[发明专利]一种复合面型的X射线压电变形镜

说明书

本发明提供一种复合面型的X射线压电变形镜，包括基底和设于所述基底的上方的光学反射膜，所述光学反射膜的上表面划分为两个镜面，所述基底在其上表面、下表面和侧面中的至少一个总共设有至少两类压电陶瓷片，使得两个镜面各自在压电陶瓷片的带动下产生所需的两种不同的面型。本发明的复合面型的X射线压电变形镜将基于压电驱动的主动光学技术和多面型组合的掠入射X射线反射镜系统集成起来，当施加电压平行于每块压电陶瓷片的电极化方向时，压电陶瓷片的横向方向的压电伸缩可以带动随镜长变厚度的光学基底的伸缩来产生沿镜长子午方向所需的局部曲率，以弥补反射镜的面形难以调节的缺陷。最终通过两种面型的组合，实现消像差的聚焦效果，以用于全场成像和聚焦实现。

技术领域

本发明属于主动式的X射线光学波前校正领域，具体涉及一种复合面型的X射线压电变形镜，用以掠入射X射线的聚焦，以达到减小像差、调控焦点光斑和位置的作用。

背景技术

在硬X射线波段，任何材料的折射率都接近于1。因此，只有在掠入射角很小时才能获得较高的反射率。故掠入射的反射元件是实现硬X射线成像和聚焦等功能的主要形式。常见的掠入射反射聚焦元件类型包括了Kirkpatrick-Baez型，Wolter I、II、III型和LobsterEye型等，其中前两种类型是最广泛应用在同步辐射显微镜和太空望远镜领域的。1952年Wolter提出使用两个同轴共焦的旋转圆锥曲面构成光学系统，包括Wolter I、II、III三种类型，主要表现为面形配置的不同。这类结构可以消除色差、减少慧差，并增大数值孔径。比如日本科学家使用Wolter型元件实现X射线的弧矢聚焦^[1]和实现高分辨的全场成像^[2]；美国高分辨X射线天文望远镜Lynx^[3]利用嵌套的Wolter型镜面来实现与Chandra相当水平的角分辨率(0.5”)情况下获得30倍的视场。

类似Wolter型元件的复合曲面可以由包括抛物面、椭柱面或双曲柱面组成，这样的面型通常采用加工直接成型或者机械压弯产生。如图1所示为一种理想状况的Wolter-I型K-B聚焦系统的示例性示意图，其中示出了在同一镜面上加工出椭柱和双曲柱两种面型，从而使得光沿图1中所示方向的光路方向传播并实现聚焦。直接加工的固定面型镜虽然面形稳定精度较高，但是价格昂贵，对于光路复杂或稳定性较差的条件下几乎很难做出调节；机械压弯是比较常规的手段，但是其调节维度比较少，操控的面形并不能达到完美情况，类似马鞍形变等情况也会带来额外的波前误差。

日本大阪大学提出了一种压电变形镜的排布方式^[4]，其中公开了压电驱动镜体的技术。目前的现有技术的缺点在于仅仅提供了单晶片压电陶瓷排布和驱动方式，并没有将这种压电变形技术的优势运用到复杂的光学系统的设计中。

因此，需要一种新的技术，以克服各类传统固定面型的如Wolter型或者LobsterEye型的掠入射反射元件在加工、装调方面的巨大难点，避免聚焦镜需要多组镜面组成，不易调节，且成本昂贵的缺陷。

[1]A.Takeuchia,Y.Suzukia,K.Uesugia,et al,Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A467-468,302-304(2001)

[2]S.Matsuyama,Y.Emi,H.Kino,et al,Optics Express 23(8),9746-9752(2015)

[3]S.Bianca,B.Stefano,C.Marta,et al.Proc.SPIE,Adaptive X-Ray OpticsIV 9965:99650(2016)

[4]H.Mirura,S.Handa,T.Kimura,et al,Nature Physics 6,122-125(2010)

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合面型的压电变形镜，利用压电元件调节反射镜，以在同一镜体上形成所需的两种面型。