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基于X射线近场散斑的波前检测技术研究现状.docx
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基于X射线近场散斑的波前检测技术研究现状.docx
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摘要
第四代同步辐射光源为多个研究领域提供了亮度和相干度更高、性能更加优异的 X 射线。
为了充分发挥这些光束的潜力,需要精确的光束线装调和高质量的 X 射线光学元件。波前检
测技术在这些方面发挥着重要作用。近 10 年来快速发展起来的基于 X 射线近场散斑的波
前检测技术,具有简便易行、测量精度高等优点。利用散斑在深菲涅耳区形状和大小不变的
特性,在参考图和样品图之间进行互相关计算,提取出入射波、待测光学元件透射波或反射
波的波前信息。综述了利用 X 射线近场散斑开展波前检测的研究现状,介绍了 X 射线散斑
追迹技术、X 射线散斑向量追迹技术、X 射线散斑扫描技术、自相关 X 射线散斑扫描技
术、通用调制图样分析技术和 Ptychographic X 射线散斑追迹技术的原理、实验流程,以及
各自的优势和应用。
Abstract
The fourth generation synchrotron radiation light source provides X-rays with higher
brightness and coherence,and better performance for many research fields. To access
the full potential of these beams, accurate beamline alignment and high-quality X-ray
optics are required. Wavefront metrology plays an important role in these aspects. X-ray
near-field speckle based wavefront metrology, which has been developed rapidly in the
past 10 years, has the advantages of simplicity and high measurement accuracy. Based
on the property of not changing in shape and size of the speckle in the deep Fresnel
region, the cross-correlation between the reference image and the sample image is
calculated, and the wavefront information of the incident wave, the transmitted wave or
the reflected wave of the optics to be measured is extracted. The present research status
of X-ray near-field speckle based wavefront metrology is summarized. The principles,
experimental procedures, advantages and applications of X-ray speckle tracking, X-ray
speckle vector tracking, X-ray speckle scanning, self-correlation X-ray speckle scanning,
unified modulated pattern analysis and Ptychographic X-ray speckle tracking are
introduced.
1 引言
基于加速器技术的同步辐射光源是研究基础科学不可或缺的大科学装置。近年来,随着先进
实验方法的发展,如相干散射与成像技术、原位实验新技术和纳米谱学技术等,迫切需要具
有更高亮度、更高相干性的 X 射线先进同步辐射光源,以实现多尺度成像和超高空间、时
间、能量分辨
[1-2]
。这些需求促进了世界范围内先进光源建设新热潮的发生
[3-7]
。先进的高品
质光束传输调制技术是建设此类大型科学装置的重要保障,其中波前检测技术因其原位测量
的特殊优势,在光束线的装调和光学元件的质量检测方面发挥着重要作用。
光束品质会受到光束线装调精度的制约,对衍射极限束线、相干衍射成像和纳米聚焦束线而
言
[8-10]
,更是如此。波前检测技术可以诊断光束品质,为光束线的装调提供准确、实时的反馈
信息,协助修正和减少光束线上游累积的畸变,提高光束线装调精度。例如,波前检测技术可
以量化检测光束传播方向的分布,根据这一分布可以精确调节光学元件姿态,进而优化光束
线的聚焦效果
[11]
。
高品质光束需要高精度的 X 射线光学元件,而高精度光学元件的加工需要高灵敏度波前检测
技术的检测和反馈。为满足瑞利判据,反射型 X 射线光学元件的面形精度必须控制在工作波
长量级
[12-13]
。虽然折射型 X 射线光学元件要求面形误差在微米量级
[14]
,但是为获得与反射镜
相同程度的聚焦效果,折射型光学元件面形的曲率会比反射镜要大得多,这会使得其加工和
检测的难度达到反射镜的水平
[15]
。此外,基于自适应光学技术的光学元件在自适应校正过程
中也需要具有波长精度的测量能力
[16]
。不同于长程面形仪、Fizeau 干涉仪、纳米形貌测量
仪(NOM)和 Shack-Hartmann 波前探测器等利用可见光的离线检测手段
[17-21]
,在线波前检测
技术必须利用 X 射线进行测量。由于 X 射线波长远小于可见光,因此在线波前检测技术检
测光学元件面形精度的上限会优于离线检测技术。更重要的是,在线波前检测技术是在待测
光学元件的实际工况下进行检测的,包含了机械应力、热负载和振动等多方面因素的影响,
是检测光学元件实际性能的最有效手段。此外,在监测和减小热透镜效应
[22]
、光学元件检测
的泽尼克分析等其他领域中,在线波前检测技术也发挥着重要作用
[11]
。
总之,同步辐射光束的品质取决于光束线的装调精度和光学元件的面形精度。波前检测技术
可为光束线的装调提供反馈,对光学元件面形进行精确检测,被视为保证同步辐射光束品质
的最佳工具。
从测量原理的角度出发,波前检测技术可分为:1)直接测量波前的方法,例如晶体干涉仪
[23]
;2)
基于光线偏折测量波前一阶导数的方法,例如细光束法
[24]
、Hartmann 传感器
[25]
、编码孔径
[26]
和光栅干涉仪
[27]
等;3)基于光场传播测量波前二阶导数的方法,例如基于强度传输方程
(TIE)的方法
[28]
、基于衬度传输方程(CTF)的方法
[29]
等。其中,晶体干涉仪的工作原理与可见
光干涉仪相同,即光束被晶体分为两束,两束分光传播相同距离后在下游的探测器面上产生
干涉条纹,将待测样品置于其中一束分光的光路中,通过分析干涉条纹的变化来获取样品的
相移信息。晶体干涉仪提取相移的原理早已被应用于相位计算机断层扫描成像之中
[30]
。由
于 X 射线的波长较短,故此类装置对机械稳定性有很高的要求
[31]
。对于本文所介绍的基于
X 射线近场散斑的波前检测方法,其大多数技术路线属于上述第二类方法,只有自相关 X 射
线散斑扫描技术(XSS)属于上述第三类方法。第二类方法的原理将在本文基本原理部分介
绍,第三类方法的原理将在本文的 3.4 节介绍。
与其他波前检测技术相比,基于 X 射线近场散斑的波前检测技术最明显的特征是对散斑的利
用。在 X 射线经过无规则散射后,其散射场具有随机的空间光强分布,呈现出颗粒状的结构,
这些颗粒状结构被称为散斑。虽然在多数光学应用中散斑是一种噪声,但是在计量术领域
中,散斑可以作为信息载体用于测量位移和表面粗糙度等,例如散斑照相术和散斑干涉术等
[32]
。在 X 射线领域中,散斑同样可被用在多种检测技术中,例如 X 射线光子相关光谱
[33]
等。
近年来,研究人员有意在光路中生成所谓的“近场”散斑作为信息载体,发展了基于 X 射线近场
散斑的波前检测技术(下文简称 X 射线近场散斑波前检测技术)。这项技术必须工作在所谓
的“近场”区域,进而利用散斑在“近场”区域形状与大小不变的特性。经过近 10 年的发展,X 射
线近场散斑波前检测技术已趋于成熟,由于其具有简便、易行和高效的优点,故在多个 X 射
线实验室被用作光束诊断和光学元件检测的常规手段
[34-38]
。目前,X 射线近场散斑波前检测
技术多被应用于同步辐射领域中,但一系列研究显示,该方法也可被应用于实验室光源中
[39]
。
此外,该方法适用的入射光能量范围很广,下限可达可见光波段
[40]
,上限超过 100 keV
[41]
。根
据不同的检测需求,目前 X 射线近场散斑波前检测技术已发展出 6 种主要的技术路线,包括
X 射线散斑追迹技术(XST)、X 射线散斑向量追迹技术(XSVT)、XSS、自相关 XSS、通用
调制图样分析技术(UMPA)和 Ptychographic XST(PXST)。这些技术同样被广泛应用于成
像领域中,限于篇幅,本文不对此进行介绍,感兴趣的读者可参考文献[ 39, 41-56]。
在国际上,英国钻石同步辐射光源 Wang 等
[57]
对比了 NOM、细光束法、光栅干涉仪和 X 射
线近场散斑波前检测技术的检测结果,发展了基于高能 X 射线的近场散斑波前检测技术
[41]
。
同时,在近期将近场散斑波前检测技术的原理与 NOM 结合起来,建立了基于激光散斑的角度
测量光学头扫描装置
[58]
。欧洲同步辐射光源的 Berujon 等
[34,42,48,50,59]
建立了 XST、XSVT、
XSS 和自相关 XSS 等技术,值得特别注意的是,他们借助半透明 X 射线探测器建立了波前实
时监测装置,可以检测自由电子激光单个脉冲的波前
[60]
。德国慕尼黑工业大学 Zdora 等
[51,53,61]
建立了 UMPA,该技术尤其适用于实验室光源。德国电子同步加速器和澳大利亚墨尔
本大学 Morgan 等
[62-64]
建立了 PXST,该技术尤其适用于发散光束,利用其放大效果可进行高
精度波前检测。此外,澳大利亚蒙纳士大学 Paganin 等
[56]
和美国先进光子光源 Qiao 等
[65]
分
别基于几何流和小波变换发展了 XST。
在国内,中国科学院上海应用物理研究所 Wang 等
[55]
发展了 UMPA,提出了消除边缘增强效
应干扰的方法。Tian 等
[66-67]
研究了 XST 的搜索窗口尺寸和散斑生成器颗粒尺寸等对波前检
测的影响。上海同步辐射光源 Xue 等
[37-38]
利用 XSS 对 X 射线平面镜、主动变形镜,以及单
晶和 Channel-cut 晶体的检测方法进行了研究。近期,本研究团队基于上海同步辐射光源
BL09B-X 射线光学测试线,利用 XST 对主动变形镜和复合折射透镜(CRL)的检测方法进行
了研究。
以上介绍了波前检测技术的重要意义,综述了 X 射线近场散斑波前检测技术的起源和发展现
状。下面将讨论 X 射线近场散斑的特性及其用于波前检测的原理,介绍 XST、XSVT、
XSS、自相关 XSS、UMPA 和 PXST 等技术的原理、实验流程、数据分析过程和优劣之
处,并简要介绍这些技术在束线诊断和光学元件检测方面的应用。
2 基本原理
X 射线近场散斑波前检测技术利用 X 射线散斑在 “近场” 区域不发生形变的特性追踪光线
轨迹,利用光线的角度变化(待测波前的一阶导数)恢复波前。下面从 X 射线近场散斑的产生
及其特性、基于 X 射线近场散斑的波前恢复,以及通用的两种检测模式角度介绍测量原理。
2.1 X 射线近场散斑的产生及其特性
如前所述,X 射线在经过无规散射后会产生散斑。X 射线近场散斑波前检测技术大多通过将
砂纸或带有随机小孔的高分子材料薄膜置入光路的方式产生散斑图样。这些砂纸或薄膜常
被称为散斑生成器。利用散斑生成器对入射光的波前进行调制,进而将散斑生成器折射率分
布和厚度分布的随机性赋予波前。因此,在散斑生成器下游,波前的任意一块足够大的区域
带有独特的高频分布,这使其能与相邻的其他区域区别开来。
只有当散斑特性保持不变时,即波前的高频分布不随光线传播变化时,X 射线近场散斑才可用
于追踪光线轨迹,并进一步恢复波前。散斑特性的保持需满足两个条件:1)检测需在“近场”范
围,即在深菲涅耳区内进行;2)待测的入射光波前或光学元件曲率不可过大。以下介绍深菲涅
耳区的概念。
按照文献[ 68]所介绍的理论,在光轴方向,部分相干光的光路中存在两个区域,即范西泰特-策
尼克定理(VCZT)区和深菲涅耳区。这两个区域之间存在过渡区,过渡区中心为 z
c
,其表达式
为
zc=ddsλ,(1)zc=ddsλ,(1)
图 1. 归一化散斑尺寸随归一化距离的变化
[68]
Fig. 1. Normalized speckle size varying with normalized distance
[68]
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式中:d 是空间相干长度;d
s
是散斑生成器平面上颗粒或者小孔的尺寸(在其他常规实验中 d
s
是光源尺寸);λ 是入射光波长。当距光源的距离 z 远大于 z
c
时,VCZT 可以准确预测互强度
的传播,故该区域被称为 VCZT 区。当距光源的距离 z 远小于 z
c
时,互强度分布与光源处几
乎一致,该区域被称为深菲涅耳区。图 1 展示了归一化散斑尺寸随归一化距离的变化情况,
其中 Λ 是 z 处的散斑尺寸,Γ 是 z
c
处的散斑尺寸,实线是归一化散斑尺寸随归一化距离的变
化情况,虚线是 VCZT 预测的情况。可以看出,当 z 远小于 z
c
时,散斑的尺寸不随 z 变
化,VCZT 的预测偏离实际情况。对于本文所关注的散斑现象而言,上述现象意味着在深菲涅
尔耳区内散斑的形状不变、大小仅随光场的发散或会聚产生相似变化
[32,68]
。也可以认为,深
菲涅耳区是几何光学适用的区域。因此,深菲涅耳区内的散斑图样可视为一种 “标记” 信号,
可用于追踪光线轨迹并重建波前。深菲涅耳区和其中的散斑也分别被称为“近场”和“近场”散
斑。需要注意的是,通常情况下近场和远场分别指菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的区域,而近
场散斑所处的 “近场” 虽然也满足菲涅耳近似条件,实际上指的是衍射现象可忽略的深菲涅
耳区。在实践中,深菲涅耳区和 VCZT 区之间没有分明的边界,若不是精确追踪光线轨迹,而
仅仅是测量光学元件的面形,则只需在探测器平面测量待测光学元件进入光路和退出光路时
两种散斑图样间的差异,无需散斑在传播中保持不变,此时可将检测的有效区域从 z≪z
c
的深
菲涅耳区扩展至 z=d
2
/λ 的菲涅耳区
[42]
。
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