“2017中國光學十大進展”候選推薦
 

X射線光柵的基本原理是利用周期性微納結構對入射X射線的衍射效應來實現(xiàn)色散功能，具有精度高、重量輕、緊湊、易于校準等優(yōu)點，符合儀器設備小型化、輕量化和集成化的發(fā)展趨勢，在四大光學工程（激光聚變、X射線天文望遠鏡、同步輻射和極紫外光刻）、醫(yī)學成像、X射線計量學等領域具有重要的應用需求。

 

X射線穿過所有已知材料后，振幅衰減的同時，相位也相應地發(fā)生改變。這種獨特的相移吸收二元性決定了X射線光柵設計機理復雜，需采用大高寬比自支撐結構，制造難度遠大于其它波段。國際上僅有麻省理工學院空間納米技術實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室等極少數(shù)科研機構具備此類元件研制能力。這兩個頂尖科研機構所研制的X射線光柵廣泛應用于美國國家點火裝置、錢德拉天文望遠鏡、國家同步光源、極紫外光刻機等重大工程/設備。

 

然而，傳統(tǒng)的周期性X射線光柵通常表現(xiàn)出固有的高級衍射特性。許多實際應用僅需要使用1級衍射，其它高級衍射通常會造成干擾，降低實驗數(shù)據(jù)的置信水平。為了解決高級衍射干擾難題，中物院激光聚變研究中心（八所）曹磊峰研究員基于準隨機控制分布于不透明薄板上針孔單位面積數(shù)密度實現(xiàn)透過率函數(shù)微觀二值變化、宏觀正弦變化的思路，提出了X 射線單級光柵的新概念 ,隨后和中科院微電子所謝常青研究員課題組合作，開展進一步研究，成功集成了一系列X射線單級光柵。聯(lián)合團隊的X射線單級光柵研究成果獲得了2013年度國家技術發(fā)明二等獎。

 

 

準周期光柵介于周期光柵和無序系統(tǒng)之間，既繼承了周期光柵的基本色散特性，又可增加調控自由度，合適的光場調控可以產(chǎn)生高級衍射抑制特性?；谶@一思路，2017年在國家重大科學儀器設備開發(fā)專項資助下，該聯(lián)合團隊在X射線單級光柵的研究中取得新進展。研究團隊利用準周期納米孔陣列模仿X射線光柵透射函數(shù)，基于嚴格的電磁學理論，推導了準周期X射線光柵的解釋表達式，闡述高級衍射抑制機制，通過數(shù)值模擬，驗證了解釋表達式的正確性。在兼容微電子制造技術的基礎上，利用自行提出的混合光刻方法 ，實現(xiàn)了納米尺度、陡直剖面、精確可控和精確定位的準周期自支撐金納米孔陣列加工集成，金納米孔數(shù)量達16億個，面積為10×10 mm2。在國家同步輻射實驗室對研制的元件進行了測試，測試結果驗證了設計和制造結果的正確性。相關研究成果以Higher-order diffraction suppression of free-standing quasiperiodic nanohole arrays in the x-ray region為題發(fā)表在Applied Physics Letters  [110,  041104 (2017) ] 上。

 

 

2017年，聯(lián)合團隊迅速將這款抑制高級衍射的準周期X射線光柵進行了小批量生產(chǎn)，應用于北京同步輻射裝置無諧波X射線光束線站（國際首條）的建設和激光聚變等離子診斷實驗，驗證了該款產(chǎn)品的高分辨、高級衍射抑制、輕量化和集成化等優(yōu)勢。同時，該款產(chǎn)品實現(xiàn)了向西北核技術研究所、中科院空間中心的銷售。