软X射线-真空紫外傅里叶变换光谱仪及其光谱分辨率研究

　　1　引　　言

　　傅立叶变换光谱是通过对光源干涉图进行傅立叶变换从而获得光谱信息的方法。五十年代,Fellgett和Jacquinot分别阐述多重传输和高通量优点之后,计算机、激光技术及探测器性能的飞速进展使得集高分辨率、高精确度、宽光谱范围、杂散光影响小、结构紧凑等优势于一身的傅里叶变换光谱仪成为研究热点。遵循P.Connes思想[1],美、英、德、法等国先后有几十种型号红外或可见光波段傅里叶变换光谱仪问世,并广泛应用于遥感、生化、红外光谱、天文物理、质谱学、等离子体诊断及信息处理等许多学科领域。随着受控核聚变、X射线激光、短波段辐射定标、分子转动能级和同位素结构分析、同步辐射特性等研究的不断深入,迫切需要短波段高分辨率傅里叶变换光谱仪。但由于光波长变短带来对谱仪更高的光学及机械精度要求以及缺乏性能优越的分束器,使得向短波段延展进程缓慢。直到1986年,英国伦敦大学帝国理工学院A.P.Thorne率先研制出高分辨率的真空紫外傅里叶变换光谱仪,用于材料吸收和发射光谱研究,并于1994年在日本光子工厂同步辐射光束线上测量了NO和O2的真空紫外光子吸收截面[2,3]。1994年美国Lawrence Berkeley实验室Howells等人为研究He双电离阈附近能量范围60～80eV的吸收光谱共同提出了软X射线傅里叶变换光谱仪的设计方案[4],测量范围10～100nm,光谱分辨率5×。这一工作为研究软X射线傅里叶变换光谱仪奠定了基础。

　　本文目的在于阐述课题中正在研制的高分辨率采样软X射线-真空紫外傅里叶变换光谱仪基本原理及样机的结构和性能,并结合实际的仪器设计采用快速傅里叶变换算法计算且初步讨论影响谱仪光谱分辨率的因素及光谱曲线位移的情况。

　　2　软X射线-真空紫外傅里叶变换光谱仪

　　傅里叶变换光谱仪核心部分是光电记录式双光束干涉仪,由探测器测量干涉仪出射的相干光束光强变化。谱仪采用结构性能一致的固定镜和动镜,测量臂一端的动镜可沿其光轴方向移动。动镜与固定镜之间的分束器将来自待测光源的光辐射沿参考臂部分反射于固定镜,部分透射至动镜,经反射回分束器后,再次半反半透并相干,而后入射至探测器接收面。接收到的干涉图光强变化依赖于相干光束的波长及光程差的变化,携有光源光谱信息。将各波数单色光干涉图函数积分可得到全光谱范围的干涉图函数:

　(1)

　　其中R,T分别代表分束器的反射率和透射率,B0(σ)为光源光谱亮度,σ表示波数,Δ为光程差。(1)式的傅里叶积分变换为:

　(2)

　　由(2)式看出,干涉图函数的傅里叶逆变换可得到光源的光谱亮度,从而获取光谱图信息。我们目前正在研制的软X射线-真空紫外傅里叶变换光谱仪是集光学、机械、电子学和计算机技术于一体的短波段光谱学分析测量原理样机。主要由光学测量系统、电子学系统及计算机数据处理系统三部分组成。软X射线-真空紫外傅里叶变换光谱仪的性能指标主要由光学测量系统决定。本系统以双光束干涉仪为主体,辅助以用于控制采样的激光干涉仪和精密动镜移动导轨副及驱动机构。我们采用改进后的迈克尔逊干涉仪结构,主要光路如图1所示,与传统迈克尔逊干涉仪相比在结构上有三点不同:①来自光源的光束在分束器B上的入射角为5°,而不是45°;②为消减动镜移动中倾斜的影响,采用设计上具有高对称性的“猫眼”型后向反射器C(由抛物面反射主镜和严格位于其焦平面上的小平面次镜组成)代替通常的平面反射镜;③分束-补偿混合器代替分立的谱仪分束器和补偿板。保证猫眼动镜C1直线运动的精密滚动直线导轨副长550mm,200mm行程内(相对于零点±100mm)精度为2μm。为克服电机传动丝杆产生“爬行”影响测量精度,我们采用高精度液压系统平稳地推进“猫眼”以10mm/min匀速直线运动。将塞曼效应稳频激光器(632.8nm)与双光束干涉仪结合做为激光干涉仪,利用光电三极管接收激光干涉条纹信号,读取干涉条纹进行采样控制。真空紫外光谱的测量要求整个光学系统放置于真空度为10-3Pa的真空室内。选取紫外熔石英制作分束-补偿混合器,光电倍增管为探测器,可使谱仪测量波长范围延至170nm。