光学设计软件X-LAB及其工程化应用

第30卷第11期强激光与粒子束V o l.30,N o.11 2018年11月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S N o v.,2018
光学设计软件X-L A B及其工程化应用*
杨祖华1,周维民1,李鹏飞2,张强强1,魏来1,陈勇1,范全平1,巫殷忠1,曹磊峰1
(1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;2.中国工程物理研究院计算机应用研究所,四川绵阳621900)
摘要:针对自由电子激光㊁同步辐射光束线以及惯性约束聚变㊁极端条件物理过程等X射线光学系
统,开发了具有独立知识产权的光学设计仿真软件X-L A B㊂基于光学衍射算法和序列式光线追迹算法,该软
件集光线追迹仿真㊁矢量衍射仿真和复杂微结构特征光学元件版图绘制等功能,具有界面友好㊁操作便捷㊁包含
特殊光学模块㊁支持 用户定制 功能等特点,为开展X射线光学系统㊁光学元件概念设计㊁优化和研制提供了
不可或缺的平台㊂目前,X-L A B成功应用于能谱分辨率优于1000㊁能谱范围10~100e V的北京同步辐射3B1
无谐波单色化束线设计中及空间分辨优于6μm,视场500μm的惯性约束聚变物理过程X射线诊断光学系
统 K-B镜系统的设计和优化中;具有复杂微结构光子筛版图绘制功能㊂
关键词: X-L A B; X射线;光线追迹;版图绘制;矢量仿真
中图分类号: O438.2; T P391.9文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201830.180207与可见光波段不同,几乎所有材料都对极紫外/软X射线产生极强的吸收[1]㊂大多数极紫外/软X射线光学系统都工作在掠入射的反射式条件,而且工程造价高㊁研制困难㊁周期较长,同时像差理论计算复杂[2]㊂因此,完备的光学设计㊁优化和仿真验证十分重要㊂同步辐射束线建设,自由电子激光X射线束线的发展,以及惯性约束聚变X射线光学仪器诊断设备㊁极端条件物理过程的动态诊断光学系统的研制,都无法绕开极紫外/软X射线光学元件㊁光学系统或仪器设备的设计㊁优化和仿真㊂一款具有单元件光学属性分析和验证㊁多元件光学系统的成像和能谱分辨模拟等功能的X射线设计软件,在X射线光学系统设计研制中将扮演极其重要的角色㊂当前,针对极紫外/软X射线波段的光学元件或光学系统,同时包含衍射算法㊁光线追迹算法等的设计软件在国际上并不多见㊂其中,由C e r r i n a等科学家基于衍射光栅光线追迹模型开发的光线追迹软件S H A D-OW是常用的光学仿真软件,主要用来分析㊁设计和优化同步辐射光源和光束线系统[3-5]㊂欧洲同步辐射光源主要采用光线追迹仿真软件R A Y开展束线的设计㊁优化[6-7]㊂国际上S H A D OW,R A Y等光线追迹光学软件在同步辐射装置上已获得较为广泛的应用,但是这些软件存在一定的局限性,无法获得单级衍射光栅(光子筛等)衍射特性[8]㊁微加工版图绘制㊁特殊结构衍射光栅的衍射特性以及惯性约束聚变X射线诊断光学系统的设计和仿真㊂近年来项目团队成功开发了极紫外/软X射线光学仿真软件X-L A B,该软件已具备较全面的光学设计模块,包含单个衍射光学元件结构设计仿真㊁多元件光学系统的成像和能谱分辨设计仿真㊁微结构特征光学元件(比如单级衍射光栅㊁透射式波带片㊁离轴椭圆反射式波带片等)版图绘制以及基于有限时域差分法的矢量仿真功能㊂相较于国际上S H A D OW,R A Y等光线追迹软件,X-L A B具有自身特色,更加自由的参数设计㊁更加开放的单元模块㊁特殊元件模型(椭圆反射式波带片模型㊁平面光栅O F F P L A N E模式)㊁元件面形自定义㊁与微纳加工耦合的版图绘制等特色模块,解决了常见光学仿真软件存在的局限性,为探究新型光学元件㊁光学系统提供有力的平台,为极端条件下的惯性约束聚变I C F诊断系统提供直接可行性分析㊁设计和仿真㊂当前, X-L A B已成功应用于同步辐射单色化束线3B1㊁惯性约束聚变以及极端物理条件下的系列诊断光学元件和系统K B显微镜的设计㊁优化和仿真㊂
1X-L A B框架㊁功能和特征
1.1架构和功能
X-L A B主要包括三个功能模块:矢量仿真㊁光线追迹和微加工版图绘制模块㊂模块间相互独立,在光学设计㊁仿真过程中起着相互补充作用㊂
*收稿日期:2018-07-31;修订日期:2018-09-21
基金项目:国家重点研究发展计划项目(2017Y F0503300,2017Y F A0206000)
作者简介:杨祖华(1987 ),男,硕士,从事X射线诊断技术研究;y a n g z u h u a@c a e p.c n㊂
通信作者:曹磊峰(1967 ),男,研究员,博士,主要研究方向为激光等离子体诊断;l e i f e n g.c a o@c a e p.c n㊂
112002-1
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矢量仿真模块主要基于J A S M I N 框架[9]
,以大规模数据运算算法 有限时域差分法(F D T D )
为计算核心,实现三维衍射光学元件矢量模拟㊂在三维建模方面,X -L A B 默认支持长方体基底㊁
圆柱体基元的几何尺寸㊁材质可调的光子筛模型;用户可通过s e t _m o d e l _p a r a m e t e r .f 模块自定义基元几何结构㊂通过设置入射电磁波相关参数,调节入射波方向㊁外推面㊁远场计算范围,利用有限时域差分算法,模拟仿真反射或透射三维模
型近场㊁远场电磁场,最后基于J a V i s 显示技术[1
0]直观地显示三维模型结构㊁仿真数据㊂ 光线追迹模块是X -L A B 最重要的模块,
是设计㊁优化和模拟极紫外/软X 射线光学系统必不可少的工具㊂极紫外/软X 射线光学系统的组成可抽象为三部分,即光源㊁光学元件和探测面㊂如图1所示,针对透射式光
学系统,如针孔成像光学系统[11]
,包括光源㊁针孔(光学元件)和探测像的探测器(探测面);针对反射式光学系统,如K B 镜成像光学系统[1
2],包括光源㊁两个球面镜(光学元件)以及探测像的探测器(探测面)㊂F i g .1 P i n h o l e i m a g i n g s y s t e m (t r a n s m i s s i o n s y s t e m )a n d t h eK i r k p a t r i c k -
B a e z (K B )i m a g i n g s y s t e m (r e f l e c t i o n s y s t e m )图1 针孔成像系统(透射式系统)与K B 成像光学系统[
12](反射式光学系统) 光线追迹模块基本原理和框架如图2所示,基本思想是序列式光线追迹框架㊂在X -L A B 光线追迹模块
中,任何光学系统仅由光源㊁元件㊁虚拟像平面三大要素构成,三大要素由光路的光轴相互关联㊂光线追迹模块计算仿真基本过程:光源按照蒙特卡罗随机算法产生具有一定形状㊁光谱㊁发散角分布的光线,光线往前传播,当光线与元件有效相交时,按照元件属性发生反射㊁衍射㊁透射或散射等,并继续传播,然后出射到虚拟像平面上,如果元件后续还有其他元件,后续的元件则以上一元件的虚拟像平面上的有效光线为光源进行传播
㊂
F i g .2
G e n e r a l p r o c e s s o f s e q u e n c e r a y t r a c i n g i nX -L A Bv 1.5a n d t h e s t r u c t u r e c o n c e p t o f r e a l o p t i c a l s y
s t e m 图2 X -L A B 中光线追迹算法的基本过程和光学系统结构抽象
微加工版图绘制模块是极紫外/X 射线光学系统中常见衍射光学元件微加工必备工具㊂该模块以L E D I T 为核心,直接调用X -L A B 中常用的版图绘制资源库,实现版图生成和电子束直写装置的无缝链接,绘制具有复杂微结构的光学元件版图㊂X -L A B 包含复杂结构的特殊光栅(
包含光子筛㊁梯形基元光栅和随机变位置光栅等)㊁透射式波带片㊁长焦深波带片和椭圆反射式波带片等衍射元件模型的版图绘制资源库㊂同时,X -L A B 支持版图绘制的C ++模板,进而自定义光学元件结构[
13]
㊂1.2 X -L A B 特色
X -L A B 相较于当前国际同类型软件,
具有自身特色: (1
)软件架构模块化,光学元件模块㊁输入㊁输出及仿真模块相互独立,但又相互耦合; (2)界面简洁友好,操作便捷㊂X -L A B 光线追迹模块主界面如图3所示,
主要包含三个区域,即模型区㊁已建模型区和3D 交互区㊂基于三维渲染框架对元件模型进行显示,界面风格类似O f f i c e
,为一般用户所熟悉㊂强激光与粒子束
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F i g
.3 M a i n i n t e r f a c e o fX -L A B 图3 X -L A B 的主要操作界面
软件的操作便捷,在3D 交互区㊁已建模型区可对元件㊁光源或像平面进行一系列操作,如,仿真数据可视化㊁数据保存等;
(3
)耦合版图绘制功能,该功能为常见复杂微结构衍射光学元件微加工奠定了基础,可有效保护新型光学元件设计方法;
(4) 光栅仿真 多元化,不仅可设计仿真包含 普通光栅 的光学系统,还可设计仿真包含 特殊模式光栅 的模拟仿真,比如,o f f p l a n e 模式下的光谱仪或单色仪光学系统㊁包含沿刻线方向变线距
光栅㊁菲涅耳波带片㊁椭圆反射式波带片等特殊光学元件的光学系统的设计和仿真;
(5)3D 交互,矢量仿真部件和序列式光线追迹部件均支持3D 交互操作㊁显示㊂序列式光线追迹部件的界面具有缩放㊁平移㊁删除和右键等功能㊂3D 显示区(除光源和元件厚度外)均以真实尺寸显示元件模型大小㊁位置关系,用户可直观观察光学元件之间的位置关系㊂
2 工程化应用
2.1 极端物理条件下的动态诊断、
惯性约束聚变成像诊断系统应用 K B 镜X 射线成像系统具有准单能㊁高空间分辨㊁大视场(大于0.5mm )和高集光效率等多种优点[14]
,广泛应用于极端条件物理过程的动态诊断㊁惯性约束聚变诊断极端条件材料特性研究㊂针对神光Ⅱ升级诊断配
套装置和极端物理条件下动态过程诊断特殊需求,应用X -L A B 设计仿真了K B 镜成像系统[1
5]
,并开展了可行性分析,所设计K B 镜系统主参数包括:
两块相同参数的呈正交排布的球面镜,外形为矩形,尺寸为8mmˑ4mm ,曲率半径为20000mm ;其中,第一个球面镜物距㊁像距为192mm (相对于成像物),1920mm (
相对于探测像平面),掠入射角1.0ʎ,放大倍率为10倍;第二个球面镜物距㊁像距分别为202mm ,1910mm ,
掠入射角1.0467ʎ,放大倍率为9.4554倍㊂在仿真过程中,光源参数:直径0.5mm 的圆形光源,发散角0.002r a d
㊂成像物为呈周期分布的正方形网格,其周期为0.05mm ,通光孔边长0.02mm ,网格距离光源4mm ㊂ 像平面上仿真结果如图4,图(a )为散点二维分布,图(b )为光强强度分布㊂由中心网格X 方向的光强分布可知,所设计的K B 镜空间分辨率约6μm ,
与在星光Ⅲ原型激光装置上开展的空间分辨率标定结果相符㊂F i g .4 I m a g i n g r e s u l t s i nX -L A B :t h e s c a t t e r d i a g r a ma n d t h e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o na f t e r i n t e r p o l a t i o n f i t t i n g o
f t h e
g r i d 图4 X -L A B 中K B 成像:
网格在像平面上所成像的散点分布及插值拟合之后光强分布2.2 同步辐射单色化束线应用
10~100e V 波段的同步辐射单色化束线光源是计量和标定中最重要的极紫外/软X 射线光源之一㊂然
杨祖华等:光学设计软件X -L A B 及其工程化应用
112002-4
而,在10~30e V 波段,同步辐射光源本身存在着严重的高次谐波污染问题㊂为此,北京同步辐射装置3B 1光束线以单级衍射光栅(光子筛)为核心分光元件,建设一条能谱分辨率优于1000,
高纯度极紫外/软X 射线计量和标定的单色化光束线[16
],主要用于定标光源㊁探测器和各种光学元件;绝对测量多层膜等光学性能㊁研究部分轻元素的吸收谱学[17-18
]㊂该束线主要包括三大部分(如图5所示),前置收光系统㊁单色器系统以及后置聚焦
系统,利用X -L A B 设计仿真的详细参数如表1所示[1
6]
㊂F i g .5 M a i n c o m p o n e n t s a n d p a r t p a r a m e t e r s o f t h e 3B 1m o n o c h r o m a t i c b e a m l i n e
图5 3B 1单色化束线主要光学系统组成成份和部分参数
表1 3B 1单色化束线光学系统参数设计T a b l e 1 P a r a m e t e r s o f 3B 1m o n o c h r o m a t i c b e a m l i n e
N o .o p
t i c a l e l e m e n t m a i n p a r a m e t e r s@124n m
o b j e c t a n d i m a g e d i s t a n c e /mm i n c i d e n c e a n d r e f l e c t i o n a n g l e /(ʎ)l e n g t ha n d w i d t h /mm c h a r a c t e r i s t i c
p
a r a m e t e r s /mm r e m a r k s
1t o r o i d a lm i r r o r 123600,550084,84450,55m e r i d i o n a l a n d s a g i t t a l r a d i u s 85344,14682s l i t 1
---w i d t h0.2
3s p
h e r i c a lm i r r o r 13500,35084,84450,60r a d i u s 669674p l a n e g r a t i n g 450,300
83.1318,72.8682
400,50l i n e s p a c i n g
300l i n e /mm p
h o t o n s i e v e s 5s p
h e r i c a lm i r r o r 2450,350084,84500,60r a d i u s 669676s l i t 2--
-
w i d t h0.47
t o r o i d a lm i r r o r 2
1250,1250
84,84500,60m e r i d i o n a l a n d s a g i t t a l r a d i u s 11958,211
仿真过程中,光源主要参数与实际同步辐射光源参数一致:矩形光源,长和宽分别为3.7,0.38mm ,
发散角0.002r a d ,包含三个能量点10,9.99,10.01e V ㊂根据仿真结果(如图6所示),所设计束线能谱分辨率优于1000@10e V ,
概念设计满足系统要求㊂ 3B 1单色化束线以单级衍射光栅为核心分光元件,基于X -L A B 的版图绘制功能绘制了3B 1单色化光束线
所需的单级衍射光栅(300l i n e /mm )
版图,如图7所示㊂3 结 论
本文主要介绍了X -L A B 基本功能㊁特性及其工程化应用示例,当前,X -L A B 已成功应用于北京同步辐射
3B 1单色化束线设计,绘制了线密度300l i n e /mm 的特殊光栅(光子筛)微加工版图;极端物理条件下动态过程诊断和惯性约束聚变X 射线成像诊断光学系统 6μm 高空间分辨K B 镜系统的设计仿真㊂X -L A B 的下一
版本将新增标量衍射模块,搭建起通用的标量衍射核心算法模块,包含常用的光学元件,为科研教学提供更加便利有效的工具;新增非序列化设计仿真部件,新增复杂㊁特殊光学元件(如 龙虾眼 )等,以增强X -L A B 在X
强激光与粒子束
112002-5
F i g .6 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f 3B 1m o n o c h r o m a t i c b e a m l i n e :(a )a n d (b )r e s p e c t i v e l y r e p r e s e n t t h e s c a t t e r d i a g
r a m s i n t h e i m a g e p l a n e o fm o n o c h r o m a t o r a n d i n t h e i m a g e p l a n e o f t h e r e a r f o c u s i n gp a r t ,w i t h o u t s l i t i n t h e i m a g
e p l a n e o fm o n o c h r o m a t o r ;(c )a n d (d )r e s p e c t i v e l y r e p r e s e n t t h e s c a t t e r d i a g r a m s i n t h e i m a g e p l a n e o fm o n o c h r o m a t o r a n d i n t h e i m a g
e p l a n e o
f t h e r e a r f o c u s i n gp a r t ,w i t ha s l i t i n t h e i m a g
e p l a n e o fm o n o c h r o m a t o r 图6 单色化束线仿真结果(散点分布):(a )单色器像平面处不放置狭缝,单色器像平面上的光强分布,从上至下三个光斑对应的光子能量分别为10.01,10,9.99e V ;(b )单色器像平面处不放置狭缝,后置聚焦像平面上光强分布;(c )单色器像平面处放置狭缝,只允许中心波长(10e V )
的光束通过,单色器像平面上的光强分布;(d
)单色器像平面处放置狭缝,只允许中心波长的光束通过,
后置聚焦像平面上的光强分布F i g .7 L o c a l d r a w i n g o f l a y o u t o f g r a t i n g (p
h o t o ns i e v e s )图7 光子筛版图(局部截图)
光波段的应用㊂X -L A B 经历多个版本完善之后,将集电磁波矢量仿真模拟㊁标量衍射模拟㊁光线追迹㊁复杂微结构光学元件版图绘制以及X 射线波段数据库等功能于一身,可广泛应用于X 射线光学元件㊁光学系统设计和优化㊂参考文献:
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[18] B a iQ,L i L,C h e n g FF,e t a l.S t u d y o nm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fH e a n dHi o n i r r a d i a t e d6H-S i C[J].N u c l e a r I n s t r u-
m e n t s&M e t h o d s i nP h y s i c sR e s e a r c h,2015,365:347-351.
O p t i c a l s i m u l a t i o n s o f t w a r eX-L A Ba n d i t s a p p l i c a t i o n s
Y a n g Z u h u a1, Z h o u W e i m i n1, L i P e n g f e i2, Z h a n g Q i a n g q i a n g1, W e i L a i1,
C h e nY o n g1, F a nQ u a n p i n g1, W uY i n z h o n g1, C a oL e i f e n g1
(1.R e s e a r c hC e n t e r o f L a s e rF u s i o n,C A E P,M i a n y a n g621900,C h i n a;
2.I n s t i t u t e o f C o m p u t e rA p p l i c a t i o n,C A E P,M i a n y a n g621900,C h i n a)
A b s t r a c t: T od e s i g n t h em o n o c h o r a t o r b e a m l i n e s o f s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n,d e v e l o p X-F E L s a n dm a k eX-r a y d i a g n o s e s o f i n-
e r t i a c o n
f i n e m e n t f u s i o n a sw e l l a s s i m u l a t e d y n a m i c p r o c e s s i n e x t r e m e p h y s i c a l c o n d i t i o n s,a u s e f u l t o o l a n d a p l a t f o r m,X-L A B,
f o r o p t i c a l d e s i
g n,o p t i m i z a t i o na n d s i m u l a t i o nw i t
h t h e
i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y r i g h t sw a s d e v e l o p e d.W i t h f r i e n d l y i n-t e r f a c e,X-L A Bh a st h ef u n c t i o n so fs e q u e n c er a y-t r a c i n g,v e c t o rd i f f r a c t i o ns i m u l a t i o na n dl a y o u td r a w i n g o fc o m p l e x m i c r o-s t r u c t u r e o p t i c a l e l e m e n t s.A l s o,i t i se a s y t oo p e r a t ea n dc a n p r o v i d ea c c u s t o m e ds e r v i c e,c h a r a c t e r i s t i c f u n c t i o n s f o ru s e r s t o f r e e l y d e s i g n,o p t i m i z e a no p t i c a l s y s t e m.C u r r e n t l y,X-L A Bh a sb e e na p p l i e d i nd e s i g n sa n ds i m u l a t i o n so f t h e3B1m o n o c h r o-m a t i cb e a m l i n e i nB e i
j i n g S y n c h r o t r o nR a d i a t i o nF a c i l i t y w i t hs p e c t r a l r e s o l u t i o n1000a n ds p e c t r a l r a n g e10~100e V,t h eX-r a y d i a g n o s i so p t i c a l s y s t e m so f i n e r t i ac o n f i n e m e n t f u s i o na n dd y n a m i c p r o c e s s i ne x t r e m e p h y s i c a l c o n d i t i o n s,t h eK B m i c r o s c o p e w i t hs p a t i a l r e s o l u t i o nu p t o6μm,a n d t h e l a y o u t d r a w i n g o f p h o t o n s i e v e s.
K e y w o r d s: X-L A B; X-r a y;r a y-t r a c i n g;l a y o u t d r a w i n g;v e c t o r d i f f r a c t i o n
P A C S:42.15.D P;02.60.c b;07.85.F V
112002-6。