Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Казин Сергей Владимирович
Расчет и анализ ахроматизированных дифракционных и дифракционно-рефракционных оптических систем рентгеновского диапазона
01.04.05 - Оптика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Самара - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства на кафедре Физика
Научный консультант:
доктор физико-математических наук, доцент Ежов Евгений Григорьевич
Официальные оппоненты:
Карпеев Сергей Владимирович, доктор физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет), профессор кафедры наноинженерии;
Налимов Антон Геннадиевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФГБУН Институт обработки изображений Российской академии наук.
Ведущая организация - ФГУП Федеральный научно-производственный центр Производственное объединение Старт имени М.В. Проценко
Защита диссертации состоится 30 ноября 2012 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет) (СГАУ), по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д. 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.
Автореферат разослан 26 октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., профессор В.Г. Шахов
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена расчету и анализу ахроматизированных дифракционных и дифракционно-рефракционных оптических систем рентгеновского диапазона.
Актуальность темы.
Создание и совершенствование синхротронных источников новых поколений, а также лазеров на свободных электронах, обуславливает практически непрерывный рост требований, предъявляемых к оптическим системам фокусировки рентгеновского излучения. Наиболее распространенной элементной базой фокусировки полихроматического рентгеновского излучения в настоящее время являются зеркальные оптические системы. В мягком рентгеновском диапазоне - это зеркала скользящего падения и многослойные зеркала [P. Kirpatrick, 1948; H. Wolter, 1952; J. Henry, 1982; М. Кумахов, 1989;
F. Wang, 2011, Y. Ezoe, 2012]. В жестком рентгеновском диапазоне - это оптические системы на основе изогнутых кристаллов [H. Johann, 1931;
J. Koglin, 2003 S. Matsuyama, 2012]. Однако ограничения, присущие всем зеркальным системам, и, прежде всего, центральное экранирование, а также проблемы достижения высокого качества фокусировки при использовании систем со скрещенными зеркалами цилиндрической или квазицилиндрической формы вынуждают искать альтернативные пути построения фокусирующих оптических систем. Одним из наиболее перспективных путей является использование вращательно-симметричных элементов пропускающего типа. К таким элементам относятся дифракционные оптические элементы (ДОЭ) и рефракционные линзы (РЛ).
ДОЭ, осуществляющие преобразование волнового фронта в результате дифракции электромагнитной волны на квазипериодической микроструктуре, подобной кольцевой микроструктуре зонной пластинки Френеля, могут использоваться в любой части рентгеновского диапазона [G. Schmahl, 1969;
А.И. Ерко, 1984; А.Г. Налимов, В.В. Котляр, В.А. Сойфер, 2011]. При этом, однако, они могут высококачественно фокусировать только монохроматическое излучение, поскольку дифракционный механизм их работы обуславливает значительный хроматизм.
Что касается РЛ, то они в силу особых свойств материалов в рентгеновской области спектра могут эффективно работать лишь с жестким рентгеновским излучением и при этом для получения сколько-нибудь значительной оптической силы они должны иметь микронные радиусы кривизны поверхностей [A. Snigirev, В. Аристов, 1991]. Это помимо технологических проблем создания таких РЛ еще и существенно ограничивает их световые диаметры. Кроме того, поскольку в рентгеновской области декремент показателя преломления материала линзы увеличивается с ростом длины волны по квадратичному закону, хроматизм РЛ в этой области спектра настолько велик, что даже превышает хроматизм дифракционных линз (ДЛ). В результате из-за значительного хроматизма одиночные элементы как рефракционного, так и дифракционного типа не могут осуществлять высококачественную фокусировку не только полихроматического, но даже и квазимонохроматического рентгеновского излучения.
Таким образом, актуальной является задача построения фокусирующих систем рентгеновского диапазона пропускающего типа, в которых подавление хроматизма осуществлялось бы за счет архитектуры фокусирующей системы, оптимального сочетания элементов различных типов, а также модификации структуры ДОЭ. Такие фокусирующие системы, прежде всего, необходимы для фокусировки излучения наиболее перспективных на сегодня источников рентгеновского излучения - ондуляторов синхротронных источников третьего и более позднего поколений, а также рентгеновских лазеров.
Цель диссертационной работы. Разработать методы расчета и исследовать возможности ахроматизированных дифракционных и дифракционнорефракционных систем, предназначенных для фокусировки электромагнитного излучения рентгеновского диапазона.
Задачи диссертационной работы 1. Разработать метод и программные средства расчета дифракционных дублетов-ахроматов с учетом особенностей и ограничений, накладываемых на фокусирующие дифракционные системы рентгеновского диапазона.
2. Разработать метод расчета ахроматизированных дифракционнорефракционных систем, учитывающий особенности оптических свойств материалов линз в жестком рентгеновском диапазоне.
3. Произвести исследование и сопоставительный анализ потенциальных возможностей одиночных ДЛ и разработанных ахроматизированных систем при фокусировке квазимонохроматического рентгеновского ондуляторного и лазерного излучения.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые:
Разработан метод расчета дифракционных дублетов-ахроматов, предполагающий компоновку дублета из дифракционного аксикона с дополнительными фокусирующими свойствами и осевой голограммы, одновременно выполняющей функции фокусирующего элемента и корректора аберраций. Коэффициенты полинома, описывающего пространственную частоту аксикона, находят итерационно из условия ахроматизации. Метод позволяет задавать величину минимального периода в структурах дифракционных элементов и исследовать влияние этой величины на основные параметры рентгеновского дублета-ахромата.
Разработан метод расчета и исследованы возможности ахроматизации дифракционно-рефракционных систем, предназначенных для фокусировки жесткого квазимонохроматического рентгеновского ондуляторного или лазерного излучения. Показано, что в простейшем случае ахроматизированная гибридная система представляет собой дублет, у которого оптическая сила дифракционной линзы положительна и примерно в два раза превышает модуль оптической силы отрицательной рефракционной линзы.
Показано, что рассчитанные ахроматизированные оптические системы могут эффективно использоваться для высококачественной фокусировки излучения современных рентгеновских источников. При относительной ширине спектральной линии ондуляторного или лазерного рентгеновского излучения, лежащей в диапазоне =0,007 Е 0,036, использование рассчитанных ахроматизированных систем по сравнению с одиночной дифракционной линзой позволяет уменьшить размер сфокусированного дифракционно ограниченного пятна от 2 до 26 раз.
Практическая значимость.
Разработанные методы позволяют при расчете ахроматизированных систем рентгеновского излучения эффективно использовать существующие технологические возможности изготовления ДОЭ и совершенствовать системы по мере расширения этих возможностей. Результаты диссертации могут быть использованы, в частности, при разработке оптических трактов сканирующих рентгеновских микроскопов, а также во флуоресцентной и абсорбционной спектроскопии.
На защиту выносятся:
Метод расчета рентгеновского дублета-ахромата, состоящего из дифракционного аксикона с дополнительными фокусирующими свойствами и осевой голограммы, позволяющий задавать величину минимального периода в структурах дифракционных элементов и исследовать влияние этой величины на основные параметры дублета.
Метод расчета ахроматизированных дифракционно-рефракционных систем, предназначенных для фокусировки жесткого квазимонохроматического рентгеновского ондуляторного или лазерного излучения, учитывающий особенности оптических свойств материала в рентгеновском диапазоне, включая небольшую глубину проникновения излучения в материал, близость к единице показателя преломления и сильную дисперсию, с коэффициентом дисперсии того же знака, что и у дифракционной линзы.
Результаты сопоставительного анализа оптических систем пропускающего типа, предназначенных для фокусировки рентгеновского ондуляторного и лазерного излучения, которые показывают, что по сравнению с одиночной дифракционной линзой рассчитанные ахроматизированные оптические системы позволяют при относительной ширине спектральной линии рентгеновского излучения, лежащей в диапазоне =0,007 Е 0,036, уменьшить размер сфокусированного дифракционно ограниченного пятна от 2 до 26 раз.
Публикации По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 публикаций материалов докладов, из которых 4 на Международных конференциях и 1 на Всероссийских конференциях, а также 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 5 конференциях, в том числе 4 Международных и 1 Всероссийской, а также на 1 конкурсе научноисследовательских работ. 9-ая международная конференция Прикладная оптика2010, г. Санкт-Петербург. Международная конференция Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010) г. Самара, 2010г.
7-ая международная конференция ГОЛОЭКСПО-2010, г. Москва, 2010г. Научнотехническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике г.
Москва, НИЯУ МИФИ, 2011 г. 8-ая международная конференция ГОЛОЭКСПО2011, г. Москва, 2011г. Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области физических наук в рамках Всероссийского фестиваля науки, Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
Связь с государственными программами Результаты, изложенные в диссертации, были получены при выполнении работ в рамках гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке научных исследований молодых российских ученых-докторов наук (грант МД-2293.2012.9) и ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. Проект: Фокусирующая и изображающая дифракционная оптика полихроматического излучения. Государственный контракт № 16.740.11.0145.
Объем и структура и диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения. Общий объем составляет 137 страниц машинописного текста, 19 таблиц, 49 рисунков.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные результаты работы и их научная новизна, приведены положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.
В первой главе на основе анализа характеристик излучения существующих и строящихся рентгеновских источников, в том числе лазеров на свободных электронах и синхротронных источников третьего поколения, оборудованных ондуляторами, выработаны требования к фокусирующим оптическим системам.
Показано, что для фокусировки отдельных гармоник рентгеновского ондуляторного излучения необходимы системы со световым диаметром, лежащим в диапазоне 0,5 Е 4 мм, и рассчитанные на квазимонохроматическое излучение с относительной шириной спектральной линии порядка 10-2. Что же касается фокусировки излучения рентгеновских лазеров на свободных электронах, то для этого необходимы системы со световым диаметром, лежащим в диапазоне 0,2 Е 1 мм, и рассчитанные на квазимонохроматическое излучение с относительной шириной спектральной линии =0,0008 Е 0,036 (указанные параметры приемлемы как для действующих, так и для строящихся лазеров данного типа).
Далее в главе проанализированы возможности одиночной ДЛ при фокусировке квазимонохроматического мягкого и жесткого рентгеновского излучения с различной шириной спектральной линии. Показано, что при фокусировке наиболее узкой из квазимонохроматических линий ( =0,0008), формируемой ондулятором SASE I строящегося рентгеновского лазера XFEL (центральная длина волны =0,1 нм, диаметр пучка Dcl =0,2 мм), одиночная ДЛ будет формировать дифракционно-ограниченное пятно (интенсивность Штреля ISt >0,9) с радиусом диска Эйри A=49 нм. Этот размер диска Эйри получен в предположении, что минимальный пространственный период микроструктуры ДЛ ограничен величиной min = 80 нм, близкой к технологически достижимой сегодня величине для ДЛ диаметрами Dcl >0,1 мм, а расстояние от ДЛ до плоскости фокусировки f0 =80 мм соответствует вышеприведенным значениям параметров , Dcl и min. Уменьшение минимального периода микроструктуры линзы до min = 46,9 нм ( f0 =46,9 мм) позволит наряду со снижением интенсивности Штреля до критического значения ( ISt =0,8) уменьшить радиус диска Эйри дифракционно-ограниченного пятна до A =28,6 нм и дальнейшее уменьшение минимального периода микроструктуры из-за хроматизма ДЛ не приведет к уменьшению размеров сфокусированного пятна.
Показано также, что возможности одиночной ДЛ в плане фокусировки излучения уже эксплуатируемых источников синхротронного излучения третьего поколения (MAX II, ESRF и SP-8), а также рентгеновского лазера FLASH весьма ограничены: среднеквадратический радиус диаграммы рассеяния лучей не опускается ниже 0,45 мкм, а дифракционно-ограниченное качество фокусировки достигается при радиусе диска Эйри не меньшем 0,7 мкм; этот радиус почти на порядок превышает достижимый сегодня минимальный период микроструктуры ДЛ, т.е. технологические возможности изготовления высокочастотных дифракционных структур, достигнутые в последние годы, фактически не используются. Это, хотя и в меньшей степени, касается фокусировки и тех квазимонохроматических линий, которые должны формироваться ондуляторами SASE II и SASE III строящегося рентгеновского лазера XFEL; поэтому улучшить качество фокусировки излучения практически всех рассмотренных рентгеновских источников можно лишь путем замены одиночной ДЛ ахроматизированной фокусирующей системой.
Во второй главе разработан метод получения функций распределения пространственной частоты структур ДОЭ, обеспечивающих ахроматизацию дублета, т.е. двухэлементной фокусирующей системы (рис. 1), формирующей фокальные пятна минимального размера на двух длинах волн, ограничивающих выбранный спектральный диапазон.
Рисунок 1 - Оптическая схема дифракционного Ахроматизация достигается благодаря дублета, скоррегированного на две длины волны: 1, 2 - ДОЭ тому, что ДОЭ дублета представляют собой аксиконы с дополнительными фокусирующими свойствами. В отличие от известных разработанный метод позволяет задавать величину минимального периода в структурах элементов и исследовать влияние этой величины на основные параметры дублета, что из-за технологических ограничений на минимальный период особенно важно в случае ВУФ и рентгеновского излучений.
С целью минимизации числа параметров, определяемых итерационно, предложено при выборе функции распределения пространственной частоты фронтального ДОЭ, рассматривать его как лобратную осевую асферизованную голограмму точки, у которой пространственная частота растет не от оси к краю апертуры, а наоборот. В результате, в качестве начального приближения пространственной частоты дифракционной структуры фронтального ДОЭ (лобратной голограммы) принята функция вида I 1 i 1(1) = Bi1-2 . (1) C - 1H(1)- i=1 Здесь - длина волны записи голограммы и одновременно одна из длин волн, ограничивающих спектральный диапазон ахроматизации; - расстояние от оси структуры в плоскости первого ДОЭ, H(1) - сомножитель пространственной частоты осевой голограммы точки, зависящий от расстояний от плоскости регистрации до соответствующих источников записи z1 и z2, т.е. отрезков записи первого ДОЭ, определяющих его оптическую силу:
1 z1 1 zH(1) = - +. (2) 1+ (1 z1)2 1+ (1 z2)I i Bi1-2, обеспечивает Слагаемое в формуле (1), пропорциональное i=асферизацию формируемого первым ДОЭ волнового фронта, а константа I i-C = B01,maxH(1,max)- Bi1,max (3) i=1 обеспечивает лобращение пространственной частоты, т.е. ее рост не от оси к краю апертуры ДОЭ, а наоборот.
В формуле (3) 1,max - радиус апертуры первого ДОЭ, а коэффициент определяет расстояние от оси (т.е. центра симметрии структуры) до кольца, в котором пространственная частота структуры обращается в нуль. Как показали исследования, коэффициент B0 является весьма эффективным коррекционным параметром, влияющим на минимальный период в структуре элементов дублета и его хроматические свойства. При расчете дублета этот коэффициент задается. Что касается пространственной частоты второго ДОЭ, то она находится голографически как результат интерференции на длине волны асферического волнового фронта, формируемого первым ДОЭ и фронтом сферической волны, стягивающимся в заднюю фокальную точку дублета. Поиск значений коэффициентов B0, Е, BI первого ДОЭ осуществляется итерационно из условия высококачественной фокусировки излучения на второй длине волны, ограничивающей спектральный диапазон ахроматизации >. Сходимость итерационного процесса обеспечивается благодаря неполному наложению друг на друга кольцевых рабочих зон второго ДОЭ для длин волн и , автоматически возникающему в процессе итераций.
Разработаны алгоритм и программный комплекс, реализующие методику получения функций распределения пространственной частоты структур дифракционных аксиконов с дополнительными фокусирующими свойствами и позволяющие автоматизировать расчет дифракционных дублетов-ахроматов.
С использованием вышеописанной методики и реализующего ее программного комплекса исследовалась взаимозависимость основных параметров фокусирующего дифракционного дублета-ахромата. Результаты исследований представлены на графиках рисунка 2. Они были получены, ориентируясь на излучение перестраиваемого ондулятора при =5 нм, =5,5 нм, =6 нм, световом диаметре первого ДОЭ D1=3,5 мм и относительном отверстии дублета D1 sF =0,1.
На осях приведенных графиков dR = d sF - нормированный на задний фокальный отрезок промежуток между двумя ДОЭ; min - минимальный период в квазипериодических структурах первого и второго ДОЭ; RMS - среднеквадратический радиус диаграммы рассеянии лучей на центральной длине волны ; KD = D2 D1 - отношение световых диаметров второго и первого ДОЭ;
KS - коэффициент заполнения апертуры второго ДОЭ, вычисляемый по формуле (int) ( KS = 1-(D2 D2ext)), (4) (int) ( где D2 и D2ext) - внутренний и внешний диаметры кольцевой апертуры второго ДОЭ.
a) б) в) Рисунок 2 - Графики взаимозависимости основных параметров фокусирующего дифракционного дублета-ахромата при а - при B0=3; б - при B0=2; в - при B0=1,2:
1 - min(dR ); 2 ЦRMS(dR );
3 - KD(dR ); 4 - KS(dR ) Представленные кривые показывают, что минимальный период в структуре min элементов увеличивается с уменьшением коэффициента B0 и с ростом нормированного промежутка dR между ДОЭ дублета. Среднеквадратический радиус диаграммы рассеяния лучей RMS на центральной длине волны уменьшается с уменьшением dR. Что же касается зависимости RMS от B0, то она не является монотонной и оптимальное значение, обеспечивающее минимум RMS, лежит внутри диапазона 1,2< B0<3. Относительный световой диаметр второго ДОЭ KD растет с увеличением промежутка между ДОЭ, но скорость его роста с уменьшением коэффициента B0 резко замедляется. Наконец, коэффициент заполнения апертуры второго ДОЭ KS уменьшается с ростом промежутка между ДОЭ дублета, и слабо увеличивается с уменьшением коэффициента B0.
Далее во второй главе исследуется возможность построения и разрабатывается метод расчета гибридной ахроматизированной оптической системы пропускающего типа, состоящей из ДЛ и РЛ. На основе анализа оптических свойств существующих материалов в рентгеновской области спектра сделан вывод о том, что такие системы могут эффективно работать лишь в коротковолновой части спектра жесткого рентгеновского излучения (<0,3 нм).
Показано, что в силу особенностей дисперсионных свойств материалов в рентгеновском спектральном диапазоне ахроматизация дифракционнорефракционной системы может быть в простейшем случае достигнута, если система представляет собой гибридный дублет, у которого оптическая сила ДЛ положительна и примерно в два раза превышает модуль оптической силы отрицательной РЛ. Предварительный расчет ахроматизированной дифракционнорефракционной системы фокусировки пучка рентгеновского излучения включает следующие этапы:
- по заданным спектральным характеристикам фокусируемого пучка вычисляется коэффициент дисперсии ДЛ, выбирается материал РЛ и для него определяются показатель преломления n, коэффициент дисперсии R, глубина проникновения излучения и создается дисперсионная модель материала;
- для обеспечения требуемого светового диаметра Dcl, равного диаметру фокусируемого пучка, преломляющая поверхность РЛ выбирается параболической (рис. 3) и вычисляется ее Рисунок 3 - Дифракционно-рефракционные оптическая сила на длине волны рентгеновские дублеты с двояковыпуклой (a) и :
плосковыпуклой (b) параболическими РЛ:
8(n - 1) 1 - ДЛ; 2 - РЛ R = ; (5) Dcl - из условия строгой ахроматизации оптической системы определяется оптическая сила ДЛ на длине волны и рассчитывается ориентировочное расстояние от фокусирующей системы до плоскости фокусировки на основе определения оптической силы системы в целом.
По завершению предварительного расчета оценивается технологическая возможность изготовления элементов полученного дифракционно-рефракционного дублета. Для ДЛ критическим параметром является ширина самой узкой зоны Френеля в ее микроструктуре при заданном световом диаметре линзы. Что же касается РЛ, то для нее аналогичным параметром является радиус кривизны при вершине преломляющей поверхности rreq. Если требование строгой ахроматизации приводит к тому, что в случае одиночной РЛ величина rreq оказывается меньшей технологически достижимого значения rtech, то одиночная РЛ заменяется набором из M = 1+ Int(rtech rreq ) (6) одинаковых линз с суммарной толщиной равной (рис. 4). На заключительном этапе параметры ахроматизированной Рисунок 4 - Многоэлементная ахроматизированная дифракционно-рефракционной дифракционно-рефракционная система фокусировки системы, определяющие рентгеновского излучения:
1 - ДЛ; 2 - рефракционная часть, состоящая из функцию распределения нескольких РЛ пространственной частоты ДЛ и форму преломляющих поверхностей РЛ, оптимизируются.
Третья глава посвящена расчету дифракционных дублетов-ахроматов и ахроматизированных дифракционно-рефракционных систем под конкретные рентгеновские источники излучения, а также сопоставительному анализу фокусирующих возможностей одиночной ДЛ и рассчитанных систем.
Для фокусировки квазимоно-хроматического рентгеновского ондуляторного и лазерного излучений, формируемых действующими синхротронным источником третьего поколения MAX II и рентгеновским лазером FLASH, а также строящегося рентгеновского лазера XFEL с ондулятором SASE III рассчитывались дифракционные дублеты-ахроматы и их фокусирующие возможности сравнивались с соответствующими одиночными ДЛ. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1 Ч Потенциальные возможности дублета-ахромата при фокусировке длинноволнового рентгеновского излучения Источник излучения Параметры рентгеновского пучка MAX II, FLASH, FLASH, SASE III, и фокусирующей системы =2,59 нм =4,6 нм =2,75 нм =6,4 нм Диаметр пучка Dcl, мм 1 0,3 0,3 0,Относительная ширина 0,01 0,015 0,036 0,00спектрального диапазона Мин. период в структурах ДОЭ 81,4 89 84 min,нм Расстояние между ДОЭ D1, мм 10 5 7 42 5 15 sF Задний отрезок дублета,мм Радиус диска Эйри, нм 49 58 80 *Выигрыш по сравнению с ДЛ V1 41 24 32 **Выигрыш по сравнению с ДЛ V2 20 15 26 4,* V1 - выигрыш, даваемый дублетом при фокусировке выбранного излучения, оцененный по отношению среднеквадратических радиусов диаграмм рассеяния лучей.
** V2 - выигрыш, даваемый дублетом при фокусировке выбранного излучения, оцененный по отношению радиусов дисков Эйри дифракционно-ограниченных изображений точечного источника.
На основе сопоставительного анализа сделаны следующие выводы:
- дифракционный дублет-ахромат способен формировать дифракционноограниченное изображение бесконечно удаленного точечного источника с радиусом диска Эйри порядка минимального периода в дифракционных микроструктурах, близкого к сегодняшнему технологическому барьеру, независимо от ширины спектральной полосы квазимонохроматического излучения рассмотренных источников;
- при относительной ширине спектральной полосы квазимонохроматического излучения <0,0018 (указанная граница относится к ондулятору SASE II рентгеновского лазера XFEL) выигрыш в качестве фокусировки за счет использования дифракционного дублета-ахромата можно получить только за счет преодоления существующего технологического барьера, ограничивающего минимально достижимый пространственный период дифракционной микроструктуры;
- при одинаковых световых диаметрах выигрыши V1 и V2 растут с увеличением ширины относительной спектральной полосы квазимонохроматического излучения и в максимуме, соответствующем излучению действующего рентгеновского лазера FLASH с центральной длиной волны квазимонохроматической линии =2,75 нм, достигают сорока и двадцати четырех крат, соответственно.
Рассчитаны конструктивные параметры и сопоставлены потенциальные возможности ахроматизированных дифракционно-рефракционных систем и дифракционных дублетов-ахроматов, предназначенных для фокусировки тонких пучков квазимонохроматического жесткого рентгеновского излучения, формируемого ондуляторами действующих синхротронных источников третьего поколения ESRF и SP-8. Результаты представлены в таблицах 2 и 3.
На основе сопоставительного анализа сделаны следующие выводы. При фокусировке жесткого рентгеновского излучения, формируемого ондуляторами синхротронных источников третьего поколения ESRF и SP-8, гибридной дифракционно-рефракционной системой, размер дифракционно-ограниченного сфокусированного пятна снизу ограничен особенностями оптических свойств материала РЛ в этой области рентгеновского диапазона: небольшая глубина проникновения излучения в материал, близость к единице показателя преломления и сильная дисперсия с коэффициентом дисперсии того же знака, что и у ДЛ. При этом показатель преломления материала, оставаясь меньше единицы, приближается к ней по квадратичному закону с уменьшением длины волны, а глубина проникновения рентгеновского излучения в материал растет с уменьшением длины волны по кубическому закону. В результате переход от излучения ондулятора ESRF к излучению ондулятора SP-8 позволяет уменьшить почти в два раза фокусное расстояние ахроматизированной дифракционнорефракционной оптической системы, при котором достигается дифракционноограниченное качество фокусировки; а поскольку при таком переходе вместе с фокусным расстоянием уменьшается и длина волны, то радиус диска Эйри уменьшается от 1 мкм до 257 нм, т.е. почти в 4 раза.
Что же касается дифракционного дублета-ахромата, то при его использовании в силу достаточно узкой спектральной линии квазимонохроматического излучения ондуляторов ESRF и SP-8, ограничение на радиус диска Эйри связано, прежде всего, с существующим технологическим барьером на размер минимального элемента в дифракционной структуре ( min =80 нм); в результате по сравнению с ахроматизированной дифракционно-рефракционной фокусирующей системой дифракционный дублет-ахромат способен сфокусировать дифракционноограниченное пятно с существенно меньшим радиусом диска Эйри. Однако в силу отмеченного выше технологического барьера выигрыш, оцениваемый по отношению радиусов диска Эйри, уменьшается с уменьшением длины волны, в частности, при переходе от излучения ондулятора ESRF к излучению ондулятора SP-8 выигрыш, оцениваемый по отношению радиусов диска Эйри, уменьшается с до 2,7 раз.
Таблица 2 Ч Потенциальные возможности дифракционно-рефракционной системы при фокусировке коротковолнового рентгеновского излучения Источник излучения Параметры рентгеновского пучка ESRF, SP-8, и фокусирующей системы =0,225 нм =0,0976 нм 0,5 0,Диаметр пучка Dcl, мм Число линз, M 6 Толщина каждой линзы d, мм 0,285 0,311151850 10Фокусное расстояние системы fТ, мм 0,028 0,0Относительная ширина спектрального диапазона Радиус диска Эйри, мкм 1 0,2Выигрыш по сравнению с ДЛ V1 16 Выигрыш по сравнению с ДЛ V2 3,5 2,Таблица 3 Ч Потенциальные возможности дублета-ахромата при фокусировке коротковолнового рентгеновского излучения Источник излучения Параметры рентгеновского пучка ESRF, SP-8, и фокусирующей системы =0,225 нм =0,0976 нм 0,5 0,Диаметр пучка Dcl, мм 0,028 0,0Относительная ширина спектрального диапазона Мин. период в структурах ДОЭ min, нм 83 Расстояние между ДОЭ D1, мм 40 1380 7 sF Задний отрезок дублета, мм Радиус диска Эйри, мкм 0,16 0,1Выигрыш по сравнению с ДЛ V1 3,3 1,Выигрыш по сравнению с ДЛ V2 6 Основные результаты работы 1. Разработаны методы, позволяющие синтезировать ахроматизированные рентгеновские оптические системы, выполненные на основе вращательно симметричных элементов пропускающего типа и открывающие возможности их эффективного использования как в мягком, так и в жёстком рентгеновском диапазонах.
2. Рассчитаны дифракционные дублеты-ахроматы, предназначенные для фокусировки мягкого рентгеновского излучения рентгеновских лазеров и ондуляторов синхротронных источников третьего поколения(MAX II, FLASH, SASE III). По-сравнению с одиночной дифракционной линзой, благодаря ахроматизации дублета, размер дифракционно-ограниченного сфокусированного пятна, в зависимости от типа источника, удалось уменьшить в 4,4 - 20 раз.
3. Рассчитаны дифракционно-рефракционные системы, предназначенные для фокусировки жесткого рентгеновского излучения действующих ондуляторов синхротронных источников третьего поколения(ESRF, SP-8). По-сравнению с одиночной дифракционной линзой, благодаря ахроматизации фокусирующей системы, размер дифракционно-ограниченного сфокусированного пятна, в зависимости от типа источника, удалось уменьшить в 2,7 - 3,5 раз.
Основные результаты опубликованы в следующих работах:
Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК России:
1. Грейсух, Г.И. Анализ возможностей ахроматизации оптических систем, состоящих из дифракционных элементов [Текст] / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Компьютерная оптика. - 2010.ЦТом 34, №2.Цс.87-93.
2. Грейсух, Г.И. Ахроматизированные дифракционные и дифракционнорефракционные системы рентгеновского диапазона [Текст] / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Компьютерная оптика. - 2010.ЦТом 35, №2.Цс.188-195.
3. Грейсух, Г.И. Потенциальные возможности ахроматизированных дифракционных и дифракционно-рефракционных систем фокусировки рентгеновского излучения [Текст] / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Журнал технической физики. - 2012.ЦТом 82, №3.Цс.99-103.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 4. Свид. 2011615893 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Дифракционный дублетахромат / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (RU). - №2011614079; заявл. 02.06.2011; опубл.
27.07.2011, Реестр программ для ЭВМ. - 1 с.
В других изданиях 5. Грейсух, Г.И. Расчёт фокусирующих дифракционных дублетов-ахроматов [Текст] / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Сборник трудов IX международной конференции Прикладная оптика - 2010. Том 2. СПб, 2010. - c.249-253.
6. Грейсух, Г.И. Коррекция хроматизма оптических систем, содержащих дифракционные элементы [Текст] / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). Труды международной конференции с элементами научной школы для молодежи. - Самара, 2010.ЦС.850-854.
7. Грейсух, Г.И. Фокусирующие объективы-ахроматы на основе синтезированных голограмм [Текст] / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Сборник трудов 7 Международной конференции ГОЛОЭКСПО2010. - Москва, 2010. - С. 16-23.
8. Казин, С.В. Ахроматизация дифракционных дублетов мягкого рентгеновского диапазона [Текст] / С.В. Казин // Научная сессия НИЯУ МИФИ2011. Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. М.:НИЯУ МИФИ, 2011. - с.210-211.
9. Грейсух, Г.И. Дифракционная и дифракционно-рефракционная оптика фокусировки рентгеновского ондуляторного и лазерного излучения [Текст] / Г.И. Грейсух, Е.Г. Ежов, С.В. Казин, С.А. Степанов // Сборник трудов 8 Международной конференции ГОЛОЭКСПОЦ2011.ЦМинск, Беларусь:
ООО Голография-Сервис, 2011.ЦС. 344-348.