CN105300518A - 掠入射多包含角平面光栅单色器及其实现波长扫描的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掠入射多包含角平面光栅单色器，包括入射狭缝、第一聚焦镜、多角度反射镜、平面光栅、第二聚焦镜、出射狭缝以及升降机构；其中：入射狭缝用于使光源的光进入单色器；第一聚焦镜用于将入射的光束聚焦为平行光束；多角度反射镜用于将平行光束反射至平面光栅；平面光栅用于将多角度反射镜反射的光束分光，并将色散光束传达至第二聚焦镜；第二聚焦镜用于将色散光束聚焦到出射狭缝输出；升降机构用于控制多角度反射镜的升降。本发明结构简单、设计合理、操作方便、覆盖能段宽，其可在同步辐射装置或其他软X射线光谱分析中以较高分辨率方式工作，因此，本发明具有很高的实用价值和推广价值。

Description

掠入射多包含角平面光栅单色器及其实现波长扫描的方法

技术领域

本发明涉及X射线光学技术领域，具体涉及的是一种掠入射多包含角平面光栅单色器。

背景技术

目前，在软X射线波段(0.62nm～12.4nm)，要实现这样宽谱端的连续扫描，一般选用掠入射平面光栅单色器(PGM)。在同步辐射束线中，平面光栅单色器一般由三个元件组成，即：平面反射镜、光栅、凹面聚焦镜。光栅前面的平面镜除反射光束、改变光栅的包含角外，还起到光学滤波的作用；平面光栅色散入射光束，凹面聚焦镜聚焦已经分离的单色光束。这种单色器具有以下优点：(1)有利于采用掠入射模式，使色散的能量范围拓展到软X射线；(2)光束的色散和聚焦分别由不同的光学元件担任，给单色器的设计提供了更多的选择空间，可以根据不同的需求：高分辨率、或高输出通量、或高纯度光谱(消除高次谐波)，确定平面光栅光学放大倍数和切换模式，充分发挥单色器的效应，增强某一方面的功能。

然而，这种单色器由于其前置平面镜绕平行于光栅转轴的另一条轴线离轴转动，因而在进行波长扫描时，平面镜和光栅都必须旋转一定的角度进行配合才能保证所需波长的单色光输出，如此一来，其造成的结果便是扫描方式较为复杂，并且大幅增加了对单色器的机械加工精度要求。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提供了一种掠入射多包含角平面光栅单色器及其实现波长扫描的方法，具有扫描方式简单、宽能谱扫描的特点。

为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：

掠入射多包含角平面光栅单色器，包括入射狭缝、第一聚焦镜、多角度反射镜、平面光栅、第二聚焦镜、出射狭缝以及升降机构；其中：

入射狭缝，用于使光源的光进入单色器，并传达至第一聚焦镜；

第一聚焦镜，用于将入射的光束聚焦为平行光束，并传达至多角度反射镜；

多角度反射镜，用于将平行光束反射至平面光栅；该多角度反射镜上设有n个按照阶梯形式分布的反射面，并且每个反射面中心与光栅中心的水平方向距离H为入射至多角反射镜的光束与平面光栅中心的高度差，为该反射面法线与入射光束之间的夹角；n≥1；

平面光栅，用于将多角度反射镜反射的光束分光，并将色散光束传达至第二聚焦镜；该平面光栅可绕其光学面中轴旋转而调节光束的入射角α，并且该平面光栅的光栅包含角β为平面光栅的衍射角；

第二聚焦镜，用于将色散光束聚焦到出射狭缝输出；

升降机构，用于控制多角度反射镜的升降，使入射光束经由不同的反射面反射。

进一步地，所述入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝。

作为优选，所述第一聚焦镜和第二聚焦镜的面型均为柱面、球面、抛物面中的任意一种。

基于上述结构，本发明还提供了该掠入射多包含角平面光栅单色器实现波长扫描的方法，包括以下步骤：

(1)判断需要输出的波长λ是否处在平面光栅当前的包含角θ对应的波段内，是，则旋转平面光栅，使其入射角α满足m为光栅衍射级次，d为平面光栅的光栅周期，进入步骤(3)；否，则进入步骤(2)；

(2)控制多角度反射镜上升或下降，使相应的反射面移进光路，并根据得到对应的、且包含有波长λ的包含角θ_n，然后旋转平面光栅，使其入射角α_n满足 ${\mathrm{sin\α}}_n-sin({\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\α}}_n)=\frac{m\mathrm{\λ}}{d},$ 进入步骤(3)；

(3)平面光栅将光束分光，并将色散光束传达至第二聚焦镜；

(4)将色散光束聚焦到出射狭缝，实现波长的输出；

(5)循环步骤(1)～(4)；实现波长扫描。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计巧妙、使用方便，其通过改进单色器的结构，并设计了多角度反射镜和升降机构，然后使平面光栅可以绕其光学面中轴旋转，并限定了L、H及等参数，从而只需选择多个光栅包含角，并配合多角度反射镜的若干次升降，就可以实现宽能谱的扫描。

(2)根据实际情形，按照本发明的设计结构，当α＝83.3°～88.7°时，一块周期d＝833.3nm的平面光栅可以覆盖1.24nm～24.80nm的波长范围，其光谱输出范围远大于普通的光栅单色器，与平面光栅单色器的覆盖范围相当；但本发明与现有的平面光栅单色器做能谱扫描时，必须要前置平面镜和光栅进行联动旋转的方式相比，其机械结构和能谱扫描的方式更加简单。

(3)本发明性价比高、实用性强、成本低廉、且易于批量生产，并且通过合理的优化参数，还可以使本发明具备抑制高次谐波的功能，因此，本发明具有广泛的应用前景，非常适合用于在同步辐射装置或其他软X射线光谱分析中以较高分辨率的方式工作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作原理图。

图3为一种多角度反射镜与平面光栅的配合示意图。

图4为一种多角度反射镜与平面光栅配合进行波长切换前的状态示意图。

图5为图4进行波长切换后的状态示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-入射狭缝，2-第一聚焦镜，3-多角度反射镜，4-平面光栅，5-第二聚焦镜，6-出射狭缝。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1、2所示，本发明提供了一种掠入射多包含角平面光栅单色器，其包括在光轴上依次放置的入射狭缝1、第一聚焦镜2、多角度反射镜3、平面光栅4、第二聚焦镜5、出射狭缝6，其中：入射狭缝1用于使光源的光射入；第一聚焦镜2用于将入射的光束聚焦为平行光束(或光栅色散方向平行光束)；多角度反射镜3用于将平行光束反射至平面光栅4；平面光栅4用于将光束分光，并将色散光束(也为平行光束或光栅色散方向平行光束)传达至第二聚焦镜5；第二聚焦镜5用于将色散光束聚焦到出射狭缝6射出。

上述光学元件中，所述的入射狭缝1和出射狭缝6均为直狭缝，所述的第一聚焦镜2和第二聚焦镜5的面型则均为柱面、球面、抛物面中的任意一种。

而作为本发明主要的创新点之一，所述多角度反射镜3上设有n(n≥1)个按照阶梯形式分布的反射面，每个反射面中心与平面光栅中心的水平距离H为入射至多角反射镜的光束与平面光栅中心的高度差，为该反射面法线与入射光束之间的夹角。并且该多角度反射镜3依靠一升降机构控制多角度反射镜升降，从而使入射光束经由不同的反射面反射。图3为n＝4的多角度反射镜结构示意图。

作为本发明主要的创新点之二，所述平面光栅4可绕其光学面中轴旋转(设置一旋转轴即可实现)，调节光束的入射角α，并且该平面光栅的光栅包含角β为平面光栅的衍射角。

本发明可轻松实现宽能谱的扫描，其波长扫描的原理如下：

平面光栅4的每个包含角θ_n对应于一定的波段[λ_nmin,λ_nmax]，对应的入射角分别为 ${\mathrm{\α}}_{n\min }=\arcsin (\frac{{\mathrm{m\λ}}_{\min }}{d}+sin(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_{\min }\left)\right),{\mathrm{\α}}_{nmax}=\arcsin (\frac{{\mathrm{m\λ}}_{max}}{d}+sin(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_{max}\left)\right)$ (正级衍射)，其中α_nmin,α_nmax为平面光栅4入射角的最小和最大值，由光栅旋转机构参数、光栅尺寸、单色器收集角确定；m为光栅衍射级次，d为平面光栅4的周期。

当需要输出的波长λ在某个包含角θ₁对应的波段[λ_1min,λ_1max]内切换时，平面光栅4在固定包含角的模式下工作，只需要旋转它使入射角α₁满足(其中λ为输出波长，θ₁-α₁＝β₁)，然后光束便可在经由平面光栅4分光后，由第二聚焦镜5聚焦到出射狭缝6输出。

而如果需要输出的波长λ_n超出当前包含角θ₁对应的波段，那么就利用升降机构控制多角度反射镜3上升或下降，使多角度反射镜3上对应的反射面移进光路，然后切换平面光栅4的包含角到对应值θ_n，再旋转平面光栅4，使其入射角α_n满足然后再按照上述方式，就可以实现波长λ_n的输出。图4、图5为其中一种实现波长切换的示意图。

在上述波长扫描的过程中，由于平面光栅4输入和输出的光束始终为平行光束，离焦像差中光栅的物距r和像距r′均为无穷远，因此平行光栅4旋转扫描波长时，始终有F₂₀₀＝0，即无离焦像差。这样单色器无需移动出射狭缝6，仍可保证色散光束始终聚焦于出射狭缝处。

此外，为了使多角度反射镜的角度间隔精度控制在要求的公差范围内，解决加工误差对单色器度精度的影响，在进行波长扫描时，首先应对多角度反射镜的多个反射面之间的倾角间隔用精密测角仪进行标定测试，其标定测试的精度≤0.1″。继而再以实际测试的角度值作为标准角，进行平面光栅包含角的调整。

下面再以一个实例来对本发明的实现过程进行介绍。

第一聚焦镜2和第二聚焦镜5的焦距分别为r₁＝1700mm,r₂＝3500mm，入射角均为87.5°。来自光源的光，经入射狭缝1，由第一聚焦镜22聚焦成为平行光，再经多角度反射镜3反射到达平面光栅4。光束经平面光栅4分光后，色散光束经第二聚焦镜5聚焦到出射狭缝6处输出。设计入射到多角度反射镜的光束与平面光栅转轴的垂直距离H＝35mm，周期d＝833.3nm的平面光栅4；设计多角度反射镜3的不同反射面，使平面光栅的包含角可以在174°、172°、170°、163°之间切换，从而分别对应四个波段：1.24nm～2.48nm、2.06nm～4.43nm、4.13nm～8.26nm、7.74nm～24.80nm。平面光栅4以其光学面中轴为旋转轴，旋转调节其入射角α，调节范围为83.3°～88.7°。单色器在进行波长扫描时，首先确定相应的包含角θ，然后将对应的多角度反射镜3的反射面中心移至光路中心，再调节平面光栅4的入射角α，使需要输出的波长从出射狭缝6处输出。

本发明通过改进单色器的结构，使其与光学原理得到了完美的结合，从而不仅拓宽了光谱输出的范围，而且结构及扫描方式简单、成本低廉，可靠性和稳定性强。因此，相比现有技术来说，本发明技术进步十分明显，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.掠入射多包含角平面光栅单色器，其特征在于，包括入射狭缝(1)、第一聚焦镜(2)、多角度反射镜(3)、平面光栅(4)、第二聚焦镜(5)、出射狭缝(6)以及升降机构；其中：

入射狭缝，用于使光源的光进入单色器，并传达至第一聚焦镜；

第一聚焦镜，用于将入射的光束聚焦为平行光束，并传达至多角度反射镜；

多角度反射镜，用于将平行光束反射至平面光栅；该多角度反射镜上设有n个按照阶梯形式分布的反射面，并且每个反射面中心与光栅中心的水平方向距离H为入射至多角反射镜的光束与平面光栅中心的高度差，为该反射面法线与入射光束之间的夹角；n≥1；

平面光栅，用于将多角度反射镜反射的光束分光，并将色散光束传达至第二聚焦镜；该平面光栅可绕其光学面中轴旋转而调节光束的入射角α，并且该平面光栅的光栅包含角β为平面光栅的衍射角；

第二聚焦镜，用于将色散光束聚焦到出射狭缝输出；

升降机构，用于控制多角度反射镜的升降，使入射光束经由不同的反射面反射。

2.根据权利要求1所述的掠入射多包含角平面光栅单色器，其特征在于，所述入射狭缝(1)和出射狭缝(6)均为直狭缝。

3.根据权利要求1或2所述的掠入射多包含角平面光栅单色器，其特征在于，所述第一聚焦镜(2)和第二聚焦镜(5)的面型均为柱面、球面、抛物面中的任意一种。

4.权利要求1～3任意一项所述的单色器实现波长扫描的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)判断需要输出的波长λ是否处在平面光栅当前的包含角θ对应的波段内，是，则旋转平面光栅，使其入射角α满足m为光栅衍射级次，d为平面光栅的光栅周期，进入步骤(3)；否，则进入步骤(2)；

(2)控制多角度反射镜上升或下降，使相应的反射面移进光路，并根据得到对应的、且包含有波长λ的包含角θ_n，然后旋转平面光栅，使其入射角α_n满足 ${\mathrm{sin\α}}_n-sin({\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\α}}_n)=\frac{m\mathrm{\λ}}{d},$ 进入步骤(3)；

(3)平面光栅将光束分光，并将色散光束传达至第二聚焦镜；

(4)将色散光束聚焦到出射狭缝，实现波长的输出；

(5)循环步骤(1)～(4)；实现波长扫描。