Astronomy (communication arising): black holes, fleas and microlithography

Fresnel lenses allow almost perfect imaging in widely different circumstances, but their focus is perfect only for a single wavelength. Wang et al. have shown how the effective bandpass may be widened for X-ray microscopy by using a compound diffractive/refractive lens near to an absorption edge. A compound lens has also been proposed for high-energy astronomy, working well above all absorption edges. Although the scale is very different, we point out here that the principle is the same. Ever since Galileo constructed an astronomical telescope that he was able to reconfigure to study fleas and gnats, astronomy and microscopy have relied on optics that are closely related, but different in detail.     

X射线毛细管光学透镜的发展

X射线毛细管光学透镜是一种非常重要的X射线器件,可以有效地实现X射线的聚焦和准直。介绍了X射线毛细管光学主要理论及其发展过程,论述了X射线毛细管光学透镜的参数和主要用途,探讨了透镜的制造工艺及其改进方法。     

Sharper images by focusing soft X-rays with photon sieves.

Fresnel zone plates consisting of alternating transmissive and opaque circular rings can be used to focus X-rays. The spatial resolution that can be achieved with these devices is of the order of the width of the outermost zone and is therefore limited by the smallest structure (20-40 nm) that can be fabricated by lithography today. Here we show that a large number of pinholes distributed appropriately over the Fresnel zones make it possible to focus soft X-rays to spot sizes smaller than the diameter of the smallest pinhole. In addition, higher orders of diffraction and secondary maxima can be suppressed by several orders of magnitude. In combination with the next generation of synchrotron light sources (free-electron lasers) these 'photon sieves' offer new opportunities for high-resolution X-ray microscopy and spectroscopy in physical and life sciences.     

非零炮检距菲涅耳带研究

菲涅耳带是衡量地震横向分辨率的一个重要参数。对水平界面和倾斜界面两种情况下的非零炮检距菲涅耳带方程进行了理论推导,给出了相应的数值算例,指出了菲涅耳带在非零炮检距情况下表现为椭圆的性质,并对非零炮检距情况下地震绕射波能量的主要分布范围做了定量阐述。研究结果表明,炮检距是影响菲涅耳带椭圆大小和形状的主要因素,炮检距越大,椭圆面积越大,离心率也越大。界面倾角对椭圆大小和形状的影响相对微小可以忽略不计,但界面倾角却是影响椭圆中心位置偏离反射点程度的主要因素,倾角越大,椭圆中心在反射点下倾方向上偏离得越远。这一结论对于指导野外观测系统的设计和资料处理参数的选择都有积极的指导意义,同时也是对常规意义下菲涅耳带概念的扩充。     

一维透射式菲涅尔区相位修正结构的辐射特性

一维菲涅尔区相位修正结构具有类似于抛物柱面的焦特点。本文应用口径场法对透射式一维菲涅尔区相位修正结构的辐射特性进行了分析,并在９ＧＨｚ频率上进行了辐射方向图的测量。理论分析结果与实验结果吻合较好。     

圆对称孔径函数菲涅耳衍射场的轴向分布及成像特性

提出了一种新的方法,将二维圆对称孔径函数轴向菲涅耳衍射场的计算转化为常规一维傅里叶变换,简化了计算过程,且可定量求得轴向光场的解析式及与自由传播时光强之比。用此方法对普通透镜、圆孔、圆环、正弦波带片(同轴全息透镜)及离散波带片等各种孔径完成了计算和分析,并据此讨论及比较了它们的聚焦、成像特性及轴向分辨率。     

VSP和常规地震剖面的水平分辨率

本文利用菲涅耳带原理,通过数学分析,证明VSP的第一菲涅耳带半径比常规地震剖面的第一菲涅耳带半径小,从而得出VSP的水平分辨率高于常规地震剖面。     

New achievements in X-ray optics??the X-ray lens and its applications

An X-ray lens consists of a large number of X-ray capillaries. It can collect divergent X-rays emitted from an X-ray source and form a focused or parallel beam of high intensity. So it is an effective tool for adjusting and controlling wide bandwidth X-ray beams. In this paper, the X-ray lens made by the X-ray Optics Laboratory of Institute of Low Energy Nuclear Physics at Beijing Normal University and its applications in the field of X-ray analysis are presented.     

Warped time lens in temporal imaging for optical real-time data compression

We introduce for the first time the concept of anamorphic temporal imaging and its application to analog data compression in a time lens. Placed in front of a conventional spectrometer, this technique enhances the spectral resolution and the update rate. More importantly, it performs real-time optical data compression to reduce the volume of the generated digital data. Our technique introduces the concept of the warped time lens. We show that a specific class of warped time-to-frequency mapping operations combined with the nonlinear operation inherent in a photo-detector compresses the time-bandwidth product in a temporal imaging system. We employ our newly introduced Stretched Modulation Distribution to design the warp profile. Using this method, the narrow spectral features beyond the spectrometer resolution can be captured and at the same time the output bandwidth and hence the record length is minimized. The reduction in the record length results in higher update rate for the spectrometer without sacrificing the spectral resolution or bandwidth. Our method also benefits from amplitude and phase detection to recover the input complexfield spectrum. By compressing the time-bandwidth product, anamorphictemporal imaging addresses the Big Data problem in such highthroughput instruments.     

多色高斯光束照射下透镜轴棱锥的聚焦特性

从菲涅耳衍射积分公式出发,推导多色高斯光束被球差透镜衍射后光强分布的解析公式,进行数值模拟和物理分析.结果表明,光谱半宽σ小的多色高斯光束照射透镜轴棱锥时,不同观察面的光强分布均为J20的形式.随观察平面远离透镜轴棱锥,横向光强第1零点半径逐渐增大;但当σ取值较大时,横向光强分布不再是J20的形式,且横向光强的零点不再明显.对于轴上光强而言,多色高斯光束提高轴上光强分布的均匀性.     

生物组织折射率分布的P偏光测量研究

基于菲涅尔公式推导了P偏光以布鲁斯特角入射时测量透明组织在二维空间中的折射率分布,并设计搭建了相应的实验系统来验证该技术的可行性。实验结果表明,反射光强较小的部分对应折射率较大的物相,反射光强较大的部分对应折射率较小的物相,从而可以清晰地分辨出生物组织中的不同结构,这与理论模拟结果是一致的。此外还给出了实验误差的来源,分析了实验解析度,结果发现解析度可达0.044。该研究与传统方法相比,具有非侵入性、非破坏性、精确、快速、简单等优点。     

菲涅尔区修正抛物柱面反射器聚焦的极化特性

在抛物柱面反射器上进行一维菲涅尔区相位修正结构设计,可以构成一类新型的点源馈电反射器。为此用物理光学法导出该反射器对任意斜入射平面形成的聚焦场分布,分析了其共极化及交叉极化特性。     

菲涅尔透镜光学系统在弹道测量中的应用

目前,间接阴影照相系统多数采用光学透镜或凹面反射镜组成锥形光路或平行光路,但向大口径推广时受到加工难度及造价的限制。而菲涅尔透镜则以其加工方便、口径极易扩大且价格低廉的特点,显示了其它光学系统无法比拟的优点。本文介绍菲涅尔透镜的基本原理及目前在弹道流场显示中已开拓的几种用途;分析了加工误差对光学质量的影响。大量的拍摄结果表明,清晰度满足要求。同时亦指出了菲涅尔透镜的使用局限性。     

Archimedes螺线式Fresnel透镜的设计及加工方法

为解决传统同心环式Fresnel透镜及其模具金刚石刀具加工存在对加工系统要求过高及效率较低的问题,给出了Archimedes螺线式Fresnel透镜的设计方法。从几何聚光比和能流透射率方面对比了2种透镜的性能,发现两者性能基本一致。分析了大型Fresnel透镜及其模具金刚石车削机床的运动。计算了Archimedes螺线式Fresnel透镜车削加工的刀具轨迹。对比机床各轴精度对透镜光学性能的影响,发现刀具摆角、透镜法线方向进给轴的精度影响最大,采用附加沿刀具轴线方向微进给装置的机床结构能有效提高加工精度。     

Archimedes螺线式Fresnel透镜的设计及加工方法

为解决传统同心环式Fresnel透镜及其模具金刚石刀具加工存在对加工系统要求过高及效率较低的问题,给出了Archimedes螺线式Fresnel透镜的设计方法。从几何聚光比和能流透射率方面对比了2种透镜的性能,发现两者性能基本一致。分析了大型Fresnel透镜及其模具金刚石车削机床的运动。计算了Archimedes螺线式Fresnel透镜车削加工的刀具轨迹。对比机床各轴精度对透镜光学性能的影响,发现刀具摆角、透镜法线方向进给轴的精度影响最大,采用附加沿刀具轴线方向微进给装置的机床结构能有效提高加工精度。     

斜入射消色差延迟器理论

为了提高斜入射消色差延迟器件的精度,通过分析两种斜入射结构,得出了消色差性能较好的结构.结果表明,这种较好的结构由于折射率n和全内反射角θ引起相位延迟δ的变化趋势相反,而减弱相位延迟δ的变化,因而可以设计出高精度的消色差相位延迟器件.     

菲涅尔液晶透镜的制备及偏光织构研究

针对现有的液晶透镜制备工艺复杂、工作电压高等缺陷,提出了一种制备工艺简单、工作电压低的新型菲涅尔液晶透镜.用紫外光曝光光刻掩膜版,得到了相应的菲涅尔波带式电极,灌注TN型液晶并制成样品,其工作电压为3.0 V,占空比为1:1,偏压为1:1.施加频率为100 Hz的交流方波信号,用正交偏光显微镜在不同外加电压下对偏光织构进行了观察.结果表明,偏光织构随外加电压的改变呈连续性变化,电极结构存在边缘效应,且随着电压的增大,边缘效应越严重.     

近场聚焦法测相控阵天线方向图

阐述了用聚焦法在菲涅尔区测试相控阵天线的理论依据及实现方法 ,用实验结果对近远场方向图进行了比较。考虑到实际应用 ,对距离标定误差和频率漂移引起的测试误差进行了实验研究。结果表明在菲涅尔区用聚焦法监测相控阵天线性能是一种行之有效的方法。     

基于热变形的SOG型菲涅尔透镜优化研究

由硅胶-玻璃材料制成的SOG型菲涅尔透镜在温度变化时会产生热变形,从而对聚光性能产生影响。为了研究如何通过优化措施减弱热变形对透镜聚光性能的影响,在采用有限元方法模拟计算SOG型菲涅尔透镜热变形的基础上,根据均匀优化方法以及改进型补偿色散优化方法设计出两种菲涅尔透镜;并巧妙地将透镜热变形(包括整体翘曲变形和齿环侧面的自由变形)的变形量转化后导入光路理论模型中,解决了热变形参数难于在光路模型得到表达的难题;并成功模拟出变形前后透镜的光斑能量分布。模拟结果表明:SOG型透镜两种变形对均匀优化方法设计的透镜聚光有较大的影响。变形前后光效率相差可以达到10%。同时发现,透镜两种变形对聚光的影响刚好相反。综合两种变形后,热变形对聚光影响减少。从而得出了使用补偿色散的设计方法,可以有效地抵抗热变形对于透镜聚光的影响的结论。     

微束X射线荧光分析谱仪及其对松针中元素的分布分析

介绍了一种小型的微束X射线荧光分析谱仪,它是由导管X光透镜和能量色散X射线荧光分析谱仪组成.谱仪具有较高的空间分辨率和能量分辨率.使用本谱仪对松树针叶进行了微区分析,得出各种元素沿松针长度方向和横切面径向的分布规律.结果表明使用X光透镜的微束X射线荧光分析方法可以实现植物样品的微区分析,有助于进一步了解植物的生长与元素迁移的关系.