一種軟x射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法
【專利摘要】本發明提出一種軟X射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法，利用光柵分區的方法，在不改變光譜儀結構的前提下分別設計各分區的槽型參數，改變各分區的衍射效率，從而進一步修正像差來提高光譜分辨率。本發明的優點為：光柵制作中沿垂直于條紋方向進行分區，分別設計不同的槽型參數，改變其衍射效率分布，進一步修正像差；在保證衍射效率的前提下，選擇合適的分區結構槽型參數，提高了像差較嚴重波長的分辨率，而且不影響其他波長的分辨率，從而使光譜儀在整個使用波段上獲得較好的分辨率。
【專利說明】一種軟X射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工作于軟X射線波段的平焦場光譜儀，用于X射線等離子體診斷，具體涉及一種軟X射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法，利用光柵分區技術在未改變光譜儀結構參數的情況下提高光譜儀的光譜分辨率。
【背景技術】
[0002]現有技術 I (Performance of laminar-type holographic grating for a softχ-ray flat-field spectrograph in the0.7_6nm region)平焦場光譜儀的結構如圖1 所示，所用的凹面光柵不僅具有色散功能還兼具成像特性，不需要其他的成像元件，因此光譜儀能夠做到小型化。該系統對光譜成像在一個平面內，相比于羅蘭圓成像系統(成像于一個圓上)能方便的與CCD、微通道板以及條紋相機等平面探測器耦合，目前已被廣泛應用于等離子體診斷、元素電子態密度檢測和軟X射線激光研發等。
[0003]現有技術 2 (Development of wavelength-dispersive soft X-ray emissionspectrometers for transmission electron microscopes—an introduction of valenceelectron spectroscopy for transmission electron microscopy)光譜分辨率作為光譜儀器的重要指標，提高光譜分辨率有著非常重要的意義。對于短波的平焦場光譜儀，目前光譜分辨率的提高主要依賴于常規手段，如減小入射狹縫寬度，增加光譜成像距離等。但是這些方法都存在相應的一些的問題:減小狹縫寬度提升光譜分辨率的同時可能較嚴重的損失光通量；增加光譜成像距離存在兩個方面的問題，其一，光譜儀結構變大，很難做到小型化，其二，對于相同的光譜范圍光譜像面寬度變大，平面探測器的寬度不足以接收整個像面時，需要在寬度方向上移動平面探測器多次接收數據以獲取整個光譜像，這樣做使系統復雜化，而且無法實現實時性。本發明從光柵角度考慮，在不改變系統結構的情況下，通過改變光柵結構參數來改善系統的光譜分辨率。
[0004]現有技術3 (http://www.horiba.com/cn/scientific/products/diffraction-gratings/catalog/variable-groove-depth-vgd/, Fabrication andevaluation of a wideband multilayer laminar-type holographic grating for usewith a soft-x-ray flat-field spectrograph in the region ofl.7keV)網址給出的內容是HORIBA Jobin Yvon公司通過在條紋方向上連續改變槽深來改變光柵不同區域的閃耀波長，文獻中提到的分區則是在垂直于光柵條紋的方向上將光柵分成3個區域，并分別鍍制不同的多層膜系，以同時獲取在不同入射角度下較高的衍射效率。上述兩種光柵都是利用分區以獲取高的光柵衍射效率，本發明在垂直于條紋方向上分區設計不同的光柵槽型參數(Laminar槽型，不同的占寬比和槽深)以改變各分區對入射光的衍射效率，進一步修正某些波段的像差，從而提高光譜儀的光譜分辨率。
【發明內容】
[0005]針對軟X射線消像差凹面光柵的成像特點，本發明提出一種軟X射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法，利用光柵分區的方法，在不改變光譜儀結構的前提下分別設計各分區的槽型參數，改變各分區的衍射效率，從而進一步修正像差以提高光譜分辨率。
[0006]本發明采用的技術方案為:一種軟X射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法，該方法包括如下步驟:
[0007]步驟1、確定光譜儀的使用波長，然后確定光譜儀的結構參數；
[0008]步驟2、根據已定參數優化消像差凹面光柵的線密度分布及光柵基底的曲率半徑，然后依據線密度分布優化光柵的槽型結構參數以獲取在整個使用波段內較理想的衍射效率；
[0009]步驟3、根據優化后的光柵相關參數，分析光柵的子午聚焦曲線與理想聚焦直線的偏差，并初步確定需要進一步修正像差的波長；
[0010]步驟4、利用光線追跡方法分析平焦場光譜儀的成像，驗證步驟3的結果并最終確定待修正的波長，由于光線入射到光柵上不同位置的入射角度和對應的線密度不一樣，即衍射效率存在一定區別，因此在光線追跡中考慮衍射效率的影響；
[0011]步驟5、對光柵在垂直于條紋方向上進行分區，分析在待優化波長上各分區域的成像特性:將光柵均勻分成3個區域，在點列圖中將3個區域的光譜像錯開，便于觀察各個區域的光譜像的中心位置及寬度，由此確定各區域成像的好壞；
[0012]步驟6、由于各區域成像存在的差異，針對待優化的波長，可以調整各區域成像在最終成像中所占的比例，即抑制像差較大區域的衍射效率，提升像差較好區域的衍射效率，從而進一步削弱像差，提升光譜分辨率；
[0013]步驟7、光柵采用Laminar槽型，因此可以通過設計各分區的槽深及占寬比來調整衍射效率；由于分區槽型參數的改變，相應的整個波段的衍射效率都會改變，因此槽型參數選擇的同時要考慮其對其他波長衍射效率的影響；
[0014]步驟8、利用413.1nm的Kr+激光器進行全息曝光，獲取光刻膠掩膜，根據步驟7的設計參數，利用灰化技術分區處理光刻膠掩膜，在允許的誤差范圍內獲取各區所需的占寬t匕，然后利用離子束刻蝕技術分別刻蝕各區所需的槽深，最后在光柵上鍍制100?150nm厚金膜。
[0015]本發明的原理在于:
[0016]本發明提供一種軟X射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法，首先根據使用需求確定光譜儀的使用波長，然后確定光譜儀的結構參數；根據已定參數優化光柵的線密度分布及光柵基底的曲率半徑，然后根據線密度分布優化光柵的槽型結構以獲取在整個使用波段內較理想的衍射效率；利用光線追跡方法分析平焦場光譜儀的成像，由于光線入射到光柵上不同位置的入射角度和對應的線密度不一樣，即衍射效率存在一定區別，因此在光線追跡中考慮衍射效率的影響，根據各個波長處像差存在的差異，可以進一步修正像差，以提高光譜分辨率；對光柵在垂直于條紋方向上進行分區，分別分析各區的成像特點，這里對光柵均勻分成3個區域，利用光線追跡方法分析各分區成像特征，可以發現某些波長各個分區的像差存在明顯的差異，利用這個特性調整各個分區的衍射效率，抑制像差嚴重的區域來提高光譜儀的光譜分辨率；由于分區槽型的改變，相應的整個波段的衍射效率都會改變，因此最終的槽型參數的選擇，應該使整個波段內像差大的衍射效率盡量低而像差小的衍射效率盡量高，但在保證整體衍射效率的情況下優先考慮降低像差大所對應波長的衍射效率。優選的，步驟I中確定光譜儀的使用波長，然后確定光譜儀的結構參數，具體為:入射狹縫到光柵中心距離237mm，成像面到光柵中心的距離為235mm，使用于5?20nm的1200線/mm光柵入射角為87°，使用于0.7?6nm的2400線/mm光柵入射角為88.65°。
[0017]本發明的優點和積極效果為:
[0018]1、對于消像差凹面光柵，在制作過程中沿垂直于條紋方向進行分區，分別設計不同的槽型參數，改變其衍射效率分布，進一步修正像差。
[0019]2、在保證衍射效率的前提下，選擇合適的分區結構槽型參數，提高了像差較嚴重波長的分辨率，而且不影響其他波長的分辨率，從而使光譜儀在整個使用波段上獲得較好的分辨率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1軟X射線平焦場光譜儀結構示意圖；
[0021]圖2中心線密度為2400線/mm光柵的子午聚焦曲線；
[0022]圖3光譜儀(2400線/mm光柵)在使用波段內的光譜成像；
[0023]圖4光柵分區示意圖(數字對應各區域中心線密度)；
[0024]圖5光柵不同區域的成像特征(0.7、1.2、1.5、2、4.5和6nm)；
[0025]圖6不同分區參數下0.8,0.8±0.8/50nm追跡點列圖及分辨率；
[0026]圖7不同分區參數下1.1、1.1±1.l/50nm追跡點列圖及分辨率；
[0027]圖8不同分區參數下4.0、4.0±4.0/50nm追跡點列圖及分辨率。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖及具體實施例進一步說明本發明。
[0029]軟X射線平焦場光譜儀常用的結構如圖1所示，作為光譜儀的核心元件凹面光柵主要有兩大類:1200和2400線/mm，分別對應于不同的使用波段(如1200:5?20nm，2400:0.7?6nm或更低的波長范圍)。凹面光柵同時具備色散和成像的功能，色散功能由光柵即可實現，成像功能通過優化光柵的線密度分布和球面基底曲率半徑實現。線密度的優化是考慮光譜儀的整個使用波段，因此難以對各個波長都能有較理想的消像差效果，即某些波長的像差小，而某些波長的像差相對大，本發明就是針對這種情況進一步削弱光譜成像像差。
[0030]本發明解決技術問題采用的具體技術方案:
[0031]1、確定光譜儀的使用波長，然后確定光譜儀的結構參數，大部分參數取決于標準的結構，入射狹縫到光柵中心距離237mm，成像面到光柵中心的距離為235mm，入射角度主要由使用波長決定，一般使用于5?20nm的1200線/mm光柵入射角為87°，使用于0.7?6nm的2400線/mm光柵入射角為88.65°。
[0032]2、根據已定參數優化消像差凹面光柵的線密度分布及光柵基底的曲率半徑，然后依據線密度分布優化光柵的槽型結構參數以獲取在整個使用波段內較理想的衍射效率。
[0033]3、根據優化后的光柵相關參數，分析光柵的子午聚焦曲線與理想聚焦直線的偏差及使用波段內各波長的光譜成像大小，確定需要進一步修正像差的波長。如圖2給出了光柵的聚焦曲線，圖3給出幾個波長對應的成像(光柵參數參見文獻Performance oflaminar-type holographic grating for a soft χ-ray flat-field spectrograph inthe0.7-6nm region),可以看出各個波長處的像差存在差異，從聚焦曲線和光譜像大小可以看出在0.7?1.3nm波段內像差都比較嚴重，因此可以進一步修正該波段對應的像差，以提高光譜分辨率。
[0034]4、對光柵在垂直于條紋方向上進行分區，分別分析待進一步優化波段內各區的成像特點。理論上分區數越多越能更好地修正像差，但考慮到工藝復雜度，這里只對光柵均勻分成3個區域，如圖4所示。圖5給出了幾個使用波長下的各分區的成像，為了便于觀察在水平方向上錯開，某些波長處各個分區的像差存在明顯的差異(大小及中心高度)，本發明就是利用這個特性調整各個分區的衍射效率，抑制像差嚴重的區域來提高光譜儀的光譜分辨率。
[0035]5、光柵采用Laminar槽型，因此可以通過設計各分區的槽深及占寬比來調整衍射效率；由于分區槽型參數的改變，相應的整個波段的衍射效率都會改變，因此槽型參數選擇的同時要考慮其對其他波長衍射效率的影響。
[0036]6、利用Kr+激光器(413.1nm)進行全息曝光，獲取光刻膠掩膜，根據設計的分區槽型參數，利用灰化技術分區處理光刻膠掩膜，在允許的誤差范圍內獲取各區所需的占寬比，然后利用離子束刻蝕技術分別刻蝕各區所需的槽深，最后在光柵上鍍制100?150nm厚金膜。
[0037]實施例1:
[0038]選取文獻(Performance of laminar-type holographic grating for a softχ-ray flat-field spectrograph in the0.7_6nm region)中的光柵進行分區設計，光柵中心線密度為2400gs/mm，線密度參數為b2=_62，b3=40007.5，b4=-369802.6，基底曲率半徑為15920mm，使用波段為 0.7_6nm。
[0039]根據圖2和圖3分析，0.7?1.3nm波段的像差較嚴重，因此選取該波段做進一步優化。首先，如圖4將光柵分成區域1、II和III，考察各波長下不同光柵區域的成像特性(圖5)，可以看出區域I和II的像差較大，而且三個區域的像中心都不在一個高度，因此導致該波段的像差較嚴重。根據前面的分析，為了進一步削弱像差，應該抑制區域I和II的衍射效率，提升區域III的衍射效率。文獻中的光柵整體槽型參數為占寬比0.28、槽深4.5nm,分區后的光柵槽型參數:區域1、II和III對應的占寬比分別為0.2,0.2和0.425，槽深分別為15、15和4.5nm。利用考慮衍射效率影響的光線追跡方法，得到如圖6、7、8所示的點列圖，追跡波長為λ和λ ± λ /50( λ分別為0.8、1.1和4.0nm)ο在待優化波段內，0.8nm處的分辨率從135提高到383，1.1nm從346提高到620，同時給出了非優化波段的波長4.0nm處的分辨率，由原來的959變為1035。因此分區光柵的設計對待優化波長的分辨率有明顯的提高，同時不影響其他波長的分辨率。
[0040]實施例2:
[0041]光柵同為實例1，設計的分區槽型參數:區域1、II和III對應的占寬比分別為
0.1、0.2和0.425，槽深分別為15、15和4.5nm。光線追跡結果在圖6、7、8中，在0.8nm，光譜分辨率相比于實例I變化不大，由383變為425，在1.1nm處，則從620提升到712，對于4.0nm，光譜分辨率由1035變化為1169。實例2相比于實例I，進一步抑制了較大像差區域的衍射效率，使光譜分辨率又有了一定程度的提高。[0042]本發明未詳細公開的部分屬于本領域的公知技術。
[0043]盡管上面對本發明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術領域】的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
【權利要求】
1.一種軟X射線平焦場光譜儀的光譜分辨率提高方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟1、確定光譜儀的使用波長，然后確定光譜儀的結構參數； 步驟2、根據已定參數優化消像差凹面光柵的線密度分布及光柵基底的曲率半徑，然后依據線密度分布優化光柵的槽型結構參數以獲取在整個使用波段內較理想的衍射效率；步驟3、根據優化后的光柵相關參數，分析光柵的子午聚焦曲線與理想聚焦直線的偏差，并初步確定需要進一步修正像差的波長； 步驟4、利用光線追跡方法分析平焦場光譜儀的成像，驗證步驟3的結果并最終確定待修正的波長，由于光線入射到光柵上不同位置的入射角度和對應的線密度不一樣，即衍射效率存在一定區別，因此在光線追跡中考慮衍射效率的影響； 步驟5、對光柵在垂直于條紋方向上進行分區，分析在待優化波長上各分區域的成像特性:將光柵均勻分成3個區域，在點列圖中將3個區域的光譜像錯開，便于觀察各個區域的光譜像的中心位置及寬度，由此確定各區域成像的好壞； 步驟6、由于各區域成像存在的差異，針對待優化的波長，可以調整各區域成像在最終成像中所占的比例，即抑制像差較大區域的衍射效率，提升像差較好區域的衍射效率，從而進一步削弱像差，提升光譜分辨率； 步驟7、光柵采用Laminar槽型，因此可以通過設計各分區的槽深及占寬比來調整衍射效率；由于分區槽型參數的改變，相應的整個波段的衍射效率都會改變，因此槽型參數選擇的同時要考慮其對其他波長衍射效率的影響； 步驟8、利用413.1nm的Kr+激光器進行全息曝光，獲取光刻膠掩膜，根據步驟7的設計參數，利用灰化技術分區處理光刻膠掩膜，在允許的誤差范圍內獲取各區所需的占寬比，然后利用離子束刻蝕技術分別刻蝕各區所需的槽深，最后在光柵上鍍制100?150nm厚金膜。
【文檔編號】G01J3/02GK103453991SQ201310306376
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月20日 優先權日:2013年7月20日
【發明者】劉正坤, 陳火耀, 王慶博, 劉穎, 付紹軍 申請人:中國科學技術大學