Швейцарські фізики виготовили першу в світі ахроматичну лінзу для рентгенівського діапазону. Вона складається з розсіюючої рефракційної лінзи і збирає зонної платівки. Зроблений об'єктив зможе в майбутньому поліпшити роботу рентгенівських телескопів і мікроскопів. Дослідження опубліковано в.
Фокусування і дефокусування хвиль - це процес, який лежить в основі будь-якої досить складної оптики. Фокусування піддаються не тільки хвилі світла, але і звуку, і матерії. Найбільш простим способом для цього стала лінза, яка збирає або розсіює промені за допомогою рефракції. З часом цей спосіб зіткнувся з абераціями, тобто спотвореннями, викликаними не ідеальністю фокусування. Одним з таких спотворень стала хроматична аберація, тобто наслідок залежності показника заломлення речовини від довжини хвилі (дисперсії). Вона призводить до того, що промені різного кольору фокусуються лінзою на різній відстані.
Ця проблема найбільш актуальна в астрономії, де спотворення призводять до втрати важливої інформації. Для боротьби з нею були винайдені ахромати - об'єктиви, що складаються з двох (дублети) або більше лінз з різними дисперсіями, що компенсують один одного для певного спектрального діапазону. Однак, більш ефективним способом стало використання дзеркал.
На жаль, жоден з цих методів не спрацював для ахроматичного фокусування рентгенівського випромінювання. Ці високоенергетичні промені можна відображати тільки в конфігурації ковзного падіння, що виключає компактне і ефективне фокусування. Тому стосовно рентгенівського діапазону фізики повернулися до обговорення ідеї ахроматичних дуплетів. Виявилося, що ахроматичну рентгенівську лінзу можна створити, якщо в якості одного з елементів дуплета використовувати зонну платівку. Ахромати такого типу обговорювалися в контексті рентгенівських телескопів і мікроскопів, проте їх практичної реалізації поки не було.
Крістан Давид (Christian David) з Інституту Пауля Шеррера зі своїми швейцарськими колегами повідомили про те, що їм вперше вдалося створити таку ахроматичну рентгенівську лінзу. Їх об'єктив виявився здатний підтримувати фокусну відстань майже постійним для випромінювання, чия енергія змінюється в діапазоні кілоелектронвольта.
Об'єктив, зроблений фізиками, як і наказувала теорія, складався з розсіюючої рефракційної лінзи (точніше, системи лінз) і збирає зонної платівки. Перша була виготовлена на 3D-принтері методом двофотонної полімеризації, друга - за допомогою електронно-променевої літографії та нікелювання. Автори розміщували об'єднану систему на одній з вихідних ліній синхротрону SLS, розташованого в Інституті Пауля Шеррера. Енергія рентгенівських фотонів лежала в діапазоні від 5,2 до 8 кілоелектронвольт.
Як об'єкт, чиє зображення будував об'єктив, фізики використовували тестову зірку Сіменса. Якість фокусування за допомогою ахромату вони порівнювали з фокусуванням, зробленим за допомогою традиційної зонної платівки. Обидва оптичних елементи володіли однаковою числовою апертурою і були налаштовані на одну фокусну відстань при 6,4 кілоелектронвольтах. В результаті експерименту вчені з'ясували, що ахромат зберігав чітке зображення в діапазоні від 6 до 7,2 кілоелектронвольт, в той час для зонної платівки діапазон видності склав всього 200 електронвольт. Тим не менш, при 6,4 кілоелектронвольтах якість зображення, отримуваного за допомогою звичайної платівки, було все ж краще, ніж у ахроматичної лінзи, через недосконалість останньої.
Для верифікації отриманого результату фізики також візуалізували фокусувальні плями при різних енергіях для обох оптичних елементів методом птахографії. Залежність положення плями від енергії для ахромату мала параболічний характер, але в обраному діапазоні енергій вона не відхилялася більш, ніж на кілька десятків нанометрів. На відміну від нього зонна платівка продемонструвала більш круту лінійну залежність. Всі експериментальні дані виявилися в хорошій згоді з моделюванням.
Зонні платівки стали відмінним інструментом там, де не справляються звичайні лінзи. Нещодавно ми розповідали, як зонні платівки, сформовані з плазми, запропонували використовувати для фокусування дуже потужного світла.