3D打印实现宽X射线能量范围内亚微米消色差聚焦

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AUTUMN

/ 基于微加工3D打印技术的创新

X射线成像技术最突出的例子是用于医学诊断的射线照相术。该技术可以对骨骼、器官和其他身体组织等组织进行非侵入性分析。而且X射线技术不仅在医疗领域提供了强大的诊断工具。由于 X 射线对材料的深入渗透，X 射线显微镜可以帮助详细研究对可见光不透明的物体的内部结构。此外，X 射线的小波长允许对最小样本精确到纳米级的单个病毒进行高分辨率图像。

目前，基于X射线的显微镜仅限于窄带宽辐射源，因为现有的折射和衍射光学器件存在固有色差，导致不同 X 射线能量的焦点位置不同。

瑞士Paul Scherrer研究所的科学家和XRnanotech公司的专家在一项联合研究中解决了这个问题，并通过Nanoscribe 的3D打印技术的帮助下开发了第一个X射线消色差片。

这种消色差光学器件由两个元件组成，一个由电子束光刻制造的菲涅耳波带板 (FZP) 和一个由四个组合抛物面微透镜组成的3D打印折射微透镜堆栈。双光子聚合 (2PP)3D打印技术制造的微透镜堆栈是开发的核心，使扫描透射 X 射线显微镜 (STXM) 在广泛的 X 射线能量范围内没有色差。

   / 高纵横比复合折射微光学

色差校正的逻辑可以追溯到 18 世纪。将一个由冠状玻璃制成的聚焦透镜和一个由火石玻璃制成的散焦透镜堆叠在一起，形成了一个消色差双合透镜，可纠正由于两种材料的不同色散特性而导致的可见光色差。

研究小组必须克服一些挑战才能将这一概念转移到 X 射线系统中。对于高能 X 射线，材料之间的色散差异可以忽略不计，因此双合透镜概念不能直接应用于 X 射线消色差透镜。

相反，研究人员利用了衍射和折射透镜的不同聚焦特性。虽然折射透镜的焦距与能量的二次方成比例，但衍射光学器件表现出焦距对能量的线性依赖性。这使得可以通过将聚焦衍射FZP与散焦折射透镜组合来消除聚焦衍射FZP的色差。

/ 3D打印的微透镜堆栈

为X射线消色差透镜制造合适的折射透镜对科学家来说是最大的挑战，因为与可见光不同，X 射线不容易折射，折射宏观透镜的焦距变得不切实际。

a 消色差聚焦原理：散焦折射透镜 (RL) 的色度作为聚焦菲涅耳波带片 (FZP) 色度行为的校正器。b 通过电子束光刻和镍电镀制造的镍 FZP 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像，用于比较测量。c RL 的 SEM 图像，由四个堆叠的抛物面组成，使用双光子聚合光刻 3D 打印。d 使用消色差作为聚焦光学器件的扫描透射 X 射线显微镜 (STXM) 和 ptychography 实验装置示意图。

STXM 的比较结果显示，使用消色差（顶部）和常规 FZP（底部）获得的能量范围为 6.0 keV 到 6.4 keV。虽然 FZP 图像的对比度随能量迅速变化，但使用消色差获得的图像质量变化很小。

双光子聚合 (2PP)3D打印技术的这四个 2PP 制造的微透镜的半径仅为 5.3 μm，高度为 236 μm，由于 X 射线材料的折射率略低于 1，因此研究人员打印了凸面微透镜来实现 X 射线的散焦，而可见光透镜会以相同的方式聚焦光。