一種工作在軟x射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵及其設(shè)計(jì)方法，將兩種不同的平場(chǎng)光柵G1和G2做在同一基底上，形成一個(gè)整體的并聯(lián)平場(chǎng)光柵。該光柵工作在掠入射條件下，適用于軟X射線波段。根據(jù)凹面光柵的像差理論，優(yōu)化G1和G2的工作參數(shù)（入射距離、入射角度、成像位置），使其完全相同，因此二者可以同時(shí)工作。并聯(lián)平場(chǎng)光柵的工作波段是二者之和，可以有效的擴(kuò)展光柵的工作波段。并聯(lián)平場(chǎng)光柵解決了平場(chǎng)光柵工作波段較窄的問題，為同時(shí)測(cè)量軟X射線較寬光譜提供了一種有效技術(shù)。
【專利說明】一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及平場(chǎng)光柵的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)I (參見文獻(xiàn) Toshiaki Kita, Tatsuo Harada, N.Nakano, H.Kuroda.，，Mechanical Iy ruled aberration-corrected concave gratings for aflat-field grazing-1ncidence spectrograph，，.Applied Optics, Vol.22, 512-513, 1983)采用一塊球面變柵距光柵實(shí)現(xiàn)了 5nm~20nm的平場(chǎng)譜面。該光柵的球面基底半徑為5649mm,光柵中心處線密度為1200線/mm，工作時(shí)光源距光柵中心237mm，入射角度為87°，平直光譜面距離光柵中心為235mm。該光柵的特點(diǎn)是:只有一塊光柵就可形成平直譜面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但其工作的波 段受到限制，只能將5nm~20nm波段的光成像在平面探測(cè)器上，超過該范圍聚焦位置就會(huì)迅速的偏離探測(cè)面。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)2 (參見文獻(xiàn) R.J.Fonck, A.T.Ramsey, and R.V.Yelle.-Multichannelgrazing-1ncidence spectrometer for plasma impurity diagnosis:SPRED，，.AppliedOptics, Vol.21，2115-2123，1982)中兩塊平場(chǎng)光柵分別工作在IOnm~IlOnm和16nm~170nm波段，兩塊光柵采用旋轉(zhuǎn)的裝置進(jìn)行切換?，F(xiàn)有技術(shù)3 (參見文獻(xiàn)孔鵬、巴音賀希格、李文昊、唐玉國(guó)、崔錦江“雙光柵平場(chǎng)全息凹面光柵光譜儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)”光學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.31，2011)將使用波段一分為二，提出了一種將兩塊使用結(jié)構(gòu)完全相同的平場(chǎng)全息凹面光柵進(jìn)行優(yōu)化，光柵I工作在200~400nm，光柵2工作在400~800nm，通過理論計(jì)算，光柵2的有效光柵常數(shù)是光柵I的2倍。兩塊光柵也是通過切換裝置來進(jìn)行切換。技術(shù)2和技術(shù)3都展寬了工作波段，但兩塊光柵是通過切換裝置進(jìn)行切換，不能同時(shí)工作。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)4 (參見文獻(xiàn) Ming-Hui Liu, Su-Xing Pan et al ” Path-foldedinfrared spectrometer consisting oflOsub-gratings and a two-dimensional InGaAsdetector”.0ptics Express, Vol.17, 14956-14966，2009)提出了一種將 10 塊子光棚通過夾具拼成一個(gè)整體光柵，該光柵工作波段在1450~1650nm,其中每塊子光柵的波段跨度為20nm,其特點(diǎn)是:光柵工作在紅外波段，每塊子光柵為平面光柵且通過夾具拼接成為一個(gè)整體光柵，光柵不是平場(chǎng)光柵。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)5 (參見文獻(xiàn) Ying Liu, Xin Tan, Zhengkun Liu, Xiangdong Xu, YilinHong, and Shaojun Fu “Soft X-ray holographic grating beam splitter includinga double frequency grating for interferometer pre-alignment，，.0pticsExpress, Vol.16，14761-14770，2008)提出了一種將兩塊子光柵做在同一炔基底上的方案，其中兩塊子光柵柵線平行，一塊光柵用來對(duì)準(zhǔn)，另一塊光柵實(shí)現(xiàn)分束。
[0006]目前軟X射線的平場(chǎng)光柵只能在特定的波段呈現(xiàn)平直的譜面，我們通過將兩塊平場(chǎng)子光柵制作在同一基底上，形成并聯(lián)平場(chǎng)光柵。兩塊光柵的工作結(jié)構(gòu)相同，不需要任何切換機(jī)構(gòu)，可以同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)波段的擴(kuò)展，同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于研究高次諧波也大有幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了擴(kuò)展軟X射線平場(chǎng)光柵的工作波段，提供一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵及其設(shè)計(jì)方法，該光柵可以應(yīng)用于等離子體診斷、X射線激光和高次諧波等研究領(lǐng)域。軟X射線并聯(lián)平場(chǎng)光柵是將兩種不同線密度分布的光柵做在同一基底上，其工作在掠入射條件下，具有平直的光譜聚焦面。我們通過分析光譜面處的光譜信息，可以得到等離子體的時(shí)間和空間等信息。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵的設(shè)計(jì)方法，對(duì)Gl和G2兩組線密度不同的光柵，通過曝光一刻蝕一再爆光一再刻蝕的方法將兩組光柵做在同一基底上形成并聯(lián)平場(chǎng)光柵，其中光柵的基底面為球面；該并聯(lián)平場(chǎng)光柵要求兩組光柵具有相同的入射距離、入射角度、成像位置和球面基底半徑，以便實(shí)現(xiàn)兩組光柵同時(shí)工作，從而實(shí)現(xiàn)波段的擴(kuò)展，采用遺傳算法對(duì)光柵的入射距離、入射角度和成像位置這些工作參數(shù)，以及光柵的基底半徑、中心線密度和光柵的線密度變化系數(shù)這些光柵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定各項(xiàng)參數(shù)，并聯(lián)平場(chǎng)光柵在保證波段擴(kuò)展的前提下，與現(xiàn)有的平場(chǎng)光柵具有相當(dāng)?shù)姆直嫣匦浴?br> [0009]另外，提供一種利用上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵。
[0010]本發(fā)明的原理在于:
[0011]平場(chǎng)光柵由于其具有自聚焦、消像差、高分辨以及譜面平直的優(yōu)點(diǎn)，易于CCD等平面探測(cè)器件耦合，廣泛應(yīng)用于等離子體診斷、X射線激光和高次諧波等研究領(lǐng)域。但其工作波段較窄。本發(fā)明將兩種不同的平場(chǎng)光柵Gl和G2做在同一基底上，形成一個(gè)整體的并聯(lián)平場(chǎng)光柵。該光柵工作在掠入射條件下，適用于軟X射線波段。Gl和G2的工作參數(shù)(入射距離、入射角度、成像位置)完全相同，可以同時(shí)工作，因此該光柵的工作波段是二者之和，可以有效的擴(kuò)展光柵的工作波段。并聯(lián)平場(chǎng)光柵解決了平場(chǎng)光柵工作波段較窄的問題，為同時(shí)測(cè)量軟X射線較寬光譜的信息提供了一種有效技術(shù)。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為:
[0013]基于現(xiàn)有的【背景技術(shù)】，并聯(lián)平場(chǎng)光柵是一種解決軟X射線平場(chǎng)光柵工作波段擴(kuò)展難的方案。其優(yōu)點(diǎn)如下:
[0014]1、并聯(lián)平場(chǎng)光柵的兩組光柵的工作參數(shù)(入射距離、入射角度、成像位置)完全相同，可以同時(shí)工作，無需切換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了波段的擴(kuò)展。
[0015]2、工作波段和分辨特性是平場(chǎng)光柵的兩個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)同一光柵，工作波段擴(kuò)展和分辨特性提高是相互矛盾的，二者不可兼得。由于并聯(lián)平場(chǎng)光柵其實(shí)包含兩組光柵，每組光柵均與商用平場(chǎng)光柵有相當(dāng)?shù)姆直嫣匦?，因此并?lián)平場(chǎng)光柵在保證波段擴(kuò)展的前提下，并沒有犧牲分辨特性。
[0016]3、并聯(lián)平場(chǎng)光柵可以用來研究高次諧波。通過觀察兩組光柵的成像，我們可以判斷該處是否為高次諧波。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為并聯(lián)光柵結(jié)構(gòu)示意圖；[0018]圖2為平場(chǎng)光柵的工作示意圖，I為狹縫，2為平場(chǎng)光柵，3為成像面，4為探測(cè)器；
[0019]圖3為并聯(lián)平場(chǎng)光柵的聚焦曲線，圖3 (a)為光柵Gl的聚焦曲線，圖3 (b)為光柵G2的聚焦曲線；
[0020]圖4為并聯(lián)平場(chǎng)光柵的詳細(xì)工作參數(shù)，I為狹縫，5為并聯(lián)平場(chǎng)光柵中的子光柵G1，6為并聯(lián)平場(chǎng)光柵中的子光柵G2，3為成像面；
[0021]圖5為并聯(lián)平場(chǎng)光柵光譜儀示意圖，I為狹縫，7為并聯(lián)平場(chǎng)光柵，8為隔板，4為探測(cè)器；
[0022]圖6為分辨特性對(duì)比圖，上面一排分別是并聯(lián)光柵Gl在5nm、10nm和25nm時(shí)的光線追跡的結(jié)果，下面一排分別是目前商用平場(chǎng)光柵在5nm、10nm和25nm時(shí)的光線追跡結(jié)果;
[0023]圖7為分辨特性對(duì)比圖，上面一排分別是并聯(lián)光柵G2在2nm、3.5nm和5nm時(shí)的光線追跡的結(jié)果，下面一排分別是目前商用平場(chǎng)光柵在2nm、3.5nm和5nm時(shí)的光線追跡結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]本發(fā)明的目的是為了擴(kuò)展軟X射線平場(chǎng)光柵的工作波段，具體并聯(lián)光柵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Gl和G2為兩組線密度不同的光柵，我們通過曝光一刻蝕一再爆光一再刻蝕的方法將兩組光柵做在同一基底上，其中光柵的基底面為球面。
[0027]并聯(lián)平場(chǎng)光柵要求兩組光柵具有相同的入射距離、入射角度、成像位置和球面基底半徑，以便實(shí)現(xiàn)兩組光柵同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)波段的擴(kuò)展。我們采用遺傳算法對(duì)光柵的入射距離、入射角度、成像位置等工作參數(shù)以及光柵的基底半徑、中心線密度和光柵的線密度變化系數(shù)等光柵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定各項(xiàng)參數(shù)。理論計(jì)算表明:并聯(lián)平場(chǎng)光柵在保證波段擴(kuò)展的前提下，與現(xiàn)有的平場(chǎng)光柵具有相當(dāng)?shù)姆直嫣匦浴?br> [0028]平場(chǎng)光柵的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中r為光柵的入射距離，α為入射角度，f為工作位置。平場(chǎng)光柵的線密度定義為:
【權(quán)利要求】
1.一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，對(duì)Gl和G2兩組線密度不同的光柵，通過曝光一刻蝕一再爆光一再刻蝕的方法將兩組光柵做在同一基底上形成并聯(lián)平場(chǎng)光柵，其中光柵的基底面為球面；該并聯(lián)平場(chǎng)光柵要求兩組光柵具有相同的入射距離、入射角度、成像位置和球面基底半徑，以便實(shí)現(xiàn)兩組光柵同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)波段的擴(kuò)展，采用遺傳算法對(duì)光柵的入射距離、入射角度和成像位置這些工作參數(shù)，以及光柵的基底半徑、中心線密度和光柵的線密度變化系數(shù)這些光柵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定各項(xiàng)參數(shù)，并聯(lián)平場(chǎng)光柵在保證波段擴(kuò)展的前提下，與現(xiàn)有的平場(chǎng)光柵具有相當(dāng)?shù)姆直嫣匦浴?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，兩組光柵Gl和G2的中心線密度分別為1200線/mm和2400線/mm，工作波段分別為5~30nm和2~5nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，選取入射距離r=237mm,成像位置f=235mm,通過遺傳算法的優(yōu)化,選取光柵的入射角度為88°，光柵的基底半徑為9320mm，詳細(xì)結(jié)果見表1，兩組光柵在入射距離為237mm，入射角度為88°的情況下,成像位置均在235mm處； 表I 并聯(lián)光柵的參數(shù)
4.一種利用權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的工作在軟X射線波段的并聯(lián)平場(chǎng)光柵。
【文檔編號(hào)】G01J3/18GK103454706SQ201310307159
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年7月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月20日
【發(fā)明者】劉正坤, 王慶博, 陳火耀, 邱克強(qiáng), 付紹軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)