CN1484005A - 超环面镜的调节方法及其专用调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超环面镜(又称为轮胎镜)的调节方法及其专用调节装置；该装置及其中的超环面镜为X射线平场谱仪的聚焦装置，可将入射辐射聚焦到光谱仪光栅前的入射狭缝上；利用该调节装置，可以很容易地将仅具有子午面曲率半径的圆柱面镜对称弯曲从而得到所需弧矢面曲率半径的超环面镜，从仅有的一维聚焦功能升级为既能聚焦又能补偿光栅的色散；该装置还兼有三维旋转(姿态)调节功能及二维平移调节功能，可以很方便地将超环面镜调节到最佳姿态和最佳位置；该装置稳定性好，结构紧凑，调节灵活、精密，操作简单、有效。

Description

超环面镜的调节方法及其专用调节装置

技术领域

本发明涉及一种X射线和极端紫外线(XUV)谱仪以及等离子体研究领域，特别是涉及掠入射平场谱仪(grazing-incidence flat-field spectrometer)中聚焦和补偿光栅的像散的超环面镜(又称为轮胎镜)的调节方法及其专用调节装置。

背景技术

八十年代以来，在诸如软X射线、X射线激光、激光产生的高次谐波以及等离子体诊断等研究领域，掠入射平场谱仪已经得到广泛应用，如下列文献所示。

1.R.J.Fonck，et al；Appl.Opt.21，2115-2123(1982)

2.T.Kita，et al；Appl.Opt.22，512-513(1983)

3.N.Nakano，et al；Appl.Opt.23，2386-2392(1984)

4.G.P.Kiehn，et al；Appl.Opt.26，425-429(1987)

早期的掠入射平场谱仪主要由一个变栅距球面光栅(spherical variable-line-space grating)、一个狭缝和一个探测器组成，如文献1-4所示。结构虽然简单，但是光栅能收集到的辐射能量很有限。为了克服这一缺点，在后来的掠入射平场谱仪中，在入射狭缝前面放置了一个聚焦镜(focusing mirror)，将源发出的辐射聚焦到谱仪的入射狭缝上，以最大限度地提高光栅收集的辐射能量。聚焦镜可以是圆柱面镜(cylindrical mirror)也可以是超环面镜(toroidal mirror)，也可以是球面镜(spherical mirror)和圆柱面镜的组合，见文献5。

5.P.Z.Fan，et al；Appl.Opt.31，6720-6723(1992)

其中，圆柱面镜仅有子午方向的曲率半径，不能补偿由于光束入射到曲面光栅上产生的像散。球面镜和圆柱面镜的组合虽然能聚焦和补偿光栅像散，但因多了一个镜子，所占空间较大，且调节起来增加了难度。而超环面镜不仅具有子午方向的曲率半径，而且还具有弧矢方向的曲率半径，因此仅使用一个超环面镜就能同时实现聚焦和补偿光栅的像散，因而现在越来越多的平场谱仪使用超环面镜作为聚焦镜，超环面镜业已成为现代掠入射平场谱仪的关键部件，使用超环面镜作为聚焦和补偿光栅像散元件的掠入射平场谱仪已经得到广泛应用，如下列文献所示。

6.J.Zhang，et al；Phys.Rev.Lett.，74，1335-1338(1995)

7.Y.Nagata，et al；Opt.Lett.21，15-17(1996)

8.C.De Lisio，et al；Phys.Rev.A，61，021801(R)(2000)

9.Luca Poletto，et al；Opt.Eng.40(2)，178-185(2001)

由于超环面镜有两个独立的曲率半径，直接加工这样的镜面较为困难，因而成本较高，已经加工好的超环面镜的曲率半径也无法再改变。另外，现有掠入射平场谱仪中的超环面镜调节架调节维数太少，调节困难，精度不高，稳定性较差。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种超环面镜的调节方法，该方法简便、实用、快速。

本发明的另一目的是针对目前流行使用的掠入射平场谱仪中的超环面镜成本较高，调节困难，精度较低和稳定性较差的缺点，提供一种新型的低成本、结构紧凑、方便调节、精度高以及稳定性好的超环面镜调节装置，从而为提高掠入射平场谱仪的各项性能尤其是分辨率提供可行的技术新途径。

本发明的主要目的通过如下措施来实现：

一种超环面镜的调节方法，包括下述步骤：

(1)将圆柱面镜固定在一专用调节装置上，在圆柱面镜的入射光路上设自准直装置，光源的光束穿过自准直装置后照射至圆柱面镜上；

(2)利用自准直法，通过观察光束穿过自准直装置的自准直孔后，由圆柱面镜反射后在自准直装置上的成像，来调节圆柱面镜的三维旋转，同时；

(3)利用专用调节装置调节圆柱面镜并使其弯曲成超环面镜，并测量超环面镜的曲率半径；从而得到所需弧矢面曲率半径的超环面镜；及

(4)利用专用调节装置将超环面镜的二维位置调节至所需位置。

上述步骤(2)的圆柱面镜的三维旋转调节包括下述步骤：

a、调节圆柱面镜绕水平轴作俯仰旋转，使得当光束穿过自准直孔由圆柱面镜反射后，其成像中心与自准直孔平行或重合；

b、调节圆柱面镜绕水平轴在竖直面内旋转，调节其倾斜角，使得当沿垂直于光束方向平移专用调节装置时，光束成像不发生上、下移动；

c、调节圆柱面镜绕竖直轴在水平面内旋转，直至光束成像中心与自准直孔重合；

d、通过上述各步调节，使得沿垂直于光束方向平移圆柱面镜时，从圆柱面镜轴线上的任意位置反射回去的光束的中心始终平行于基准平面且与自准直孔重合。

上述步骤(3)的超环面镜的调节包括下述步骤：

a、分别对圆柱面镜的两端施同等大小的力，使其沿弧矢面弯曲成超环面镜；

b、将超环面镜在水平面内沿垂直水平线方向平移距离y，此时光束成像的中心偏离自准直孔距离y’，测出超环面镜中心至自准直孔的距离x，则根据公式： $R_1=2\frac{y}{y\text{'}}\×x,$ 计算出此方向位移的超环面镜的弧矢曲率半径R₁；同上使超环面镜离原位与上述方向相反平移距离y，此时光束成像的中心相反偏离自准直孔距离y’，由上述公式计算出此方向位移的超环面镜的弧矢曲率半径R₂，比较R₁和R₂，若其相等则圆柱面镜是以中心对称弯曲成超环面镜；

c、重复上述施力及测量计算曲率半径过程，直至得到所需弧矢曲率半径的超环面镜。

本发明的另一目的可通过如下措施来实现：

一种超环面镜的专用调节装置，包括圆柱面镜、底座；该装置还包括超环面镜曲率调节系统、三维旋转调节系统、横梁高度调节系统、二维平移系统；在底座上设二维平移系统或三维旋转调节系统；二维平移系统与三维旋转调节系统相连；在二维平移系统或三维旋转调节系统上设横梁高度调节系统。

所述的曲率调节系统包括一对弯曲夹，所述的弯曲夹是在压片连接条上连接转动压片而成；在弯曲夹上设顶轴杆，顶轴杆下连有弹簧顶片和顶杆调节螺母，在弯曲夹上设有与顶轴杆平行的压杆，所述的弯曲夹固定在弯曲夹子午底座上，弯曲夹子午底座上设弯曲夹转轴；在弯曲夹的压片连接条的外侧设曲率调节旋钮；一对弯曲夹由三维旋转调节系统的横梁及其上的压紧螺母连接。

所述的三维旋转调节系统是在横梁上设垂直旋转块，所述的垂直旋转块固定在水平旋转板上，在垂直旋转块的一侧设水平旋转螺钉，在与水平旋转螺钉垂直的另一侧垂直旋转块上设倾斜角调节旋钮；在水平旋转板的一侧设方位角调节旋钮使水平旋转板绕旋转螺钉转动。

所述的横梁高度调节系统包括一横梁高度调节块和直角块，其中横梁高度调节块与横梁相连，并固定在直角块上。

所述的二维平移系统包括过渡平移板和平移块，其中过渡平移板设在平移块上，在过渡平移板和平移块上分别设有互相垂直的二维平移调节旋钮。

所述的超环面镜是由圆柱面镜沿弧矢面方向弯曲而成。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、利用本发明的调节方法及其调节装置可将价格低廉的玻璃圆柱面镜弯曲成超环面镜，代替了直接经光学加工而成的价格昂贵的超环面镜。

2、本发明的装置的各调节系统以及每个系统中各维调节相对独立，互不影响，因而调节起来甚为简便。

3、本发明的装置调节的各维调节螺杆或螺丝均为精密螺纹，各调节系统中的调节螺杆几乎都装有千分尺，便于精确读数；调节过程中整个装置可安装在精密长程平移台和精密平面底板上，可以达到很高的精度。

4、本发明的装置稳定性好，具有较好的抗震性。

5、本发明的装置体积小，结构紧凑，适于安装在谱仪有限的真空腔内。

6、本发明的装置的调节完全在谱仪外进行，方法简便、实用、快速、有效，从而为提高掠入射平场谱仪的各项性能尤其是分辨率提供可行的技术新途径。

附图说明

图1为本发明的超环面镜调节装置的主视图。

图2为本发明的超环面镜调节装置的俯视图。

图3为本发明的超环面镜调节装置的左视图。

图4为本发明的调节方法示意图

图5为本发明的调节方法中测量超环面镜弧矢曲率半径的示意图。

图中标记说明：

1-曲率调节系统

10-压杆  11-压紧螺母  12-曲率调节旋钮  13-顶轴杆

14-顶杆调节螺母  15-弹簧顶片  16-压片连接条  17-弯曲夹

18-弯曲夹转轴  19-弯曲夹子午调节底座  171-转动压片

2-三维旋转调节系统

21-横梁  22-水平旋转螺钉  23-垂直旋转块  24-方位角调节旋钮

25-倾斜角调节旋钮  26-水平旋转板  27-旋转螺钉

3-横梁高度调节系统

31-高度调节块  32-直角块

4-二维平移系统

41、42-二维平移调节旋钮  43-过渡平移板  44-平移块

5-圆柱面镜  6-底座  7-遮光保护罩  8-精密长程平移台

9-精密平面底板

具体的实施方式

参照图4，为本发明的调节方法示意图，参照图1、2、3，为本发明的调节装置的结构示意图；结合图1、2、3、4对本发明的调节方法作详细说明。

如图4所示，超环面镜调节装置由超环面镜曲率调节系统1、三维旋转调节系统2、横梁高度调节系统3、二维平移系统4、超环面镜5、底座6和遮光保护罩7等组成，将整个装置依次安装在精密长程平移台8和精密平面底板9上。利用自准直法进行调节(如图5所示)，调节过程中使用针孔屏和氦氖激光器。实施步骤如下：

1、将横梁21调节在所需高度；调节横梁高度调节系统3中的高度调节块31，将横梁调节在所需高度。

2、将超环面镜调节装置固定并调节到最佳状态。

将整个超环面镜调节装置通过底座固定在精密长程平移台8上。然后再固定在精密平面底板9的一端，长程平移台8的平移方向与精密平面底板9的长度方向垂直。旋转一对压紧螺母11，将一对弯曲夹17调至对称并处于水平状态，将其固定。

3、固定圆柱面镜5，利用自准直法，通过三维旋转调节系统2将圆柱面镜5调节到最佳姿态。

以弯曲夹17横梁21中心为对称轴将圆柱面镜5对称放入弯曲夹17中，旋动弯曲夹17上的一对顶杆螺母14至中心高度，同时调节弯曲夹17上的一对曲率调节旋钮12，使弯曲夹17正好将圆柱面镜5放置在中心高度并刚好对称地将其夹持住。将远处的氦氖激光平行于精密平面底板9照射到圆柱面镜5中央。在光路中垂直于激光方向放置一个针孔屏，让激光正好通过针孔(自准直孔)。观察透过针孔后的激光束经过圆柱面镜5反射后在针孔屏上所成的长条像。调节水平旋转螺钉22，改变圆柱面镜5的俯仰角，当像的中心正好与针孔平行或重合时，圆柱面镜5的几何中心处的半径调至平行于精密平面底板9。微调倾斜角调节旋钮25改变圆柱面镜5的倾斜角，移动精密长程平移台8，当像不跟随上下移动时，圆柱面镜5的轴线已调至平行于精密平面底板9。微调方位角调节旋钮24，改变镜子的方位角，当像的中心正好与针孔重合时，圆柱面镜5的轴线已调至垂直于入射激光束。

4、通过曲率调节系统1对圆柱面镜5施加力矩作用使其弯曲成为超环面镜，并缓慢加力，将超环面镜调节到所需要的弧矢面曲率半径。参照图5，所述的超环面镜的弧矢面曲率半径测量方法如下：将超环面镜在水平面内沿垂直水平线方向平移距离y，此时光束成像的中心偏离自准直孔距离y’，测出超环面镜中心至自准直孔的距离x，则根据公式： $R_1=2\frac{y}{y\text{'}}\×x,$ 计算出此方向位移的超环面镜的弧矢曲率半径R₁；同上使超环面镜离原位与上述方向相反平移距离y，此时光束成像的中心相反偏离自准直孔距离y’，由上述公式计算出此方向位移的超环面镜的弧矢曲率半径R₂，比较R₁和R₂，若其相等则圆柱面镜是以中心对称弯曲成超环面镜。

本发明的调节装置的具体实施方式如下：

一种超环面镜的调节方法的专用装置，包括圆柱面镜5、底座6；该装置还包括超环面镜曲率调节系统1、三维旋转调节系统2、横梁高度调节系统3、二维平移系统4；在底座6上设二维平移系统4；二维平移系统4上设三维旋转调节系统2；在三维旋转调节系统2上设横梁高度调节系统3。所述的曲率调节系统1包括一对弯曲夹17，所述的弯曲夹17是在压片连接条16上连接转动压片171而成；在弯曲夹17上设顶轴杆13，顶轴杆13下连有弹簧顶片15和顶杆调节螺母14，在弯曲夹17上设有与顶轴杆13平行的压杆10；所述的弯曲夹17固定在弯曲夹子午底座19上，弯曲夹子午底座19上设弯曲夹转轴18；在弯曲夹17的压片连接条16的外侧设曲率调节旋钮12；一对弯曲夹17由三维旋转调节系统2的横梁21连接并通过其上的压紧螺母11固定。

所述的三维旋转调节系统2是在横梁21上设垂直旋转块23，所述的垂直旋转块23通过横梁高度调节系统3的高度调节块31和直角块32固定在水平旋转板26上，在垂直旋转块23的一侧设水平旋转螺钉22，在与水平旋转螺钉22垂直的另一侧垂直旋转块23上设倾角调节旋钮25；在水平旋转板26的一侧设方位调节旋钮24，使水平旋转板26绕与二维平移系统4的过渡平移板43相连的旋转螺钉27转动。

所述的横梁高度调节系统3包括一横梁高度调节块31和直角块32，其中横梁高度调节块31与横梁21相连，并固定在直角块32上。

所述的二维平移系统4包括过渡平移板43和平移块44，其中过渡平移板43设在平移块44上，在过渡平移板43和平移块44上分别设有互相垂直的二维平移调节旋钮41、42。

所述的超环面镜是由圆柱面镜5沿弧矢面方向弯曲而成。

按图4所示的超环面镜调节方法示意图，可省去精密长程平移台8，在超环面镜曲率半径的调节中利用该装置自身的二维平移系统4中其中的一维平移旋钮进行平移。

按图4所示的超环面镜调节方法示意图，在超环面镜曲率半径的调节中省去精密平面底板9，可利用光学平台作为调节的基准平面。

按图4所示的超环面镜调节方法示意图，在超环面镜曲率半径的调节中，可将一小孔光阑置于精密平面底板9的右端代替针孔屏。

Claims (9)

1、一种超环面镜的调节方法，包括下述步骤：

(1)将圆柱面镜固定在一专用调节装置上，在圆柱面镜的入射光路上设自准直装置，光源的光束穿过自准直装置后照射至圆柱面镜上；

(2)利用自准直法，通过观察光束穿过自准直装置的自准直孔后，由圆柱面镜反射后在自准直装置上的成像，来调节圆柱面镜的三维旋转，同时；

(3)利用专用调节装置调节圆柱面镜并使其弯曲成超环面镜，并测量超环面镜的曲率半径；从而得到所需弧矢面曲率半径的超环面镜；及

(4)利用专用调节装置将超环面镜的二维位置调节至所需位置。

2、如权利要求1所述的超环面镜的调节方法，其特征在于上述步骤(2)的圆柱面镜的三维旋转调节包括下述步骤：

a、调节圆柱面镜绕水平轴作俯仰旋转，使得当光束穿过自准直孔由圆柱面镜反射后，其成像中心与自准直孔平行或重合；

b、调节圆柱面镜绕水平轴在竖直面内旋转，调节其倾斜角，使得当沿垂直于光束方向平移专用调节装置时，光束成像不发生上、下移动；

c、调节圆柱面镜绕竖直轴在水平面内旋转，直至光束成像中心与自准直孔重合；

d、通过上述各步调节，使得沿垂直于光束方向平移圆柱面镜时，从圆柱面镜轴线上的任意位置反射回去的光束的中心始终平行于基准平面且与自准直孔重合。

3、如权利要求1所述的超环面镜的调节方法，其特征在于上述步骤(3)的超环面镜的调节包括下述步骤：

a、分别对圆柱面镜的两端施同大小的力，使其沿弧矢面弯曲成超环面镜；

b、将超环面镜在水平面内沿垂直水平线方向平移距离y，此时光束成像的中心偏离自准直孔距离y’，测出超环面镜中心至自准直孔的距离x，则根据公式： $R_1=2\frac{y}{y\text{'}}\×x,$ 计算出此方向位移的超环面镜的弧矢曲率半径R₁；同上使超环面镜离原位与上述方向相反平移距离y，此时光束成像的中心相反偏离自准直孔距离y’，由上述公式计算出此方向位移的超环面镜的弧矢曲率半径R₂，比较R₁和R₂，若其相等则圆柱面镜是以中心对称弯曲成超环面镜；

c、重复上述施力及测量计算曲率半径过程，直至得到所需弧矢曲率半径的超环面镜。

4、一种用于权利要求1所述的超环面镜的调节方法的专用装置，包括圆柱面镜(5)、底座(6)；其特征在于该装置还包括超环面镜曲率调节系统(1)、三维旋转调节系统(2)、横梁高度调节系统(3)、二维平移系统(4)；在底座(6)上设二维平移系统(4)或三维旋转调节系统(2)；二维平移系统(4)与三维旋转调节系统(2)相连；在二维平移系统(4)或三维旋转调节系统(2)上设横梁高度调节系统(3)。

5、如权利要求4所述的超环面镜的专用调节装置，其特征在于所述的曲率调节系统(1)包括一对弯曲夹(17)，所述的弯曲夹(17)是在压片连接条(16)上连接转动压片(171)而成；在弯曲夹(17)上设顶轴杆(13)，顶轴杆(13)下连有弹簧顶片(15)和顶杆调节螺母(14)，在弯曲夹(17)上设有与顶轴杆(13)平行的压杆(10)；所述的弯曲夹(17)固定在弯曲夹子午底座(19)上，弯曲夹子午底座(19)上设弯曲夹转轴(18)；在弯曲夹(17)的压片连接条(16)的外侧设曲率调节旋钮(12)；一对弯曲夹(17)由三维旋转调节系统(2)的横梁(21)及其上的压紧螺母(11)连接。

6、如权利要求4所述的超环面镜的专用调节装置，其特征在于所述的三维旋转调节系统(2)是在横梁(21)上设垂直旋转块(23)，所述的垂直旋转块(23)固定在水平旋转板(26)上，在垂直旋转块(23)的一侧设水平旋转螺钉(22)，在与水平旋转螺钉(22)垂直的另一侧垂直旋转块(23)上设倾斜角调节旋钮(25)；在水平旋转板(26)的一侧设方位角调节旋钮(24)使水平旋转板(26)绕旋转螺钉(27)转动。

7、如权利要求4所述的超环面镜的专用调节装置，其特征在于所述的横梁高度调节系统(3)包括一横梁高度调节块(31)和直角块(32)，其中横梁高度调节块(31)与横梁(21)相连，并固定在直角块(32)上。

8、如权利要求4所述的超环面镜的专用调节装置，其特征在于所述的二维平移系统(4)包括过渡平移板(43)和平移块(44)，其中过渡平移板(43)设在平移块(44)上，在过渡平移板(43)和平移块(44)上分别设有互相垂直的二维平移调节旋钮(41)(42)。

9、如权利要求4所述的超环面镜的专用调节装置，其特征在于所述的超环面镜是由圆柱面镜(5)沿弧矢面方向弯曲而成。

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