高分辨球面光栅单色器光束线的光学设计

    一般来说，工作在数 eV 至 30eV 的光束线多采用正入射光栅单色器，工作在 20eV 至数百 eV的光束线需采用掠入射光栅单色器。我们需要的光栅单色器跨越这两种类型光栅单色器的工作能量范围，因而给设计工作带来很大的困难。BESSY^[1]有几台超环面光栅单色器（TGM）工作在这个能量范围，但它们只能做到中等的能量分辨，不能满足我们的要求。SX700^[2]及其改进型单色器以及 F-SGM^[3]单色器都是用于同步辐射的高性能单色器，将它们的低能端扩展到我们所需的能量范围是可能的，但这种单色器的结构较复杂。Chen^[4]发明的“龙”型球面光栅单色器（SGM）是同步辐射用的主流单色器之一，它使用简单面形的光学元件和简单的光栅扫描机构获得了高的单色性能，在国外同步辐射光源上得到广泛应用^[5-8]，在北京和合肥的同步辐射光源上也分别有一台在使用^[9]。

    掠入射的SGM光栅单色器工作在XUV波段有很大的优势，但要将低能端扩展到 10eV 以下给设计带来许多困难。经过反复的考虑和估算后，我们决定采用具有两个包含角的 SGM光栅单色器方案，以便将低能端扩展到我们所需的能量，且使用的光栅数和线密度适中，在整个能量范围内有高的光谱特性。为了使一个单色器具有几个包含角，通常用的办法是在单色器内放置一块或几块平面反射镜，但是它们往往使单色器的分辨下降。如果将平面反射镜移到单色器外，这个缺点就可以得到克服，而且容易将光栅面朝上放置，方便安装和调试。我们的设计采用了这种结构。

    1 光学系统

    光束线由两个包含角的球面光栅单色器、前置光学系统和后置聚焦镜组成，如图 1 所示，分别介绍如下。

    1.1 前置光学系统

    从波荡器引出的辐射经过前端后首先通过固定光栏，挡去弯铁辐射和波荡器辐射的中心光锥外的辐射，只让波荡器辐射的中心光锥部分通过，然后进入称之为 K-B（Kirkpatrick-Baez）聚焦系统的前置光学系统。它的第一块反射镜 M_h通常为圆柱面镜或球面镜，起水平聚焦作用。我们在这里把它设置为平面反射镜，原因是波荡器的发散角小，如果M_h有水平聚焦作用，会使光栅在弧矢面方向的辐照宽度变小，功率密度增加，降低光栅的使用寿命。M_h作用是在水平方向将光束偏转 8°，一方面可以吸收一部分高能量辐射，减少下游垂直聚焦镜的热载；另一方面可以把它移出光路，将光束直接引出，用于那些无需高单色性但要高强度光的实验。镜子的上半部和下半部分别采用不同的镀层，用于不同波段，以便获得较高的反射率。第二块反射镜为圆柱面镜，起垂直聚焦作用，将波荡器辐射聚焦到单色器的入射狭缝上，压缩比为 7∶1。垂直聚焦镜有两块圆柱面镜，即用于长波段的 M_VL和用于短波段的 M_VH。M_VL将波荡器光束向上偏转，经平面镜M_L向下偏转后聚焦到入射狭缝 S_1L上； M_VH将波荡器光束向下偏转，直接将光束聚焦到入射狭缝S_1H上，它们使这个单色器具有两个入射臂，其夹角为6°。前置光学系统的基本参数见表 1。