X-ray Diffraction (XRD) opiera się na podwójnej fali/cząsteczkowej naturze promieniowania rentgenowskiego w celu uzyskania informacji o strukturze materiałów krystalicznych. Podstawowym zastosowaniem tej techniki jest identyfikacja i charakterystyka związków chemicznych na podstawie ich wzoru dyfrakcyjnego.
Dominującym efektem, który występuje, gdy padająca wiązka monochromatycznych promieni X oddziałuje z materiałem docelowym, jest rozpraszanie tych promieni X na atomach znajdujących się w materiale docelowym. W materiałach o regularnej strukturze (np. krystalicznych), rozproszone promienie X ulegają konstruktywnej i destruktywnej interferencji. Jest to proces dyfrakcji. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego przez kryształy opisana jest prawem Bragga, n(lambda) = 2d sin(theta). Kierunki możliwych dyfrakcji zależą od wielkości i kształtu komórki jednostkowej materiału. Natężenia fal dyfrakcyjnych zależą od rodzaju i ułożenia atomów w strukturze krystalicznej. Większość materiałów nie jest jednak pojedynczymi kryształami, ale składa się z wielu drobnych krystalitów we wszystkich możliwych orientacjach, zwanych agregatami polikrystalicznymi lub proszkiem. Gdy proszek z losowo zorientowanymi krystalitami zostanie umieszczony w wiązce promieniowania rentgenowskiego, wiązka będzie widziała wszystkie możliwe płaszczyzny międzyatomowe. Jeśli kąt eksperymentalny jest systematycznie zmieniany, wszystkie możliwe piki dyfrakcyjne z proszku zostaną wykryte.
Dyfraktometr parafokusowy (lub Bragg-Brentano) jest najbardziej powszechną geometrią dla instrumentów dyfrakcyjnych.
Ta geometria oferuje zalety wysokiej rozdzielczości i wysokiej intensywności wiązki kosztem bardzo precyzyjnych wymagań wyrównania i starannie przygotowanych próbek. Dodatkowo, geometria ta wymaga, aby odległość źródło-próbka była stała i równa odległości próbka-detektor. Błędy w osiowaniu często prowadzą do trudności w identyfikacji fazy i niewłaściwej kwantyfikacji. Nieprawidłowo ustawiona próbka może prowadzić do niedopuszczalnych błędów przemieszczenia próbki. Płaskość próbki, chropowatość i ograniczenia związane z pozycjonowaniem uniemożliwiają pomiar próbki w linii produkcyjnej. Dodatkowo, tradycyjne systemy XRD są często oparte na nieporęcznych urządzeniach o dużym zapotrzebowaniu na moc, jak również wykorzystują źródła promieniowania rentgenowskiego o dużej mocy w celu zwiększenia strumienia promieniowania rentgenowskiego na próbce, zwiększając w ten sposób wykryte sygnały dyfrakcyjne z próbki. Źródła te mają również duże obszary wzbudzania, które są często niekorzystne dla analizy dyfrakcyjnej małych próbek lub małych cech próbki.
Polikapilarna optyka rentgenowska może być użyta do przezwyciężenia wielu z tych wad i ograniczeń w celu poprawy zastosowań XRD. Polikapilarne kolimacyjne układy optyczne przekształcają silnie rozbieżną wiązkę w wiązkę quasi-równoległą o niskiej rozbieżności. Można je wykorzystać do utworzenia geometrii instrumentu XRD z wiązką równoległą, która znacznie zmniejsza i usuwa wiele źródeł błędów w położeniu piku i intensywności, nieodłącznie związanych z geometrią parafokusową, takich jak położenie próbki, kształt, chropowatość, płaskość i przezroczystość. Polikapilarny układ optyczny zbiera promieniowanie rentgenowskie ze źródła promieniowania rozbieżnego i kieruje je do małej wiązki zogniskowanej na powierzchni próbki o średnicach rzędu dziesiątek mikrometrów w zastosowaniach dyfrakcji mikroskopowej małych próbek lub małych elementów próbki. Oba typy polikapilarnych układów optycznych kierują bardzo wysokie natężenia promieniowania rentgenowskiego na powierzchnię próbki, dzięki czemu systemy XRD wykorzystujące układy optyczne mogą używać źródeł promieniowania rentgenowskiego o niskiej mocy, zmniejszając rozmiar przyrządu, koszty i wymagania dotyczące zasilania.
Dyfrakcja rentgenowska wykorzystująca optykę rentgenowską została zastosowana w wielu różnych typach aplikacji, w tym w analizie cienkich warstw, ocenie tekstury próbki, monitorowaniu fazy i struktury krystalicznej oraz badaniu naprężeń i odkształceń próbki.
.