平焦场光栅光谱仪

第 14卷 第 4期 2002年 7月 强 激 光 与 粒 子 束 HIGH POW ER I ASER AND PARTICI E BEAM S VO1．14，NO．4 Ju1．，2002 文章 编 号 ： 1oo1-4322(2002)04—0489—04 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 巾心 ．四川 绵 IN 62l900) 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法。 利用 2 400L／ram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～l0nm 通过在星光 装 置 上 利 用 该 谱 仪 测 量 C 。H。 O 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 0．02nm。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 ： TL81 7 ．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 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 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 。 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 成几乎是平面的记录焦面。目前，国内实验室使用的大多是 1 200I ／ram 的平焦场光栅谱仪口]，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 2 400I ／ram的变栅距 凹面光栅 ，其 摄谱 范围为 1．5～lOnm，扩充 了 1 200I ／ram 光栅谱仪短波方 向的摄谱范 围。 在星光装置上用低 z的c 。H 。O 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 since— sin／3'一 k2／d (1) 若光栅常数 d是常量，则对于每一个确定的波长 和光谱级数 k来说 ，衍射角 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 就与 a和 (_f有关 ，通 过变 化 d就 能调 节 。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。 ( (a)concave grating with invariable line space VG (h)CO rlcave grating witb variable J ine space Fig 1 imaging comparison between two concave grating l 两种 凹面光栅 成像 比较 · 收稿 日期 ：2001一l0一l0； 修 订 日期 ：2002—03一l8 基金项目：国家 863激光技术领域资助课题(863—4l0—3-4 2) 作者简介：吴 军(1976一)．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R J 9l 9—986信箱 丁永坤Ll 965一)，男，研究员，第一作者指导教师； 杨向东(1943一)，男．教授，杠!j士生导师，第一作者指导教师。 维普资讯 http://www.cqvip.com 强 激 光 与 粒 子 束 第 l4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 的。对于凹面光栅象差的校正口 ，如图 2所示定义矩形坐标系。以凹面光栅 的球面顶点 0为坐标原点 轴在光 栅的法线方向，垂直于 。点 ， 轴和 轴分别垂直 ，平行于光栅凹槽。把光源和衍射像点都置于 一_)，平面内。图 2中 ，A( ， ，0)是 光源 ，B( ．r ， ，0)是波 长为 的 阶衍 射像 点 ，P( t ， )是距 离 0点的第 个 凹槽 上 的一 点 。考 虑光通过 B点 ，在 P点的衍射 ，和 卢分别为人射角和衍射角 ，光路 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 F为 F 一 (AP>+ (PB>+ nmA (2) 根据 费米定律【4]，此方程满足 aFl~ =0和 aFlat=0。如 图 3所示 ，凹槽数 和位 置的关 系为 一 1 + 训；+惫训；+ 训；+．．·) (3) 式中： 一是从中心 。起，间距转化的数量； 是 训 等于零时的凹槽间距；尺是凹面曲率半径 ；b 是控制参数 。引 进极坐标 ，对 训， 幂级数展 开得到光路 函数 F — r+ r + 训F1 o+ t F2o+ Fo2+ t 。F3o+ 训 Fl 2+ 训 F22+ 训 F4o+ 训 F22+ F04+ O(w ) (4) 式中：O(w。)是 训 的更高阶项 ；F 为 F J— C J+ E(mA) 03M,| 5) 式中：c 和 ，的明确表达式见参考文献[3]。 应用可象差校正的凹面光栅设计摄谱仪的使用方法时，条件 aF／~ =0和 aF／at一0，也就是说 F ，一0必须 满足 ，否则无法获得聚焦的像点。但是，即使使用这种光栅也不可能在整个波长范围内得到清晰的像点 ，所以设 计凹面光栅时通常使 F ，为零或最小值以减少象差。方程(4)中，F。。与光栅色散有关 ，F 。与水平聚焦条件有关， F。 与 象散有关 ，F。。与 彗形象差有关 ，其它 F ，与较高阶的象差有关 。 2 400I ／mm的平焦场谱仪的原理如图 4所示。人 ⋯ ⋯ 1 5 10 nm — I 算得到光栅对波长．～ 区域形成平焦场，如图 。 二一一一＼ “l 、7 、． 5所示 ，焦平面位于光栅VG的垂直面，距光栅顶点o I ＼ l ／＼ ～-l I nm 为235mm。底片或条纹相机阴极放置在焦面上。谱线 88．65~ I ／ ＼ l 波长 与在焦面上的位置 的关系为 l 届=83 0。 5 A z = do(sina ． -- sin ㈤ 。。 谱 仪 的实物照 片如图 6所示 。左 前端为狭缝 ，缝宽 Fig ． 4 。f flat-fi。Id鲫 ti g p。 Ir0g ph， p 、 ipIe 0．1mm，位置连续可调，中部为光栅室，光栅放置在光 图4 平焦场光谱仪原理示意图 栅室中支架上，通过调整光栅支架可进行人射角调整。 下方 为可调支架 ，可对 整个谱仪 系统进行两维平 动和一维转动调节 ，以方便 整个谱仪 瞄靶 ，其 中两维平 动 可采 用手动和电动两种方式调节。光栅室右侧为一个电动快门暗盒 ，为活动件 ，暗盒可取下装卸底片，暗盒支撑架可 前后平移及倾斜微调，以保证底片或条纹相机阴极正确落在焦面上。谱仪后端可与 CCD接口。 由图 5知，变栅距光栅的焦面特性随入射角的变化非常灵敏E ，故对入射角的调整特别重要 。谱仪的调整 主要通过光学仪器监测和几何测量完成 ，我们使用正入射观察方法 ]，通过观察从光栅反射的狭缝零级像的位 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 吴 军等：平焦场光栅光谱仪 200 Fig．5 Calculated focal curve of tile 2 4001 ／ram aberration—corrected collcave grating Fig．6 2 4001 ／ram flat field grating spectrograph 图 5 2 400L／ram 光栅 的聚 特 性 圈 6 2 400L／mm平 场 光栅 谱仪 置来确定光栅谱仪的入射角。 2 实验结果 实验 采用低 Z的 C H 。()。作 为样 品靶 ，在 星光装置上 利用 波长为 0．35t~m的激光辐照样品靶产生等离子体。激光能量为 4．4J，激 光脉宽约为 600ps，激 光焦斑 约为~200t~m。实验 布置如 图 7所示 。在靶前 向用 2 400I ／ram 的平 焦场光栅谱仪 测量等离 子体 中的碳 和氧离 子发 射谱线 ，谱仪 采用 5FW 软 X 光胶 片记 录 ，在靶前 向同时采 用针孔相机测量激光焦斑 。 利用平焦场谱仪测量得到的激光辐照样品靶等离子体发射 的谱线 x光胶片记录如图 8所示，其中可见非常清晰的碳和氧 sampIv largel Fig．7 Diagram of expe riment arrangement 图 7 实 验 卉i置示 意图 离子 的发 射谱线 。在黑密度 计上对 X光记录胶片进行黑度扫描 ，获得谱线 黑度与位 置扫描 曲线 。利 用 5FW 软 x光胶片对 x光的响应特性圳及 2 400I ／ram平焦场光栅的光栅方程，编程计算处理谱线黑度与位置扫描曲 线，得到 C H () 等离子体发射谱线结果，如图 9所示。从图 9中，可以看到清晰的氧和碳离子 He—n，He一 及 I．y—n谱线 。测量谱线 的半宽 度 ，如图 9中的碳离子发射谱线 i，可以得 到该谱仪谱分辨率达 到约 0．02nm。 Fig 8 Measu retllellt record of emissinn specl rum of(：jH【__()．．sample plasma、、ith a 2 400i mnl flat field raIlI specI rograph 8 2 4001 nm 平 场 i}警仪测 }1 j刮 的 CjH () 样 IfI等离子 体发 t谱 f Fig 9 ResuIt of measu ring em ission spectrun1 of C sH~sO c,sam ple plasm a 图 9 c5Hl 60 样品等离子体发射谱测量结架。其中．氧离子发射谱为：atls IMp，b：is 一Is3p．c：I s一2p．d：is 一is2p 碳 离子 发射 谱为 efls一5p．f：I s一4p．g：ls一3p，h：l s一2p i：ls ls3p．J：I s I s2p r， L。．。。 。。．r． L 。 0 维普资讯 http://www.cqvip.com 492 强 激 光 与 粒 子 束 第 14卷 3 谱 仪 应 用 现在我们已成功地应用 2 400I ／mm的变栅距凹面光栅谱仪在星光装置上获得了高分辨率的 c H () 的 吸收谱 ，波长范围为 1．6～5．5nm，如图 10所示。并通过对比x射线的源光谱获得实验透射光谱，如图 ll所 示 。 (a)with the diagnostic hole open (h)with the diagnostic hole covered th C⋯I II“0 sample Fig．10 Raw X—ray spect ru|n im ages from the diagnosti。hole measu red with 2 400L／mm flat field grating spect ro一(；raph： 图 10 (a)源 X射 线光 谱记录 ；4b)Cl。Hl 6()6吸 收谱 记录 }2 1 0 ()8 0 6 0 4 0 2 2 3 4 5 6 wave]engh／nlTI Fig．1l Diagram of absorption spect runl of 4：l¨Hl b()“sample 图 11 Cl0H．6O6样 吸收潜l圣I 4 结 论 利用 2 400I ／ram 的变栅距光栅设计和建立了一台测谱范围为 1~5nrn的平焦场光栅谱仪，通过打靶实验 测谱表明，该谱仪谱分辨率已达到 0．02nm。目前该谱仪采用软 x光胶片记录，只能测时间积分的 x光谱，为了 实现时间分辨率的谱测量，正在开展该谱仪与门控分幅相机的配接实验工作。 参考 文献 ： [1] 丁耀南，何海恩．姚震宇，等．透射光栅时间分辨谱仪[J]．强激光与粒子束，1 991．3(2)：237 241．4Ding Y N．He H E，Yao Z Y，el a Time—resolved X—ray 1 ransimission grating specl romeler．High p0"fJ，．1asel and pal title ~llllS．1991．3 42)：237 241) [2： [3j 4： [5： [6： [7 [83 何绍堂 ．陈 渊，淳于 书泰 ，等．一台高分辨袖珍式掠入射光栅 谱仪[J]．强激光 与粒子束，1 990．2 44)：455 460．(He S T，Chen Y， Cbunyu S F，et a1．A compact high reso]ution grazing—incidence grating spectrometer．H；gh powe, “ r，。and parthle~eult1 ．i．1 990． 2(4)1 45j 460) Harada F，Kita T．Aberration corrected concave gratings[J：． 4ppl ．1 980．19 423)：3987 3993． Namioka T．Fermit’s principle[J：．．，Opt 山，f'l959，49 44)：44 6 460． Nakano N．Kuroda H ．Kita T．et a1．Development of a flat—field grazing—incidence XUV spectrometer and its application in picosecond XUV spectr0sc0py[J]．Appl Opt．1 984，23 414)：2386⋯ 2392． 倪元龙．毛楚生．吴 江．等．平焦场光栅光谱仪[J]．强激光与粒子束．1991．3(2)：242—248．(Ni Y L，Mao C S．Wu J，et a1．A flat field grating spectrograph for X—ray laser research．High powrl。lasez‘and particle beams，1991，3(2)}24 2 248) Yang J M，Ding Y N，Zheng z J．et a1．Study of response of film 5F to soft—X—ray[J]．Acta Opti~le Sinict．1997，17(5)：599 603． Yang J M．Absorption measurement of radiatively—healed low—z mixture[J]．c Phys lett，2001，18 44)；550—552． Flat field grating spectrograph for soft X—ray laser research WU Jun， YANG Jia—min， DING Yong—kun． DING Yao—nan． WANG Yao—mei· ZHANG Wen—hai． ZHENG Zhi—jian． YANG Xiang—dong (Research Center of Laser Fusion，CAE1 i ．0．Boa’91 9-986 Mianyang 621 900。China) Abstract： This paper presents the principle．structure and aberration—corrected designing of a flat focal field concave grat— ing spectrograph． W e designed and constructed a spectrograph instrument using varied spaced concave grating with 2 400一 grooves／mm．Spectral range of detection is 1．5～ 1Onm．Typical soft X—ray line spectra emitted from laser plasma of C Hl 6O6 target has been obtained with this spectrograph instrum ent on ’Xing—gnang II’laser facility．The experiment results indicate that the spectral resolution is 0．02nm ． Absorption spectrum of laser—produced plasma has been observed successfully with the de— Vlee． Key words： concave grating； spectrograph； aberration 维普资讯 http://www.cqvip.com