CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
同步辐射硬X射线纳米聚焦自适应位相补偿系统光学特性研究
田纳玺
Subtype博士
Thesis Advisor李爱国
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword硬X射线聚焦 位相补偿 X射线光学检测 压电变形镜
Abstract由于高穿透性、低损伤、高灵敏、多种实验方法联用的优点,基于同步辐射光源的硬X射线纳米探针越来越受到生命、材料等领域研究者的重视。上海光源线站工程中正在建设的硬X射线纳米探针光束线,基于高通量的设计需求,选择基于多层膜Kirkpatrick-Baez(K-B)镜的聚焦方案来实现10 nm光斑尺寸聚集,以满足国内外科研工作者在前沿科学领域的研究需要。现有的抛光技术无法加工出满足纳米衍射极限聚焦所需的超高面形精度多层膜K-B镜。因此,需要通过位相补偿技术基于在线测量技术获得光路中的波前位相误差,再引入自适应光学元件压电变形镜补偿聚焦镜波前位相误差,来有效提升聚焦系统的性能。但是,该技术目前存在聚焦优化结果持续时间短且波前位相误差测量比较复杂等问题。高精度的波前位相测量和压电元件的面形修正是实现位相补偿技术的两大核心。本文根据纳米探针光束线的建设需求,依托上海光源实验平台,从位相测量和位相补偿两个方面进行了创新性探索。为未来硬X射线纳米探针光束线站实现衍射极限聚焦打下基础在位相测量方面,选择简单有效的散斑测量技术作为研究对象,取得了以下研究成果:1.基于X射线近场散斑的形成和传播特性,建立了基于散斑追迹测量技术的散射体模型及光束传播模型,理论研究和探索提高测量精度,以满足位相补偿技术对高精度波前位相误差检测需求。2.基于X射线近场散斑的相关理论,讨论分析了砂纸颗粒、光源相干性和探测器采样对基于散斑的测量技术的精度影响。给出了适合散斑技术的散射体颗粒选择范围,并用模拟结果和金网样品的实测结果进行了验证。此外,根据互相关分布图和实测散斑图的功率谱分析结果,发现了适宜范围内散射体较小颗粒尺寸计算精度较高的原因有以下两点:(1)小颗粒在散斑技术数据处理中保持更尖锐的互相关峰,具备更高的计算分辨率;(2)小颗粒可以保留样品更多的高频信息。3.对于散斑测量技术计算中的子集尺寸选择问题,讨论分析子集尺寸与样品不同频率成分之间关系,发展了可以根据不同位置的样品特性选择相应子集尺寸的自适应子集选择算法。模拟和实测结果表明该方法可以避免选择小子集计算中的实验噪声、背景波动和虚假信号,且相对选择大子集计算时,具有高分辨率和节省时间的优点。4.基于散斑扫描技术的相关理论,讨论分析了计算子集、计算间隔和扫描步长对一维散斑自扫描技术波前曲率测量精度的影响,给出了合适的测量参数和计算参数的选择标准。此外,还研究了光路中元件不同频率和幅度的振动的影响,为位相补偿系统获得稳定可靠的实际应用打下基础。在位相补偿方面,结合上海光源微聚焦线站的实验条件,设计制造了一台压电变形镜样机,取得了以下研究成果:1.设计了兼具聚焦和位相补偿功能的压电变形镜样机。根据ANSYS模拟分析结果,使用斐索干涉仪离线测量了变形镜的压电响应函数,并观测了迟滞回线和压电稳定性等性能。2.发展了适用于聚焦状态波前调节的高精度迭代的全局优化面形调控算法。离线面形调控实验和在线面形调控测试结果都表明算法可以实现纳米量级的高精度镜面面形控制。基于以上位相测量和补偿的研究成果,根据纳米探针光束线站实际运行需要,探索了自适应位相补偿系统原理。最后,将高精度散斑扫描测量技术和位相补偿技术相结合,在上海光源微聚焦线站安装位相补偿镜,在线检测了补偿镜的聚焦优化性能,对自适应位相补偿系统进行了原理性验证。结果表明,初始焦斑尺寸为43.4μm的聚焦光经过3次迭代修正后被压缩到了12.9μm,聚焦效果显著提升。本文的研究成果为未来硬X射线纳米探针线站基于自适应位相补偿系统实现稳定的纳米衍射极限聚焦打下基础。
Pages131
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32494
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
田纳玺. 同步辐射硬X射线纳米聚焦自适应位相补偿系统光学特性研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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