Um dieses Konzept auf den Röntgenbereich zu übertragen, mussten die Forscher einige Herausforderungen meistern. So ist der Dispersionsunterschied zwischen den Materialien bei hochenergetischer Röntgenstrahlung vernachlässigbar und das Konzept der Dublett-Mikrolinsen kann damit nicht direkt auf einen Röntgenachromaten übertragen werden. Stattdessen machte sich das Forscherteam die unterschiedlichen Fokussierungseigenschaften von diffraktiven und refraktiven Mikrolinsen zunutze. Während die Brennweite von refraktiven Linsen mit der zweiten Potenz der Energie skaliert, ist sie bei diffraktiven Optiken linear von der Energie abhängig. Damit ist es möglich, die chromatische Aberration des fokussierenden diffraktiven FZPs durch die Kombination mit einer defokussierenden refraktiven Mikrooptik auszugleichen.
3D-gedruckter Mikrolinsenstapel
Die Herstellung einer geeigneten refraktiven Mikrooptik für den Röntgen-Achromaten stellte für die Wissenschaftler die größte Hürde dar, da sich Röntgenstrahlen im Gegensatz zu sichtbarem Licht nicht leicht brechen und damit die Brennweiten normaler Linsen unpraktisch lang werden. Das Team aus der Schweiz meisterte diese Herausforderung, indem es Nanoscribe's Technologie für den 3D-Druck von vier übereinanderliegenden Paraboloid-Mikrolinsen nutzt. Mit einem Radius von nur 5,3 µm und einer Höhe von jeweils 236 µm werden die vier 2PP-gefertigten Mikrolinsen in einem Stack-Design gedruckt. Da der Brechungsindex von Materialien für Röntgenstrahlen etwas niedriger als 1 ist, druckten die Forscher konvexe Mikrolinsen, um die gewünschte Zerstreuung der Röntgenstrahlen zu erreichen, im Gegensatz zu Linsen für sichtbares Licht, die das Licht mit der gleichen Linsenform fokussieren würden.
Durch die Kombination des refraktiven Mikrolinsenstapels mit dem diffraktiven FZP stellte das Team den ersten Röntgen-Achromaten her, der Röntgenstrahlen über einen breiten Wellenlängenbereich fokussieren kann. Diese Entwicklung öffnet den Weg für neue Anwendungen in der Spektroskopie mit monochromatischer Strahlung, die keine weiteren Einstellungen mehr erfordert, sowie in der Mikroskopie. Hier können Scanzeiten durch die volle Nutzung breitbandiger Röntgenquellen drastisch reduziert werden.
Für weitere Verbesserungen schlagen die Forscher Anpassungen im Design der refraktiven Linse vor, was genau eine Stärke des 2PP-basierten 3D-Drucks ist: Vollständige Designfreiheit.
Sind Sie an weiterführenden Einblicken in dieses spannende Forschungsprojekt interessiert? Dann lesen Sie hier die komplette wissenschaftliche Publikation: An achromatic X-ray lens | Nature Communications
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Bildrechte: Kubec, A., Zdora, MC., Sanli, U.T. et al. An achromatic X-ray lens. Nat. Com. 13, 1305 (2022).
