光学-7-1.ppt

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1、第七章同步辐射X射线成像光学同步辐射光谱的使用范围主要是真空紫外，软X射线和硬X射线。在这一范围内，由于所有材料具有很高的吸收效应，用于光束成像的各种镜子多为反射模式，而不采取常规光学中的透射模式。其功能：①偏转光束传递方向，调整各光学装置的空间位置分配②功率过滤，稀释光强功率密度，降低光束线下游元件热载③截止被反射的高能光谱上限，有效抑制高次谐波，提高分光元件的单色性能④聚焦发散光束，缩小成像束斑，增加被测样品上的光子密度或光谱亮度⑤准直光源，使发散光束变为近似平行光线，消除分光元件因光源发散对色散性能的影响，提高能量分辨率。设计成像系

2、统的首选目标是传输效率和成像束斑，前者取决于反射材料和工作表面光洁度，后者取决于像差和面形精度7.1X射线反射1全反射几何光学中光的反射和折射定律：反射线与折射线在同一入射面内，反射角等于入射角，折射角与入射角正弦之比与反射角无关，而是一个与媒质和光的波长有关的常数图7-1X射线全反射X射线在各种物质中的折射率都小于1，故当光线由真空或空气斜入射到金属或其它材料表面时X射线光学常用临界掠入射角，光线以入射到镜子表面能全反射，临界掠入射角与波长有关和镜子的镀层材料有关2临界掠入射角入射光能量确定后，临界掠入射角c由斯涅尔定律推导出，由于，

3、展开cosc后得远离吸收边且低Z材料中的临界掠入射角c与入射光线能量E乘积约为常数,得到求掠入射角c的简化式图7-2常用镀层材料cE积值和表示材料的色散和吸收性质折射率的复数形式光束以入射角射到镜子表面，其反射率接近1，根据动力学理论，光线在表面瞬间传递，光击深度由消光深度给出消光深度光束以入射角射到反射表面时，反射率以迅速下降，被传递的光波在入射方向进入媒质，光在媒质中下沉深度为多数镜子表面有一层镀膜，用于光学反射，镀膜层不宜太厚，X射线反射镀膜一般在500Å为佳，这样有可能部分光线靠衬底材料反射，因此在选用衬底材料时Z值不

4、要高于镀膜材料太多3反射率X射线在两界面被反射，由菲涅尔（Fresnel）方程求解出以掠入射角表示的复数反射系数其中图7-3quartz表面镀和未镀金对X射线反射率与掠入射角之关系以及全反射时的临界角，图7-4镜子在相同掠入射角，quartz表面镀和未镀金反射率与入射X射线波长之间的关系，可以看出：复数介电常数，忽略或的平方和与之积，并以代替sin，得到反射率公式图7-3quartz表面镀和未镀金对波长1.54Å的X射线反射率与掠入射角之关系以及全反射时的临界角图7-4镜子在掠入射角时，quartz表面镀和未镀金反射率与入射X

5、射线波长之间的关系反射镜表面沉积的重金属降低了临界角的敏感度和临界角附近的反射率。由于c正比于，所以镜子在掠入射角时，不能反射波长短于这是用反射镜有效抑制高次谐波的原由反射表面粗糙度对反射效率的影响上述公式给出了反射表面在理想状态下，反射率随入射角变化的函数，实际上反射表面的粗糙度对反射效率有很大影响。S.Goto等人采用分级折射系数来解析光学镜面的反射率，距平均表面（理论平面）深度为Z处复数折射率表示为N是镜子整体折射率，是表面粗糙度的误差函数图7-5(a)分级折射系数解析光学镜面的反射率，(b)反射面分成若干个厚度为d的反射层S

6、.Goto将整块反射面分成若干个厚度为d的反射层，第j个反射层的折射率由已知条件按上面公式求出，光波在第j个反射层前后因受折射修正影响，其传递和反射分别为这里的与分别表示菲涅耳传递系数和反射系数是相位因子.各层上入射角和折射角由斯涅耳定律决定当反射层足够深，折射率等于N，没有反射波，上面公式改写求解上面两个函数式，得到光束作用镜子表面后被传递和反射光波的振幅分别是和，进而计算出反射率图7-6两种表面状态的反射率计算和测量结果对照：A镀层100nm，表面粗糙度3.4nm,B镀层10nm，表面粗糙度1.6nmS.Goto对两种表面状态的反射率

7、计算和测量结果对照，镜子反射面积500300mm2，厚40mm，表面镀白金。镀层A是100nm，镀层B是10nm，表面粗糙度A为3.4nm，B为1.6nm。结果表明：计算（虚线）与实测（实线）数值非常接近，B好于A在工程设计中，用上面的方法计算反射率，过于复杂，也没有太大的必要性。在镜面光洁度确定后，应用下式便能快速判定其对反射效率的影响W是给定情况下，表示反射率随波长变化的函数表面粗糙度=0.5nm,掠入射角i=5mrad时反射率下降随波长变化的曲线7.2X射线成像光学在同步辐射光学系统中，采用各种面形的反射镜，以掠入射排布

8、插入光路，对被传输的光束聚焦，准直，偏折。常用的成像模式有：环面聚焦、KB聚焦、椭球面聚焦、共轭聚焦和抛物面准直。反射表面形状因此分球面、柱面、环面、椭球面和抛物面处理同步辐射光学成像仍按几何