CN212432962U - 一种用于高重频自由电子激光的x射线光栅单色器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，包括沿入射光的光路的走向依次排布且位于同一水平面上的光栅、第一、第二和第三反射镜，光栅和第三反射镜位于入射光所在的第一光轴上，且第一反射镜与第二反射镜的连线与所述入射光的入射方向平行；入射光为高重频自由电子激光，光栅沿竖直方向可切换位置，从而有效减少高重频自由电子激光对光栅的破坏。本实用新型的X射线光栅单色器的光学元件均位于同一水平面上，并采用沿竖直方向可切换位置的光栅，使得自由电子激光打在光栅的不同位置，减小光学元件的热沉积，从而降低光栅单色器的光栅在局部位置的破坏，使得光栅单色器可以运行在更高重复频率的自由电子激光装置下。

Description

一种用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器

技术领域

本实用新型涉及X射线光学仪器领域，具体涉及一种用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器。

背景技术

X射线光栅是一种重要的光学元件，由于可以对一定波长范围的光产生色散，被广泛用于光谱仪、光学单色器等仪器设备上。现有的X射线光栅都是采用单层光学材料镀膜，由于单光学材料的特性单一，这种光学元件往往不能同时保证分辨率与使用寿命。

X射线单色器是一种非常重要的仪器设备，被广泛应用于同步辐射光源的光学分辨、光谱净化等方面。现有的X射线单色器，根据单色波长和单色器材料的不同，可以分为基于光栅的软X射线单色器和基于砖石晶体的硬X射线单色器。现有X射线单色器长度很长、占地空间大、功能单一，不能用在超高重复频率的自由电子激光装置上。

对于高重复频率、高功率的自由电子激光装置来说，对光栅镀膜材料的破坏是不可避免的，这会导致单色器分辨率降低设置不能使用，目前的X射线光栅单色器不能有效的解决该问题。

在现有技术中，美国直线相干光源D.Cocco等人在PROCEEDINGS OF SPIE(美国工学工程学会会议)会议期刊2013年第8849卷第88490A-1页的文章“The Optical Design ofthe Soft X-ray Self Seeding at LCLS”(美国直线相干光源自种子自由电子激光方案的光学设计)中报道了美国直线相干光源自种子自由电子激光单色器的设计，该方案中的光栅采用单材料镀膜，光栅采用环面面形，单色器整体设计采用固定光栅位置的方案，光栅位置不能横向移动。该方案采用的环面光栅，加工难度大，对面形要求高，光栅的位置不能移动。该方案能够运行在常温型自种子型自由电子激光运行模式下，但在高重频运行模式下光栅的热负载会加重，因此该方案不能运行在高重频自种子自由电子激光运行模式下。

美国直线相干光源D.Ratner等人在Physical Review Letters(美国物理评论快报)杂志2015年第114卷第054801-1页的文章“Experimental Demonstration of a SoftX-Ray Self-Seeded Free-Electron Laser”(软X射线自种子自由电子激光的实验验证)中报道了美国直线相干光源自种子自由电子激光单色器的实验，该实验中的单色器采用上文的D.Cocco在期刊中提到的设计方案，该单色器主要用途是用于自种子自由电子激光运行模式，美国直线相干光源(LCLS)完成了世界唯一完成的自种子自由电子激光运行模式实验。该装置是运行在100Hz这种低重复频率模式下的，因此不需要考虑热负载对单色器的破坏。

目前高重复频率模式已经成为自由电子激光领域一个重要发展方向，但对于高重频自种子自由电子激光运行模式，由于目前上述实验中的光栅不能横向移动，随着装置重复频率增加，会逐渐对光栅造成破坏性的影响，从而导致分辨率降低，因此上述装置还不能用于高重频自种子自由电子激光运行模式下，不适用于现在世界上都在建设1MHz(10⁶Hz)这种高重复频率的自由电子激光装置。高重复频率运行对光栅会照成破坏性的影响或会影响光栅分辨率，从而影响自种子型自由电子激光运行模式的实际运行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，以在高重频运行模式下有效地保护光栅。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其安装于一高能自由电子激光装置中，包括沿一水平入射的入射光的光路的走向依次排布且位于同一水平面上的一光栅、一第一反射镜、一第二反射镜和一第三反射镜，光栅和第三反射镜位于所述入射光所在的第一光轴上，且第一反射镜与第二反射镜的连线与所述入射光的入射方向平行；所述入射光为高重频自由电子激光，所述光栅沿竖直方向可切换位置，从而有效减少高重频自由电子激光对光栅的破坏。

所述光栅设有对应的机械调节机构，光栅的机械调节机构为光栅的机械调节机构设置为对光栅进行转动调节以使得入射到光栅上的光在分光后打在第一反射镜上，并设置为对光栅在竖直方向上的位置进行调节，使得光栅沿竖直方向可切换位置。

所述光栅与一水冷系统连接。

所述光栅为柱面变线距光栅，其包括基底、分别设于基底的不同位置上的多层镀膜和刻蚀于镀膜上的光栅刻线。

所述镀膜的数量为双层，不同层的镀膜的材料不同，所述镀膜的材料包括金、碳化硼、铂和镍中的至少两种。

所述光栅刻线的延伸方向为竖直方向，且光栅刻线的密度为2400线/毫米。

所述第二反射镜和第三反射镜之间设有一个调节方向平行于入射光的入射方向的狭缝，第一反射镜、狭缝与第二反射镜位于同一直线上。

所述光栅的表面在光栅的子午方向上聚焦，所述狭缝处于所述光栅在光栅的子午方向上的聚焦位置上。

本实用新型的用于高重频自种子自由电子激光的X射线光栅单色器的光栅、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均位于同一水平面上，并采用沿竖直方向可切换位置的光栅，可以使得自由电子激光打在光栅的不同位置，减小光学元件的热沉积，从而降低光栅单色器的光栅在局部位置的破坏，使得该光栅单色器可以运行在更高重复频率的自由电子激光装置下。此外，光栅与一水冷系统连接，能够快速将光栅产生的热负载带走，防止光栅被破坏，从而提高了镀膜材料的损伤阈值。再者，光栅上设有多层不同材料的镀膜，使得单色器同时覆盖多种材料的光子能量覆盖范围，从而覆盖更大范围的X射线光谱范围。本实用新型还采用柱面变线距光栅，柱面光栅加工难度相对较小，变线距光栅可以有效地消除成像过程中的像差，可以增加光栅的色散能力，进而提高光栅单色器的光谱分辨率；同时采用位置和开口尺寸可调的狭缝，可以根据不同波长的光聚焦位置的不同移动狭缝前后位置，进而有效的增加光谱分辨率。另外，本实用新型的第一反射镜的机械调节机构设置为使得第一反射镜绕一转动轴转动，因此只需要调节第一反射镜的转动角度和狭缝的位置，就能对不同光子能量的光进行扫描，简单易实现。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个实施例的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器的简图；

图2是如图1所示的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器的俯视结构示意图。

图3是如图1所示的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器的光栅的结构示意图；

图4是如图1所示的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器的光子能量扫描方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1所示是根据本实用新型的一个实施例的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器的连接关系图。图2是如图1所示的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器的结构示意图。所述X射线光栅单色器基于可移动的光栅，在本实施例中，其基于可移动的柱面变线距光栅。

如图1-图2所示，本实用新型的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器安装于一高能自由电子激光装置中，其包括：沿一水平入射的入射光的光路的走向依次排布的一光栅1、一第一反射镜2、一第二反射镜3和一第三反射镜4。所述第二反射镜3和第三反射镜4之间设有一个调节方向平行于入射光的入射方向100的狭缝5。光栅1、第一反射镜2和狭缝5均设有对应的机械调节机构61、62、63，其中，光栅1的机械调节机构61最精确、最复杂。所述入射光为自由电子激光，光栅1为柱面变线距光栅，第一反射镜2为平面反射镜；第二反射镜3和第三反射镜4的其中之一为弧失方向聚焦的第一柱面反射镜，另一个为子午方向聚焦的第二柱面反射镜。

光栅1、第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4均位于同一水平面上，即光栅1、第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4的法线均位于水平面上，且光栅1、第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4这些光学元件的中心均位于同一高度上。光栅1和第三反射镜4位于入射光所在的第一光轴I上，且第一反射镜2、狭缝5与第二反射镜3位于同一直线上，第一反射镜2、狭缝5与第二反射镜3的连线与所述入射光的入射方向100平行。

如图2所示，所述光栅1为光栅单色器的光路中排布的第一个光学元件，用于对宽谱的自由电子激光脉冲进行分光与偏转。所述光栅1的表面的中心位置距离自由电子激光的出射点的距离为2米，光栅1的掠射角α(即光栅1的入射光与光栅1的平面的夹角)为1度。光栅1设置为使得入射到光栅1上的广谱光发生色散并打在水平方向上的不同位置上，具体来说，光经过光栅1之后会产生衍射，衍射过程满足：nλ＝2dsinθ，其中，n为谐波次数，λ为光波长，d为光栅刻线间距，θ为衍射角；根据衍射方程，不同辐射波长的光会沿不同的传播方向传播(衍射角不同)，进而打在第一反射镜2的不同水平位置上，不同波长的光在水平位置上会有所不同。

光栅1与一水冷系统7连接，以降低单色器中光栅的热负载，防止对光学元件的破坏。具体地，所述光栅1放置在一光学支撑镜架上，且水冷系统7通过光学支撑架以进行水冷。光栅1的机械调节机构61设置为对光栅进行转动调节以使得入射到光栅1上的光在分光后打在第一反射镜2上，并设置为对光栅1在竖直方向200(即垂直于图2纸面的方向)上的位置进行调节，使得光栅1沿竖直方向200可切换位置，对光打在光栅1上的位置进行移动，从而有效减少高强度的高重频自由电子激光对光栅1的破坏。

如图3所示，所述光栅1为所述的柱面变线距光栅，用于提高光栅单色器的分辨率。所述光栅1包括基底11、分别设于基底11的不同位置上的多层镀膜12和刻蚀于镀膜12上的光栅刻线13。所述光栅1的表面在光栅的子午方向上聚焦，即光栅1的表面在光栅的子午方向有一定半径。在本实施例中，所述光栅1的子午方向300为水平且平行于光栅1的表面的方向(即光的传播方向)，光栅1的表面在光栅的子午方向300上的半径大小为26200米，可以有正负5％的误差，用于对光进行光栅的子午方向300的聚焦，当光学元件之间的距离发生变化时，光栅1的表面在光栅的子午方向上的半径也要发生变化。在本实施例中，镀膜12的数量为双层，即第一层镀膜12设置在基底11的一个位置上，第二层镀膜12设置在基底的另一个位置上；且不同层的镀膜12的材料不同，以通过机械位置的切换来切换不同材料的镀膜，从而实现覆盖更大范围的X射线光谱范围。镀膜12的材料包括金、碳化硼、铂和镍中的至少两种。本实用新型增加了碳化硼这种损伤阈值相对较高的材料，可以有效地提高损伤阈值。镀膜12的尺寸为15毫米×30毫米。光栅刻线13是在镀膜材料上的具有周期结构的刻线，光栅刻线13的延伸方向为竖直方向200。在本实施例中，光栅刻线13的密度为2400线/毫米。

再请参见图1和图2，所述第一反射镜2为光栅单色器的光路中排布的第二个光学元件，其用于光的反射与不同光子能量的扫描。在本实施例中，所述第一反射镜2与入射光所在的第一光轴I的偏离距离L1为5毫米。

如图1和图4所示，所述第一反射镜2的机械调节机构62设置为使得第一反射镜2绕一转动轴O转动，转动轴O与所述光栅1的表面的中心位置的连线垂直于入射光的入射方向100，且转动轴O与所述光栅1的表面的中心位置的距离为所述第一反射镜2与入射光所在的第一光轴I的偏离距离的一半(即转动轴O位于图4中光栅1的表面中心位置以下2.5mm处)，以通过转动平面镜对不同光子能量的光进行能量扫描，使得需要单色的光子能量的光沿着平行于入射光的方向传播。

再请参见图1和图2，由于光栅1为柱面变线距光栅，因此所述狭缝5处于光经过平面镜后的传播路径上，并且处于所述光栅1在光栅的子午方向上的聚焦位置上。在本实施例中，所述光栅1在光栅的子午方向上的聚焦位置与第一反射镜2的距离约为1.56米。此外，由于在对不同的光子能量的入射光进行扫描时，不同光子能量的入射光的聚焦位置会发生一定的变化，因此，上述的能量扫描过程中，狭缝5为可移动的，且狭缝5的移动方向需要平行于入射光的入射方向100。狭缝5的移动范围为±10mm，在本实施例中，狭缝5的调节精度为在0-1毫米的调节范围内实现2微米的调节精度。狭缝5沿竖直方向200延伸，其宽度可以根据聚焦光斑大小进行调节。其中，狭缝5的机械调节机构63设置为对狭缝5的移动位置和宽度进行调节。由此，通过狭缝5的调节可以提高光栅光谱仪的分辨率，狭缝处不同光子能量的光分布在狭缝处不同垂直位置，只有中心光子能量附近窄光谱带宽的光可以通过狭缝，从而通过光谱选择进行单色化。

所述第二反射镜3和第三反射镜4用于将光反射到原传播路径上(即入射光所在的第一光轴I上)。沿光路入射到第二反射镜3和第三反射镜4时的入射角相同，在本实施例中，沿光路入射到第二反射镜3和第三反射镜4时的入射角均为89度。第二反射镜3和第三反射镜4的其中之一为弧失方向聚焦的第一柱面反射镜，另一个为子午方向聚焦的第二柱面反射镜，以实现将光聚焦到波荡器入口前的2米处。其中，第二反射镜3和第三反射镜4的子午方向为平行于反射镜表面且水平的方向(即光的传播方向)，反射镜的弧失方向为竖直方向200。在本实施例中，第二反射镜3为弧失方向聚焦的第一柱面反射镜，其在弧失方向有一定的半径，半径为97毫米，用于在弧失方向的聚焦；第三反射镜4为子午方向聚焦的第二柱面反射镜，第三反射镜4在其子午方向有一定半径，半径为37.7米，用于在第三反射镜4的子午方向的聚焦。第二反射镜3和第三反射镜4的半径的值可以有5％的加工误差。第二反射镜3和第三反射镜4同样均设有多层镀膜，在本实施例中，采用双层镀膜。

本实用新型的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器安装于高能自由电子激光装置中的一波荡器中间，以实现对自由电子激光的输出进行单色化，且第二反射镜3和第三反射镜4的聚焦位置都位于下游的波荡器的入口前的2米处。此外，光栅1和第三反射镜4的基底均采用镂空设计，从而为自由电子激光的电子束提供轨道空间。

由此，本实用新型的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，采用了使光栅可横向切换位置的机械结构，以实现光栅横向位置切换，从而有效的减少高强度X射线对光栅的破坏；且其光栅结构在基底的不同位置上采用了多层不同材料的镀膜，以实现覆盖更大范围的软X射线光谱范围；此外，该X射线光栅单色器可以安装在高能自由电子激光装置中的波荡器中间，实现对自由电子激光的输出进行单色；另外，该X射线光栅单色器采用柱面变线距光栅，实现在5米的长度内达到较高的分辨率。

本实用新型所述的在高重复频率自由电子激光装置中对广谱的软X射线进行单色的方法具有能够在高重复频率自由电子激光装置下运行、覆盖光谱范围广、高分辨率、调节简单等优点，只需要对光栅进行横向位置移动并开启水冷系统，就可以实现自种子自由电子激光运行模式运行在高重复频率模式下，但这一方法对机械系统的运动精度和系统的稳定性有极高的要求。机械系统的运动精度和系统的稳定性决定本实用新型的运行效果。

本实用新型的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器所采用的机械调节精度和光学元件的加工精度要非常精确；光栅横向位移精度、平面镜片的转动精度和光栅的加工精度等决定该方法的降低光栅热沉积能力和光谱分辨能力，光栅横向调节精度为在正负2毫米范围内实现5微米的调节精度，转动精度要在0.2度的范围内实现5角秒(1度＝3600角秒)的调节精度，光栅1的表面粗糙度要好于0.5微弧度，光栅1的光栅刻线的密度精度要好于正负0.2％，从而可以在高重频自由电子激光装置下实现5000以上的分辨率。

基于上述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，所实现的用于高重频自由电子激光的对广谱X射线进行单色的方法，包括以下步骤：

步骤S1，提供上文所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，将宽谱的自由电子激光作为入射光入射到所述X射线光栅单色器的光栅1上，通过光栅1对自由电子激光进行分光与聚焦；

所述步骤S1还包括：对光栅1在竖直方向200(即垂直于图2纸面的方向)上的位置进行调节，从而有效降低高强度自由电子激光对光栅同一横向位置镀层的破坏；

所述光栅1的基底11的不同位置上可以设有多层不同材料的镀膜，且所述步骤S1还包括：通过对入射光入射到光栅1上的位置进行调节来切换入射到不同材料的镀膜上，以实现同时覆盖两种镀层的光谱单色范围。

此外，所述光栅1与一水冷系统7连接，能够将光栅工作过程产生的热量带走；

步骤S2，通过第一反射镜2沿转动轴调节，使光沿水平方向传播；

步骤S3，采用狭缝5将不要的光挡在狭缝5处；

步骤S4，采用第二反射镜3和第三反射镜4分别对光进行弧失方向和子午方向的聚焦，并将光偏折到入射光所在的第一光轴I。其中，通过高分辨光栅1的衍射和第二反射镜3和第三反射镜4的聚焦，使得单色后的光水平进入波荡器入口，同时使光的聚焦点在波荡器前2米处。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本实用新型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，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其安装于一高能自由电子激光装置中，其特征在于，包括沿一水平入射的入射光的光路的走向依次排布且位于同一水平面上的一光栅(1)、一第一反射镜(2)、一第二反射镜(3)和一第三反射镜(4)，光栅(1)和第三反射镜(4)位于所述入射光所在的第一光轴(I)上，且第一反射镜(2)与第二反射镜(3)的连线与所述入射光的入射方向(100)平行；所述入射光为高重频自由电子激光，所述光栅(1)沿竖直方向(200)可切换位置。

2.根据权利要求1所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其特征在于，所述光栅(1)设有对应的机械调节机构(61)，光栅(1)的机械调节机构(61)为光栅(1)的机械调节机构(61)设置为对光栅进行转动调节以使得入射到光栅(1)上的光在分光后打在第一反射镜(2)上，并设置为对光栅(1)在竖直方向(200)上的位置进行调节，使得光栅(1)沿竖直方向(200)可切换位置。

3.根据权利要求1所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其特征在于，所述光栅(1)与一水冷系统(7)连接。

4.根据权利要求1所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其特征在于，所述光栅(1)为柱面变线距光栅，其包括基底(11)、分别设于基底(11)的不同位置上的多层镀膜(12)和刻蚀于镀膜(12)上的光栅刻线(13)。

5.根据权利要求4所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其特征在于，所述镀膜(12)的数量为双层，不同层的镀膜(12)的材料不同，所述镀膜(12)的材料包括金、碳化硼、铂和镍中的至少两种。

6.根据权利要求4所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其特征在于，所述光栅刻线(13)的延伸方向为竖直方向(200)，且光栅刻线(13)的密度为2400线/毫米。

7.根据权利要求1所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其特征在于，所述第二反射镜(3)和第三反射镜(4)之间设有一个调节方向平行于入射光的入射方向(100)的狭缝(5)，第一反射镜(2)、狭缝(5)与第二反射镜(3)位于同一直线上。

8.根据权利要求7所述的用于高重频自由电子激光的X射线光栅单色器，其特征在于，所述光栅(1)的表面在光栅的子午方向上聚焦，所述狭缝(5)处于所述光栅(1)在光栅的子午方向上的聚焦位置上，且狭缝(5)的宽度可调。

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