En röntgenfri elektronlaser (XFEL) är en röntgenstrålning som produceras av en stråle av fria elektroner som har accelererats nästan till ljusets hastighet. XFELs producerar laserstrålar med extremt hög toppeffektintensitet, vilket gör dem attraktiva för tillämpningar inom grundforskning, såsom icke-linjär röntgenoptik och bestämning av proteinkristallstruktur, och även inom medicin. Det är viktigt att fokusera XFEL-strålar exakt för att uppnå hög prestanda. Lasrar fokuseras vanligtvis med totalreflektionsspeglar; dock, Konventionella speglar är olämpliga för bildande av röntgenstrålar under 10 nm eftersom sådana speglar inte kan leverera den stora numeriska öppningen som krävs. För att övervinna denna begränsning, Röntgenstrålar kan fokuseras med hjälp av flerskiktsspeglar. Tyvärr, det är svårt att tillverka sådana flerskiktsspeglar eftersom mycket hög tillverkningsnoggrannhet krävs.

Ett samarbete ledd av Osaka University har nyligen utvecklat en ny teknik för att tillverka ultraprecisa flerskiktsfokuseringsspeglar med en formnoggrannhet på mindre än 1 nm, som kan fokusera en XFEL-stråle till en storlek på mindre än 10 nanometer.

"För att uppnå en mycket fokuserad XFEL, vi undersökte vågfrontsbestämning med en röntgeninterferometer med ett gitter och direkt formkorrigering av flerskiktsfokuseringsspeglarna med en differentiell deponeringsmetod, " säger huvudförfattaren Satoshi Matsuyama.

Teamet tillverkade först flerskiktsfokuseringsspeglar genom magnetronförstoftning av platina- och kolflerskikt. Förstoftningsprocessen finkontrollerades med användning av ett endimensionellt avsökningssteg och dator. De tillverkade flerskiktsspeglarna sattes ihop till ett tvåstegs strålfokuseringssystem. Vågfronten för en XFEL-stråle efter att ha passerat genom strålfokuseringssystemet mättes sedan med hjälp av en gitterinterferometer för att bestämma vågfrontens aberration från det teoretiska idealet orsakat av avvikelse av den faktiska spegelformen från den avsedda designen.

Formen på fokusspeglarna korrigerades sedan genom differentiell deponering. Vågfronterna före och efter formkorrigering jämfördes, vilket avslöjade att korrigeringen framgångsrikt förbättrade kvaliteten på flerskiktsspeglarna för att ge en XFEL-strålstorlek på mindre än tio nanometer.

"Vi räknar med att flerskiktsfokuseringsspeglar tillverkade av det tillvägagångssätt som etablerats i detta arbete snart kommer att vara tillgängliga för användning i XFEL- och synkrotronstrålningsanläggningar, " säger seniorförfattaren Kazuto Yamauchi. "Sådana mycket fokuserade strålar kommer att öppna nya gränser inom röntgenvetenskapen."

Den höga XFEL-intensiteten som uppnås med de utvecklade ultraprecisa flerskiktsfokuseringsspeglarna förväntas förbättra prestandan för toppmoderna röntgenanalyser med XFEL.