CN112635095B - 一种动态压弯调节装置及动态稳定微米聚焦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动态压弯调节装置及动态稳定微米聚焦系统，包括柔顺机构，支撑于其底部的两个安装座上，自安装座的上表面设置有垂直向上延伸的调节板；两个支撑架，分别固定在柔顺机构顶部的两侧；两个连接件，分别与调节板的自由端相连并沿垂直且远离安装座的表面延伸；两个微位移驱动器，分别固定在两个支撑架上且侧壁分别与两个连接件触接；两个反射镜夹持件，分别固定在两个安装座的底面；掠入射反射镜，其两端分别夹设在反射镜夹持件与安装座之间。本发明的动态压弯调节装置及动态稳定微米聚焦系统，利用柔顺机构对掠入射反射镜两端施加可调谐大小的压弯力矩，实时调节反射镜曲率半径，实现动态微米聚焦，提升聚焦光斑大小和位置的稳定性。

Description

一种动态压弯调节装置及动态稳定微米聚焦系统
技术领域
本发明涉及同步辐射光束线传输以及调控技术，更具体地涉及一种动态压弯调节装置及动态稳定微米聚焦系统。
背景技术
掠入射式反射镜在现代光学技术领域中被广泛应用于X射线束线偏转和聚焦，特别是在大科学装置同步辐射光源光束线上，常用的反射镜聚焦模式有环面聚焦、椭球面聚焦和抛物面聚焦等。然而，由于聚焦光学系统空间距离大，空间稳定性非常重要；另外，针对微纳米空间分辨需要，掠入射式反射镜还需能够调节聚焦光斑大小以适应不同样品和方法，实现不同科学实验目的，传统的固定面形反射镜已不足以达到此应用需求。同时，随着同步辐射光源的发展和科学研究的日益升级，如何设计一种动态可调同步辐射光斑尺寸，并具有高稳定空间和通量输出的系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态压弯调节装置及动态稳定微米聚焦系统，以实现同步辐射白光微米动态聚焦，提高掠入射反射镜系统稳定性，保证聚焦微束白光输出空间位置和通量满足相应科学实验需求。
本发明一方面提供一种动态压弯调节装置，包括：
柔顺机构，支撑于其底部的两个安装座上，自所述安装座的上表面设置有垂直向上延伸的调节板；
两个支撑架，分别固定在所述柔顺机构顶部的两侧；
两个连接件，分别与所述调节板的自由端相连并沿垂直且远离所述安装座的表面延伸；
两个微位移驱动器，分别固定坐于两个支撑架上且侧壁分别与两个连接件触接；
两个反射镜夹持件，分别固定在两个安装座的底面；
掠入射反射镜，其两端分别夹设在所述反射镜夹持件与所述安装座之间。
进一步地，所述柔顺机构通过整体加工成型。
进一步地，所述柔顺机构通过切割成型。
进一步地，所述反射镜夹持件上设有容纳槽以容置所述掠入射反射镜的两端部。
进一步地，所述支撑架与所述柔顺机构通过螺钉固定。
进一步地，所述连接件与所述调节板通过螺钉固定。
进一步地，所述微位移驱动器与所述支撑架通过螺钉固定。
进一步地，所述反射镜夹持件与所述安装座通过螺钉固定。
本发明另一方面提供一种动态稳定微米聚焦系统，包括两个如上所述的动态压弯调节装置，两个所述动态压弯调节装置组合成Kirkpatrick-Baez式光学聚焦系统或Montel式光学聚焦系统。
进一步地，还包括另外两个动态压弯调节装置，四个所述动态压弯调节装置组合成Wolter式聚焦光学系统。
本发明提供的动态压弯调节装置及动态稳定微米聚焦系统，采用整块材料加工而成的一体式柔顺机构，在保证高精度、高重复性的压弯力矩调节能力下，能够整体优化结构，提高机械压弯稳定性，利用整体式柔顺机构对掠入射反射镜两端施加可调谐大小的压弯力矩，实时调节掠入射反射镜曲率半径，实现动态微米聚焦，提升了聚焦光斑大小和位置的稳定性；掠入射反射镜通过反射镜夹持件集成式安装在整体式柔顺机构内，相比于固定面形掠入射反射镜的安装，其高稳定性和均匀性减小了反射镜安装应力及“鞍形”形变；通过采用两个独立的微位移驱动器沿相反方向分别提供可调谐动量，同时对掠入射反射镜两端压弯，提高了压弯力矩的一致性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的动态压弯调节装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的动态压弯调节装置的柔顺机构的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的Kirkpatrick-Baez式动态稳定微米聚焦系统的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的Montel式动态稳定微米聚焦系统的结构示意图；
图5为本发明另一实施例提供的Wolter式动态稳定微米聚焦系统的结构示意图。
1-柔顺机构；
11-安装座；
12-调节板；
2-微位移驱动器；
3-支撑架；
4-连接件；
5-掠入射反射镜；
6-反射镜夹持件。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种动态压弯调节装置，基本为一轴对称结构，包括柔顺机构1、两个微位移驱动器2、两个支撑架3、两个连接件4、两个反射镜夹持件6和掠入射反射镜5。其中柔顺机构1的底部设有两个安装座11，如图2所示，分别位于柔顺机构1底部的两侧，每个安装座11上设有一调节板12，调节板12自安装座11的上表面垂直向上延伸；两个支撑架3分别通过螺钉固定在柔顺机构1顶部的相对两侧，两个连接件4分别与两个调节板12的自由端通过螺钉固定相连，并沿垂直且远离安装座11的方向延伸，两个微位移驱动器2分别通过螺钉固定在两个支撑架3上且分别与两个连接件4接触，两个支撑架3分别用于支撑两个微位移驱动器2，并将微位移驱动器2连接至柔顺机构1，支撑架3可根据微位移驱动器2的型号省去或替换；微位移驱动器2用于向垂直于连接件4的方向施加可调谐动量(即使得连接件4产生微小位移)，该可调谐动量通过连接件4传递至柔顺机构1；两个反射镜夹持件6分别通过螺钉固定于两个安装座11的底面，掠入射反射镜5的两端分别夹设在柔顺机构1两侧的反射镜夹持件6与安装座11之间，通过拧紧螺钉、挤压压紧的方式将掠入射反射镜5夹持在柔顺机构1上，用于接收光束，例如X射线等，并被施加力矩以改变曲率半径，进行X射线光束的反射聚焦。
如图2所示，柔顺机构1为一体式结构，通过整块材料切割加工而成，用于接收微位移驱动器2施加的可调谐动量，并将其转化为对掠入射反射镜5两端施加的可调谐压弯力矩，从而实时调节掠入射反射镜5的曲率半径。柔顺机构1的压弯原理可参见Zhang L,Hustache R,Hignette O,et al.Design optimization of a flexural hinge-basedbender for X-ray optics[J].Journal of Synchrotron Radiation,2010,5(Pt 3):804-807。本发明不再赘述。由于其减少了元件个数，因此其能够在保证高精度、高重复性的压弯力矩调节能力下，整体优化结构，提高机械压弯稳定性。
柔顺机构1、支撑架3、连接件4、反射镜夹持件6均采用不锈钢材料制成，这样可以减少该动态压弯调节装置在压弯过程中的形变，从而减小掠入射反射镜5的“鞍形”形变。
微位移驱动器2通常包括驱动元件和微位移传递机构，驱动元件有机电驱动、电磁驱动、压电/电致伸缩驱动、磁致伸缩驱动等，微位移驱动器2的精度可达微米级。微位移驱动器2的型号可根据需求进行选择。
反射镜夹持件6上可设置容纳槽，掠入射反射镜5的两端分别容置在两个反射镜夹持件6的容纳槽内，安装时，掠入射反射镜5先放置在容纳槽内，然后拧紧螺钉，使反射镜夹持件6固定在柔顺机构1上，并夹紧掠入射反射镜5。
本实施例的动态压弯调节装置在使用时，两个微位移驱动器2分别向两连接件4施加可调谐动量，连接件4将可调谐动量传递至柔顺机构1，柔顺机构1将其转化为对掠入射反射镜5两端施加的可调谐压弯力矩，从而改变掠入射反射镜5的曲率半径。两个微位移驱动器2可实时运行，因此，掠入射反射镜5的曲率半径可实时改变。这样，对图1中沿箭头方向掠入射的同步辐射白光，通过实时调节掠入射反射镜5的曲率半径，可实时改变聚焦光斑大小以及空间位置，提高聚焦光斑的稳定性。
掠入射反射镜5的曲率半径与可调谐压弯力矩满足如下关系：
Figure BDA0002825013010000051
其中，E为掠入射反射镜5的杨氏模量；M为可调谐压弯力矩；R为掠入射反射镜5的曲率半径；I为掠入射反射镜体截面惯性矩；b为掠入射反射镜5的宽度；t为掠入射反射镜5的厚度。
本实施例提供的动态压弯调节装置，采用整块材料加工而成的一体式柔顺机构1，在保证高精度、高重复性的压弯力矩调节能力下，能够整体优化结构，提高机械压弯稳定性，利用整体式柔顺机构1对掠入射反射镜5两端施加可调谐大小的压弯力矩，实时调节掠入射反射镜5曲率半径，实现动态微米聚焦，提升了聚焦光斑大小和位置的稳定性；掠入射反射镜5通过不锈钢反射镜夹持件6集成式安装在整体式柔顺机构1内，相比于固定面形掠入射反射镜的安装，其高稳定性和均匀性减小了反射镜安装应力及“鞍形”形变；通过采用两个独立的微位移驱动器2沿相反方向分别提供可调谐动量，同时对掠入射反射镜5两端压弯，提高了压弯力矩的一致性。
实施例二
本实施例提供一种动态稳定微米聚焦系统，其包括多个实施例一中所述的动态压弯调节装置，多个动态压弯调节装置组合在一起，形成Kirkpatrick-Baez式光学聚焦系统、Montel式光学聚焦系统或Wolter式聚焦光学系统。
如图3所示，即两个动态压弯调节装置组合成的Kirkpatrick-Baez式聚焦光学系统，其中，两个动态压弯调节装置前后排列并相互正交。在使用过程中，沿箭头方向的掠入射光被第一个动态压弯调节装置的掠入射反射镜反射聚焦成一条线，然后被第二个动态压弯调节装置的掠入射反射镜第二次反射聚焦到一个点，实现二维聚焦。
如图4所示，即两个动态压弯调节装置组合成的Montel式聚焦光学系统，其中，两个动态压弯调节装置相互垂直并上下排列。在使用过程中，沿箭头方向的掠入射光首先被其中一个动态压弯调节装置的掠入射反射镜聚焦，然后被另一个动态压弯调节装置的掠入射反射镜聚焦在焦点，实现二维聚焦。
如图5所示，即由多个动态压弯调节装置组合成的Wolter式聚焦光学系统之一部分，其中，两个动态压弯调节装置相互配合，分别将掠入射反射镜压弯成抛物柱面镜和双曲柱面镜，使抛物柱面镜焦点与双曲柱面镜焦点重合。此外，此Wolter式聚焦光学系统还需另外两个相同的动态压弯调节装置，其与图5中两个动态压弯调节装置上下对称。当X射线从右边箭头方向掠入射时，先后被两块掠入射反射镜反射，将视场内的X射线聚焦成焦线。
Kirkpatrick-Baez式(P.Kirkpatrick and A.V.Baez,“Formation of opticalimages by X-rays,”Journal of the Optical Society of America,vol.38,no.9,pp.766–773,1948)、Montel式(M.Montel,X-Ray Microscopy with Catamegonic RoofMirrors,X-Ray Microscopy and Microradiography,Academic Press,New York,NY,USA,1957.)、Wolter式(H.Wolter,“Spiegelsysteme streifenden Einfalls als abbildendeOptiken für
Figure BDA0002825013010000061
”Annalen der Physik,vol.10,pp.94–114,1952.)聚焦光学系统均为本领域常用的聚焦光学系统，其光路走向和聚焦原理为公知常识，本发明不再赘述。
本实施例的动态稳定微米聚焦系统，采用实施例一中的动态压弯调节装置，通过利用整体式柔顺机构1对掠入射反射镜5两端施加可调谐大小的压弯力矩，实时调节掠入射反射镜5曲率半径，实现动态微米聚焦，提升了聚焦光斑大小和位置的稳定性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种动态压弯调节装置，包括柔顺机构，支撑于其底部的两个安装座上，自所述安装座的上表面设置有垂直向上延伸的调节板，其特征在于，还包括：
两个支撑架，分别固定在所述柔顺机构顶部的两侧；
两个连接件，分别与所述调节板的自由端相连并沿垂直且远离所述安装座的表面延伸；
两个微位移驱动器，分别固定坐于两个支撑架上且侧壁分别与两个连接件触接；
两个反射镜夹持件，分别固定在两个安装座的底面；
掠入射反射镜，其两端分别夹设在所述反射镜夹持件与所述安装座之间。
2.根据权利要求1所述的动态压弯调节装置，其特征在于，所述柔顺机构通过整体加工成型。
3.根据权利要求2所述的动态压弯调节装置，其特征在于，所述柔顺机构通过切割成型。
4.根据权利要求1所述的动态压弯调节装置，其特征在于，所述反射镜夹持件上设有容纳槽以容置所述掠入射反射镜的两端部。
5.根据权利要求1所述的动态压弯调节装置，其特征在于，所述支撑架与所述柔顺机构通过螺钉固定。
6.根据权利要求1所述的动态压弯调节装置，其特征在于，所述连接件与所述调节板通过螺钉固定。
7.根据权利要求1所述的动态压弯调节装置，其特征在于，所述微位移驱动器与所述支撑架通过螺钉固定。
8.根据权利要求1所述的动态压弯调节装置，其特征在于，所述反射镜夹持件与所述安装座通过螺钉固定。
9.一种动态稳定微米聚焦系统，其特征在于，包括两个如权利要求1-8任一项所述的动态压弯调节装置，两个所述动态压弯调节装置组合成Kirkpatrick-Baez式光学聚焦系统或Montel式光学聚焦系统。
10.根据权利要求9所述的动态稳定微米聚焦系统，其特征在于，还包括另外两个动态压弯调节装置，四个所述动态压弯调节装置组合成Wolter式聚焦光学系统。
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