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403 Forbidden掠入射凹面光栅谱仪高级次衍射光谱相对效率测量
掠入射凹面光栅谱仪高级次衍射光谱相对效率测量
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&&& 摘 要： 测量了波长2.847、3.373、4.027、9.873和10.24nm谱线的一级和高级次光谱强度。给出了以一级光谱强度为标准的高级次衍射光谱的相对效率,并对测量结果进行了分析、讨论。
&&& 在XUV(远紫外)和软X射线光谱区域,掠入射凹面光栅谱仪应用非常广泛,这种摄谱仪器采用大角度入射,提高了光栅表面的反射效率,其凹
&&& 摘 要： 测量了波长2.847、3.373、4.027、9.873和10.24nm谱线的一级和高级次光谱强度。给出了以一级光谱强度为标准的高级次衍射光谱的相对效率,并对测量结果进行了分析、讨论。
&&& 在XUV(远紫外)和软X射线光谱区域,掠入射凹面光栅谱仪应用非常广泛,这种摄谱仪器采用大角度入射,提高了光栅表面的反射效率,其凹球面光栅除具有色散本领外,还具有聚焦能力,因而减少了谱仪的反射面,有效地降低了能量损失。含有不同波长的谱线光源经光栅衍射形成几个相互重叠的不同级次光谱。谱仪分辨率正比于衍射级次,当低级次光谱满足不了高分辨率应用需求时,采用高级次衍射谱常常可以获得满意效果。但高级次谱的效率较低,其存在增加了所测得谱图中的谱线数目,复杂了谱线的辨认。另外,在测量谱线强度时,要考虑相应短波长谱线的高级次衍射谱的强度贡献。因而,在光栅谱仪的应用中,必须准确知道谱仪在测谱范围内各光谱级次的效率。
&&& 光栅效率就是衍射到某一光谱级次的能量与入射到光栅上的能量的比值。它与光栅刻线轮廓形状、光栅表面的反射能力和能量的散射损失三个因素有关。对可见和紫外光谱区域的平面闪耀光栅,可根据电磁波理论进行效率计算,或选择相应光源进行实验标定。但由于效率计算仅应用于平面光栅,M.Nevier和W.R.Hunter研究了光栅刻线面的效率变化[1]。通过实验和理论计算证明,在知道光栅确切刻线形状后,凹面光栅可作为闪耀角变化的平面光栅处理。但掠入射条件下凹面光栅效率变化的系统研究迄今没有进行。又因为难以有适当强度的软X射线单色源,不能标定掠入射凹面光栅谱仪的绝对效率。
&&& 我们以不同元素的激光等离子体作为软X射线源,选择测量了在2.8~10.5nm波长范围内一些谱线的一级和高级次光谱强度,给出了以一级谱线强度为标准的掠入射凹面光栅谱仪的高级次衍射光谱的相对效率。
&&& 1& 实验方法
&&& 谱仪结构如图1所示,狭缝、光栅和记录谱线的软X光底片安装在其直径等于光栅曲率半径的圆周上,该圆称为罗兰圆。与光栅顶点相切,通过狭缝的软X射线经光栅衍射后在罗兰圆柱面形成分立谱线。谱线满足光栅方程d(sin&+sin&)=k&,k=0,&1,&2,&3,&;d为光栅常常数;&为入射角;&为衍射角;k是光谱级次;&是谱线波长。由此可知,在固定的&,&值下,将在同一个方向观测到满足&2=&1/2,&3=&1/3,&,&k=&1/k关系的不同波长的谱线。脚标1、2、3、&、k表示观测到波长&k处的光谱级次。光栅的理论分辨本领P=&/&D&=kN,&D&表示谱仪能分辨出的最小波长间隔;N为光栅刻线数。在光栅刻线数一定时,光谱级次越高,谱仪的分辨率越大。
&&& 从夫琅和费多缝衍射的强度可知,毫无色散作用的零级光谱占有入射总光能中很大一部分能量,采用闪耀光栅可改变这种情况。闪耀光栅通过控制光栅刻线形状来改变各级主极大的相对光强分布,使光强集中到所要求的光谱级上。当光栅闪耀角为&时,闪耀波长&b=(2d/k)sin&cos(&-&)。
&&& 谱仪选用美国Milton Roy公司的凹球面光栅,其曲率半径R=998.8mm,光栅常数d=1/1200mm,闪耀角&=2.3&,刻线面积S=20mm&20mm,表面镀铂。谱仪入射角88&,一级闪耀波长5nm,测谱范围2~30nm,狭缝宽10&m,一级谱能分辨的最小波长间隔&D&=0.008nm。谱线由Kodak SWR底片记录。
&& &实验在上海&神光&装置上进行。入射激光波长1.053&m,脉宽650ps,谱线强度与辐射跃迁几率和离子数密度有关。在不同的打靶条件下,其强度有所变化。获取波长&&5nm谱线时采用点聚焦打靶。点靶焦斑&P100&m,功率密度1014W/cm2。获取&&5nm谱线时,采用线聚焦打靶,焦线尺寸25mm&120&m,靶面功率密度1013W/cm2。
&& &2&& &谱线波长和强度测量
&&& 谱线波长通常根据其在底片位置按照光栅方程确定。由于谱仪的机械加工误差,记录谱线的底片会不规则地偏离罗兰柱面,单纯由光栅方程不能准确地定出谱线波长。为了提高精度,根据谱线位置,确定未知谱线波长为[2]&i=f(xi)+&aj&j(xi),f(xi)表示由光栅色散方程测得的位置函数;&j(xi)为切比雪夫正交多项式;aj为其系数。谱线测量时,以CⅥ的一级黎曼线及巴尔末线[3]和GeⅩⅩⅢ的3s-3p激光线[4]作为标准谱线确定出系数aj。未知谱线位置由黑密度计按照10&1比例扫描底片得到。根据谱线波长、低级谱强度、波长测量精度范围内其他谱线的出现几率等因素,综合判断是否高级次光谱。
&& &谱线强度根据底片感光黑度确定。底片黑度不仅与感光照度有关,还与底片材料、显影液成分、显影液温度和显影时间有关。用荧光质子源标定了Kodak SWR软X光底片。本文工作中底片冲洗条件与标定条件完全一致,采用D19显影,F5定影,显影时间5分钟,显影温度20℃。在确定谱线强度时,首先用黑密度计分别测出某一谱线位置的总黑度D0和该谱线位置的本底黑度Db,然后通过底片响应曲线转换为总强度E0和本底强度Eb,该谱线强度则为E=E0-Eb。
&& 3&& 结果与讨论
&& &图2是测得的点聚焦Formvar(C11H18O5)膜靶等离子体XUV光谱黑密度计扫描径迹。由图3可知,在点聚焦打靶条件下,Formvar膜靶等离子体发射光谱主要为CⅤ、CⅥ和OⅥ、OⅦ、OⅧ离子谱线,集中在波长小于19.0nm范围内,其中Lyman线及He&线最强。类氢氧离子Lyman线的一级谱波长小于2nm,不在谱仪的测谱范围内,其三级谱强度太弱,未进行强度测量。
&&& 在线聚焦打Formvar膜靶时,类氢离子的B&(巴尔末&)线很强,但CⅥ的3-2跃迁线波长18.22nm,其二级谱超出了谱仪的测量范围。AgⅩ、Ⅸ、4f-4g跃迁线较强,其波长为9.874nm。根据强度大、本底小、易与其他谱线分开等原则,选取了CⅥ的Ly&和Ly&线、CⅤ的He&线、&AgⅩⅨ的4f-5g线以及OⅧ的B&线进行一级谱和高级次谱的强度测量。所选择谱线的光谱参数见表1,表中除&AgⅩⅨ数据取自文献[5]外,其余均取自文献[3]。OⅧ的2s-3p及2p-3d线离得很近,合并为一条谱线测量。
&& &我们分别以表1中各谱线的一级谱强度为标准测得的高级谱强度与一级谱强度的比值作为掠入射凹面光栅谱仪的高级次衍射光谱的相对效率, 测量结果见表2。e线的三级谱不在谱仪的测谱范围内,& d线的三级谱和a、c线的四级谱强度太弱未能被谱仪探测。测得一波长13.495nm的较强谱线, b线的四级谱波长为13.499nm,而CⅥ的2s-4p和2p-4d跃迁线波长分别为13.491nm和13.494nm,在谱仪的测量精度范围内都与测得的谱线波长符合。但a线和c线的一级谱强度与b线的一级谱强度差别不大,其第四级谱均未能被谱仪探测,b线的第四级谱也不应被谱仪探测。波长13.495nm谱线是CⅥ的4-2跃迁线,不是b线的第四级谱。
&&& 在可见光区域使用正入射平面闪耀光栅时,波长一定的入射光线,其衍射光强主要集中在某一特定的光谱级上。在某一光谱级上,不同波长的谱线,其衍射效率差别很大。若以第k级的闪耀波长&bk的衍射效率为1,则在0.45~1效率范围内,可探测的波长范围&D&=&&P-&&=&bk&4k/(4k2-1)。其中,可探测的最短波长&&=&bk2k/(2k2+1);可探测的最大波长&&P=&bk2k/(2k-1)。而掠入射凹面光栅谱仪的闪耀效果远不如平面闪耀光栅显著。在谱仪测量范围内,高级谱强度均较低级谱强度弱。光谱级次越高,强度衰减率越大。我们使用的谱仪,其&b1为5nm,&b2为2.5nm。在2.8~10nm波长范围内,第二级光谱的相对效率在0.5~0.7之间,越接近闪耀波长,其相对效率越高。
& & 工作中只测量了以第一级光谱强度为标准的各级光谱的相对效率。在有条件时,尚需测量各级光谱的绝对效率和零级光谱强度。
&& &综上所述,掠入射凹面光栅谱仪闪耀效果远不如平面闪耀光栅谱仪显著,其闪耀波长的分布较宽,闪耀波长的集光效率不如平面闪耀光栅高。高级光谱强度均较低级光谱弱,级次越高,强度衰减率越大。在2.8~10nm范围内,第二级光谱的相对效率在0.5~0.7之间,第三级光谱的相对效率约为0.1,越接近闪耀波长,其相对效率越高。
1& Nevier M and Junter W R.Analysis of the changes in efficiency across the ruled area of a concave diffraction grating.Ap-
pl Opt,):2059
2 黄文忠、何绍堂、孔令华、韩红军.锗等离子体XUV光谱研究.物理学报,):1066
3& Kelly R L.Atomic and inoic spectrum lines below 2000 angstroms,hydrogen through argon.ORNL-
4& Kelly R L.Atomic and inoic spectrum lines below 2000 angstroms,hydrogen through krypton.J Phys Chem Ref Data,
5& Reader J,Acquista N,and Cooper D.Spectra and energy levels of ions in the copper isoelectronic sequence from Ru15+to
Sn21+.J Opt Soc Am,):1765
本文作者：黄文忠 蔡玉琴 谷渝秋 何颖玲
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一光栅宽2.54cm，其上刻有8000条刻痕，若以白光垂直照射，试问在可见光光谱中哪些波长的光可以在第5级衍射光谱
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一光栅宽2.54cm，其上刻有8000条刻痕，若以白光垂直照射，试问在可见光光谱中哪些波长的光可以在第5级衍射光谱中看到？（已知可见光范围为λ=400nm-760nm)
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用波长400～800nm的日光照射光栅，在它的衍射光谱中，第二级和第三级发生重叠。第二级光谱被重叠部分的波长范围
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用波长400～800nm的日光照射光栅，在它的衍射光谱中，第二级和第三级发生重叠。第二级光谱被重叠部分的波长范围是（&&)&&A．533.3～800nm&&B．400～533.3nm&&C．600～800nm&&D．533.3～600nm
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