CN115356764A - 一种x射线光束互相干函数测量装置与探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线光束互相干函数测量装置与探测方法，用双晶单色器对入射宽光谱带宽的白光X射线单色化；用X射线空间调制器对电控空间调制X射线波前；用晶体滤除不满足布拉格衍射条件的光束，以形成双缝效果；用聚焦光学元件在焦平面上形成杨氏干涉条纹，并用图像探测器采集干涉条纹的强度分布；数据采集‑处理系统控制数据采集与双缝的扫描同步，即实现顺序扫描测量，并反通过测量数据反解出干涉条纹的对比度和相位，给出完整的光束相干性信息。解决了互相干函数测量快速动态测量的问题。

Description

一种X射线光束互相干函数测量装置与探测方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种X射线光束互相干函数测量装置与探测方法。

背景技术

随着科学研究的发展，近些年来高通量的X射线光源装置如自由电子激光、同步辐射光源等大科学装置的需求越来越强烈，很多实验需要同步加速器产生高度相干的X辐射，例如扫描显微镜、干涉测量、相干散射和相位测量。但在同步加速器上，X射线通过一组复杂的光学器件传输到实验站。光束线光学器件可能会破坏辐射的相干性。尽管刘维尔定理指出，静态光学不会破坏相干性，但相位可能会被破坏，以至于对于某些实验无法得到满意的相干X射线。为了探索同步加速器X射线激光器的基本物理特性，以及得到满足需求的相干X射线，X射线相干性测量是十分必要的。

为了测量X射线光束的相干性，D.Paterson等[1]在一个普通的X射线透明基板上制造了一个由七个杨氏狭缝对组成的阵列，狭缝通过标准接触光学光刻法制造，然后在氮化硅支撑膜上电铸金，然后用杨氏双缝实验测量相干性。Yogesh Kashyap等[2]将薄膜放置在光源和探测器之间，x射线经过薄膜产生散斑，通过计算得到的散斑图像对比度分析光源的相干性。

[1]Paterson,D.,Allman,B.E.,McMahon,P.J.,Lin,J.,Moldovan,N.,Nugent,K.A.,...&Mancini,D.C.(2001).Spatial coherence measurement of X-ray undulatorradiation.Optics Communications,195(1-4),79-84.[2]Kashyap,Y.,Wang,H.,&Sawhney,K.(2015).Two-dimensional transverse coherence measurement of hard-X-ray beams using near-field speckle.Physical Review A,92(3),033842.

以上这些方法，一般存在的问题包括：

(1)需要机械移动双缝的间距，这对导轨的重复性和精度提出了较高的要求。

(2)互相干函数的测量数据量大，测量速度提升是关键。

(3)高精度X射线狭缝、小孔器件加工比较困难，特别对于硬X射线，而加工误差影响干涉条纹的对比度及最终结果。

发明内容

针对现在测量X射线光束的相干性存在的问题，提出了一种X射线光束互相干函数测量装置与探测方法，由于双缝是有规则晶格通过电加热变形产生，保证了缝的质量，同时由于可以自动控制电加热的位置，从而提升了测量速度和精度。

本发明的技术方案为：一种X射线光束互相干函数测量装置，依次包括双晶单色器、两个调制器、聚焦光学元件、图像探测器和数据采集-处理系统，白光平行入射双晶单色器，双晶单色器对入射宽光谱带宽的白光X射线单色化后出射，出射的单色光进入可控时序调制狭缝的第一调制器，第一调制器出射调制光进入第二调制器，经过第二调制器滤除不满足布拉格衍射条件的光束，再进入聚焦光学元件聚焦，在焦平面上形成杨氏双缝干涉条纹，图像探测器采集干涉条纹的强度分布送数据采集-处理系统，数据采集-处理系统控制扫描测量并处理采集数据获得测量数据。

优选的，所述第一调制器为X射线空间调制器，包括上下反射层和基底两层，在反射层和基底两层中间设有用于电控的加热电极，加热电极由数组平行阵列排列的电阻带构成，每条电阻带两端为电极，选择电阻带通电对对应的反射层区域进行加热，反射层以形成不同的区域变形。

优选的，所述反射层下的基底选择高膨胀系数、高传导系数的材料。

优选的，所述第一调制器为X射线空间调制器，由多个阵列排列的压电陶瓷单元与X射线反射镜粘结而成，时序改变压电陶瓷单元上加载电压，利用压电效应，产生反射镜的区域变形。

优选的，所述第二调制器为晶体，对入射光进行布拉格衍射。

优选的，所述区域变形使得第一调制器出射光产生狭缝，区域变形位置出射光以布拉格衍射角度入射所述晶体而被反射，形成双缝干涉。

优选的，所述X射线空间调制器中的每个电阻带或每个压电陶瓷单元均能实现区域变形，对入射光调制，并配合晶体实现双缝干涉，所述X射线空间调制器可控多个调制单元调制，形成多个双缝干涉。

优选的，所述数据采集-处理系统控制数据采集与双缝的扫描同步，即实现顺序扫描测量，并反通过测量数据反解出干涉条纹的对比度和相位。

一种X射线光束互相干函数测量方法，具体包括如下步骤：

1)搭建X射线光束互相干函数测量装置；

2)控制步骤1)装置中X射线空间调制器，选择所需调制单元调制发生变形；

3)时序扫描X射线空间调制器，形成若干个不同间距的“双缝”，测量干涉图；

4)结合互相干理论，对测量数据进行处理，获得干涉条纹的对比度和相位；

5)空间扫描双缝位置，获得所有双缝干涉的互相干函数。

本发明的有益效果在于：本发明X射线光束互相干函数测量装置与探测方法,高精密狭缝系统的形成方法，传统的机加工工艺很难保证用于硬X射线的机械狭缝的品质，本发明利用高精密的半导体工艺，结合晶体的规则晶格排列，形成了高精度的狭缝调制效果；整体的思路，即利用X射线空间调制器，结合晶体发生布拉格衍射，实现X射线双缝干涉测量，进而获得光场的互相干函数；高品质调制双缝的形成方法，并基于波前检测得到每个缝的调制信息，以此解调双缝干涉信息。

附图说明

图1为本发明X射线光束互相干函数测量装置结构示意图；

图2为本发明第一类X射线空间调制器结构图；

图3为本发明第一类X射线空间调制器中加热电极俯视图；

图4为本发明第一类X射线空间调制器调制原理示意图；

图5为本发明第二类X射线空间调制器调制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示X射线光束互相干函数测量装置结构示意图，包括双晶单色器2、X射线空间调制器4、晶体5、聚焦光学元件7、图像探测器9和数据采集-处理系统。白光1平行入射双晶单色器2，双晶单色器2对入射宽光谱带宽的白光X射线单色化后出射，出射的单色光3进入X射线空间调制器，被空间调制改变传播方向，X射线空间调制器4出射调制光进入晶体5发生布拉格衍射，偏转回原入射光路方向，并滤除不满足布拉格衍射条件的光束，再进入聚焦光学元件7聚焦，在焦平面上形成杨氏双缝干涉条纹，图像探测器9采集干涉条纹的强度分布送数据采集-处理系统，数据采集-处理系统反解出干涉条纹的对比度和相位。数据采集-处理系统包括两部分的功能，一个是用于控制数据采集与双缝的扫描同步，即实现顺序扫描测量，另外一部分是数据的采集、处理、显示，给出完整的光束相干性信息。

数据采集-处理系统，时序改变X射线空间光调制器双缝的位置，可以获得不同位置的相干测量数据，最终得到X射线光场的互相干函数。

X射线空间调制器由主动变形反射镜构成。主动变形反射镜的实现形式，包括两类，如图2所示第一类X射线空间调制器结构图，包括上下反射层20和基底22两层，加热电极21在反射层20和基底22两层中用于电控；如图3所示加热电极俯视图，加热电极21由数组平行阵列排列的电阻带32构成，每条电阻带32两端为电极31，可选择电阻带通电对对应反射层区域进行加热。如图4所示X射线空间调制器调制原理示意图，空间分布的激光入射反射层20，通过选择电阻带32加热X射线反射层20，以形成不同区域的变形；为了提升热变形的空间分辨率，反射层20的基底22应当是高膨胀系数，高传导系数的材料。如图5所示第二类X射线空间调制器结构图，多个阵列排列的压电陶瓷单元与X射线反射镜粘结，时序改变压电陶瓷单元上加载电压，利用压电效应，产生反射镜的局域变形。

X射线光束互相干函数测量装置，基于双缝干涉实验，实现X射线的互相干函数测量，具体实现方式是：X射线空间调制器4是一种主动变形反射镜，在待产生狭缝的位置形成局域变形，进而引起出射X射线波前的畸变；经过晶体5后，经变形区域反射的X射线无法通过晶体5对于变形位置的光以布拉格衍射角度入射而反射，非变形位置的光入射角度不满足布拉格衍射条件无法出射，以此方法模拟双缝干涉。X射线空间调制器中的每个电阻带32或压电陶瓷单元都能实现区域变形，调制入射光，并配合晶体实现双缝干涉，因此X射线空间调制器可控多个调制单元调制，形成多个双缝干涉。

互相干函数的测量方法：

A，控制X射线空间调制器中的加热电极或压电陶瓷，选择所需调制单元调制发生变形。

B，时序扫描X射线空间调制器，形成若干个不同间距的“双缝”，测量干涉图。

C，结合互相干理论，对测量数据进行处理，获得干涉条纹的对比度和相位。

D，空间扫描双缝位置，由此获得所有双缝干涉的互相干函数。

本发明设计科学合理，可在动态空间序列产生高精密的双缝，实现互相干函数的测量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，依次包括双晶单色器、两个调制器、聚焦光学元件、图像探测器和数据采集-处理系统，白光平行入射双晶单色器，双晶单色器对入射宽光谱带宽的白光X射线单色化后出射，出射的单色光进入可控时序调制狭缝的第一调制器，第一调制器出射调制光进入第二调制器，经过第二调制器滤除不满足布拉格衍射条件的光束，再进入聚焦光学元件聚焦，在焦平面上形成杨氏双缝干涉条纹，图像探测器采集干涉条纹的强度分布送数据采集-处理系统，数据采集-处理系统控制扫描测量并处理采集数据获得测量数据。

2.根据权利要求1所述X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，所述第一调制器为X射线空间调制器，包括上下反射层和基底两层，在反射层和基底两层中间设有用于电控的加热电极，加热电极由数组平行阵列排列的电阻带构成，每条电阻带两端为电极，选择电阻带通电对对应的反射层区域进行加热，反射层以形成不同的区域变形。

3.根据权利要求2所述X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，所述反射层下的基底选择高膨胀系数、高传导系数的材料。

4.根据权利要求1所述X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，所述第一调制器为X射线空间调制器，由多个阵列排列的压电陶瓷单元与X射线反射镜粘结而成，时序改变压电陶瓷单元上加载电压，利用压电效应，产生反射镜的区域变形。

5.根据权利要求2、3或4所述X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，所述第二调制器为晶体，对入射光进行布拉格衍射。

6.根据权利要求5所述X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，所述区域变形使得第一调制器出射光产生狭缝，区域变形位置出射光以布拉格衍射角度入射所述晶体而被反射，形成双缝干涉。

7.根据权利要求6所述X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，所述X射线空间调制器中的每个电阻带或每个压电陶瓷单元均能实现区域变形，对入射光调制，并配合晶体实现双缝干涉，所述X射线空间调制器可控多个调制单元调制，形成多个双缝干涉。

8.根据权利要求7所述X射线光束互相干函数测量装置，其特征在于，所述数据采集-处理系统控制数据采集与双缝的扫描同步，即实现顺序扫描测量，并反通过测量数据反解出干涉条纹的对比度和相位。

9.一种X射线光束互相干函数测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)搭建X射线光束互相干函数测量装置；

2)控制步骤1)装置中X射线空间调制器，选择所需调制单元调制发生变形；

3)时序扫描X射线空间调制器，形成若干个不同间距的“双缝”，测量干涉图；

4)结合互相干理论，对测量数据进行处理，获得干涉条纹的对比度和相位；

5)空间扫描双缝位置，获得所有双缝干涉的互相干函数。

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