“2017中国光学十大进展”候选推荐
 

X射线光栅的基本原理是利用周期性微纳结构对入射X射线的衍射效应来实现色散功能，具有精度高、重量轻、紧凑、易于校准等优点，符合仪器设备小型化、轻量化和集成化的发展趋势，在四大光学工程（激光聚变、X射线天文望远镜、同步辐射和极紫外光刻）、医学成像、X射线计量学等领域具有重要的应用需求。

 

X射线穿过所有已知材料后，振幅衰减的同时，相位也相应地发生改变。这种独特的相移吸收二元性决定了X射线光栅设计机理复杂，需采用大高宽比自支撑结构，制造难度远大于其它波段。国际上仅有麻省理工学院空间纳米技术实验室、劳伦斯伯克利国家实验室等极少数科研机构具备此类元件研制能力。这两个顶尖科研机构所研制的X射线光栅广泛应用于美国国家点火装置、钱德拉天文望远镜、国家同步光源、极紫外光刻机等重大工程/设备。

 

然而，传统的周期性X射线光栅通常表现出固有的高级衍射特性。许多实际应用仅需要使用1级衍射，其它高级衍射通常会造成干扰，降低实验数据的置信水平。为了解决高级衍射干扰难题，中物院激光聚变研究中心（八所）曹磊峰研究员基于准随机控制分布于不透明薄板上针孔单位面积数密度实现透过率函数微观二值变化、宏观正弦变化的思路，提出了X 射线单级光栅的新概念 ,随后和中科院微电子所谢常青研究员课题组合作，开展进一步研究，成功集成了一系列X射线单级光栅。联合团队的X射线单级光栅研究成果获得了2013年度国家技术发明二等奖。

 

 

准周期光栅介于周期光栅和无序系统之间，既继承了周期光栅的基本色散特性，又可增加调控自由度，合适的光场调控可以产生高级衍射抑制特性。基于这一思路，2017年在国家重大科学仪器设备开发专项资助下，该联合团队在X射线单级光栅的研究中取得新进展。研究团队利用准周期纳米孔阵列模仿X射线光栅透射函数，基于严格的电磁学理论，推导了准周期X射线光栅的解释表达式，阐述高级衍射抑制机制，通过数值模拟，验证了解释表达式的正确性。在兼容微电子制造技术的基础上，利用自行提出的混合光刻方法 ，实现了纳米尺度、陡直剖面、精确可控和精确定位的准周期自支撑金纳米孔阵列加工集成，金纳米孔数量达16亿个，面积为10×10 mm2。在国家同步辐射实验室对研制的元件进行了测试，测试结果验证了设计和制造结果的正确性。相关研究成果以Higher-order diffraction suppression of free-standing quasiperiodic nanohole arrays in the x-ray region为题发表在Applied Physics Letters  [110,  041104 (2017) ] 上。

 

 

2017年，联合团队迅速将这款抑制高级衍射的准周期X射线光栅进行了小批量生产，应用于北京同步辐射装置无谐波X射线光束线站（国际首条）的建设和激光聚变等离子诊断实验，验证了该款产品的高分辨、高级衍射抑制、轻量化和集成化等优势。同时，该款产品实现了向西北核技术研究所、中科院空间中心的销售。