[发明专利]一种光栅单色器的优化方法

说明书

本发明涉及一种光栅单色器的优化方法，其包括以下步骤：步骤S0，提供一光源、一前置聚焦镜、一平面镜以及一变线距光栅；步骤S1，使所述光源发出的光线经过所述前置聚焦镜汇聚后入射至所述平面镜，再由所述平面镜反射至所述变线距光栅，最后通过所述变线距光栅将产生的衍射光汇聚至一聚焦点；步骤S2，以所述前置聚焦镜的焦点作为一虚光源，调节所述前置聚焦镜的焦距，以使所述虚光源与所述变线距光栅之间的距离等于所述聚焦点与所述变线距光栅之间的距离；步骤S3，根据光栅方程与所述变线距光栅的聚焦条件，计算所述变线距光栅的聚焦系数。本发明在使用变线距光栅的情况下变包含角光栅单色器依然可以选择不同的聚焦常数，从而实现灵活的工作模式。

技术领域

本发明涉及一种光栅单色器的优化方法。

背景技术

同步辐射装置与X射线自由电子激光装置等大科学装置在基础科学研究与工业应用等领域已得到广泛应用。利用这种大科学装置所产生的X射线一般都需要进行聚焦、单色化等处理后才能用于科学实验，单色器的主要作用就是将光源产生的复色光单色化，产生科学实验所需的单色光。在软X射线波段，一般使用光栅作为色散元件，这种以光栅作为色散元件的单色器称为光栅单色器。

如图1所示，在光栅单色器中，入射光与光栅1’法线的夹角为入射角，衍射光与光栅1’法线的夹角为衍射角。若光栅1’的入射角为α，衍射角为β，入射光的波长为λ，光栅1’的线密度为N，则光栅1’的方程可以表示为：

sinα-sinβ＝Nmλ

其中，m表示衍射级次。

基于上述原理，光栅的包含角可定义为：光栅的聚焦常数可定义为：C_ff＝cosβ/cosα。根据工作时光栅的包含角的变化，可以将光栅单色器分为两类：固定包含角光栅单色器以及变包含角光栅单色器。顾名思义，固定包含角光栅单色器在工作时其光栅的包含角固定不变，为恒定值；而变包含角光栅单色器在工作时其光栅的包含角会发生变化，不再是恒定值。

变包含角光栅单色器的优点在于其可以覆盖很宽的波长范围，并且可以通过改变聚焦常数C_ff以实现灵活的工作模式，例如高能量分辨模式或高谐波抑制模式等。基于这些优点，这种光栅单色器广泛地应用于全世界的同步辐射与自由电子激光装置上。

如图2所示，传统的变包含角光栅单色器包括：平面镜2、和光栅3，其中，光源发出的光需要经过前置聚焦镜1准直后平行入射到平面镜2上，通过平面镜2的转动改变光束在光栅3上的入射角，通过光栅3的转动选择需要的衍射光；但是由于光栅3并不具备聚焦功能，因此这种光栅单色器需要在光栅后增加一面后置聚焦镜4对色散后的单色光进行聚焦。然而，这会引入额外的像差，从而降低光栅单色器的能量分辨率。

随着光栅制备工艺的发展，变线距光栅的出现改变了上述这一状况。变线距光栅具有像差纠正功能，可以实现自聚焦，因此使用变线距光栅的单色器可以省略后置聚焦镜，并且也不再需要光束平行入射，这就简化了光栅单色器的结构，提高了光栅单色器的性能。

在对这种基于变线距光栅的单色器进行优化时，首先需要在一个固定参考波长下选择一个合适的聚焦常数C_ff(聚焦常数C_ff根据单色器所要达到的性能来选择，其最大值受限于光栅长度，单色器碰撞条件等因素)，然后计算出变线距光栅的变线距系数b₂、b₃、b₄等，由此即可确定变线距光栅的参数，从而实现对单色器的优化。然而，此时变线距光栅的变线距系数b₂与优化时选择的参考波长、聚焦常数C_ff，以及变线距光栅的物像距都有关系，因此，一旦这些参数确定后就不能任意更改，换句话说，利用变线距光栅的单色器工作时不能任意更改聚焦常数C_ff，在某一波长下只能有唯一的聚焦常数C_ff，这就意味着这种光栅单色器再不能灵活选择工作模式。

发明内容