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“2017中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”候選推薦
 

X射線光柵的基本原理是利用周期性微納結(jié)構(gòu)對(duì)入射X射線的衍射效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)色散功能，具有精度高、重量輕、緊湊、易于校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，符合儀器設(shè)備小型化、輕量化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)，在四大光學(xué)工程（激光聚變、X射線天文望遠(yuǎn)鏡、同步輻射和極紫外光刻）、醫(yī)學(xué)成像、X射線計(jì)量學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用需求。

 

X射線穿過(guò)所有已知材料后，振幅衰減的同時(shí)，相位也相應(yīng)地發(fā)生改變。這種獨(dú)特的相移吸收二元性決定了X射線光柵設(shè)計(jì)機(jī)理復(fù)雜，需采用大高寬比自支撐結(jié)構(gòu)，制造難度遠(yuǎn)大于其它波段。國(guó)際上僅有麻省理工學(xué)院空間納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等極少數(shù)科研機(jī)構(gòu)具備此類元件研制能力。這兩個(gè)頂尖科研機(jī)構(gòu)所研制的X射線光柵廣泛應(yīng)用于美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置、錢德拉天文望遠(yuǎn)鏡、國(guó)家同步光源、極紫外光刻機(jī)等重大工程/設(shè)備。

 

然而，傳統(tǒng)的周期性X射線光柵通常表現(xiàn)出固有的高級(jí)衍射特性。許多實(shí)際應(yīng)用僅需要使用1級(jí)衍射，其它高級(jí)衍射通常會(huì)造成干擾，降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的置信水平。為了解決高級(jí)衍射干擾難題，中物院激光聚變研究中心（八所）曹磊峰研究員基于準(zhǔn)隨機(jī)控制分布于不透明薄板上針孔單位面積數(shù)密度實(shí)現(xiàn)透過(guò)率函數(shù)微觀二值變化、宏觀正弦變化的思路，提出了X 射線單級(jí)光柵的新概念 ,隨后和中科院微電子所謝常青研究員課題組合作，開展進(jìn)一步研究，成功集成了一系列X射線單級(jí)光柵。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的X射線單級(jí)光柵研究成果獲得了2013年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

 

 

準(zhǔn)周期光柵介于周期光柵和無(wú)序系統(tǒng)之間，既繼承了周期光柵的基本色散特性，又可增加調(diào)控自由度，合適的光場(chǎng)調(diào)控可以產(chǎn)生高級(jí)衍射抑制特性。基于這一思路，2017年在國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助下，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在X射線單級(jí)光柵的研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用準(zhǔn)周期納米孔陣列模仿X射線光柵透射函數(shù)，基于嚴(yán)格的電磁學(xué)理論，推導(dǎo)了準(zhǔn)周期X射線光柵的解釋表達(dá)式，闡述高級(jí)衍射抑制機(jī)制，通過(guò)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了解釋表達(dá)式的正確性。在兼容微電子制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用自行提出的混合光刻方法 ，實(shí)現(xiàn)了納米尺度、陡直剖面、精確可控和精確定位的準(zhǔn)周期自支撐金納米孔陣列加工集成，金納米孔數(shù)量達(dá)16億個(gè)，面積為10×10 mm2。在國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室對(duì)研制的元件進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)和制造結(jié)果的正確性。相關(guān)研究成果以Higher-order diffraction suppression of free-standing quasiperiodic nanohole arrays in the x-ray region為題發(fā)表在Applied Physics Letters  [110,  041104 (2017) ] 上。

 

 

2017年，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)迅速將這款抑制高級(jí)衍射的準(zhǔn)周期X射線光柵進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，應(yīng)用于北京同步輻射裝置無(wú)諧波X射線光束線站（國(guó)際首條）的建設(shè)和激光聚變等離子診斷實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該款產(chǎn)品的高分辨、高級(jí)衍射抑制、輕量化和集成化等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該款產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了向西北核技術(shù)研究所、中科院空間中心的銷售。