紫外_真空紫外傅里叶变换光谱仪.docx

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1、第21卷第4期光学学报2001年4月ACTAOPTICASINICA文章编号:025322239(2001)042459204Vol.21,No.4April,2001紫外真空紫外傅里叶变换光谱仪3李志刚王淑荣李福田(中国科学院长春光学精密机械研究所应用光学国家重点实验室,长春130022)摘要:研制了新型的由分束耦合器“、猫眼”后向反射光学系统、稳频激光辅助采样系统和光电探测器等组成的紫外真空紫外傅里叶变换光谱仪,光谱测量范围为170nm～600nm,300nm处分辨率高于1.5×105。光谱仪结构紧凑,可精确探测紫外真空紫外波段物质的发射及吸收光谱,尤

2、其适合与同步辐射源对接完成相关的光谱分析。关键词:紫外;真空紫外;傅里叶变换光谱仪;光谱分辨率中图分类号:TH74411文献标识码:A1引言高精度、高分辨率的光谱数据对原子与分子物理学、天文物理学、光谱学以及分析化学等学科领域的研究都是十分重要的。近年来,在红外波段的材料吸收及发射光谱测量中,红外傅里叶变换光谱仪已取代了传统的光栅色散型光谱仪,成为红外波段实时光谱测量与分析的最佳选择。目前,应用于短波段(紫外光以下波段)光谱测量的谱仪仍然以光栅光谱仪为主。为获得105量级的高分辨率,谱仪体积极为庞大,移动困难,还会带来温控、减振等一系列问题。随着紫外真空紫外

3、波段对物质吸收、发射光谱测量精度要求的不断提高,原子与分子光谱学、天文数据分析、分析化学、同步辐射特性研究以及短波段辐射定标发展的迫切需要,已使小型化、高分辨率、高精度、宽光谱范围的紫外至真空紫外、甚至软X射线波段的傅里叶变换光谱仪成为研究热点[1～2]。特别是利用高分辨率傅里叶变换光谱仪小型化的优势,将为与大型同步辐射源结合起来进行相应光谱测试创造诸多便利。本工作的目的是研制供实验室光谱测量分析用的高精度、高分辨率的小型紫外真空紫外傅里叶变换光谱仪原理样机。2光谱仪结构带有“猫眼”准直后向反射光学系统的紫外真空紫外傅里叶变换光谱仪光路设计如图1所示。该光谱

4、仪由前置光学系统、分束耦合器、“猫眼”后反3国家自然科学基金(69878027)资助项目。收稿日期:1999212221;收到修改稿日期:2000202221器、光电倍增管、动镜精密导轨副、气动液压推进系统、稳频激光辅助采样系统、电子学信号处理系统以及计算机等组成,可记录动镜行程范围200mm内的双边干涉图。Fig.1OpticallayoutofUV2VUVFourierTransformSpectrometer.A:theentranceapertureofsource;B:beamsplitter/recombinerpair;C1andC2:cat

5、seyeretroreflector;P:photomultiplier;L:thereferencelaser;LD:laserdetector;M1:thecollimatingmirror;M2:focusingmirror;M3andM4:foldingmirror由圆孔光阑出射的待测光源光辐射经焦距为500mm的准直物镜M1和平面反射镜M3反射后,形成直径为20mm的平行光束。经分束耦合器B分成两束,分别入射至“猫眼”定镜C1和“猫眼”动镜系统C2,后向180°角反射后再分别经B的同一位置透射、反射后汇合成一束干涉光束。曲率半径为1000mm的球面

6、反射镜M2将其反射会聚于光电倍增管P的光电阴极处。动镜沿光轴方向的水平直线运动改变干涉光束间的光程差,从而实现光谱信号的振幅调制,所对应的光谱干涉图函数可表示为:∞I(x)=∫B(σ)[1+cos(2πσx)]dσ=-∞∞C+∫B(σ)cos(2πσx)dσ,(1)-∞460光学学报21卷其中I(x)为光强,B(σ)为波数σ的光谱对应的光谱线强度,x为两光束的光程差,C为常数。根据傅里叶变换公式,将干涉图函数进行傅里叶反变换,即可还原获得光源的解谱信息:∞B(σ)=∫I(x)cos(2πσx)dx.(2)-∞光电倍增管接收光谱干涉图后将之转化为电信号输出,由

7、电子学系统带通滤波、放大处理后,经A/D变换为数字信号记录于计算机硬盘。由计算机软件程序对采集的数字信号进行切趾、相位校正及快速傅里叶变换处理后,获得光源测量光谱。与传统的迈克耳孙干涉仪比较,该谱仪结构上的一个重要特点是来自光源的入射光与分束器表面法线的夹角为5°,较之45°角入射不仅压缩了谱仪的体积,而且大大降低了因大角度反射带来的光偏振效应对光谱测量的不良影响。“猫眼”光学系统C1和C2结构相同,是由焦距240mm、相对孔径f/4的抛物面反射主镜和一块置于主镜反射焦平面处的小平面反射次镜共同组成。对于入射平行光的180°后向反射而言“,猫眼”结构较之广泛

8、采用的平面反射镜及角反射镜有更高的抗倾斜能力[3]。