Швейцарские физики изготовили первую в мире ахроматическую линзу для рентгеновского диапазона. Она состоит из рассеивающей рефракционной линзы и собирающей зонной пластинки. Сделанный объектив сможет в будущем улучшить работу рентгеновских телескопов и микроскопов.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

Фокусировка и дефокусировка волн — это процесс, который лежит в основе любой достаточно сложной оптики. Фокусировке поддаются не только волны света, но и звука, и материи. Наиболее простым способом для этого стала линза, которая собирает или рассеивает лучи с помощью рефракции. Со временем этот способ столкнулся с аберрациями, то есть искажениями, вызванными не идеальностью фокусировки. Одним из таких искажений стала хроматическая аберрация, то есть следствие зависимости показателя преломления вещества от длины волны (дисперсии). Она приводит к тому, что лучи разного цвета фокусируются линзой на разном расстоянии.

Эта проблема наиболее актуальна в астрономии, где искажения приводят к потере важной информации. Для борьбы с ней были изобретены ахроматы — объективы, состоящие из двух (дублеты) или более линз с различными дисперсиями, компенсирующими друг друга для определенного спектрального диапазона. Однако, более эффективным способом стало использование зеркал.

К сожалению, ни один из этих методов не сработал для ахроматической фокусировки рентгеновского излучения. Эти высокоэнергетические лучи можно отражать только в конфигурации скользящего падения, что исключает компактную и эффективную фокусировку. Поэтому применительно к рентгеновскому диапазону физики вернулись к обсуждению идеи ахроматических дуплетов.

Оказалось, что ахроматическую рентгеновскую линзу можно создать, если в качестве одного из элементов дуплета использовать зонную пластинку. Ахроматы такого типа обсуждались в контексте рентгеновских телескопов и микроскопов, однако их практической реализации пока не было.

Кристан Давид (Christian David) из Института Пауля Шеррера со своими швейцарскими коллегами сообщили о том, что им впервые удалось создать такую ахроматическую рентгеновскую линзу. Их объектив оказался способен поддерживать фокусное расстояние почти постоянным для излучения, чья энергия меняется в диапазоне килоэлектронвольта.

Объектив, сделанный физиками, как и предписывала теория, состоял из рассеивающей рефракционной линзы (точнее, системы линз) и собирающей зонной пластинки. Первая была изготовлена на 3D-принтере методом двухфотонной полимеризации, вторая — с помощью электронно-лучевой литографии и никелирования. Авторы размещали объединенную систему на одной из выходных линий синхротрона SLS, расположенного в Институте Пауля Шеррера. Энергия рентгеновских фотонов лежала в диапазоне от 5,2 до 8 килоэлектронвольт.

(a) Принцип работы ахроматического объектива, изготовленного в работе. (b) Изображение зонной пластинки, использованной для сравнения. © Изображение системы рассеивающих линз, состоящей из четырех 3D-печатных параболоидов. (d) Схема эксперимента. / Adam Kubec et al. / Nature Communications, 2022

В качестве объекта, чье изображение строил объектив, физики использовали тестовую звезду Сименса. Качество фокусировки с помощью ахромата они сравнивали с фокусировкой, сделанной с помощью традиционной зонной пластинки. Оба оптических элемента обладали одинаковой числовой апертурой и были настроены на одно фокусное расстояние при 6,4 килоэлектронвольтах. В результате эксперимента ученые выяснили, что ахромат сохранял четкое изображение в диапазоне от 6 до 7,2 килоэлектронвольт, в то время для зонной пластинки диапазон видности составил всего 200 электронвольт. Тем не менее, при 6,4 килоэлектронвольтах качество изображения, получаемого с помощью обычной пластинки, было все же лучше, чем у ахроматической линзы, из-за несовершенства последней.

Для верификации полученного результата физики также визуализировали фокусировочные пятна при различных энергиях для обоих оптических элементов методом птихографии. Зависимость середины пятна от энергии для ахромата имела параболический характер, но в выбранном диапазоне энергий она не отклонялась более, чем на несколько десятков нанометров. В отличие от него зонная пластинка продемонстрировала более крутую линейную зависимость. Все экспериментальные данные оказались в хорошем согласии с моделированием.