一种软X射线平焦场光谱仪的光谱分辨率提高方法

摘要

本发明提出一种软X射线平焦场光谱仪的光谱分辨率提高方法，利用光栅分区的方法，在不改变光谱仪结构的前提下分别设计各分区的槽型参数，改变各分区的衍射效率，从而进一步修正像差来提高光谱分辨率。本发明的优点为：光栅制作中沿垂直于条纹方向进行分区，分别设计不同的槽型参数，改变其衍射效率分布，进一步修正像差；在保证衍射效率的前提下，选择合适的分区结构槽型参数，提高了像差较严重波长的分辨率，而且不影响其他波长的分辨率，从而使光谱仪在整个使用波段上获得较好的分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及工作于软X射线波段的平焦场光谱仪，用于X射线等离子体诊断，具体涉 及一种软X射线平焦场光谱仪的光谱分辨率提高方法，利用光栅分区技术在未改变光谱仪结 构参数的情况下提高光谱仪的光谱分辨率。

背景技术

现有技术1（Performance of laminar-type holographic grating for a soft x-ray flat-field  spectrograph in the0.7-6nm region）平焦场光谱仪的结构如图1所示，所用的凹面光栅不仅 具有色散功能还兼具成像特性，不需要其他的成像元件，因此光谱仪能够做到小型化。该系 统对光谱成像在一个平面内，相比于罗兰圆成像系统（成像于一个圆上）能方便的与CCD、 微通道板以及条纹相机等平面探测器耦合，目前已被广泛应用于等离子体诊断、元素电子态 密度检测和软X射线激光研发等。

现有技术2（Development of wavelength-dispersive soft X-ray emission spectrometers for  transmission electron microscopes-an introduction of valence electron spectroscopy for  transmission electron microscopy）光谱分辨率作为光谱仪器的重要指标，提高光谱分辨率有 着非常重要的意义。对于短波的平焦场光谱仪，目前光谱分辨率的提高主要依赖于常规手段， 如减小入射狭缝宽度，增加光谱成像距离等。但是这些方法都存在相应的一些的问题：减小 狭缝宽度提升光谱分辨率的同时可能较严重的损失光通量；增加光谱成像距离存在两个方面 的问题，其一，光谱仪结构变大，很难做到小型化，其二，对于相同的光谱范围光谱像面宽 度变大，平面探测器的宽度不足以接收整个像面时，需要在宽度方向上移动平面探测器多次 接收数据以获取整个光谱像，这样做使系统复杂化，而且无法实现实时性。本发明从光栅角 度考虑，在不改变系统结构的情况下，通过改变光栅结构参数来改善系统的光谱分辨率。

现有技术3（http://www.horiba.com/cn/scientific/products/diffraction-gratings/catalog/ variable-groove-depth-vgd/,Fabrication and evaluation of a wideband multilayer laminar-type  holographic grating for use with a soft-x-ray flat-field spectrograph in the region of1.7keV）网址 给出的内容是HORIBA Jobin Yvon公司通过在条纹方向上连续改变槽深来改变光栅不同区域 的闪耀波长，文献中提到的分区则是在垂直于光栅条纹的方向上将光栅分成3个区域，并分 别镀制不同的多层膜系，以同时获取在不同入射角度下较高的衍射效率。上述两种光栅都是 利用分区以获取高的光栅衍射效率，本发明在垂直于条纹方向上分区设计不同的光栅槽型参 数（Laminar槽型，不同的占宽比和槽深）以改变各分区对入射光的衍射效率，进一步修正 某些波段的像差，从而提高光谱仪的光谱分辨率。

发明内容

针对软X射线消像差凹面光栅的成像特点，本发明提出一种软X射线平焦场光谱仪的 光谱分辨率提高方法，利用光栅分区的方法，在不改变光谱仪结构的前提下分别设计各分区 的槽型参数，改变各分区的衍射效率，从而进一步修正像差以提高光谱分辨率。

本发明采用的技术方案为：一种软X射线平焦场光谱仪的光谱分辨率提高方法，该方法 包括如下步骤：

步骤1、确定光谱仪的使用波长，然后确定光谱仪的结构参数；

步骤2、根据已定参数优化消像差凹面光栅的线密度分布及光栅基底的曲率半径，然后 依据线密度分布优化光栅的槽型结构参数以获取在整个使用波段内较理想的衍射效率；

步骤3、根据优化后的光栅相关参数，分析光栅的子午聚焦曲线与理想聚焦直线的偏差， 并初步确定需要进一步修正像差的波长；

步骤4、利用光线追迹方法分析平焦场光谱仪的成像，验证步骤3的结果并最终确定待 修正的波长，由于光线入射到光栅上不同位置的入射角度和对应的线密度不一样，即衍射效 率存在一定区别，因此在光线追迹中考虑衍射效率的影响；

步骤5、对光栅在垂直于条纹方向上进行分区，分析在待优化波长上各分区域的成像特 性：将光栅均匀分成3个区域，在点列图中将3个区域的光谱像错开，便于观察各个区域的 光谱像的中心位置及宽度，由此确定各区域成像的好坏；

步骤6、由于各区域成像存在的差异，针对待优化的波长，可以调整各区域成像在最终 成像中所占的比例，即抑制像差较大区域的衍射效率，提升像差较好区域的衍射效率，从而 进一步削弱像差，提升光谱分辨率；

步骤7、光栅采用Laminar槽型，因此可以通过设计各分区的槽深及占宽比来调整衍射效 率；由于分区槽型参数的改变，相应的整个波段的衍射效率都会改变，因此槽型参数选择的 同时要考虑其对其他波长衍射效率的影响；

步骤8、利用413.1nm的Kr+激光器进行全息曝光，获取光刻胶掩膜，根据步骤7的设计参 数，利用灰化技术分区处理光刻胶掩膜，在允许的误差范围内获取各区所需的占宽比，然后 利用离子束刻蚀技术分别刻蚀各区所需的槽深，最后在光栅上镀制100～150nm厚金膜。

本发明的原理在于：

本发明提供一种软X射线平焦场光谱仪的光谱分辨率提高方法，首先根据使用需求确定 光谱仪的使用波长，然后确定光谱仪的结构参数；根据已定参数优化光栅的线密度分布及光 栅基底的曲率半径，然后根据线密度分布优化光栅的槽型结构以获取在整个使用波段内较理 想的衍射效率；利用光线追迹方法分析平焦场光谱仪的成像，由于光线入射到光栅上不同位 置的入射角度和对应的线密度不一样，即衍射效率存在一定区别，因此在光线追迹中考虑衍 射效率的影响，根据各个波长处像差存在的差异，可以进一步修正像差，以提高光谱分辨率； 对光栅在垂直于条纹方向上进行分区，分别分析各区的成像特点，这里对光栅均匀分成3个 区域，利用光线追迹方法分析各分区成像特征，可以发现某些波长各个分区的像差存在明显 的差异，利用这个特性调整各个分区的衍射效率，抑制像差严重的区域来提高光谱仪的光谱 分辨率；由于分区槽型的改变，相应的整个波段的衍射效率都会改变，因此最终的槽型参数 的选择，应该使整个波段内像差大的衍射效率尽量低而像差小的衍射效率尽量高，但在保证 整体衍射效率的情况下优先考虑降低像差大所对应波长的衍射效率。优选的，步骤1中确定 光谱仪的使用波长，然后确定光谱仪的结构参数，具体为：入射狭缝到光栅中心距离237mm， 成像面到光栅中心的距离为235mm，使用于5～20nm的1200线/mm光栅入射角为87°，使 用于0.7～6nm的2400线/mm光栅入射角为88.65°。

本发明的优点和积极效果为：

1、对于消像差凹面光栅，在制作过程中沿垂直于条纹方向进行分区，分别设计不同的 槽型参数，改变其衍射效率分布，进一步修正像差。

2、在保证衍射效率的前提下，选择合适的分区结构槽型参数，提高了像差较严重波长 的分辨率，而且不影响其他波长的分辨率，从而使光谱仪在整个使用波段上获得较好的分辨 率。

附图说明

图1软X射线平焦场光谱仪结构示意图；

图2中心线密度为2400线/mm光栅的子午聚焦曲线；

图3光谱仪（2400线/mm光栅）在使用波段内的光谱成像；

图4光栅分区示意图（数字对应各区域中心线密度）；

图5光栅不同区域的成像特征（0.7、1.2、1.5、2、4.5和6nm）；

图6不同分区参数下0.8、0.8±0.8/50nm追迹点列图及分辨率；

图7不同分区参数下1.1、1.1±1.1/50nm追迹点列图及分辨率；

图8不同分区参数下4.0、4.0±4.0/50nm追迹点列图及分辨率。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明。

软X射线平焦场光谱仪常用的结构如图1所示，作为光谱仪的核心元件凹面光栅主要有 两大类：1200和2400线/mm，分别对应于不同的使用波段（如1200:5～20nm，2400:0.7～6nm 或更低的波长范围）。凹面光栅同时具备色散和成像的功能，色散功能由光栅即可实现，成 像功能通过优化光栅的线密度分布和球面基底曲率半径实现。线密度的优化是考虑光谱仪的 整个使用波段，因此难以对各个波长都能有较理想的消像差效果，即某些波长的像差小，而 某些波长的像差相对大，本发明就是针对这种情况进一步削弱光谱成像像差。

本发明解决技术问题采用的具体技术方案：

1、确定光谱仪的使用波长，然后确定光谱仪的结构参数，大部分参数取决于标准的结 构，入射狭缝到光栅中心距离237mm，成像面到光栅中心的距离为235mm，入射角度主要 由使用波长决定，一般使用于5～20nm的1200线/mm光栅入射角为87°，使用于0.7～6nm的 2400线/mm光栅入射角为88.65°。

2、根据已定参数优化消像差凹面光栅的线密度分布及光栅基底的曲率半径，然后依据 线密度分布优化光栅的槽型结构参数以获取在整个使用波段内较理想的衍射效率。

3、根据优化后的光栅相关参数，分析光栅的子午聚焦曲线与理想聚焦直线的偏差及使 用波段内各波长的光谱成像大小，确定需要进一步修正像差的波长。如图2给出了光栅的聚 焦曲线，图3给出几个波长对应的成像（光栅参数参见文献Performance of laminar-type  holographic grating for a soft x-ray flat-field spectrograph in the0.7-6nm region），可以看出各个 波长处的像差存在差异，从聚焦曲线和光谱像大小可以看出在0.7～1.3nm波段内像差都比较 严重，因此可以进一步修正该波段对应的像差，以提高光谱分辨率。

4、对光栅在垂直于条纹方向上进行分区，分别分析待进一步优化波段内各区的成像特 点。理论上分区数越多越能更好地修正像差，但考虑到工艺复杂度，这里只对光栅均匀分成 3个区域，如图4所示。图5给出了几个使用波长下的各分区的成像，为了便于观察在水平 方向上错开，某些波长处各个分区的像差存在明显的差异（大小及中心高度），本发明就是 利用这个特性调整各个分区的衍射效率，抑制像差严重的区域来提高光谱仪的光谱分辨率。

5、光栅采用Laminar槽型，因此可以通过设计各分区的槽深及占宽比来调整衍射效率； 由于分区槽型参数的改变，相应的整个波段的衍射效率都会改变，因此槽型参数选择的同时 要考虑其对其他波长衍射效率的影响。

6、利用Kr+激光器（413.1nm）进行全息曝光，获取光刻胶掩膜，根据设计的分区槽型 参数，利用灰化技术分区处理光刻胶掩膜，在允许的误差范围内获取各区所需的占宽比，然 后利用离子束刻蚀技术分别刻蚀各区所需的槽深，最后在光栅上镀制100～150nm厚金膜。

实施例1：

选取文献（Performance of laminar-type holographic grating for a soft x-ray flat-field  spectrograph in the0.7-6nm region）中的光栅进行分区设计，光栅中心线密度为2400gs/mm， 线密度参数为b₂=-62,b₃=40007.5,b₄=-369802.6,基底曲率半径为15920mm，使用波段为 0.7-6nm。

根据图2和图3分析，0.7～1.3nm波段的像差较严重，因此选取该波段做进一步优化。首 先，如图4将光栅分成区域I、II和III，考察各波长下不同光栅区域的成像特性（图5），可以 看出区域I和II的像差较大，而且三个区域的像中心都不在一个高度，因此导致该波段的像差 较严重。根据前面的分析，为了进一步削弱像差，应该抑制区域I和II的衍射效率，提升区域 III的衍射效率。文献中的光栅整体槽型参数为占宽比0.28、槽深4.5nm，分区后的光栅槽型参 数：区域I、II和III对应的占宽比分别为0.2、0.2和0.425，槽深分别为15、15和4.5nm。利用考 虑衍射效率影响的光线追迹方法，得到如图6、7、8所示的点列图，追迹波长为λ和λ±λ/50 （λ分别为0.8、1.1和4.0nm）。在待优化波段内，0.8nm处的分辨率从135提高到383,1.1nm从 346提高到620，同时给出了非优化波段的波长4.0nm处的分辨率，由原来的959变为1035。因 此分区光栅的设计对待优化波长的分辨率有明显的提高，同时不影响其他波长的分辨率。

实施例2：

光栅同为实例1，设计的分区槽型参数：区域I、II和III对应的占宽比分别为0.1、0.2和0.425， 槽深分别为15、15和4.5nm。光线追迹结果在图6、7、8中，在0.8nm，光谱分辨率相比于实 例1变化不大，由383变为425，在1.1nm处，则从620提升到712，对于4.0nm，光谱分辨率由 1035变化为1169。实例2相比于实例1，进一步抑制了较大像差区域的衍射效率，使光谱分辨 率又有了一定程度的提高。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解 本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来 讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而 易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。