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1、第14卷 第4期强激光与粒子束Vol.14,No.42002年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2002文章编号:100124322(2002)0420489204①平焦场光栅光谱仪吴 军, 杨家敏, 丁永坤, 丁耀南, 王跃梅, 张文海, 郑志坚, 杨向东(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要:介绍了用于X光能谱测量研究的平焦场凹面光栅光谱仪的原理、结构及象差校正的设计方法。利用2400Lömm的变栅距光栅设计和建立了一台平焦场光栅光谱仪,其测谱范围为1.5～10nm。通过在星光装置上利用该谱仪测量C10H16O
2、6等离子体的发射谱线,对谱仪进行了实验考核,表明该谱仪分辨率达到0102nm。并成功应用于辐射加热等离子体的吸收谱测量研究中。 关键词:凹面光栅; 光谱仪; 象差+ 中图分类号:TL817.1文献标识码:A 对等离子体产生的X光能谱的研究,可以得到许多关于等离子体的重要信息。实验室内所获得的X光属[1]软X光波段,使用光栅谱仪测量。由于透射式光栅谱仪的谱分辨率较差,只能达到0.1～0.2nm,不能适应谱[2]分辨率要求很高的测量,而通常的反射式光栅谱仪均采用恒定栅距的凹面光栅作分光成像元件,就必须满足罗兰圆的结构,记录面为一柱面,难以实现与其它记录设备,如条纹相机,分幅相机的配接
3、。 已经研制的反射式平焦场光栅谱仪,采用一块变栅距凹面光栅作分光元件,X光掠入射到光栅上,可以形[7]成几乎是平面的记录焦面。目前,国内实验室使用的大多是1200Lömm的平焦场光栅谱仪,其摄谱范围为5～30nm,对于波长更短的XUV能区的谱线则无法聚焦。而我们使用的是2400Lömm的变栅距凹面光栅,其摄谱范围为1.5～10nm,扩充了1200Lömm光栅谱仪短波方向的摄谱范围。 在星光装置上用低Z的C10H16O6材料等离子体作为X光光源,5FW软X光胶片记录,成功地获得了碳和氧离子的发射谱线。1 原理和结构 对任一种光栅谱仪,其衍射光束与波长的关系均满足光栅方程sinA-s
4、inB=kKöd(1)若光栅常数d是常量,则对于每一个确定的波长K和光谱级数k来说,衍射角B仅取决于入射角A。只要谱仪的狭缝S和光栅G均位于直径等于光栅凹面曲率半径为R的罗兰圆上时,其衍射光束焦面必然处在此圆上,如图1(a)所示。但当采用变栅距光栅时,由于d成了变量,于是衍射角B就与A和d有关,通过变化d就能调节B。如果d的变化规律设计得当,就可以如图1(b)那样,使某一波段的衍射光交点处在几乎平直的焦面内。Fig.1Imagingcomparisonbetweentwoconcavegrating图1 两种凹面光栅成像比较①收稿日期:2001210210;修订日期:200220321
5、8基金项目:国家863激光技术领域资助课题(86324102324.2)作者简介:吴 军(19762),男,硕士研究生,从事等离子体诊断及光与原子分子相互作用研究;绵阳9192986信箱。丁永坤(19652),男,研究员,第一作者指导教师;杨向东(19432),男,教授,博士生导师,第一作者指导教师。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.490强激光与粒子束第14卷 由于凹面光栅的凹槽都是等间距,平行和直线型的等原因,当使用凹面光栅谱仪摄谱时,象差是不可避免[3]的。对于凹面光栅象差的校正,如图2
6、所示定义矩形坐标系。以凹面光栅的球面顶点o为坐标原点,x轴在光栅的法线方向,垂直于o点,y轴和z轴分别垂直,平行于光栅凹槽。把光源和衍射像点都置于x2y平面内。图2中,A(x,y,0)是光源,B(x’,y’,0)是波长为K的m阶衍射像点,P(u,w,l)是距离o点的第n个凹槽上的一点。考虑光通过B点,在P点的衍射,和B分别为入射角和衍射角,光路函数F为F=〈AP〉+〈PB〉+nmK(2)[4] 根据费米定律,此方程满足5Fö5w=0和5Fö5l=0。如图3所示,凹槽数和位置的关系为1b22b33b44n=wH+wH+2wH+3wH+⋯(3)R0RRR式中:WH是从中心o起,间距转化的
7、数量;R0是wH等于零时的凹槽间距;R是凹面曲率半径;bi是控制参数。引进极坐标,对w,l幂级数展开得到光路函数22322242245F=r+r’+wF10+wF20+lF02+wF30+wlF12+wlF22+wF40+wlF22+lF04+O(w)(4)55式中:O(w)是w的更高阶项;Fij为Fij=Cij+[(mK)öR0]Mij(5)式中:Cij和Mij的明确表达式见参考文献[3]。Fig.2Schematicofopticalsys
