新突破！复合折射透镜和菲涅尔波带片定制组合实现宽能量范围X射线复消色差聚焦

瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的科学家创新性地开发了一种 X 射线消色差聚焦透镜，使得宽能量范围的 X 射线也能实现亚微米分辨率的显微成像。传统基于衍射或折射透镜的 X 射线显微成像系统，为了消除成像色差对图像分辨率的影响，通常需要高度单色性的 X 射线光源，这种方法既耗时，又会导致大部分射线被浪费。这种新型复消色差聚焦透镜系统能够适应宽的X射线能量范围，无需任何焦距调整，使得利用X射线进行纳米材料的结构表征变得更加容易。该突破性的研究成果发表在《Light：Science & Applications》杂志上。

a. 复消色差聚焦原理：弱色散本领的复合折射透镜（CRL）的成像色差作为强聚焦菲涅尔波带片（FZP）成像色差的校准

b. 通过双光子聚合 3D 打印技术制备的 CRL 的扫描电子显微镜（SEM）图像

c. 通过电子束光刻和金电镀技术制备的 FZP 的 SEM 图像

X 射线对材料的高穿透性使得 X 射线成像技术可以满足对可见光不透明的物体内部的结构观测，在医学成像诊断、材料结构表征等方面具有非常广泛的研究和应用。同时，相比于可见光而言，X 射线的波长非常短，甚至可以实现最小精度到纳米尺度的单个病毒或材料精细结构的显微成像。但受 X 射线衍射或折射光学元件固有的成像色差限制，使得不同能量的 X 射线在探测器面上的焦点位置不同，这势必会导致最终成像质量的模糊，因此针对 X 射线的消色差元件对实现高分辨 X 射线显微成像至关重要。

受双合透镜在可见光色差校正概念得到启发，PSI X射线纳米科学与技术实验室科学家 Joan Vila-Comamala 等将衍射和折射透镜不同的光学特性联系起来，通过将强聚焦特性的菲涅尔波带片（FZP）与弱色散特性的复合折射透镜（CRL）结合起来消除 FZP 的成像色差，成功开发了 X 射线复消色差聚焦透镜，实现了扫描透射 X 射线显微镜（STXM）在宽 X 射线能量范围内的消色差。

使用 CRL 和 FZP 距离分别为 55mm 和 59mm 时获得的能量范围为 6.5keV~13.0keV 的西门子星分辨率测试卡的 STXM 图。

为了进一步表征复消色差聚焦透镜的性能，研究小组成员在德国 PETRA III 同步辐射 P06 光束线上对西门子星分辨率测试卡样品进行了 STXM 表征。当 X 射线能量从 6.5keV 增加至 13.0keV，复消色差聚焦透镜表现出极佳的消色差性能。

a. 原始 STXM 图

b. 裁剪并居中的STXM图

c. 转换为极坐标的图

d. 可见度，[ − ]/[ + ]和半径的函数

e. 可见度与半节距的函数。半节距分辨率可达 481nm

参考文献

[1] Sanli, U.T., Rodgers, G., Zdora, MC. et al. Apochromatic X-ray focusing. Light: Sci. & Appl., 12, 107-114 (2023).

[2] Kubec, A., Zdora, MC., Sanli, U.T. et al. An achromatic X-ray lens. Nat. Commun., 13, 1305-1311 (2022).