一個國際合作的科學(xué)家小組定制出了一種特殊的X光眼鏡，使X射線激光束比以往任何時候都更加強大。單獨制作的矯正透鏡消除X射線光學(xué)的不可避免的缺陷棧，幾乎完全集中了X射線束的四分之三到光場，形成了250納米（毫米的百萬分之一）的直徑的光場，接近理論極限。集中的X射線束不僅可以提高一定的測量質(zhì)量，而且開辟了全新的研究途徑，依托德國電子加速中心由研究的首席科學(xué)家Christian Schroer帶領(lǐng)的團隊將這一研究成果發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
雖然X射線遵循與可見光相同的光學(xué)規(guī)律，且是難以集中或轉(zhuǎn)移的：“只有很少的材料可用于制作合適的X射線透鏡和反射鏡，”來自德國電子加速中心的論文的合著者Andreas Schropp說。“同時，由于X射線的波長要大幅度小于可見光，這類制造X射線透鏡需要在光波長尺度上的更高的精密度，而鏡片形狀的稍有缺陷就會造成不利影響。”
合適的透鏡和反射鏡的生產(chǎn)已達到很高的精度水平，但標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，由鈹元素制作，通常是在中心附近有稍微太強烈彎曲，正如Schropp提到的那樣。“鈹透鏡采用精密模具模壓成型。對幾百納米的順序形狀誤差的過程中幾乎是不可避免的。”這導(dǎo)致更多的光由聚焦點散射出來，且由于物理定律是不可避免。更重要的是，這種光分布在相當(dāng)大的面積上。
這種缺陷在許多應(yīng)用中是不相關(guān)的。“然而，如果你想利用X射線激光的輻射照射到小樣品上，你要將焦點集中在一個盡可能小的區(qū)域，”Schropp說。“在某些成像技術(shù)中也是如此，在這里你要盡可能多地獲取細(xì)節(jié)的圖像。”
為了優(yōu)化聚焦，科學(xué)家們首先精心測量便攜式鈹X光透鏡的堆棧的缺陷。然后他們在耶那大學(xué)用精密激光，利用這些數(shù)據(jù)定制鏡片的石英玻璃。然后科學(xué)家在美國SLAC國家加速器實驗室利用LCLS X射線激光對這些眼鏡進行測試的效果。
“沒有矯正的眼鏡，我們的鏡頭聚焦約為總X射線光的百分之75左右，分布到一個直徑約1600納米的區(qū)域。這是理論上可實現(xiàn)聚焦面積的約十倍大，”報告的主要作者Frank Seiboth說，他是來自德累斯頓技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)在工作在德國電子加速中心。“當(dāng)玻璃被使用，百分之75 的X射線分可以集中到直徑約250納米的區(qū)域，是它接近理論值的最優(yōu)結(jié)果。”
利用校正的透鏡，能夠提高X射線光被集中到中央的斑點的聚焦程度的三倍。與此相反，半高全寬（FWHM），這一在科學(xué)領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)聚焦清晰度表征的參數(shù)，加不加這種矯正透鏡并沒有太大變化，保持在大約150納米。
可移動的標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)和特制透鏡的相同的組合也被在德國電子加速中心的同步輻射X射線源PETRA III和英國鉆石光源研究小組的研究中。在這兩種情況下，校正透鏡導(dǎo)致一個類似的改善，在X-射線激光處就看到。“原則上，我們的方法允許一個人改正透過透鏡的每個X射線，”首席科學(xué)家Schroer解釋說，他也是漢堡大學(xué)的物理學(xué)教授。
“這些所謂的相位板不僅對現(xiàn)有的X射線源，但他們特別能成為下一代X射線激光和同步輻射光源的一個關(guān)鍵組成部分，” Schroer強調(diào)。“聚焦的X射線的理論極限不僅是一個基本的條件，在一系列的不同的實驗技術(shù)中的這一重大改進，可以為新的研究方法鋪平了道路。例子包括光粒子的非線性散射，或由兩個光粒子的相互作用產(chǎn)生物質(zhì)粒子。對于這些方法，X光需要集中在一個微小的空間，這意味著有效的聚焦是必不可少的。”
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