上海光机所在X射线波段的中国太极相移全息成像

10月17日由四川省科技厅、四川省经信委组织的短波长X射线衍射分析技术科技成果暨短波长X射线体应力无损分析仪新产品鉴定会,在四川江油举行。经现场鉴定,由中国工程物理研究院研究员、中国物理学会X射线衍射联合委员会主任麦振洪,清华大学材料学院院长张政军等9位专家组成的鉴定委员会一致同意该技术通过科技成果验收,属国际首创。

中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室张军勇课题组针对X射线相移全息,首次构造了多焦点的相移中国太极透镜,在光学段实验验证了基于中国太极透镜的相移无透镜傅立叶变换全息成像技术。

短波长X射线体应力无损分析仪是由中国工程物理研究院材料研究所、四川艺精科技集团有限公司、中国兵器工业第五九研究所联合完成的用于测量材料残余应力的分析设备。与普遍X射线应力分析仪仅能获得材料表层约10微米深的应力分析结果不同,该分析仪采用W靶或U靶X射线源,特征X射线波长分别为0.2埃和0.1埃左右,测试铝材当量厚度大于40毫米,无应力铁粉测试误差小于20兆帕。该分析仪可在无损的情况下对材料内部应力分布情况进行定量分析,与同类型的中子衍射、同步辐射装置等大型装置相比,其造价低廉、使用方便。

由于衍射极限的客观存在,为了实现更高分辨率的光学成像,最直接简便的一个途径是采用更短波长的光源。随着近年来同步辐射、自由电子激光器和核激励X射线激光的迅速发展,相干X射线已广泛应用于生物细胞成像、材料的无损检测、晶体结构的衍射分析以及X射线显微等领域。

“该技术属国际首创,获得2项国际专利授权,4项国内专利授权。”鉴定意见指出,研究团队采用特殊的X射线光路设计,改善了入射X射线强度的衰减。采用透射式和反射式的光路设计,获取材料内部结构沿深度分布的信息,可满足工程构件的测试需求。

波带片作为一类衍射透镜,却难以实现弱相位物体的直接成像,这归因于探测器只能响应光强的变化。全息无疑是众多相位物体测量与成像的优选方法之一,各类功能多样的X射线器件的缺乏使得共光路的无透镜傅立叶变换全息成为较早应用于X射线波段的全息技术,而像光学段常用的相移全息却难以在X射线实现。课题组基于中国太极图,引入阴阳相位的衍射竞争理念,设计了一类具有多层相移焦斑的中国太极透镜,因是振幅型衍射透镜,适用于相移X射线全息术。对于EUV及更长的相干光波段,可以设计成高衍射效率的位相型衍射透镜,以方便较弱信号的检测与成像。通过鉴别率板和椭圆涡旋焦斑等实验验证了上述提出的相移全息技术。

该分析仪可广泛应用于装备制造、国防军工等领域。目前已创造经济效益696万元,研发团队已形成年产15台套的能力。

该项研究得到国家自然科学基金和中科院青年创新促进会的支持。上述相关工作已发表在学术期刊OpticsLetters (Opt. Lett. 43, 4085, 2018)上。

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图1 太极透镜示意结构及其产生的双层相移焦斑的光强与相位分布。

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图2 实验结果:USAF,椭圆涡旋焦斑—光强与相位。

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