我們能夠在焦距和測量光斑尺寸的基礎上研究它們的性能。
用于X射線聚焦的復合折射透鏡
復合折射透鏡由數十或數百個獨立的圓柱透鏡組成，用于一維或二維聚焦X射線場。
用于X射線束的掠入射聚焦鏡
Kirkpatrick-Baez (KB)反射鏡將掠入射的X射線場聚焦成一個納米尺度的光斑。在這個用例中，演示了這種 KB 反射鏡系統的建模和評價。
展開 Comsol光熱和射線光學耦合 ￥1600
</p><p><br></p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202012/d4afe1410bf245aa9d026db4e226b522.gif" alt="2222.gif"></p><p><br></p><p>該案例嘗試使用comsol進行微顆粒的光熱和射線光學耦合，動圖如上展示的。</p><p><br></p><p><br></p>
展開 Light | 復消色差X射線聚焦
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。
展開 [NEWSLETTER] 單光柵X射線干涉儀
X射線成像技術是基于泰伯效應和光柵自成像。根據N. Morimoto 等人工作，我們選擇了三種典型的相位光柵，并分類利用它們在VirtualLab Fusion 中建模了單光柵干涉儀。通過傅里葉變換設置，我們可以計算其自成像，即相位光柵后面的衍射圖（建模為透射函數），并比較不同類型光柵的結果。
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在單個光柵干涉儀中，針對X射線使用三種類型的相位光柵，并對所選光柵的自成像進行研究。
傅里葉變換設置-實例討論
作為VirtualLab Fusion最基本技術之一，傅里葉變換建立了空間域與頻域的聯系。我們在不同實例中討論了傅里葉變換設置，并展示了相應的結果。
了解更多信息請發送信息至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
展開 
[NEWSLETTER] X射線成像中的泰伯效應
X射線成像已在醫學成像和工業檢查等領域有許多應用。一個常見的X射線成像設備的設計是基于泰伯效應——一種衍射效應，其中一個周期性的結構，如光柵，可在其背后一定距離產生該結構精確的像。
作為一個基于快速物理光學的軟件平臺，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。關于VirtualLab Fusion在這一領域的能力的簡短演示，請看下面的例子：
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在X射線的單光柵干涉儀中采用了三種類型的光柵（以相位傳輸為模型），并研究了所選光柵的自成像。
塔爾伯特效應的建模
我們展示了塔爾伯特效應的建模，這是一個著名的周期性結構（如光柵）的近場衍射效應。
展開 X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要
掠入射反射光學元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過使用兩個物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來實現的。進入系統的X射線可以通過系統聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統在VirtualLab Fusion中進行了建模和仿真，并計算了焦點位置的電場。
建模任務
分析設計橢圓反射鏡（1）
分析設計橢圓反射鏡（2）
分析設計橢圓反射鏡（3）
焦平面上的能量密度和電場
軟件界面
VirtualLab Fusion操作流程
設置輸入高斯場
- 基本光源模式（教學視頻）
設置組件的位置和方向
- LPD II 位置和方向 （教學視頻）
可編程的橢圓界面
- 如何使用可編程界面和示例 （球面）（應用案例）
VirtualLab Fusion技術
文檔信息
拓展閱讀
- 用于x射線成像的單光柵干涉儀
展開 VirtualLab：X射線成像中的泰伯效應
X射線成像已在醫學成像和工業檢查等領域有許多應用。一個常見的X射線成像設備的設計是基于泰伯效應——一種衍射效應，其中一個周期性的結構，如光柵，可在其背后一定距離產生該結構精確的像。
作為一個基于快速物理光學的軟件平臺，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。關于VirtualLab Fusion在這一領域的能力的簡短演示，請看下面的例子：
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在X射線的單光柵干涉儀中采用了三種類型的光柵（以相位傳輸為模型），并研究了所選光柵的自成像。
塔爾伯特效應的建模
我們展示了塔爾伯特效應的建模，這是一個著名的周期性結構（如光柵）的近場衍射效應。
展開 用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要
掠入射反射光學在x射線束線中得到了廣泛的應用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個維度即可完成聚焦。系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建，并對焦場進行了計算。
建模任務
橢圓鏡的解析設計
橢圓鏡的解析設計
橢圓鏡的解析設計
焦面的電場與能量密度
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
-用于X射線成像的單光柵干涉儀
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