专利名称：具有最大适用范围的同步辐射曲边聚焦镜及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种聚焦镜及其设计方法，尤其涉及一种具有最大适用范围的同步 辐射曲边压弯聚焦镜及其设计方法，属于同步辐射光束线工程、同步辐射光学技术领 域。
背景技术：
同步辐射的优点之一是高亮度。亮度一般指相空间中的光子数密度，同步辐射 光子通量高，相空间体积小造就了高亮度的特点。根据刘维定理，在不牺牲光子通量前 提下，亮度无法提高。当压缩光束的线宽度时，其角宽度就要增大；反之，当压缩角宽 度使光束变得更准直时，其线宽度就要增大。然而，不同实验对光束的相空间形状要求 不同，例如荧光微区分析要求小的光斑尺寸，大分子晶体衍射实验同时要求小光斑尺寸 和较好的准直性等等。微聚焦装置的产生满足了对光束小尺寸光斑、高通量面密度的需 求。目前同步辐射束线上采用较多的微聚焦装置大致可分为四类一是 Kirkpatrick-Baez镜(简称K-B镜)微聚焦装置；二是导管式微聚焦装置，又分为单管透 镜和整合毛细管透镜；三是组合折射透镜式微聚焦装置；四是纯衍射型聚焦装置，主要 有波带片、劳埃多层膜。K-B镜是RKirkpatric和A.VBaez首先提出的以他们名字命名的 聚焦成像系统，它以高传输效率(>70%)、无色散及耐辐射等诸多反射镜的优良特性， 以及工艺上易于实现、像差很小等诸多K-B结构的优点，成为当前最广泛采用的微聚焦 装置。如图Ia和图Ib所示，K-B镜由两块独立正交放置、分别负责水平和垂直聚焦的 反射镜Ml、M2组成，光源source发出的光束经由反射镜Ml、M2的反射，聚焦至像点 focus,反射镜面形多为柱面，其成像公式为
1 1 1m—+ - = —Vl ；
ρ q J其中，P为光源到反射镜距离，q为反射镜到聚焦像点距离，f为反射镜的焦距。 由于用于微聚焦的K-B镜要有较大的缩放比，入射角要限制在全反射角以内，为了保证 较大的接收，又要有较大的镜子长度，因而目前广泛采用尽可能接近理想的椭圆柱面的 面形来减小像差。直接加工成型椭圆柱面镜造价非常昂贵，并且焦距无法调节。而将平 面镜利用压弯技术得到椭圆柱面镜，大大降低了镜子的加工难度，并且可以实现焦距在 一定范围内的调节。计算K-B聚焦理想的镜面面形的方法如下如图2，ρ为源距，q为像距，也即p、q的定义与公式(1)相同，镜面中心处 光线掠入射角为Θ，镜面上最大掠入射角θ·χ在镜子末端位置，我们以镜子中心为原 点，沿镜面长度方向为X轴、垂直中心镜面方向为y轴建立坐标系，并得到物点坐标为 (-pcos θ，psin θ )，像点坐标为(qC0S θ，qsin θ )。通过镜面上某点(x，y)的光线光程 表达式为
权利要求
1.一种具有最大适用范围的同步辐射曲边聚焦镜，该聚焦镜的压弯面形满足理想椭 圆方程
2.一种具有最大适用范围的同步辐射曲边聚焦镜，该聚焦镜的压弯面形满足理想椭 圆方程
3.一种具有最大适用范围的同步辐射曲边聚焦镜，该聚焦镜的压弯面形满足理想椭 圆方程
4.一种同步辐射曲边聚焦镜的最大适用范围设计方法，包括以下步骤 建立镜面的理想椭圆方程
5.根据权利要求4所述的同步辐射曲边聚焦镜的最大适用范围设计方法，其特征在 于，所述主要剩余面形误差函数为第4阶剩余面形误差函数
6.根据权利要求5所述的同步辐射曲边聚焦镜的最大适用范围设计方法， 其特征在于，在获得所述第4阶剩余面形误差函数之后，将惯性矩分布设计函数
7.根据权利要求6所述的同步辐射曲边聚焦镜的最大适用范围设计方法，其特征在 于，针对ρ范围优化设计的kMd值为
8.根据权利要求6所述的同步辐射曲边聚焦镜的最大适用范围设计方法，其特征在 于，针对q范围优化设计的kMd值为
9.根据权利要求6所述的同步辐射曲边聚焦镜的最大适用范围设计方法，其特征在 于，针对θ范围优化设计的kMd值为
10.根据权利要求6所述的同步辐射曲边聚焦镜的最大适用范围设计方法，其特征在 于，若需要针对三个聚焦条件共同优化设计，则取为针对q的最大适用范围设计。
全文摘要
本发明公开一种具有最大适用范围的同步辐射曲边压弯聚焦镜及其设计方法，该设计方法包括建立设计聚焦条件下理想的椭圆镜面方程；建立镜体压弯挠度微分方程，得到满足压弯面形为理想椭圆惯性矩分布设计函数，此函数含一个待设计的弯矩分布相对斜率设计值kMd；计算当聚焦条件偏离设计值时，调整聚焦镜弯矩偏离设计值以适应聚焦条件的变化；计算弯矩调整后的主要剩余面形误差，使其对某聚焦条件的导数在设计值处为零，得到针对该聚焦条件优化的kMd值，然后代入惯性矩分布设计函数取得聚焦镜的几何设计。本发明的聚焦镜在聚焦条件改变时，通过调整弯矩可以大幅消除面形误差，也即实现曲边压弯聚焦镜对某个聚焦条件的适用范围最大化。
文档编号G02B19/00GK102012558SQ20101052409
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者刘鹏, 李明, 盛伟繁, 石泓 申请人:中国科学院高能物理研究所