科學家開發出用于X射線的消色差透鏡

2022-03-15 09:58:04

瑞士保羅謝勒研究所(PSI)的科學家開發了一種突破性的X射線消色差透鏡。這使得X射線束即使具有不同的波長也可以準確地聚焦在一個點上。根據14日發表在《自然·通訊》上的論文,新透鏡將使利用X射線研究納米結構變得更加容易,特別有利于微芯片、電池和材料科學等領域的研發工作。

要想在攝影和光學顯微鏡中產生清晰的圖像,消色差透鏡必不可少。它們可以確保不同顏色,即不同波長的光,能夠清晰聚焦,從而消除模糊現象。

直到現在才開發出一種用于X射線的消色差透鏡,這一事實乍一看可能令人驚訝,畢竟可見光消色差透鏡已經存在了200多年。它們通常由兩種不同的材料組成。光線穿透第一種材料,分裂成光譜顏色,就像穿過傳統的玻璃棱鏡一樣。然后,它通過第二種材料來逆轉這種效果。在物理學中,分離不同波長的過程稱為“色散”。

然而,PSIX射線納米科學與技術實驗室X射線光學與應用研究組負責人、物理學家克里斯蒂安·大衛解釋說:“這種適用于可見光范圍的基本原理并不適用于X射線范圍。”對于X射線來說,沒有哪兩種材料的光學性質在很大的波長范圍內有足夠的差異,從而使一種材料可以抵消另一種材料的影響。換句話說,X射線范圍內材料的色散太相似了。

此次,科學家沒有在兩種材料的組合中尋找答案,而是將兩種不同的光學原理聯系在一起。這項新研究的主要作者亞當·庫貝克說:“訣竅是意識到我們可以在衍射鏡前面放置第二個折射鏡。”

PSI用已有的納米光刻技術來制造衍射鏡,并用微米級的3D打印制造出折射結構,成功開發出用于X射線的消色差透鏡,解決了上述問題。

為了表征他們的消色差X射線透鏡,科學家們在瑞士同步輻射光源使用了一條X射線光束線,還使用光刻技術來描述X射線光束,從而描述消色差透鏡。這使得科學家們能夠精確地探測到不同波長的X射線焦點的位置。

他們還使用一種方法對新透鏡進行了測試,這種方法將樣品以小光柵步移過X射線束的焦點。當X射線束的波長改變時,用傳統X射線透鏡產生的圖像變得非常模糊。然而,當使用新的消色差透鏡時,這種情況就不會發生。

(實習記者張佳欣)

標簽: 消色差透鏡 納米結構 研發工作 材料科學

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