CN103454706A

CN103454706A - 一种工作在软x射线波段的并联平场光栅及其设计方法

Info

Publication number: CN103454706A
Application number: CN2013103071593A
Authority: CN
Inventors: 刘正坤; 王庆博; 陈火耀; 邱克强; 付绍军
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-07-20
Filing date: 2013-07-20
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-07-20
Also published as: CN103454706B

Abstract

本发明提供一种工作在软X射线波段的并联平场光栅及其设计方法，将两种不同的平场光栅G1和G2做在同一基底上，形成一个整体的并联平场光栅。该光栅工作在掠入射条件下，适用于软X射线波段。根据凹面光栅的像差理论，优化G1和G2的工作参数（入射距离、入射角度、成像位置），使其完全相同，因此二者可以同时工作。并联平场光栅的工作波段是二者之和，可以有效的扩展光栅的工作波段。并联平场光栅解决了平场光栅工作波段较窄的问题，为同时测量软X射线较宽光谱提供了一种有效技术。

Description

一种工作在软X射线波段的并联平场光栅及其设计方法

技术领域

本发明涉及平场光栅的技术领域，特别涉及一种工作在软X射线波段的并联平场光栅及其设计方法。

背景技术

现有技术1（参见文献Toshiaki Kita,Tatsuo Harada,N.Nakano,H.Kuroda.”Mechanicallyruled aberration-corrected concave gratings for a flat-field grazing-incidence spectrograph”.Applied Optics,Vol.22,512-513,1983）采用一块球面变栅距光栅实现了5nm～20nm的平场谱面。该光栅的球面基底半径为5649mm，光栅中心处线密度为1200线/mm，工作时光源距光栅中心237mm，入射角度为87°，平直光谱面距离光栅中心为235mm。该光栅的特点是：只有一块光栅就可形成平直谱面，结构简单；但其工作的波段受到限制，只能将5nm～20nm波段的光成像在平面探测器上，超过该范围聚焦位置就会迅速的偏离探测面。

现有技术2（参见文献R.J.Fonck,A.T.Ramsey,and R.V.Yelle.”Multichannelgrazing-incidence spectrometer for plasma impurity diagnosis:SPRED”.Applied Optics,Vol.21,2115-2123,1982）中两块平场光栅分别工作在10nm～110nm和16nm～170nm波段，两块光栅采用旋转的装置进行切换。现有技术3（参见文献孔鹏、巴音贺希格、李文昊、唐玉国、崔锦江“双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计”光学学报，Vol.31，2011）将使用波段一分为二，提出了一种将两块使用结构完全相同的平场全息凹面光栅进行优化，光栅1工作在200～400nm，光栅2工作在400～800nm，通过理论计算，光栅2的有效光栅常数是光栅1的2倍。两块光栅也是通过切换装置来进行切换。技术2和技术3都展宽了工作波段，但两块光栅是通过切换装置进行切换，不能同时工作。

现有技术4（参见文献Ming-Hui Liu，Su-Xing Pan et al”Path-folded infrared spectrometerconsisting of10sub-gratings and a two-dimensional InGaAs detector”.Optics Express,Vol.17,14956-14966,2009）提出了一种将10块子光栅通过夹具拼成一个整体光栅，该光栅工作波段在1450～1650nm，其中每块子光栅的波段跨度为20nm，其特点是：光栅工作在红外波段，每块子光栅为平面光栅且通过夹具拼接成为一个整体光栅，光栅不是平场光栅。

现有技术5（参见文献Ying Liu,Xin Tan,Zhengkun Liu,Xiangdong Xu,Yilin Hong,andShaojun Fu“Soft X-ray holographic grating beam splitter including a double frequency grating forinterferometer pre-alignment”.Optics Express,Vol.16,14761-14770,2008)提出了一种将两块子光栅做在同一块基底上的方案，其中两块子光栅栅线平行，一块光栅用来对准，另一块光栅实现分束。

目前软X射线的平场光栅只能在特定的波段呈现平直的谱面，我们通过将两块平场子光栅制作在同一基底上，形成并联平场光栅。两块光栅的工作结构相同，不需要任何切换机构，可以同时工作，从而实现波段的扩展，同时，这种结构对于研究高次谐波也大有帮助。

发明内容

本发明的目的是为了扩展软X射线平场光栅的工作波段，提供一种工作在软X射线波段的并联平场光栅及其设计方法，该光栅可以应用于等离子体诊断、X射线激光和高次谐波等研究领域。软X射线并联平场光栅是将两种不同线密度分布的光栅做在同一基底上，其工作在掠入射条件下，具有平直的光谱聚焦面。我们通过分析光谱面处的光谱信息，可以得到等离子体的时间和空间等信息。

本发明采用的技术方案为：一种工作在软X射线波段的并联平场光栅的设计方法，对G1和G2两组线密度不同的光栅，通过曝光—刻蚀—再爆光—再刻蚀的方法将两组光栅做在同一基底上形成并联平场光栅，其中光栅的基底面为球面；该并联平场光栅要求两组光栅具有相同的入射距离、入射角度、成像位置和球面基底半径，以便实现两组光栅同时工作，从而实现波段的扩展，采用遗传算法对光栅的入射距离、入射角度和成像位置这些工作参数，以及光栅的基底半径、中心线密度和光栅的线密度变化系数这些光栅参数进行优化，确定各项参数，并联平场光栅在保证波段扩展的前提下，与现有的平场光栅具有相当的分辨特性。

另外，提供一种利用上述设计方法设计的工作在软X射线波段的并联平场光栅。

本发明的原理在于：

平场光栅由于其具有自聚焦、消像差、高分辨以及谱面平直的优点，易于CCD等平面探测器件耦合，广泛应用于等离子体诊断、X射线激光和高次谐波等研究领域。但其工作波段较窄。本发明将两种不同的平场光栅G1和G2做在同一基底上，形成一个整体的并联平场光栅。该光栅工作在掠入射条件下，适用于软X射线波段。G1和G2的工作参数（入射距离、入射角度、成像位置）完全相同，可以同时工作，因此该光栅的工作波段是二者之和，可以有效的扩展光栅的工作波段。并联平场光栅解决了平场光栅工作波段较窄的问题，为同时测量软X射线较宽光谱的信息提供了一种有效技术。

本发明的优点和积极效果为：

基于现有的背景技术，并联平场光栅是一种解决软X射线平场光栅工作波段扩展难的方案。其优点如下：

1、并联平场光栅的两组光栅的工作参数（入射距离、入射角度、成像位置）完全相同，可以同时工作，无需切换结构，实现了波段的扩展。

2、工作波段和分辨特性是平场光栅的两个重要指标，对同一光栅，工作波段扩展和分辨特性提高是相互矛盾的，二者不可兼得。由于并联平场光栅其实包含两组光栅，每组光栅均与商用平场光栅有相当的分辨特性，因此并联平场光栅在保证波段扩展的前提下，并没有牺牲分辨特性。

3、并联平场光栅可以用来研究高次谐波。通过观察两组光栅的成像，我们可以判断该处是否为高次谐波。

附图说明

图1为并联光栅结构示意图；

图2为平场光栅的工作示意图，1为狭缝，2为平场光栅，3为成像面，4为探测器；

图3为并联平场光栅的聚焦曲线，图3（a）为光栅G1的聚焦曲线，图3（b）为光栅G2的聚焦曲线；

图4为并联平场光栅的详细工作参数，1为狭缝，5为并联平场光栅中的子光栅G1，6为并联平场光栅中的子光栅G2，3为成像面；

图5为并联平场光栅光谱仪示意图，1为狭缝，7为并联平场光栅，8为隔板，4为探测器；

图6为分辨特性对比图，上面一排分别是并联光栅G1在5nm、10nm和25nm时的光线追迹的结果，下面一排分别是目前商用平场光栅在5nm、10nm和25nm时的光线追迹结果；

图7为分辨特性对比图，上面一排分别是并联光栅G2在2nm、3.5nm和5nm时的光线追迹的结果，下面一排分别是目前商用平场光栅在2nm、3.5nm和5nm时的光线追迹结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

本发明的目的是为了扩展软X射线平场光栅的工作波段，具体并联光栅的结构如图1所示。G1和G2为两组线密度不同的光栅，我们通过曝光—刻蚀—再爆光—再刻蚀的方法将两组光栅做在同一基底上，其中光栅的基底面为球面。

并联平场光栅要求两组光栅具有相同的入射距离、入射角度、成像位置和球面基底半径，以便实现两组光栅同时工作，实现波段的扩展。我们采用遗传算法对光栅的入射距离、入射角度、成像位置等工作参数以及光栅的基底半径、中心线密度和光栅的线密度变化系数等光栅参数进行优化，确定各项参数。理论计算表明：并联平场光栅在保证波段扩展的前提下，与现有的平场光栅具有相当的分辨特性。

平场光栅的结构如图2所示，其中r为光栅的入射距离，α为入射角度，f为工作位置。平场光栅的线密度定义为：

N = N_{0} (1 + \frac{{2 b}_{2}}{R} y + \frac{{3 b}_{3}}{R^{2}} y^{2} + \frac{{4 b}_{4}}{R^{3}} y^{3}) - - - (1)

其中：N₀为平场光栅的中心线密度（即平场光栅中心y=0处的线密度），R为光栅基底的曲率半径，b2、b3、b4为光栅的线密度变化系数。并联平场光栅的两组光栅G1和G2的中心线密度分别为1200线/mm和2400线/mm，工作波段分别为5～30nm和2～5nm。

为了与现有谱仪兼容，我们采用入射距离r=237mm，成像位置f=235mm。通过遗传算法的优化，我们选取光栅的入射角度为88°，光栅的基底半径为9320mm，详细结果见表1。聚焦曲线如图3所示，可见，两组光栅在入射距离为237mm，入射角度为88°的情况下，成像位置均在235mm处，并联平场光栅具有理论上的可行性。并联平场光栅的尺寸为高（30mm）×宽（50mm）×厚（10mm），其中有效的光栅面积为高（26mm）×宽（46mm）。

表1 并联平场光栅的参数

图4给出了并联平场光栅的详细工作参数，我们发现G1和G2的部分谱线在成像面会相互重叠，为了解决此问题，我们在XY平面内引入一隔板，如图5所示。图5中光线经入射狭缝1到达并联平场光栅7，经并联平场光栅衍射后，到达探测器（如CCD、条纹相机等）。由于隔板的存在，则隔板以上（Z>0）探测器探测的为G1的信号，隔板以下（Z<0）探测器探测的为G2的信号。

我们对比了并联平场光栅与现有商用平场光栅的分辨特性，其中分别对比了G1在5nm、10nm和25nm以及G2在2nm、3.5nm和5nm处的分辨特性，详见图6和图7。可见，并联平场光栅与商用平场光栅具有相当的分辨特性。

实施例2

实施例1中的结果只是众多并联平场光栅参数中的一种。当光栅基底的曲率半径变化时，我们仍然可以优化平场光栅参数使其满足并联平场光栅的要求。例如，当光栅基底的曲率半径为9263mm时，我们通过优化光栅参数，得到表2的参数：

表2 并联平场光栅的参数

实施例3

当所需的入射距离和成像位置变化时，我们仍然可以优化平场光栅参数使其满足并联平场光栅的要求。例如，当入射距离为335.6mm，成像位置为210.5mm时，我们通过优化光栅参数，得到表3的参数：

表3 并联平场光栅的参数

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种工作在软X射线波段的并联平场光栅的设计方法，其特征在于，对G1和G2两组线密度不同的光栅，通过曝光—刻蚀—再爆光—再刻蚀的方法将两组光栅做在同一基底上形成并联平场光栅，其中光栅的基底面为球面；该并联平场光栅要求两组光栅具有相同的入射距离、入射角度、成像位置和球面基底半径，以便实现两组光栅同时工作，实现波段的扩展，采用遗传算法对光栅的入射距离、入射角度和成像位置这些工作参数，以及光栅的基底半径、中心线密度和光栅的线密度变化系数这些光栅参数进行优化，确定各项参数，并联平场光栅在保证波段扩展的前提下，与现有的平场光栅具有相当的分辨特性。

2.根据权利要求1所述的一种工作在软X射线波段的并联平场光栅的设计方法，其特征在于，两组光栅G1和G2的中心线密度分别为1200线/mm和2400线/mm，工作波段分别为5～30nm和2～5nm。

3.根据权利要求1所述的一种工作在软X射线波段的并联平场光栅的设计方法，其特征在于，选取入射距离r=237mm，成像位置f=235mm，通过遗传算法的优化，选取光栅的入射角度为88°，光栅的基底半径为9320mm，详细结果见表1，两组光栅在入射距离为237mm，入射角度为88°的情况下，成像位置均在235mm处；

表1 并联光栅的参数

则并联平场光栅具有理论上的可行性。

4.一种利用权利要求1至3任一项所述的设计方法设计的工作在软X射线波段的并联平场光栅。