El proceso LIGA (abreviación de litografía, galvanización y conformado, del alemán) es adecuado para lograr microestructuras de alta relación de aspecto en plásticos o metales. Permite la elaboración de microestructuras de unos milímetros de alto con una relación de aspecto de hasta 100. Las estructuras tienen paredes laterales paralelas con una rugosidad superficial en el orden de los 10 nm. Hay cierta libertad en la elección de la geometría de dichas estructuras (hechas mediante la exposición de las máscaras de absorción de rayos X a un haz de electrones).
Se pueden distinguir los siguientes tipos de lentes refractivas de rayos X:
| Lentes de Fresnel | Lentes-Clessidra y prismáticas |
Lentes refractivas de rayos X parabólicas, con foco lineal o puntual compound refractive lenses (CRLs)
Para evitar la aberración esférica, las superficies refractantes deben tener una forma parabólica, paralela a los rayos X incidentes. Las lentes con foco lineal son perpendiculares al sustrato (imagen 1, arriba). Las lentes con foco puntual están compuestas por lentes con foco lineal horizontal y lentes con foco lineal vertical, cuyos planos focales coinciden para formar un foco puntual. Para eso se elaboran lentes con foco lineal a ±45° sobre el sustrato. Básicamente hay dos posibilidades: las lentes con foco lineal horizontal y vertical se encuentran divididas, primero unas y después las otras (imagen 1, medio), o se encuentran alternadas (imagen 1, abajo).
Imagen 1: focalización de rayos X con lentes refractivas: foco lineal (arriba), foco puntual (medio y abajo)
La imagen 2 muestra una plaqueta de lentes real con 25 lentes con foco lineal, elaborada en el Instituto de Ingeniería Microestructural (“Institut für Mikrostrukturtechnik” o IMT), en el Centro de Investigación de Karlsruhe GmbH [Naz 2004]. El número de lentes individuales en cada fila de lentes varía entre 3 y 128.
Imagen 2: Ejemplo de una plaqueta de lentes con 25 lentes refractivas de rayos X (LIGA) con foco lineal (izquierda 
) y detalle de las lentes y su reflejo en el sustrato (derecha, ©01)
La imagen 3 muestra una vista macro de una plaqueta de lentes de silicio con 16 lentes refractivas de rayos X (IMT) con foco puntual. Cada fila tiene una cantidad distinta de lentes con distintos radios de curvatura. Para cada fila de lentes se puede ajustar la distancia focal de acuerdo a la energía de los fotones, al remover una cierta cantidad de lentes. De esta forma se pueden ajustar las distancias focales horizontal y vertical independientemente. Mediante este método, la distancia focal sólo se puede aumentar y es naturalmente irreversible. Los elementos innecesarios son retirados primeramente a mano con una aguja, y posteriormente soplando con nitrógeno gaseoso (imagen 4). En el centro de la plaqueta de lentes se encuentran las estructuras que permiten la orientación de la trayectoria de los rayos X. El diámetro focal de estas lentes era de unos 100 nm en 2009.
Imagen 3: Ejemplo de una plaqueta de lentes con 16 lentes refractivas de rayos X (LIGA) con foco puntual (izquierda ) y detalle con algunas lentes removidas (derecha, ©01)
Imagen 4: Proceso de retirada manual de los elementos innecesarios en una placa de lentes con 16 CRLs, fabricada usando la tecnología LIGA, ©01
La longitud de onda óptica de los rayos en el borde del perfil parabólico aumenta al atravesar el material de la lente, en proporción al cuadrado de la apertura de la lente. Por este motivo, la apertura máxima utilizable está restringida a unos cientos de micrómetros, en función de la absorción del material. El efecto de refracción ocurre en la superficie de las lentes. Mayores aperturas son posibles al retirar material de dentro de la lente, como en las llamadas lentes de Fresnel (imagen 5).
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Imagen 5: La formación de lentes de Fresnel: a) perfil parabólico, b+c) material que puede ser retirado sin cambiar significativamente las propiedades ópticas, d) diseño más compacto mediante el desplazamiento de los elementos restantes, e) Abatimiento de uno de cada dos elementos, para que el solvente pueda penetrar más fácilmente (©01) |
Las micro-lentes de Fresnel son técnicamente difíciles de elaborar debido a que las estructuras, prácticamente triangulares y muy delgadas (imagen 6), se curvan en los bordes en la exposición a rayos X o se deforman en el desarrollo de la estructura. Estos efectos disminuyen la efectividad de las lentes en los bordes y restringen nuevamente la apertura máxima utilizable.
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Imagen 6: Lente de Fresnel con foco lineal galvanizada de níquel para fotones de alta energía (©01) |
Otro concepto para lentes de gran apertura son las llamadas lentes-mosaicos. En este caso se retira material de tal forma que sólo quedan pequeñas partes, de forma casi triangular, del perfil parabólico original (imagen 7).
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Imagen 7: Lentes-mosaicos con gran apertura y foco puntual; el sustrato de silicio refleja fuertemente las microestructuras (©01) |
Lentes-Clessidra y lentes prismáticas refractivas
Las llamadas lentes-Clessidra permiten grandes aperturas (imagen 8, [Jar 2008]). La forma exterior de estas lentes hace acordar a un reloj de arena. El nombre proviene de la palabra italiana “clessidra”, que significa “reloj de arena”. Los rayos X, cuanto más alejados del eje óptico se encuentren con la lente, más prismas atraviesan y mayor es el cambio de dirección.
Imagen 8: esquema de una lente-Clessidra
Las mayores aperturas con la mayor transmisión media se consiguen con las lentes prismáticas refractivas (inglés: X-ray refractive prism lenses, XPL) [Sim 2008]. Estas lentes están compuestas por decenas de miles de prismas, cuyas bases son triángulos equiláteros. Los prismas están ordenados en una geometría distinta a la de las lentes-Clessidra, para lograr una mayor transmisión (imagen 9). Cada prisma desvía la dirección de los rayos en un ángulo muy pequeño. Como la distancia entre los prismas en cada fila es constante, la trayectoria de los rayos X a través del sector con prismas es casi circular. La posición de cada prisma en el lente debe ser exactamente ajustada con la trayectoria desviada de la luz.
Imagen 9: esquema de una lente prismática refractiva y detalles de la superficie de los prismas
La imagen 10 muestra la distribución de intensidad simulada a varias distancias detrás de una lente prismática refractiva con sólo 170 prismas. El ancho de la línea focal brillante (roja) en el 5to plano corresponde aproximadamente con el ancho de de los prismas. Las líneas secundarias provienen de luz que se encontró entre dos filas de lentes o que fue reflejada completamente en una de las caras, levemente desviadas del eje óptico, de los prismas. Las franjas celestes en los bordes izquierdo y derecho de cada plano se forman con luz que no atravesó los prismas. La escala de colores corresponde al brillo que habría en el plano correspondiente sin lentes.
Imagen 10: distribución de intensidad simulada detras de una lente prismática refractiva de rayos X
| [Jar 2008] | W. Jark, F. Pérennès, M. Matteucci, L. De Caro, CLESSIDRA: focusing hard x-rays efficiently with small prism arrays, Modern Developments in X-Ray and Neutron Optics, Springer Series in Optical Sciences , vol. 137, pp. 331-351, Springer (ISBN: 978-3-540-74560-0), 2008 |
| [Naz 2007] | V. Nazmov, E. Reznikova, A. Last, J. Mohr; V. Saile, M. DiMichiel, J. Göttert, Crossed planar X-ray lenses made from nickel for X-ray micro focusing and imaging applications, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 39306, pp. 120-122, DOI: 10.1016/j.nima.2007.08.076, 582, 2007 |
| [Naz 2004] | V. Nazmov, E. Reznikova, A. Somogyi, J. Mohr, V. Saile, Planar sets of cross x-ray refractive lenses from SU-8 polymer, Proceedings of SPIE, vol. 5539, pp. 235-243, 2004 |
| [Sim 2008] | M. Simon, E. Reznikova, V. Nazmov, A. Last, W. Jark, X-ray prism lenses with large apertures, Proc. SPIE, vol. 7077, 70771Q, DOI: 10.1117/12.795423, 2008 |