CN203688920U - 一种低损耗极紫外光传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低损耗极紫外光传输系统，包括超环面镜、光栅；超环面镜为非球面掠入射型超环面镜；光栅为掠入射型凹面聚焦光栅；超环面镜的入射光为极紫外光，入射光的光源位于超环面镜物点处；入射光依次经过超环面镜和光栅后，聚焦在为平面的光谱面上；光栅位于超环面镜聚焦点和光谱面之间；光栅表面设有光栅线；光栅线密度的分布满足公式关系：d(w)＝d₀+d₁w+d₂w²+d₃w³，其中，w为每条光栅线的中点距离光栅中心法线的距离；d₀为光栅线密度，d₀＝1190～1210l/mm；d₁＝-3.646～-3.446mm^-2，d₂＝8.556～8.756×10^-3mm^-3，d₃＝-2.309～-2.109×10^-5mm^-4。本实用新型提供了一种可以降低极紫外光聚焦反射过程的能量损失的低损耗极紫外光传输系统。

Description

一种低损耗极紫外光传输系统

技术领域

本实用新型属于强光物理技术领域，涉及一种低损耗极紫外光传输系统。

背景技术

时间分辨的超快现象向更深层次的拓展迫切需要能够提供可为之使用的探测手段—更短的光脉冲，这意味着人们要在缩短光脉冲宽度方面做出积极有力的努力，当然这首先包括目前熟知的可见光谱区几个飞秒脉宽的光脉冲，同时其他光谱区可能的光源也在人们的研究探索范围之内。

飞秒脉冲产生及控制技术的成熟，如空心光纤脉冲压缩技术和载波包络相位锁定技术的出现，促成了可重复性良好的超短超强疏周期飞秒脉冲产生技术的出现，而这使得光学已经从微扰非线性光学机制阶段进入非微扰非线性光学机制—强场非线性光学(或称为极端非线性光学)机制阶段。强场光学高次谐波产生理论研究的不断深入直至最后高次谐波产生阿秒脉冲群及单阿秒脉冲成熟理论的建立拉开了以2001年首次产生脉宽在阿秒量级单极紫外射线光脉冲为序幕的阿秒研究热潮。21世纪的第一个十年见证了人们在这方面卓有成效的探索及其取得的骄人进展，强场原子分子相互作用高次谐波产生过程已经被证明为行之有效的产生极紫外波段新光源的主要方法，截至目前，极紫外阿秒光脉冲宽度已达到67as，单能量却仅仅达到亚纳焦量级，基于这个水平虽然已经开展了一些原子内部俄歇电子弛豫等现象的诊断研究，但这样的能量距离其被预测所具有的广泛应用层面还存在着一定的差距。因此，产生脉宽更短、单脉冲能量更高的极紫外阿秒光脉冲是当前和今后较长一段时间内强场物理领域的主要目标之一。根据脉冲时间宽度—脉宽τ_p—与其对应频谱宽度Δv之间由傅立叶变换所决定的约束关系τ_p.Δv≈0.44可知(这里考虑的是变换限定脉冲的情况)，阿秒光脉冲在时间宽度上的缩短直接意味着其频谱的变宽，这使得用于阿秒光脉冲传输及特性分析测等关键部件的性能也要作相应的匹配调整。当前，在脉宽为几百个阿秒的极紫外光脉冲的聚焦传输方面，常用的是Mo/Si多层介质球面镜，它的平均反射率仅有10％左右，这使得源于高阶谐波产生过程的原本能量较低的单阿秒脉冲，真正用于阿秒泵浦-探测式应用研究的能量已非常低。这无疑限制了这种新型极紫外光源的应用领域，同时也增加了系统的调试难度。更重要的是，随着这种极紫外脉冲脉宽的变短，这种介质镜在更宽光谱上的反射率将急剧降低。因此，从强场物理阿秒研究及相关应用的实际需求考虑，开展低损耗极紫外阿秒脉冲传输分析系统的设计研究，是非常有必要的。

实用新型内容

本实用新型为了降低极紫外光聚焦反射过程的能量损失、减小极紫外光测量过程中由聚焦像差引起的测量误差、以及提高极紫外光光谱分析监测的可操作性，提出了一种低损耗极紫外光传输系统。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种低损耗极紫外光传输系统，其特殊之处在于：

包括超环面镜、光栅；

所述超环面镜为非球面掠入射型超环面镜；光栅为掠入射型凹面聚焦光栅；

超环面镜的入射光为极紫外光，入射光的光源位于超环面镜物点处；

所述入射光经过超环面镜聚焦后为聚焦光，该聚焦光再入射至光栅，经过光栅衍射后，成为衍射光，最后该衍射光均聚焦在光谱面上，该光谱面为平面；

所述光栅位于超环面镜聚焦点和光谱面之间；光栅表面设有光栅线；光栅线密度的分布满足如下公式关系：

d(w)＝d₀+d₁w+d₂w²+d₃w³，

其中，w为每条光栅线的中点距离光栅中心法线的距离；d₀为光栅线密度，d₀＝1190～1210l/mm；d₁＝-3.646～-3.446mm^-2，d₂＝8.556～8.756×10^-3mm^-3，d₃＝-2.309～-2.109×10^-5mm^-4。

上述入射光、聚焦光和衍射光均位于同一平面；

超环面镜触光面横向方向上的面为横向面，纵向方向上的面为纵向面；

横向面的曲率半径R_h＝3225～3235mm，纵向面的曲率半径Rv＝89.5～91.5mm；

入射光经过超环面镜聚焦后，产生横向面聚焦点和纵向面聚焦点，所述横向面聚焦点和纵向面聚焦点均与超环面镜聚焦点重合；

超环面镜物点与超环面镜中心之间的距离为r；聚焦点与超环面镜中心之间的距离为r′；

入射光与超环面镜中心法线之间的夹角为80.4°，且r和r′满足如下公式关系， $\frac{1}{r}+\frac{1}{r^{\′}}=\frac{1}{270}.$

上述横向面的曲率半径R_h＝3230mm，纵向面的曲率半径Rv＝90.5mm。

上述r＝r′。

上述r＝r′＝540mm。

上述超环面镜为镀金超环面镜。

上述超环面镜中心法线与水平面平行。

上述d₀＝1200l/mm，d₁＝-3.546mm^-2，d₂＝8.656×10^-3mm^-3，d₃＝-2.209×10^-5mm^-4。

波长为λ的衍射光在光谱面上的聚焦位置与光栅中心之间的距离为r_g(λ)；波长为λ的衍射光的衍射角为β(λ)；光栅线之间的距离为σ，σ＝1/d(w)≈1/d₀；衍射光的衍射级数为m；聚焦光至光栅的入射角α′＝87°，所述光栅的曲率半径R_g＝13440～13460mm，

聚焦点与光栅中心的距离为r_i＝564mm，

所述λ、r_g(λ)、β(λ)、σ、m、α′、Rg和r_i满足如下公式关系：

σ[sinα′-sinβ(λ)]＝mλ，

$\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}^{\′}}{r_i}+\frac{{\cos }^2\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}{r_g\left(\mathrm{\λ}\right)}-\frac{\cos {\mathrm{\α}}^{\′}+\cos \mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}{R_g}+{\mathrm{m\λd}}_1=0.$

上述λ＝5～32mm，m＝1，R_g＝13450mm，光栅中心与光谱面之间的距离r_g＝563.2mm，波长为λ的衍射光在光谱面上的宽度L＝95mm。

本实用新型具有以下技术效果：

1、本实用新型采用了超环面镜，可有效减小极紫外光的聚焦像差；

2、本实用新型采用了触光面镀金的超环面镜，可有效降低极紫外光聚焦反射过程的能量损失；

3、本实用新型采用凹面聚焦型光栅，可大大提高极紫外光光谱分析监测的简易性。

附图说明

图1本实用新型结构示意图；

图2超环面镜的正视图；

图3超环面镜的立体结构示意图；

图4超环面镜横向面的聚焦示意图；

图5超环面镜纵向面的聚焦示意图；

图6镀金超环面镜的反射率；

图7聚焦光与衍射光的光路示意图；

图8β(λ)随衍射光波长的变化关系图；

图9r_g(λ)及r_g随衍射光波长的变化关系图；

图10波长在5～32nm范围内的衍射光在光谱面上的分布图。

附图标记：1-极紫外光源；2-极紫外光；3-超环面镜；4-超环面镜聚焦点；5-光栅；6-光谱面。

具体实施方式

本实用新型提供一种低损耗极紫外光传输系统，如图1所示，包括超环面镜3、光栅5；超环面镜为非球面掠入射型超环面镜；超环面镜的入射光为极紫外光2，入射光的光源位于超环面镜物点处，即极紫外光源1位于超环面镜物点处。

入射光经过超环面镜聚焦后为聚焦光，该聚焦光再入射至光栅，经过光栅衍射后，成为衍射光，最后该衍射光均聚焦在光谱面6上，该光谱面为平面，因而本实用新型的光栅为光电直读光谱记录提供了方便，省却了平面光栅所要求的光谱显示记录过程中不断移动探测器的麻烦，也正因此，在实际应用中常将这样的光谱仪称为平场光谱仪。本实用新型的极紫外光可以将通过近红外光和惰性气体经过物理化学反应生成。

本实用新型的光栅位于超环面镜聚焦点4和光谱面之间，光栅为掠入射型凹面聚焦光栅，可以由形状为凹球面反射镜的毛胚刻成，该光栅与平面光栅的主要区别在于：凹面光栅本身既是色散元件，又是聚焦元件，因而凹面光栅分光仪的色差小；同时掠入射的使用条件也决定其反射损失率小，所以能用到远紫外光谱区。光栅表面设有光栅线；光栅线密度的分布满足如下公式关系：

d(w)＝d₀+d₁w+d₂w²+d₃w³    (1)，

其中，w为每条光栅线的中点距离光栅中心法线的距离；d₀为光栅线密度，d₀＝1190～1210l/mm；d₁＝-3.646～-3.446mm^-2，d₂＝8.556～8.756×10^-3mm^-3，d₃＝-2.309～-2.109×10^-5mm^-4。其中当d₀＝1200l/mm、d₁＝-3.546mm^-2、d₂＝8.656×10^-3mm^-3、d₃＝-2.209×10^-5mm^-4时，各级衍射光在光谱面上具有较好的光谱锐度。

为了便于实施本实用新型，在使用本实用新型时，本实用新型的整个光路处于同一平面，即入射光、聚焦光和衍射光均位于同一平面，在使用的过程中，优选将超环面镜中心法线与水平面保持平行，此时，半径为R_h的圆面处于水平面，该水平面即光路所在的平面。如2和图3所示，本实用新型的超环面镜触光面横向方向上的面为横向面，纵向方向上的面为纵向面；超环面镜在横向方向上的长度可以为50mm，纵向方向上的长度可以为25mm，横向面的曲率半径R_h＝3225～3235mm，纵向面的曲率半径Rv＝89.5～91.5mm。纵向面的曲率半径R_v＝90.5mm、横向面的曲率半径R_h＝3230mm。

如图4和图5，物点与超环面镜中心之间的距离为r；横向面聚焦点与超环面镜中心之间的距离为r_h；纵向面聚焦点与超环面镜中心之间的距离为r_v；横向面内，入射光与超环面镜中心法线之间的夹角为α；其中，r_h＝r_v；

R_h、Rv、r、r_h、r_v及α满足如下公式关系：

$\frac{1}{r}+\frac{1}{r_h}=\frac{2}{R_h\cos \mathrm{\α}}---\left(2\right),$

$\frac{1}{r}+\frac{1}{r_v}=\frac{2\cos \mathrm{\α}}{R_v}---\left(3\right).$

聚焦点与超环面镜中心之间的距离为r′，入射光经过超环面镜聚焦后，产生横向面聚焦点和纵向面聚焦点，为了保证对入射的极紫外光更好的聚焦效果以消除像散，减少能量的损耗，使横向面聚焦点和纵向面聚焦点均与超环面镜聚焦点重合，则r′＝r_h＝r_v。

结合公式(2)和公式(3)，则α＝80.4°，且r和r′满足公式(4)的关系，公式(4)为：

$\frac{1}{r}+\frac{1}{r^{\′}}=\frac{1}{270}---\left(4\right).$

为了进一步降低入射光在传输过程中的能量损耗，横向面的曲率半径R_h＝3230mm，纵向面的曲率半径Rv＝90.5mm；r＝r′，r和r′均可以为540mm。

超环面镜为镀金超环面镜。镀金超环面镜的反射率如图6所示，在掠入射角为9°时，可知平均反射率高达50％。

如图7，对于经过光栅衍射后的衍射光，波长为λ的衍射光在光谱面上的聚焦位置与光栅中心之间的距离为r_g(λ)；波长为λ的衍射光的衍射角为β(λ)；光栅线之间的距离为σ，σ＝1/d(w)≈1/d₀；衍射光的衍射级数为m；聚焦光至光栅的入射角α′＝87°，光栅的曲率半径R_g＝13440～13460mm，优选光栅的曲率半径R_g＝13450mm，

聚焦点与光栅中心的距离为r_i＝564mm，

λ、r_g(λ)、β(λ)、σ、m、α′、Rg和r_i满足如下公式关系：σ[sinα′-sinβ(λ)]=mλ    (5)，

$\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}^{\′}}{r_i}+\frac{{\cos }^2\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}{r_g\left(\mathrm{\λ}\right)}-\frac{\cos {\mathrm{\α}}^{\′}+\cos \mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}{R_g}+\mathrm{m\λ}{d}_1=0---\left(6\right).$

本实用新型的光栅为凹面光栅，对于此凹面聚焦光栅而言，其一级衍射光在所有衍射光中占的比重最大，因而可仅考虑衍射级数m＝1的情况。β(λ)随衍射光波长的变化关系如图8所示，r_g(λ)随衍射光波长的变化关系如图9所示，根据不同波长衍射光的聚焦位置距离光栅中心法线垂直距离r_g的曲线可以看出，波长在λ＝5～32nm范围内的衍射光的聚焦位置大致在与光栅中心法线平行且距离光栅中心法线为563.2mm的平面内，也即r_g＝563.2mm。因而在实际光谱仪的使用中，不同波长衍射光在光谱面上的位置如图10所示，由图可知，5～32nm波长范围的衍射光分布在光谱平面上宽度为L＝95mm的范围内。

Claims (10)

1.一种低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：

包括超环面镜、光栅；

所述超环面镜为非球面掠入射型超环面镜；光栅为掠入射型凹面聚焦光栅；

超环面镜的入射光为极紫外光，入射光的光源位于超环面镜物点处；

所述入射光经过超环面镜聚焦后为聚焦光，该聚焦光再入射至光栅，经过光栅衍射后，成为衍射光，最后该衍射光均聚焦在光谱面上，该光谱面为平面；

所述光栅位于超环面镜聚焦点和光谱面之间；光栅表面设有光栅线；光栅线密度的分布满足如下公式关系：

d(w)＝d₀+d₁w+d₂w²+d₃w³，

其中，w为每条光栅线的中点距离光栅中心法线的距离；d₀为光栅线密度，d₀＝1190～1210l/mm；d₁＝-3.646～-3.446mm^-2，d₂＝8.556～8.756×10^-3mm^-3，d₃＝-2.309～-2.109×10^-5mm^-4。

2.根据权利要求1所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：

所述入射光、聚焦光和衍射光均位于同一平面；

超环面镜触光面横向方向上的面为横向面，纵向方向上的面为纵向面；

横向面的曲率半径R_h＝3225～3235mm，纵向面的曲率半径Rv＝89.5～91.5mm；

入射光经过超环面镜聚焦后，产生横向面聚焦点和纵向面聚焦点，所述横向面聚焦点和纵向面聚焦点均与超环面镜聚焦点重合；

超环面镜物点与超环面镜中心之间的距离为r；聚焦点与超环面镜中心之间的距离为r′；

入射光与超环面镜中心法线之间的夹角为80.4°，且r和r′满足如下公式关系， $\frac{1}{r}+\frac{1}{r^{\′}}=\frac{1}{270}.$

3.根据权利要求2所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：所述横向面的曲率半径R_h＝3230mm，纵向面的曲率半径Rv＝90.5mm。

4.根据权利要求3所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：所述r＝r′。

5.根据权利要求4所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：所述r＝r′＝540mm。

6.根据权利要求5所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：所述超环面镜为镀金超环面镜。

7.根据权利要求6所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：所述超环面镜中心法线与水平面平行。

8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：

所述d₀＝1200l/mm，d₁＝-3.546mm^-2，d₂＝8.656×10^-3mm^-3，d₃＝-2.209×10^-5mm^-4。

9.根据权利要求8所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：

波长为λ的衍射光在光谱面上的聚焦位置与光栅中心之间的距离为r_g(λ)；波长为λ的衍射光的衍射角为β(λ)；光栅线之间的距离为σ，σ＝1/d(w)≈1/d₀；衍射光的衍射级数为m；聚焦光至光栅的入射角α′＝87°，所述光栅的曲率半径R_g＝13440～13460mm，

聚焦点与光栅中心的距离为r_i＝564mm，

所述λ、r_g(λ)、β(λ)、σ、m、α′、Rg和r_i满足如下公式关系：

σ[sinα′-sinβ(λ)]＝mλ，

$\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}^{\′}}{r_i}+\frac{{\cos }^2\mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}{r_g\left(\mathrm{\λ}\right)}-\frac{\cos {\mathrm{\α}}^{\′}+\cos \mathrm{\β}\left(\mathrm{\λ}\right)}{R_g}+{\mathrm{m\λd}}_1=0.$

10.根据权利要求9所述的低损耗极紫外光传输系统，其特征在于：

所述λ＝5～32mm，m＝1，R_g＝13450mm，光栅中心与光谱面之间的距离r_g＝563.2mm，波长为λ的衍射光在光谱面上的宽度L＝95mm。

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