瑞士保羅謝勒研究所（PSI）的科學(xué)家創(chuàng)新性地開發(fā)了一種 X 射線消色差聚焦透鏡，使得寬能量范圍的 X 射線也能實現(xiàn)亞微米分辨率的顯微成像。傳統(tǒng)基于衍射或折射透鏡的 X 射線顯微成像系統(tǒng)，為了消除成像色差對圖像分辨率的影響，通常需要高度單色性的 X 射線光源，這種方法既耗時，又會導(dǎo)致大部分射線被浪費。這種新型復(fù)消色差聚焦透鏡系統(tǒng)能夠適應(yīng)寬的X射線能量范圍，無需任何焦距調(diào)整，使得利用X射線進行納米材料的結(jié)構(gòu)表征變得更加容易。該突破性的研究成果發(fā)表在《Light：Science & Applications》雜志上。

a. 復(fù)消色差聚焦原理：弱色散本領(lǐng)的復(fù)合折射透鏡（CRL）的成像色差作為強聚焦菲涅爾波帶片（FZP）成像色差的校準(zhǔn)

b. 通過雙光子聚合 3D 打印技術(shù)制備的 CRL 的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

c. 通過電子束光刻和金電鍍技術(shù)制備的 FZP 的 SEM 圖像

X 射線對材料的高穿透性使得 X 射線成像技術(shù)可以滿足對可見光不透明的物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)觀測，在醫(yī)學(xué)成像診斷、材料結(jié)構(gòu)表征等方面具有非常廣泛的研究和應(yīng)用。同時，相比于可見光而言，X 射線的波長非常短，甚至可以實現(xiàn)最小精度到納米尺度的單個病毒或材料精細(xì)結(jié)構(gòu)的顯微成像。但受 X 射線衍射或折射光學(xué)元件固有的成像色差限制，使得不同能量的 X 射線在探測器面上的焦點位置不同，這勢必會導(dǎo)致最終成像質(zhì)量的模糊，因此針對 X 射線的消色差元件對實現(xiàn)高分辨 X 射線顯微成像至關(guān)重要。

受雙合透鏡在可見光色差校正概念得到啟發(fā)，PSI X射線納米科學(xué)與技術(shù)實驗室科學(xué)家 Joan Vila-Comamala 等將衍射和折射透鏡不同的光學(xué)特性聯(lián)系起來，通過將強聚焦特性的菲涅爾波帶片（FZP）與弱色散特性的復(fù)合折射透鏡（CRL）結(jié)合起來消除 FZP 的成像色差，成功開發(fā)了 X 射線復(fù)消色差聚焦透鏡，實現(xiàn)了掃描透射 X 射線顯微鏡（STXM）在寬 X 射線能量范圍內(nèi)的消色差。

使用 CRL 和 FZP 距離分別為 55mm 和 59mm 時獲得的能量范圍為 6.5keV~13.0keV 的西門子星分辨率測試卡的 STXM 圖。

為了進一步表征復(fù)消色差聚焦透鏡的性能，研究小組成員在德國 PETRA III 同步輻射 P06 光束線上對西門子星分辨率測試卡樣品進行了 STXM 表征。當(dāng) X 射線能量從 6.5keV 增加至 13.0keV，復(fù)消色差聚焦透鏡表現(xiàn)出極佳的消色差性能。

a. 原始 STXM 圖

b. 裁剪并居中的STXM圖

c. 轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)的圖

d. 可見度，[ ? ]/[ + ]和半徑的函數(shù)

e. 可見度與半節(jié)距的函數(shù)。半節(jié)距分辨率可達(dá) 481nm

參考文獻

[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).