CN113936841A - 一种紧凑型x射线晶体分束延迟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型X射线分束延迟系统，包括分束器、第一平面晶体、第二平面晶体和斜切晶体，所述分束器设置为接收一入射光，并将所述入射光分为上分支光束和下分支光束；所述分束器和第一平面晶体沿所述上分支光束的光路走向依次排布，所述分束器、第二平面晶体和斜切晶体沿所述下分支光束的光路走向依次排布，且位于所述第一平面晶体的下游的上分支光束和位于所述斜切晶体的下游的下分支光束相交。本发明结构简单，整体尺寸较小，便于运输和安装，能降低光斑重合难度，保证系统使用性能。

Description

一种紧凑型X射线晶体分束延迟系统

技术领域

本发明涉及硬X射线领域，更具体地涉及一种紧凑型X射线晶体分束延迟系统，用于以硬X射线自由电子激光为光源的X射线泵浦-探针实验和X射线光子相干光谱实验。

背景技术

随着新一代先进光源的发展，特别是硬X射线自由电子激光装置的建造及运行，使得物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等学科，尤其是在快动力学领域，得到了新的发展。超快动力学领域的研究主要依靠X射线泵浦-探针实验(X-ray pump-probeexperiment)和X射线光子相干光谱(X-ray Photon Correlation Spectroscopy，XPCS)。这两种实验都需要使用两束具有一定延迟时间的脉冲光。目前通过自由电子激光装置的双脉冲运行模式能实现飞秒级和纳秒级的延迟，但无法满足皮秒级延迟的需求。

基于光学元件的分束延迟系统被认为具有填补皮秒级延迟空缺的潜力。分束延迟系统的主要思路是通过某种光学元件改变入射束中一部分光束的传播方向，使其经过一段较长的光程后再导回原光路，与原入射束中未改变方向的部分形成一定延迟。但由于硬X射线的波长极短，光学材料对其吸收很强，传统的束线操纵技术，包括分束技术，受到了很大限制。在硬X射线波段可以使用的分束方案有镜面全反射、光栅衍射和晶体衍射，但由于镜面和光栅在硬X射线波段的分束角度仅在毫弧度量级，基于它们实现的分束延迟系统仅能实现数十皮秒的延迟。而利用晶体衍射可以较容易地实现几度到几十度的分束角度，在实现数百皮秒乃至纳秒级延迟上具有很大潜力。

2009年Roseker等(Rosekeret al.Optics Letters，2009，34(12):1768-1770)提出了一种基于晶体衍射的分束延迟光学系统。该系统由8块单晶构成，其中6块为平面晶体，另外2块为分束晶体和合束晶体，它们的衍射面需要保持一致。6块平面晶体除了可以单独调整以对准外，还固定在同一块大型位移台上，同时所有晶体的衍射角都限制在45°左右，使得系统在初步对准后能方便调节延迟时间，也具有0至2.62纳秒的超大延迟时间范围。但该系统因为晶体衍射角被限制，其适用光子能量几乎不可调，较多的晶体也使得系统对准难度较大。2014年Osaka等(Osakaet al.International Society for Optics andPhotonics,2014,9210:921009)提出了一种能量可调的新型分束延迟系统。该方案放弃了对晶体衍射角的严格限制，使得入射光子能量可调范围大大增加；使用两块左右对称放置的切槽晶体代替了部分平面晶体，降低了对准难度；系统的延迟主要由上分支的两块平面晶体的到分束\合束晶体的距离提供。这种设计的上分支平面晶体和分束\合束晶体之间用导轨链接，为避免在低角度衍射时导轨发生碰撞，其最大长度受到限制，导致系统的最大延迟时间也受到限制，仅有数百皮秒。2018年Lu等(Lu et al.Rev.Sci.Instrum.89,063121(2018))在Osaka的设计基础上取消了平面晶体和分束\合束晶体之间的导轨，最大延迟时间有所提升。然而，这些方案的分束延迟系统均尺寸较大，导致了运输和安装困难的问题。

为了便于运输和快速安装，Rysov等(Rysov et al.J.Synchrotron Rad.(2019).26)于2019年提出了一种尺寸为60cm*60cm*30cm的紧凑型分束延迟光学系统。该系统的特点在于上分支使用面间距更小的衍射面，在相同能量下平面晶体的衍射角度比分束器更大，只需要一块平面晶体就可以实现上下分支光路的交叉。但这种设计在高能量段存在一定的延迟时间空缺，无法保证完全连续可调，且由于减少了上分支使用晶体的数量，上下分支强度比也不再保持为1：1。总之，现有设计大都尺寸过大，不便于运输和安装，而紧凑型设计在延迟时间和双束强度比等性能上存在缺陷。

发明内容

为了解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种紧凑型X射线分束延迟系统，便于运输和安装，同时能够保证适用光子能量和延迟能力，并且能够降低系统的对准难度。

本发明提供的一种紧凑型X射线分束延迟系统，包括分束器、第一平面晶体、第二平面晶体和斜切晶体，所述分束器设置为接收一入射光，并将所述入射光分为上分支光束和下分支光束；所述分束器和第一平面晶体沿所述上分支光束的光路走向依次排布，所述分束器、第二平面晶体和斜切晶体沿所述下分支光束的光路走向依次排布，且位于所述第一平面晶体的下游的上分支光束和位于所述斜切晶体的下游的下分支光束相交。

进一步地，所述第一平面晶体设置为在所述上分支光束入射至其表面时发生衍射，以得到位于所述第一平面晶体的下游的上分支光束的出射束；所述第二平面晶设置为在所述下分支光束入射至其表面时发生衍射，所述斜切晶体设置为在衍射后的下分支光束入射至其表面时再次发生衍射，以得到位于所述斜切晶体的下游的下分支光束的出射束；所述上分支光束的出射束相对于所述下分支光束的出射束在相交位置处具有一延迟时间。

进一步地，所述分束器和所述第一平面晶体构成一个(+n，-m)型双晶衍射单元。

进一步地，所述第二平面晶体和所述斜切晶体构成一个(+n，-n)型双晶衍射单元。

进一步地，所述第一平面晶体的衍射面面间距小于所述分束器的衍射面面间距。

进一步地，所述斜切晶体的非对称切割系数小于1。

进一步地，所述延迟时间Δτ为：

式中，ΔL为上分支光束和下分支光束的路程差，c为光速，H₁为光束在分束器处入射点到第一平面晶体处入射点的高度差，H₂为光束在分束器处入射点到斜切晶体处入射点的高度差，θ₁、θ₂、θ₃分别为光束在分束器、第一平面晶体、第二平面晶体处的入射角。

本发明提供的紧凑型X射线分束延迟系统，仅由四块晶体构成，结构简单，整体尺寸较小，光路对准时需要调节的元件少，实施该系统所需的空间小，便于运输和安装。并且，下分支出射束的光斑尺寸大于上分支出射束的光斑尺寸，降低了光斑重合难度。同时，本发明能够保证适用光子能量和延迟能力与现有技术相当，即能够保证系统使用性能。

附图说明

图1是按照本发明的紧凑型X射线分束延迟系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明提供的紧凑型X射线分束延迟系统，包括分束器1、第一平面晶体2、第二平面晶体3以及斜切晶体4。其中，分束器1和第一平面晶体2形成为系统的上分支，两者构成一个(+n，-m)型双晶衍射单元；第二平面晶体3和斜切晶体4形成为系统的下分支，第二平面晶体3安装于分束器1后方，与斜切晶体4构成一个(+n，-n)型双晶衍射单元。n、m表示构成双晶衍射单元的两块晶体品质不同，n、n表示构成双晶衍射单元的两块晶体品质相同(两块晶体品质相同是指晶体种类和衍射面均相同，即第二平面晶体3和斜切晶体4的晶体种类和衍射面均相同)；(+，-)表示两晶体表面的法线位于第一晶体衍射线或第二晶体入射线的两侧，(+，+)表示两晶体表面的法线位于第一晶体衍射线或第二晶体入射线的同侧。

具体地，分束器1接收来自硬X射线自由电子激光装置(图未示)的入射光，并将入射光分为上分支光束和下分支光束。上分支光束入射至第一平面晶体2，并在第一平面晶体2处发生衍射，在第一平面晶体2处发生衍射后的出射光束即为位于所述第一平面晶体的下游的上分支光束的出射束。下分支光束入射至第二平面晶体3，并在第二平面晶体3处发生衍射，衍射后的下分支光束入射至斜切晶体4，并在斜切晶体4处再次衍射，在斜切晶体4处再次衍射后的出射光束即为位于所述斜切晶体的下游的下分支光束的出射束。并且，上分支光束的出射束经一定延迟时间后与下分支光束的出射束相交，即所述上分支光束的出射束相对于所述下分支光束的出射束在相交位置处具有一延迟时间。

根据Bragg公式：2dsinθ_B＝nλ

式中，d为晶体衍射面的面间距，λ为入射光波长，n为衍射级次，θ_B为晶体在入射光波长为λ时的衍射角，也即入射光与衍射面的夹角。

根据该公式，将第一平面晶体2的衍射面面间距设置为小于分束器1的衍射面面间距，以使上分支光束在第一平面晶体2处的衍射角比在分束器1处的衍射角更大，使得本发明能够仅用一块平面晶体即可使上分支光束指向系统的下半部分。

斜切晶体4是经非对称切割得到的晶体，非对称切割是指切割时的方向与衍射面不平行，切割后得到的晶体表面与衍射面不平行。根据晶体的非对称切割系数的计算公式：b＝sin(θ_B-ε)/sin(θ_B+ε)

式中，b表示非对称切割系数，为ε为晶体斜切角。

而光束在非对称切割系数为b的斜切晶体处的入射束光斑尺寸S₀、出射束光斑尺寸S_h满足：S_h＝S₀/b，因此本发明将斜切晶体4的非对称切割系数设置为小于1，以扩大下分支出射束的光斑尺寸，使得下分支的出射束光斑尺寸大于上分支的出射束光斑尺寸，从而降低两束光的光斑重合难度。

上分支光束和下分支光束所走的路程存在差别，因而形成延迟，且光程差越大，延迟越高。延迟时间公式为：

式中，Δτ为系统延迟时间，ΔL为上分支光束和下分支光束的路程差，c为光速，H₁为光束在分束器1处入射点到第一平面晶体2处入射点的高度差，H₂为光束在分束器1处入射点到斜切晶体4处入射点的高度差，θ₁、θ₂、θ₃分别为光束在分束器1、第一平面晶体2、第二平面晶体3处的入射(出射)角。

本发明的分束延迟系统用于pump-probe实验和XPCS实验，这两种实验要求在不同的延迟时间下观察同一个样品\实验。在实验中，本发明的分束延迟系统可水平或竖直安装在光学平台上，分束器1、第一平面晶体2、第二平面晶体3和斜切晶体4各自配有不同的位移台，并能够在各自的位移台上旋转，旋转角度范围均为0°-45°。根据实验的实际情况，可调整各部件的俯仰角和位置，来调节系统的延迟时间。将本发明的分束延迟系统应用于上述两种实验的操作流程如下：

1)分光。旋转分束器1，确定最大反射率方向作为反射方向。保持分束器1角度不变，在保证反射束继续存在且强度大致不变的情况下，调整分束器1位置使透射束强度尽量接近反射束强度，或使透射束强度与反射束强度比值接近预定值。在理想状态下，反射束和透射束的强度接近1：1。但有些情况下分束比例无法达到或接近1：1，那么也可以将比值调整为1：2、1：3等预定值。

2)上下分支出光。将第一平面晶体2移至反射方向上，转动其角度确定最大反射率方向作为上分支出射方向；将第二平面晶体3移至透射束上，转动其角度确定最大反射率方向，将斜切晶体4移至该方向上，转动其角度确定最大反射率方向作为下分支出射方向。

3)确定交点。使用面探测器在上分支出射方向和下分支出射方向的交线上测量两出射束的光斑，调整面探测器位置，确定两光斑间距最小或重合度最大处作为两出射束的交点。

4)光斑重合。调整分束器1的俯仰角、第一平面晶体2的位置和俯仰角，使上分支光束在面探测器上的光斑位于下分支光束在面探测器上的光斑内。

5)确定并调整延迟时间。确定上下分支光束到达两出射束交点处时的时间差，作为系统延迟时间。根据使用者的需求，调整第一平面晶体2的位置以调整系统延迟时间。

6)将样品放在上下分支光束的交点处并进行实验。

本发明提供的紧凑型X射线分束延迟系统，仅由四块晶体构成，结构简单，整体尺寸较小，光路对准时需要调节的元件少，实施该系统所需的空间小，便于运输和安装。并且，下分支出射束的光斑尺寸大于上分支出射束的光斑尺寸，降低了光斑重合难度。同时，本发明能够保证适用光子能量和延迟能力与现有技术相当，即能够保证系统使用性能。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种紧凑型X射线分束延迟系统，其特征在于，包括分束器、第一平面晶体、第二平面晶体和斜切晶体，所述分束器设置为接收一入射光，并将所述入射光分为上分支光束和下分支光束；所述分束器和第一平面晶体沿所述上分支光束的光路走向依次排布，所述分束器、第二平面晶体和斜切晶体沿所述下分支光束的光路走向依次排布，且位于所述第一平面晶体的下游的上分支光束和位于所述斜切晶体的下游的下分支光束相交。

2.根据权利要求1所述的紧凑型X射线分束延迟系统，其特征在于，所述第一平面晶体设置为在所述上分支光束入射至其表面时时发生衍射，以得到位于所述第一平面晶体的下游的上分支光束的出射束；所述第二平面晶设置为在所述下分支光束入射至其表面时发生衍射，所述斜切晶体设置为在衍射后的下分支光束入射至其表面时再次发生衍射，以得到位于所述斜切晶体的下游的下分支光束的出射束；所述上分支光束的出射束相对于所述下分支光束的出射束在相交位置处具有一延迟时间。

3.根据权利要求1所述的紧凑型X射线分束延迟系统，其特征在于，所述分束器和所述第一平面晶体构成一个(+n，-m)型双晶衍射单元。

4.根据权利要求1所述的紧凑型X射线分束延迟系统，其特征在于，所述第二平面晶体和所述斜切晶体构成一个(+n，-n)型双晶衍射单元。

5.根据权利要求1所述的紧凑型X射线分束延迟系统，其特征在于，所述第一平面晶体的衍射面面间距小于所述分束器的衍射面面间距。

6.根据权利要求1所述的紧凑型X射线分束延迟系统，其特征在于，所述斜切晶体的非对称切割系数小于1。

7.根据权利要求2所述的紧凑型X射线分束延迟系统，其特征在于，所述延迟时间Δτ为：

式中，ΔL为上分支光束和下分支光束的路程差，c为光速，H₁为光束在分束器处入射点到第一平面晶体处入射点的高度差，H₂为光束在分束器处入射点到斜切晶体处入射点的高度差，θ₁、θ₂、θ₃分别为光束在分束器、第一平面晶体、第二平面晶体处的入射角。

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