Хотя рентгеновские лучи подчиняются тем же оптическим законам, что и видимый свет, их сложно сфокусировать или отклонить: «Для изготовления подходящих рентгеновских линз и зеркал доступно лишь несколько материалов», — объясняет соавтор Андреас Шропп из DESY. "Кроме того, поскольку длина волны рентгеновских лучей намного меньше длины волны видимого света, производство рентгеновских линз этого типа требует гораздо более высокой степени точности, чем требуется в области оптических длин волн — даже малейших. дефект формы линзы может иметь пагубные последствия ».Производство подходящих линз и зеркал уже достигло очень высокого уровня точности, но, как отмечает Шропп, стандартные линзы, сделанные из элемента бериллия, обычно немного слишком сильно изогнуты около центра. «Бериллиевые линзы формуются под давлением с использованием прецизионных штампов. При этом практически неизбежны ошибки формы порядка нескольких сотен нанометров».
Это приводит к тому, что из фокуса рассеивается больше света, чем неизбежно по законам физики. Более того, этот свет довольно равномерно распределяется по довольно большой площади.
Такие дефекты не имеют значения для многих приложений. «Однако, если вы хотите нагреть небольшие образцы с помощью рентгеновского лазера, вам нужно, чтобы излучение фокусировалось на как можно меньшей площади», — говорит Шропп. «То же самое можно сказать и о некоторых методах визуализации, когда вы хотите получить изображение крошечных образцов с как можно большим количеством деталей».Чтобы оптимизировать фокусировку, ученые сначала тщательно измерили дефекты в своих портативных бериллиевых рентгеновских линзах. Затем они использовали эти данные для изготовления индивидуальной корректирующей линзы из кварцевого стекла с помощью прецизионного лазера в Йенском университете. Затем ученые проверили эффект этих очков с помощью рентгеновского лазера LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США.
«Без корректирующих очков наша линза фокусировала около 75 процентов рентгеновского света на область диаметром около 1600 нанометров. Это примерно в десять раз больше теоретически достижимого», — сообщает главный автор Фрэнк Зайбот из Technical Дрезденский университет, который сейчас работает в DESY. «Когда использовались очки, 75 процентов рентгеновских лучей можно было сфокусировать в область диаметром около 250 нанометров, что приблизило его к теоретическому оптимуму».
С корректирующей линзой в центральную спекл фокусировалось примерно в три раза больше рентгеновского света, чем без него. Напротив, полная ширина на полувысоте (FWHM), общая научная мера резкости фокуса в оптике, не сильно изменилась и оставалась на уровне около 150 нанометров, с очками или без них.
Та же самая комбинация мобильной стандартной оптики и индивидуальных очков также изучалась командой синхротронного источника рентгеновского излучения DESY PETRA III и британского Diamond Light Source. В обоих случаях корректирующая линза привела к улучшению, сравнимому с таковым при использовании рентгеновского лазера. «В принципе, наш метод позволяет изготавливать индивидуальную корректирующую линзу для каждой рентгеновской оптики», — объясняет ведущий ученый Шроер, который также является профессором физики в Гамбургском университете.
«Эти так называемые фазовые пластины могут не только принести пользу существующим источникам рентгеновского излучения, но, в частности, они могут стать ключевым компонентом рентгеновских лазеров и источников синхротронного света следующего поколения», — подчеркивает Шроер. «Фокусировка рентгеновских лучей до теоретических пределов является не только предпосылкой для существенного улучшения ряда различных экспериментальных методов; она также может проложить путь к совершенно новым методам исследования. Примеры включают нелинейное рассеяние частиц света с помощью частиц материи или создавая частицы материи в результате взаимодействия двух частиц света. Для этих методов рентгеновские лучи должны быть сконцентрированы в крошечном пространстве, что означает необходимость эффективной фокусировки ».