CN116661136A - 基于可见光激光的x射线自由电子激光器光束定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统及方法，本发明通过可见光激光代替XFEL直接指示光束方向，降低了使用XFEL光束直接调试带来的辐射风险；可在大气环境下进行光束调控，易于操作；通过各部分设备的结合，可以长期稳定的工作在束线站上，可以有效提高XFEL实验的光路调试效率。
Description
技术领域
本发明涉及同步辐射及自由电子激光仪器设备技术领域，特别是涉及基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统及方法。
背景技术
目前硬X射线自由电子激光可提供高亮度、连续高重频、飞秒级超短脉冲的X射线相干光，目前共设计有3条束线及10个实验站。由于每个束线的长度达到1km以上，实验站串联在束线上，每个实验站分配的机时有限，因此需要尽可能缩短实验站的调试时间为用户争取更多的时间用于实验。由于X射线不可直接观测，调整实验站的通光元件通常需要利用样品点处的光电二极管或成像器对X射线进行探测，这将增加一些辐射敏感材料的损毁风险。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统及方法，用于解决目前X射线不可直接观测，调整实验站的通光元件通常需要利用样品点处的光电二极管或成像器对X射线进行探测，这将增加一些辐射敏感材料的损毁风险。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明的第一方面提供一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，包括：可见光激光光源，用于发射可见光激光；光斑调节机构，位于可见光激光的光路上，用于调节激光光斑尺寸；光束指向调节机构，位于由所述光斑调节机构出射的可见光激光在经第一平面反射镜反射后的光路上，用于将激光光束从大气环境导入XFEL光束所在的真空腔体内，并调节激光光束的指向以与XFEL光束重合；第一荧光靶真空插入腔，连接于XFEL真空飞行管道上，用于在XFEL束线管道内插入荧光晶体靶，以使可见光激光和XFEL光束都能产生可探测的荧光光斑；第一光斑二维成像探测装置，位于真空环境外的所述第一荧光靶真空插入腔的其中一个视窗法兰处，用以观测采集所述第一荧光靶真空插入腔中的荧光晶体靶上所产生的荧光光斑二维形态并标定第一光斑质心位置。
于本发明的第一方面的一些实施例中，还包括：第二荧光靶真空插入腔和第二光斑二维成像探测装置；所述第二荧光靶真空插入腔连接于XFEL真空飞行管道上，并位于经由所述第一荧光靶真空插入腔出射的激光光束的光路上，其内设置有第二晶体荧光靶；所述第二光斑二维成像探测装置位于真空环境外的所述第二荧光靶真空插入腔的视窗法兰处，用以观测采集所述第二荧光靶真空插入腔中的荧光晶体靶上所产生的荧光光斑二维形态并标定第二光斑质心位置；其中，通过所述第一光斑质心位置和第二光斑质心位置是否同时重合来判断激光光束和XFEL光束是否完全共线。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述光斑调节机构包括：准直透镜、中性衰减片、扩束镜组、变焦透镜组及激光快门；由所述可见光激光光源发出的激光光束，经由所述准直透镜及扩束镜组后，激光光束的圆度被修正并得到预设光斑直径的平行光光束；所述平行光光束经所述中性衰减片进行强度调节；经由所述中性衰减片进行强度调节后的平行光光束射向所述变焦透镜组；所述变焦透镜组由正、负透镜构成，通过调节正、负透镜之间的间距来控制平行光光束的会聚程度；由所述变焦透镜组出射的光束经第一平面反射镜反射后所述激光快门；所述激光快门用于控制可将光激光是否出光。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述光束指向调节机构由第二平面反射镜和第三平面反射镜构成，两个平面反射镜使用电控镜架，以进行多维方向的调节。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述第一荧光靶真空插入腔包括：第一视窗法兰、第二视窗法兰、第一插入法兰及第二插入法兰；第一视窗法兰为激光光束的入射口；激光光束通过所述第一视窗法兰进入真空环境；第一插入法兰连接有一个真空一维传递杆，通过该真空一维传递杆连接按照预设角度设置的第四反射镜，以供带动所述第四反射镜插入和撤出XFEL光路；所述第四反射镜设于激光光束的光路上，反射面与XFEL光路成45°，用于将垂直于XFEL光路的可见光激光光束的传播方向进行90°转折，使其与XFEL光束的传播方向同向；第二插入法兰连接有一个真空一维传递杆，通过该真空一维传递杆连接晶体荧光靶，以供带动所述晶体荧光靶插入和撤出XFEL光路；所述晶体荧光靶按照与所述第四反射镜相同的预设角度设置，并位于所述第四反射镜的出光路径上；第二视窗法兰正对晶体荧光靶，窗体外侧连接有第一光斑二维成像探测装置。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述第一光斑二维成像探测装置由定距变倍显微镜头及CMOS二维阵列探测器构成。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述第一视窗法兰和第二视窗法兰采用镀有增透膜的石英窗体。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述可见光激光光源包括450nm的激光二极管，其输出功率为30mW，其在水平及垂直方向产生发散角分别为7°和21°的发散光。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述晶体荧光靶包括Ce:YAG晶体荧光靶、pBN晶体荧光靶。
于本发明的第一方面的一些实施例中，所述Ce:YAG晶体荧光靶选用Ce3+掺杂浓度在0.5％～0.8mol％的YAG晶体。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明的第二方面提供一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位方法，应用于上文中第一方面的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统；所述定位方法包括：打开XFEL光闸，使XFEL光束打在晶体荧光靶上产生可见光荧光光斑；通过第一光斑二维成像装置定位XFEL光束的可见光荧光光斑的质心位置并记录不同视场下的光斑位置；关闭XFEL光闸并打开可见光激光光源，使其产生的激光光束通过光束指向调节机构进入第一荧光靶真空插入腔；激光光束打在晶体荧光靶上亦产生可见光荧光光斑；通过第一光斑二维成像装置定位激光光束的可见光荧光光斑的质心位置并记录不同视场下的光斑位置；调节所述光束指向调节机构中的两个平面反射镜的姿态，使XFEL光束的可见光荧光光斑与激光光束的可见光荧光光斑的位置初重合；关闭激光快门并撤出第一荧光靶真空插入腔中的平面反射镜，打开XFEL光闸，再次确定XFEL光束的可见光荧光光斑的位置，在光斑质心定位记录完成后关闭XFEL光闸；打开可见光激光光源并重复上述步骤多次，直至XFEL光束的可见光荧光光斑与激光光束的可见光荧光光斑的位置完全重合。
如上所述，本发明的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统及方法，具有以下有益效果：
(1)本发明通过可见光激光代替XFEL直接指示光束方向，降低了使用XFEL光束直接调试带来的辐射风险。
(2)本发明可在大气环境下进行光束调控，易于操作。
(3)本发明通过各部分设备的结合，可以长期稳定的工作在束线站上，可以有效提高XFEL实验的光路调试效率。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中的一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统的结构示意图。
图2显示为本发明一实施例中光靶真空插入腔的结构示意图。
图3显示为本发明一实施例中的一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
为解决上述背景技术中的问题，本发明提供基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统及方法，旨在提出一种利用可见光激光与X射线同轴从而在调试阶段代替X射线进行光路指向，实现对站内通光元件的快速对准，减少元件受到X射线的辐射剂量，降低损坏风险。本发明的系统放置在靠近实验站位置，用于在光束准直和站内的设备对准阶段，利用可见光激光代替XFEL表示光斑位置，从而快速准直站内元件，缩短调试时间，提高实验调试阶段的效率，并且减少了XFEL进入线站内的次数，保护站内元件降低受到XFEL辐射造成的损伤。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
在对本发明进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释：
<1>XFEL(X Free Electron Laser)，X射线自由电子激光器，是一种新型的强相干辐射源，具有高功率、高效率、波长的大范围调谐和超短脉冲的时间结构等特点。自由电子激光器的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。
<2>KB反射镜：一种二维聚焦镜，由椭圆形状的垂直和水平反射镜组成。KB反射镜用于聚焦具有二维发散角的同步辐射及XFEL光束，具有反射率高、聚焦能力强等特点。
<3>掠入射：是指光从光疏介质向光密介质传播，入射角接近于90度时为掠射。使用KB反射镜聚焦X射线光束需要通过掠入射方式传播光束。
本发明实施例提供基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位方法、基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位方法的系统。就基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统的实施而言，本发明实施例将对基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位的示例性实施场景进行说明。
如图1所示，展示了本发明实施例中的一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统的结构示意图。本实施例中的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统主要包括：可见光激光光源1、光斑调节机构2、光束指向调节机构3、第一荧光靶真空插入腔4、第一光斑二维成像探测装置5。
可见光激光光源11用于产生定位光斑的连续可见光激光。
示例性地，可见光激光光源11可选用可见光激光器，即直接发射可见光的激光器。举例来说，可见光激光器可以是激光二极管(例如基于GaInp和AlGaInp的红色激光二极管)、氦氖激光器(可发射632.8nm红色光，也可以发射543.5nm绿色光、594.1nm黄色光等)、在441.6nm处发出蓝色光的金属蒸汽激光器等等。
优选的，可见光光源1为450nm的激光二极管，输出功率为30mW，产生发散角在水平及垂直方向分别为7°和21°的发散光，激光二极管需要TEC(Thermo-Electric Cooling)冷却。应理解的是，TEC(Thermo-Electric Cooling)冷却是指热电冷却，其原理是一种基于珀尔帖效应的设备，通常包括两种材料，并在强制直流电流通过的同时将热量从设备的一侧传递到另一侧；散热的一侧变冷；热量移动的一侧变热。
光斑调节机构2位于可见光激光的光路上，用于调节激光光斑尺寸，以确保激光光斑满足远距离传输过程中小于所有限光孔阑以及在不同位置处光斑的快速聚焦。
于本发明实施例中，所述光斑调节机构2包括准直透镜201、中性衰减片202、扩束镜组203、变焦透镜组204、变焦透镜组205。
具体而言，由可见光激光光源11发出的光束，经由准直透镜及扩束镜组后，光束的圆度得到修正，并且得到光斑直径约为3mm的平行光光束。平行光光束经中性衰减片202以进行强度调节。变焦透镜组204由正、负透镜构成，两个透镜夹持在电控镜架上实现一维的电控调节；通过调节正、负透镜之间的间距，控制光束的会聚程度，使激光光束能够完整通过后方KB镜组及真空差分管等限光元件而不会被卡光。
应理解的是，准直透镜201是指将来自孔径栏中每一点的光线变成一束平行的准直光柱的仪器；反射式和透射式准直镜被用在光束传递系统中，以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性。反射式准直镜一般使用的是铜制全反镜，而透射式准直镜则使用硒化锌透镜。中性衰减片202(也称为光学衰减片)，是指利用物质对光的吸收特性，制成片状，置于光路上用于将光强衰减，光强衰减多少与材料有关也与材料厚度有关，例如中性衰减片上标准的透过率为0.02，表明光通过该衰减片后只透过去原先光强的2％。变焦透镜可以改变光线的聚焦程度，从而在不同距离上实现焦距调节，其原理是利用特殊的结构设计，通过改变镜片的位置或形状来改变光线的传播和聚焦方式。扩束镜组是能够改变激光光束直径和发散角的光学元件组件，由透镜和圆形针孔构成。
变焦透镜组205用于控制可见光激光是否出光，起到调试安全保护作用，避免可见光激光在调试间歇照射在其它反射面上。具体而言，在激光进行长距离传输之前还需要在光路中加入一个激光快门，以便在可见光激光光源1出光稳定的状态下，实现远程操作开关激光，确保调试过程中的激光使用安全。
激光光束由光斑调节机构2射出后，经由第一平面反射镜206反射后射入光束指向调节机构3；光束指向调节机构3用于将激光光束从大气环境导入XFEL光束所在的真空腔体内，并调节激光光束的指向以与XFEL光束重合。
示例性地，光束指向调节机构3由第二平面反射镜301和第三平面反射镜302构成，两个平面反射镜使用五轴电控镜架，可以实现XYZ三维平移及θXθZ二维角度的调节。
第一荧光靶真空插入腔4是定位激光和XFEL光束的关键部分，是连接于XFEL真空飞行管道上的真空腔体，用于在XFEL束线管道内插入荧光晶体靶，使可见光激光和XFEL光束都能产生可探测的荧光光斑。
于本发明实施例中，第一荧光靶真空插入腔4的结构如图2所示，具有第一视窗法兰401、第二视窗法兰404、第一插入法兰402及第二插入法兰403。结合图1和图2进行解释说明：
第一视窗法兰401是激光光束的入射口，是镀有450nm增透膜的石英窗体，激光光束通过第一视窗法兰401进入真空。应理解的是，增透膜是减反射膜，其主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。
第一插入法兰402连接有一个真空一维传递杆，通过该真空一维传递杆连接按照预设角度设置的第四平面反射镜207，以供带动所述第四平面反射镜207插入和撤出XFEL光路；所述第四平面反射镜207设于激光光束的光路上，用于改变激光光束的传播方向使其与XFEL光束的传播方向同向；通过所述光束指向调节机构的调节使激光光束不仅与XFEL光束的传播方向同向，并与XFEL光束共线。
第二插入法兰403亦连接有一个真空一维传递杆，通过该真空一维传递杆连接晶体荧光靶，以供带动所述晶体荧光靶插入和撤出XFEL光路；所述晶体荧光靶按照与所述第四平面反射镜207相同的预设角度设置，并位于所述第四平面反射镜207的出光路径上。
示例性地，本实施例中的晶体荧光靶为Ce:YAG晶体荧光靶。Ce:YAG是一种重要的具有优良闪烁性能的闪烁晶体，具有高的发光效率和宽的光脉冲，最大优点是其发光中心波长为550nm，可以与硅光二极管等探测设备有效耦合。Ce:YAG闪烁晶体具有快衰减时间(约70ns，而CsI衰减时间约为300ns)，而且Ce:YAG闪烁晶体不潮解、耐高温、热力学性能稳定，主要应用在轻粒子探测、α粒子探测、gamma射线探测等领域，另外它还可以应用于电子探测成像(SEM)、高分辨率显微成像荧光屏等领域。
第二视窗法兰404正对晶体荧光靶，窗体外侧连接有第一光斑二维成像探测装置5。
示例性地，第二视窗法兰404使用镀有可见光增透膜的石英窗体封窗，窗体外侧连接的第一光斑二维成像探测装置5是一套二维光斑成像探测显微镜系统。应理解的是，增透膜是减反射膜，其主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。
第一光斑二维成像探测装置5用于采集第一荧光靶真空插入腔4中荧光晶体靶上产生的荧光光斑二维形态以及标定光斑质心位置。
示例性地，可基于图像质心分析算法来标定光斑质心位置。所述图像质心分析算法包括但不限于普通质心算法、强加权质心算法、阈值质心算法等，本发明实施例对此不做限定。
示例性地，第一光斑二维成像探测装置5采用的显微镜系统由商用的定距变倍显微镜头及CMOS二维阵列探测器构成。显微镜镜头为固定工作距离的可变倍镜头，长工作距离在100mm以上，足够的工作距离可以使显微镜系统在真空外实现对荧光靶的直接成像。显微系统可实现放大倍率0.3～2.5倍的变倍效果。
进一步地，激光光束和XFEL光束的共线需要通过两个不同位置的荧光光斑同时重合来实现。因此，本发明实施例提供的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统还包括第二荧光靶真空插入腔6和第二光斑二维成像探测装置7。第二荧光靶真空插入腔6包括一个Ce:YAG晶体荧光靶，通过一维真空传递臂插入和撤出光路。第二光斑二维成像探测装置7包括显微镜系统和CMOS二维阵列探测器，显微镜系统和CMOS二维阵列探测器位于真空外，通过第二荧光靶真空插入腔6的视窗法兰观测记录Ce:YAG晶体荧光靶上的光斑位置。值得说明的是，系统所设计的真空腔并不携带主动的真空获取设备，在腔体底部预留有真空获取设备的法兰口。
为便于理解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
在本具体的实施例中，参照图1和图2：基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统主要包括：可见光激光光源1、光斑调节机构2、光束指向调节机构3、第一荧光靶真空插入腔4、第一光斑二维成像探测装置5、第二荧光靶真空插入腔6及第二光斑二维成像探测装置7。
可见光激光光源1选用450nm的激光二极管，输出功率为30mW，产生发散角在水平及垂直方向分别为7°和21°的发散光。晶体荧光靶选用Ce:YAG晶体荧光靶。
光斑调节机构2中的准直透镜和扩束镜组使光束的圆度得到修正，并且得到光斑直径约为3mm的平行光光束。束经过中性衰减片以实现强度调节。平行光束经过变焦透镜组，该组透镜组由正负透镜构成，两个透镜夹持在电控镜架上，可以实现一维的电控调节，通过调节两个透镜间距，控制光束的会聚程度，使激光光束能够完整通过后方KB镜组及真空差分管等限光元件而不会被卡光。在激光进行长距离传输之前还需要在光路中加入一个激光快门，以便在激光二极管出光稳定的状态下，实现远程操作开关激光，保障调试过程中的激光使用安全。
激光光束经过激光光斑调节镜组2后，光束进入通过光束指向调节机构3，该光束指向调节机构是由两块平面反射镜构成，平面反射镜使用电控镜架，可以实现5维方向的调节。光束通过指向调节镜组导入XFEL所在的真空腔内。
第一荧光靶真空插入腔4是定位激光和XFEL的关键部分，它是一个连接在XFEL真空飞行管道上的真空腔体，具有两个视窗法兰和两个插入法兰。如图2所示，第一视窗法兰401为激光光束的入射口，视窗法兰为镀有450nm增透膜的石英窗体。
激光通过第一视窗法兰401进入真空，第一插入法兰402通过一个真空一维传递杆连接一块45°反射镜可实现反射镜的插入和移出XFEL光路的功能，使激光通过反射镜实现与XFEL的传播方向同向，并利用光束指向调节机构3的精细调节，实现激光与XFEL的严格共线。距离45°反射镜约10cm后方为第二插入法兰403，连接有一个一维传递杆可实现将Ce:YAG晶体荧光靶插入和移出XFEL光路的功能。Ce:YAG荧光靶与光束成45°，45°的第二视窗法兰404正对Ce:YAG方向。第二视窗法兰404使用镀有可见光增透膜的石英窗体封窗，窗体外侧连接有第一光斑二维成像探测装置5。
二维光斑成像探测显微镜系统5由商用的定距变倍显微镜头及CMOS二维阵列探测器构成，显微镜镜头为固定工作距离的可变倍镜头，长工作距离在100mm以上，足够的工作距离可以使显微镜系统在真空外实现对荧光靶的直接成像。显微系统可实现放大倍率0.3～2.5倍的变倍效果。
XFEL光束打在Ce:YAG晶体荧光靶上会产生530nm附近波段的可见光荧光光斑，通过第一光斑二维成像探测装置5对该光斑位置进行定位，通过变倍实现不同视场范围下的光斑搜索，XFEL光束产生的光斑尺寸约为3mm。通过图像质心算法定位光斑的质心位置，并记录不同视场下的光斑位置。
在关闭XFEL光束后，打开可见光激光光源1，其产生的450nm激光通过光束指向调节机构3进入第一荧光靶真空插入腔4。450nm激光照射在Ce:YAG晶体荧光靶上会产生同样的荧光效应，得到波长在450nm附近的可见光荧光光斑。同样利用第一光斑二维成像探测装置5对该光斑进行质心位置定位，通过调节光束指向调节机构3的反射镜姿态，最终使激光的光斑位置与XFEL的荧光光斑位置重合。
关闭激光快门并撤出45°反射镜，打开XFEL光闸，再次确定XFEL的光斑位置，质心定位记录完成后，关闭XFEL，打开激光光源重复上述步骤多次，直到两种光斑的质心位置确定重叠。
优选的，选择Ce3+掺杂浓度在0.5％～0.8mol％的YAG晶体，该掺杂浓度下的荧光光子的激发效率可达到90％以上，有利于荧光光斑的成像探测。
激光与XFEL的共线调节完成后，定位激光已具有指示XFEL光束方向的功能。由于KB反射镜为掠入射反射式元件，光束以极小的入射角打在元件表面，它的等效通光孔径约为3mm。因此，需要调节变焦透镜组，改变激光光束的发散度，使定位激光的光斑可以全部打在KB反射镜元件而不会发生卡光。随着KB反射镜元件的姿态调节，定位激光可以指向XFEL光束的移动位置，从而使KB镜后端的元件例如清洁狭缝、真空差分孔等通光元件快速对准光束位置，避免打开XFEL后发生辐射损伤。进一步调节变焦透镜组，使定位激光光斑尺寸在实验腔内的样品点达到小于1mm。该位置的激光光斑可以使用实验腔内的观测显微镜进行探测。完成整个实验站的元件位置调整后，关闭定位激光，打开XFEL完成后续的调试工作。
如图3所示，展示了本发明一实施例中的一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位方法的流程示意图。所述定位方法具体包括如下各步骤：
步骤S31：打开XFEL光闸，使XFEL光束打在晶体荧光靶上产生可见光荧光光斑；通过第一光斑二维成像装置定位XFEL光束的可见光荧光光斑的质心位置并记录不同视场下的光斑位置。
步骤S32：关闭XFEL光闸并打开可见光激光光源，使其产生的激光光束通过光束指向调节机构进入第一荧光靶真空插入腔；激光光束打在晶体荧光靶上亦产生可见光荧光光斑；通过第一光斑二维成像装置定位激光光束的可见光荧光光斑的质心位置并记录不同视场下的光斑位置。
步骤S33：调节所述光束指向调节机构中的两个平面反射镜的姿态，使XFEL光束的可见光荧光光斑与激光光束的可见光荧光光斑的位置初重合。
步骤S34：关闭激光快门并撤出第一荧光靶真空插入腔中的平面反射镜，打开XFEL光闸，再次确定XFEL光束的可见光荧光光斑的位置，在光斑质心定位记录完成后关闭XFEL光闸。
步骤S35：打开可见光激光光源并重复上述步骤多次，直至XFEL光束的可见光荧光光斑与激光光束的可见光荧光光斑的位置完全重合。
需说明的是，本发明实施例中的一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位方法，其实施过程及原理与上文中的一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统相类似，故不再赘述。
综上所述，本发明提供基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统及方法，本发明通过可见光激光代替XFEL直接指示光束方向，降低了使用XFEL光束直接调试带来的辐射风险；可在大气环境下进行光束调控，易于操作；通过各部分设备的结合，可以长期稳定的工作在束线站上，可以有效提高XFEL实验的光路调试效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，包括：
可见光激光光源，用于发射可见光激光；
光斑调节机构，位于可见光激光的光路上，用于调节激光光斑尺寸；
光束指向调节机构，位于由所述光斑调节机构出射的可见光激光在经第一平面反射镜反射后的光路上，用于将激光光束从大气环境导入XFEL光束所在的真空腔体内，并调节激光光束的指向以与XFEL光束重合；
第一荧光靶真空插入腔，连接于XFEL真空飞行管道上，用于在XFEL束线管道内插入荧光晶体靶，以使可见光激光和XFEL光束都能产生可探测的荧光光斑；
第一光斑二维成像探测装置，位于真空环境外的所述第一荧光靶真空插入腔的其中一个视窗法兰处，用以观测采集所述第一荧光靶真空插入腔中的荧光晶体靶上所产生的荧光光斑二维形态并标定第一光斑质心位置。
2.根据权利要求1所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，还包括：第二荧光靶真空插入腔和第二光斑二维成像探测装置；
所述第二荧光靶真空插入腔连接于XFEL真空飞行管道上，并位于经由所述第一荧光靶真空插入腔出射的激光光束的光路上，其内设置有第二晶体荧光靶；
所述第二光斑二维成像探测装置位于真空环境外的所述第二荧光靶真空插入腔的视窗法兰处，用以观测采集所述第二荧光靶真空插入腔中的荧光晶体靶上所产生的荧光光斑二维形态并标定第二光斑质心位置；
其中，通过所述第一光斑质心位置和第二光斑质心位置是否同时重合来判断激光光束和XFEL光束是否完全共线。
3.根据权利要求1所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述光斑调节机构包括：
准直透镜、中性衰减片、扩束镜组、变焦透镜组及激光快门；
由所述可见光激光光源发出的激光光束，经由所述准直透镜及扩束镜组后，激光光束的圆度被修正并得到预设光斑直径的平行光光束；所述平行光光束经所述中性衰减片进行强度调节；经由所述中性衰减片进行强度调节后的平行光光束射向所述变焦透镜组；所述变焦透镜组由正、负透镜构成，通过调节正、负透镜之间的间距来控制平行光光束的会聚程度；由所述变焦透镜组出射的光束经第一平面反射镜反射后所述激光快门；所述激光快门用于控制可将光激光是否出光。
4.根据权利要求1所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述光束指向调节机构由第二平面反射镜和第三平面反射镜构成，两个平面反射镜使用电控镜架，以进行多维方向的调节。
5.根据权利要求1所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述第一荧光靶真空插入腔包括：
第一视窗法兰、第二视窗法兰、第一插入法兰及第二插入法兰；
第一视窗法兰为激光光束的入射口；激光光束通过所述第一视窗法兰进入真空环境；
第一插入法兰连接有一个真空一维传递杆，通过该真空一维传递杆连接按照预设角度设置的第四反射镜，以供带动所述第四反射镜插入和撤出XFEL光路；所述第四反射镜设于激光光束的光路上，反射面与XFEL光路成45°，用于将垂直于XFEL光路的可见光激光光束的传播方向进行90°转折，使其与XFEL光束的传播方向同向；
第二插入法兰连接有一个真空一维传递杆，通过该真空一维传递杆连接晶体荧光靶，以供带动所述晶体荧光靶插入和撤出XFEL光路；所述晶体荧光靶按照与所述第四反射镜相同的预设角度设置，并位于所述第四反射镜的出光路径上；
第二视窗法兰正对晶体荧光靶，窗体外侧连接有第一光斑二维成像探测装置。
6.根据权利要求1或5所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述第一光斑二维成像探测装置由定距变倍显微镜头及CMOS二维阵列探测器构成。
7.根据权利要求5所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述第一视窗法兰和第二视窗法兰采用镀有增透膜的石英窗体。
8.根据权利要求1所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述可见光激光光源包括450nm的激光二极管，其输出功率为30mW，其在水平及垂直方向产生发散角分别为7°和21°的发散光。
9.根据权利要求1所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述晶体荧光靶包括Ce:YAG晶体荧光靶、pBN晶体荧光靶。
10.根据权利要求1所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统，其特征在于，所述Ce:YAG晶体荧光靶选用Ce3+掺杂浓度在0.5％～0.8mol％的YAG晶体。
11.一种基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位方法，其特征在于，应用于如权利要求1～10中任一项所述的基于可见光激光的X射线自由电子激光器光束定位系统；所述定位方法包括：
打开XFEL光闸，使XFEL光束打在晶体荧光靶上产生可见光荧光光斑；通过第一光斑二维成像装置定位XFEL光束的可见光荧光光斑的质心位置并记录不同视场下的光斑位置；
关闭XFEL光闸并打开可见光激光光源，使其产生的激光光束通过光束指向调节机构进入第一荧光靶真空插入腔；激光光束打在晶体荧光靶上亦产生可见光荧光光斑；通过第一光斑二维成像装置定位激光光束的可见光荧光光斑的质心位置并记录不同视场下的光斑位置；
调节所述光束指向调节机构中的两个平面反射镜的姿态，使XFEL光束的可见光荧光光斑与激光光束的可见光荧光光斑的位置初重合；
关闭激光快门并撤出第一荧光靶真空插入腔中的平面反射镜，打开XFEL光闸，再次确定XFEL光束的可见光荧光光斑的位置，在光斑质心定位记录完成后关闭XFEL光闸；打开可见光激光光源并重复上述步骤多次，直至XFEL光束的可见光荧光光斑与激光光束的可见光荧光光斑的位置完全重合。
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|---|---|---|---|---|
| CN116859615A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-10-10 | 安徽创谱仪器科技有限公司 | 准直系统及方法 |
| CN118151324A (zh) * | 2024-05-13 | 2024-06-07 | 济南汉江光电科技有限公司 | 一种光学组件调节装置及调节对光方法 |
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2023
- 2023-06-05 CN CN202310655080.3A patent/CN116661136A/zh active Pending
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