光栅单色器及相关技术

　　1　前　言

　　国家同步辐射实验室的同步光源装置在1977年由中国科技大学提出,1983年4月国家计委批准立项建设,1991年10月开始试运行,1993年4月正式向国内外用户开放。合肥同步辐射光源是由200MeV电子直线加速器、800MeV电子储存环、光束线和实验站组成^[1,2]。

　　在世界上各种大型研究设施中,因为同步辐射光源具有频谱宽而平滑连续且可准确计算、强度高、方向性好、亮度高、偏振、脉冲时间结构、洁净等许多优异特性,被广泛应用于生命科学、材料科学、信息科学、超微细加工、凝聚态物理、原子和分子物理、化学、医学和辐射计量学等许多科学和技术领域[2,3]。光束线是连接同步辐射储存环和各种用户实验装置的桥梁,它把同步辐射白光单色化并且成像到实验样品上,是同步辐射应用的关键仪器。光束线一般包括前置镜光学系统、单色器和后置镜光学系统,其中单色器是核心部分。光束线涉及了光学,精密机械,超高真空和控制等领域的技术[4]。因为不同同步光源的特性不同,不同实验对光的要求不同,决定了光束线不是普通的商业化的产品。在国内主要靠实验室自己的工程力量来设计和调试,这样不仅可以节约经费,同时为光束线的维护和改进培养了工程力量。在工程建设的推动下,我们在大型光谱仪器开发中积累了上述各学科的专门技术和所有技术的系统集成经验。

　　2　光学系统

　　在真空紫外和软X-光波长范围,无法采用透镜系统[3,4],光学元件都是反射镜和反射光栅。光栅单色器的理论基础是凹面光栅的成像理论[4,5]。在凹面光栅的成像理论中,当光栅的刻密度为0时,可以得到反射镜的聚焦公式和它的像差分布。

　　大多数商品化的光栅光谱仪仍然通过上述有关理论来设计和调试。在全息光栅出现后,尤其是像差矫正全息光栅技术的使用,给光栅单色器的设计带来了新的内容。在光栅的制造过程中,可以通过改变光栅的记录参数(记录波前可以是平面波前、球面波前和非球面波前及其组合),改变光栅线型的分布,达到消除部分像差的目的,提高单色器的性能[6]。同时,这种像差校正光栅的出现,为设计新型的光谱仪器带来了可能。例如,平场光谱仪(利用平面固体阵列探测器,实现光谱仪器的小型化和自动化)和变间距光栅单色器[7,8,9]。因此,目前光栅单色器(光谱仪)设计的方向之一是把传统的凹面光栅单色器的设计理论和全息光栅的制造过程紧密结合起来,达到对像差进行综合平衡,以便设计出性能更好的光谱仪器或新型的光谱仪器。这也是同步辐射光束线单色器设计的一个方向。

　　目前我们已经建成和正在建设的不同类型的光栅单色器系统如表1所示^{[9,10,11,12,13,14]。}