掠入射凹面光栅谱仪高级次衍射光谱相对效率测量

    在XUV(远紫外)和软X射线光谱区域,掠入射凹面光栅谱仪应用非常广泛,这种摄谱仪器采用大角度入射,提高了光栅表面的反射效率,其凹球面光栅除具有色散本领外,还具有聚焦能力,因而减少了谱仪的反射面,有效地降低了能量损失。含有不同波长的谱线光源经光栅衍射形成几个相互重叠的不同级次光谱。谱仪分辨率正比于衍射级次,当低级次光谱满足不了高分辨率应用需求时,采用高级次衍射谱常常可以获得满意效果。但高级次谱的效率较低,其存在增加了所测得谱图中的谱线数目,复杂了谱线的辨认。另外,在测量谱线强度时,要考虑相应短波长谱线的高级次衍射谱的强度贡献。因而,在光栅谱仪的应用中,必须准确知道谱仪在测谱范围内各光谱级次的效率。

    光栅效率就是衍射到某一光谱级次的能量与入射到光栅上的能量的比值。它与光栅刻线轮廓形状、光栅表面的反射能力和能量的散射损失三个因素有关。对可见和紫外光谱区域的平面闪耀光栅,可根据电磁波理论进行效率计算,或选择相应光源进行实验标定。但由于效率计算仅应用于平面光栅,M.Nevier和W.R.Hunter研究了光栅刻线面的效率变化[1]。通过实验和理论计算证明,在知道光栅确切刻线形状后,凹面光栅可作为闪耀角变化的平面光栅处理。但掠入射条件下凹面光栅效率变化的系统研究迄今没有进行。又因为难以有适当强度的软X射线单色源,不能标定掠入射凹面光栅谱仪的绝对效率。

    我们以不同元素的激光等离子体作为软X射线源,选择测量了在2.8~10.5nm波长范围内一些谱线的一级和高级次光谱强度,给出了以一级谱线强度为标准的掠入射凹面光栅谱仪的高级次衍射光谱的相对效率。

    1  实验方法

    谱仪结构如图1所示,狭缝、光栅和记录谱线的软X光底片安装在其直径等于光栅曲率半径的圆周上,该圆称为罗兰圆。与光栅顶点相切,通过狭缝的软X射线经光栅衍射后在罗兰圆柱面形成分立谱线。谱线满足光栅方程d(sinα+sinβ)=kλ,k=0,±1,±2,±3,…;d为光栅常常数;α为入射角;β为衍射角;k是光谱级次;λ是谱线波长。由此可知,在固定的α,β值下,将在同一个方向观测到满足λ2=λ1/2,λ3=λ1/3,…,λk=λ1/k关系的不同波长的谱线。脚标1、2、3、…、k表示观测到波长λk处的光谱级次。光栅的理论分辨本领P=λ/Δλ=kN,Δλ表示谱仪能分辨出的最小波长间隔;N为光栅刻线数。在光栅刻线数一定时,光谱级次越高,谱仪的分辨率越大。

    从夫琅和费多缝衍射的强度可知,毫无色散作用的零级光谱占有入射总光能中很大一部分能量,采用闪耀光栅可改变这种情况。闪耀光栅通过控制光栅刻线形状来改变各级主极大的相对光强分布,使光强集中到所要求的光谱级上。当光栅闪耀角为θ时,闪耀波长λb=(2d/k)sinθcos(α-θ)。