软X射线傅里叶变换光谱仪原理及结构特性研究

　　1　引　　言

　　与光谱测量相关的各个领域中,傅里叶变换光谱仪(FTS)的应用占据着重要地位。高分辨率、高通量、高精确度、结构紧凑等优势使得FTS的研制及其相关理论、技术一直是国际光学领域的研究热点。近年来,随着受控核聚变、短波段辐射定标、光刻技术、分子转动能级和同位素结构分析、等离子体诊断、同步辐射特性等短波段光学研究的深入,FTS亦不断地向真空紫外以及软X射线波段快速发展,软X射线FTS是目前傅里叶变换光谱学最前沿的研究方向之一[1]。

　　FTS是多路传输与干涉技术的综合产物,又可称之为干涉光谱仪。是通过干涉的原理使来自待测光源的光束由于光程差的线性变化而形成干涉图(Interferogram),对干涉图信号离散采集并进行傅里叶变换处理,从而获取光源光谱信息。分振幅和分波前是产生相干光束的两种主要方式,其中分振幅方式较为普遍,最早出现的Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪就属于此类。分波前干涉装置包括杨氏双缝、菲涅尔双镜、比累对切透镜、络埃镜等,但在FTS中应用较少。最具有代表性的分波前FTS是1960年美国John Strong和G.A.Vanasse[2]为克服Michelson干涉仪用于远红外(σ<100cm-1)光谱测量时的低效性(主要由聚酯薄膜分束器特性决定)而研制的层状光栅远红外干涉仪(Lamellar GratingFar-Infrared Interferometer),分辨率0·2cm-1。该谱仪采用了近似于等间隔矩形槽衍射光栅的结构,称之为层状光栅。它包括两组平行且交叉在一起的栅条状反射镜,一组固定,另一组可沿定镜表面的垂直方向移动。依靠测微螺旋驱动动镜产生槽深的均匀改变,提供光程差的变化。后经改进的谱仪利用凹面层状光栅代替了平面层状光栅。在近红外至紫外波段,分束器材料及镀膜更适用于分振幅FTS。分束器将光强半透半反一分为二后,两光束汇合相干。对于软X射线波段,材料对光辐射的强烈吸收致使分束器选材受限,分振幅方式不再适用,可以采用不受分束器强吸收损耗约束的分波前方式。1994年,美国Lawrence Berkeley实验室M.R.Howells等人[3]提出了改进型Mach-Zehnder干涉仪结构设计应用于软X射线波段(10—100nm),光谱分辨率5×105。分析软X射线FTS的原理及特性对于开展此方面的实际研制工作有现实意义。

　　2　软X射线傅里叶变换光谱仪设计结构

　　图1为改进型Mach-Zehnder分波前式软X射线FTS测量气体吸收光谱的原理光路设计图[2],与Mach-Zehnder干涉仪结构上主要有三点差别:为减少光学系统对于软X射线辐射的吸收损失,采用非45°角的掠入射方式;四块平面反射镜组合成共平台菱形光学系统,推动与挠性铰链相连接的平台,使其完成直线运动,从而产生光程差变化;分束器不再是分振幅方式,而是特殊设计的分波前光栅型分束器。