一种用于提高软X射线线偏振度的反射式偏振元件和方法

摘要

本发明公开了一种用于提高软X射线线偏振度的反射式偏振元件及方法，其偏振元件为人工晶体制成的反射式偏振晶片，该反射式偏振晶片具有被抛光处理的反射镜面。一种提高软X射线线偏振度的方法，其是通过人工晶体晶片来获取高线偏振度的软X射线，软X射线选取在50-180eV能区范围。其可以省去现有技术中的设计和复杂工艺制备过程的麻烦；利用新的反射式偏振元件来实现获取高线偏振度的软X射线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于提高软X射线线偏振度的反射式偏振元件和方法。

背景技术

偏振特性是同步辐射光源优异特性之一。近年来，利用材料(尤其是磁性材料和生命物质)对入射软X射线偏振强度和偏振状态的变化进行的软X射线偏振应用研究已在生物、化学、物理、材料科学以及计量科学等领域广泛开展，并且发展了许多对于研究材料磁特性有价值的测量方法，如软X射线磁圆二色(XMCD)、磁线二色(XMLD)、磁光法拉第(Faraday)效应和克尔(Kerr)效应等。在这些研究中，精确测定入射软X射线的偏振状态显得极其重要。

由于诸多因素的影响，同步辐射光经单色器后出射的单色光的线偏振度通常不能满足实验的需要。为了获得线偏振度更高的输出光，通常采用的方法是在光路中增加偏振元件(起偏器)。

在软X射线能区，由于任何物质的折射率(实部)都接近1，并且小于1，物质对光吸收强烈，不存在透明物质，因而，在其他能量范围内可以作为偏振元件的材料无法在该能区使用。在该能区现通常选择多层膜作为偏振元件。

在软X射线能区，有窄带周期性多层膜和宽带多层膜两大类。前者通常只是针对特定波长或特定角度才能达到较好的偏振效果，不适于做应用性研究的偏振元件。所以，在实际应用中通常选用宽带多层膜。

软X射线多层膜现一般采用两种材料交替镀制的结构，其中一种材料通常选择高原子序数(吸收层)；另一种选用低原子序数材料(间隔层)。此外，材料的物理、化学稳定性和相互间可能发生的反应，都是影响多层膜反射率的重要因素。所以在材料的选择上还需要考虑：(1)选择在工作波长处吸收系数尽可能小的材料作为间隔层；(2)吸收层材料要选择和已经确定的间隔层材料形成的Fresnel反射系数尽可能大的材料；(3)在制备过程中，两种材料可以形成清晰、光滑且稳定的界面；(4)两种材料不发生相互反应和扩散；材料和界面应处于热动力平衡状态；它们应具有尽可能高的熔点，且热膨胀系数相近；外界因素的影响不引起相结构的变化或相变等等。

对软X射线多层膜的优化过程，就是在选定材料和膜层数之后，通过不断调整各个参数(如膜层的厚度)，得到具有最接近目标光学性能的膜系结构。

镀制软X射线能区的多层膜时，由于任一种材料的厚度都在纳米量级，因此，对制备的要求较高，例如膜层厚度的精度、膜层质量(均匀性、致密度、粗糙度等)以及界面的光滑度、粗糙度等对于偏振元件的性质影响很大。

综上所述，现有技术中选择多层膜作为偏振元件，需要根据具体的实验目的和要求对多层膜进行膜系设计，制备和应用过程比较复杂，人力物力耗费极大。要改变这些，亟待有新的材料及方法问世。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提高软X射线线偏振度的反射式偏振元件，可以克服现有技术的缺陷，省去设计和复杂工艺制备过程的麻烦。

本发明提供的一种用于提高软X射线线偏振度的方法，它是利用了新的反射式偏振元件来实现获取高线偏振度的软X射线的目的。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种用于提高软X射线线偏振度的反射式偏振元件，该偏振元件为人工晶体制成的反射式偏振晶片，该反射式偏振晶片具有被抛光处理的反射镜面。

所述反射式偏振晶片采用熔点高于900度且热导率高于0.1W/(cm·k)的人工晶体制成。

所述人工晶体为KTP(KTiOPO₄；磷酸钛氧钾)晶体、RTP(RbTiOPO₄；磷酸钛氧铷)晶体、Si(硅)晶体、Ge(锗)晶体。

一种提高软X射线线偏振度的方法，是将人工晶体晶片作为反射式偏振元件获取高线偏振度的软X射线。

该反射式偏振元件具有被抛光处理的反射镜面，该反射镜面的面积至少为可保证全部接收来自光源出射的光而所对应的面积尺寸。

所述的软X射线选取在50-180eV能区范围。

所述反射式偏振元件掠入射角(入射线与镜面的夹角)为40°～50°。

本发明创新点在于：用人工晶体晶片作为反射式偏振元件，替代现有宽带多层膜作偏振元件，由于人工晶体具有精确、完整的周期性结构，对称性高、缺陷少，利用晶体在布儒斯特角附近对软X射线(特别是50-180eV能区的软X射线)进行起偏，使经过晶体起偏后的软X射线的线偏振度得到提高，满足进行软X射线偏振应用研究对光源线偏振度的要求。

本发明的优点是：

1)利用结构完整的人工晶体晶片作为软X射线能区反射式偏振元件，避免了用宽带多层膜作偏振元件时所必须进行的膜系设计和复杂的工艺制备过程，简化了实验操作过程。

2)相对现有技术采用的宽带多层膜作偏振元件，本发明所用人工晶体的原材料来源广泛，加工制备技术成熟且成本价格低廉。

附图说明

图1为反射率测量示意图。

图2为经本发明人工晶体偏振元件起偏后光源线偏振度的测量方法示意图。

图3为现有技术窄带周期性多层膜的设计参数及测量结果表。

图4为现有技术非周期宽带多层膜的设计参数及测量结果表。

图5为经本发明人工晶体KTP(100)晶片起偏后光源线偏振度的改善情况。

具体实施方式

本发明的主要创造点在于：将人工晶体用于制作反射式偏振元件。

本发明选用的人工晶体应反射率高、热稳定性高且抗辐照性能强，可以采用KTP(磷酸钛氧钾)、RTP(磷酸钛氧铷)、Si(硅)或Ge(锗)人工晶体。

本发明的偏振光基本理论依据是布儒斯特定律(Brewster law)和马吕斯定律(Malus law)。

任何光振动都可分解为两个振动方向相互垂直的电矢量振动的叠加。在两介质的分界面处，电振动方向垂直入射面的振动称为S偏振，电振动方向平行入射面的振动称为P偏振。在不同掠入射角度和不同能点条件下，晶体对S偏振光和P偏振光的反射率不同。

布儒斯特定律指出，当光从折射率为n₁的介质射向折射率为n₂的介质时，如果入射角满足tanφ_B＝n₂/n₁，反射光成为只有S偏振的线偏振光，φ_B称为布儒斯特角。

可证：在软X射线能区，布儒斯特角φ_B≈45°，所以，近似认为该能区布儒斯特角为45度。实际测量时，把S光和P光的反射率的比值达到极值时所对应的角度称为准布儒斯特角。

马吕斯定律(Malus law)指出：当线偏振光以光强I₀入射一检偏器时，其出射光强I满足：

I＝Ｉ₀cos²β    (1)

其中β为线偏振光振动方向与检偏器偏振化方向的夹角。

对入射光偏振特性的检验，遵循马吕斯定律(Malus law)，式(1)中β为检偏器的方位角。用可以测量的量把Malus定律改写成如下形式：

I(β)＝(I_max-I_min)cos²β+I_min    (2)

当β＝0°or 180°时，I(β)＝I_max

当β＝±90°时，I(β)＝I_min

线偏振度的定义为：

$P_L=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}---\left(3\right)$

把马吕斯曲线中得到的光强的极大值I_max和极小值I_min带入式(3)，可以得到从晶体起偏器出射光的线偏振度P_L。

本发明人工晶体制作的偏振元件的制备：选定某一晶体(如KTP(100))的一个晶面，用晶体切割机(如金刚石线切割机、内圆切割机等)切割，单面抛光，形成反射镜面，该反射镜面截面大小要保证晶体能完整接收到来自光源出射的光(在图1中，为从准直管出射的光)。

本发明人通过理论分析及大量实验，确立了人工晶体制作的反射式偏振元件的掠入射角θ_p为40°～50°。

本发明同时提供了一种提高软X射线线偏振度的方法，其创造点在于：利用不同于现有技术的偏振元件作起偏器，用于获取高线偏振度的软X射线；具体方法为：

1)首先制作反射式偏振元件：在可选的人工晶体(如：KTP、RTP、Si或Ge)中选用一种合适的人工晶体，切割成所需的尺寸大小，对该晶体用于接收光的晶面进行抛光处理以形成反射镜面，保证该反射镜面面积尺寸可以完整接收到来自光源出射的光。

2)其次进行光路布局：所需仪器有单色器1、准直管2、起偏器3、检偏器4、探测器5(如图2所示)。各仪器的主要作用是：利用单色器1可以将光源输出的宽频连续光谱转变为输出单色X光；利用准直管2可以取出强度在最大值附近沿直线传播的单色X光，以保证入射起偏器3的光束有确定的掠入射角；起偏器3可以实现掠入射角θ_p的旋转和起偏器方位角α的改变；检偏器4用于实现马吕斯曲线的测量，检偏器4可以实现掠入射角θ_A的改变和检偏器方位角β的改变，起偏器3的掠入射角θ_p与检偏器4转过角度ψ_A独立构成二倍角关系；探测器5用于测量光强信号，起偏器3的掠入射角θ_p和探测器5转过角度ψ_D独立构成二倍角关系；检偏器A的掠入射角θ_A和探测器D转过角度ψ_D独立构成二倍角关系。

3)将步骤1)中制成的反射式偏振元件作为起偏器放置在获取高偏振度软X射线的光路中，确定晶体偏振元件的工作角度(即准布儒斯特角)，测定方法如图1所示(即将图2中的检偏器4移出光路)：

固定入射光掠入射角度θ_p，起偏器3方位角置于α＝0°，进行能量扫描，用探测器5测量入射光中S分量的反射强度I_s随能量E变化的光强曲线I_s：E；α＝90°时，测量入射光中P分量的反射强度I_P随能量E变化的光强曲线I_P：E，计算不同能点的消光比I_S/I_P。为使晶体的偏振效果达到最优化，要在45度角附近多选择几个掠入射角，重复测量，比较I_S/I_P曲线，将消光比I_S/I_P最大值对应的角度确定为晶体偏振元件工作的准布儒斯特角。

将晶体偏振元件工作角度设置在准布儒斯特角位置，即可获得经晶体偏振元件起偏后出射光的最高线偏振度。

4)根据需要，可以测量经上述步骤获取的软X射线的线偏振度数值，测量方法是：

参见图2所示，检偏器4移入光路，起偏器方位角置于0°，θ_p、θ_A分别由起偏器、检偏器各自的准布儒斯特角数值决定，单色器输出某一确定能点的单色X光。旋转检偏器的方位角β，探测经晶体起偏后出射光强相对于检偏器的方位角β变化的曲线，即马吕斯曲线。把马吕斯曲线中得到的光强的极大值I_max和极小值I_min带入式(3)，从而得到该能点处经晶体偏振元件起偏后的光的线偏振度P_L。在软X射线(50-180eV)能区内选取不同能点测量，得到该能区内从晶体起偏器出射光的线偏振度P_L随能量变化曲线。

下面从理论上对本发明进行论证：

1)入射光(光源)偏振度P_L

设入射光强为I₀＝I_0S+I_0P，其中S分量的光强为I_0S，P分量光强为I_0P，令消光比为：则

$P_L=\frac{I_{0S}-I_{0P}}{I_{0S}+I_{0P}}=\frac{C_0-1}{C_0+1}---\left(2\right)$

2)晶体偏振元件的偏振度P_LM

设R_S、R_P分别为晶体对入射的S光、P光的反射率，即令

$\stackrel{·}{··}{P}_{\mathrm{LM}}=\frac{I_S-I_P}{I_S+I_P}=\frac{C_M-1}{C_M+1}---\left(3\right)$

3)晶体起偏后出射光的偏振度P′_L

在准布儒斯特角处，被晶体反射的光中主要成分是S分量，P分量也有，只是很弱，但不会为零。所以

$P_L^{\prime }=\frac{I_{0S}{R}_S-I_{0P}{R}_P}{I_{0S}{R}_S+I_{0P}{R}_P}=\frac{C_0{C}_M-1}{C_0{C}_M+1}$

$\frac{P_L^{\prime }}{P_L}=\frac{C_0{C}_M-1}{C_0{C}_M+1}\times \frac{C_0+1}{C_0-1}=\frac{C_0^2{C}_M-1+C_0(C_M-1)}{C_0^2{C}_M-1+C_0(1-C_M)}---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{cc}Q{C}_M=\frac{R_S}{R_P}>1& \stackrel{·}{··}\frac{P_L^{\prime }}{P_L}>1\end{array}\right)$

即：经晶体起偏后，出射光的偏振度提高了。

以下是本发明与现有技术(用多层膜做偏振元件)的比较：

1)费用：

软X射线的多层膜是根据具体的目标要求而进行选材和膜系设计后才能制备的，若制备工艺、设备、技术不理想，对多层膜的光学性能影响很大。若与目标要求相差太大，就要重新制备。一般没有两片多层膜性能完全一样。所以，软X射线多层膜没有标配的，购买费用也就比较高。满足科研用的要几万元人民币/片。

而本发明人工晶体的制备工艺已比较成熟，只需对成品的人工晶体按使用者要求进行加工(切割、抛光等)即可。以我们实验所用的人工晶体KTP为例，购买一片KTP(100)晶体(大小10×10×1mm³)的费用是1300元(含加工费)。

可见，本发明取得的社会经济效益是相当可观的。

2)功效：

a)现有技术(采用周期性多层膜做偏振元件)

参见图3，通过该表1可以说明：

周期性多层膜只是针对特定波长在特定角度下才能很好的改善光源的线偏振度，但不适于做应用性研究的偏振元件。

b)现有技术(采用非周期宽带多层膜做偏振元件)

参见图4，通过该表2可以说明：用非周期宽带多层膜可在一定能区范围内提高光源的线偏振度，但若加大能区宽度，则会降低光源线偏振度的提高程度。

c)本发明技术(采用人工晶体做偏振元件)

参见图5，说明：起偏前光源线偏振度为50％，经本发明KTP(100)晶体起偏后，在测试的能区范围内，光源的线偏振度都可提高到98％以上。