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曹磊峰:光栅单色仪开启“无谐波”污染时代

2016-06-13 10:58
蓝林笑生
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  光栅单色仪是一种常用的光谱分析仪器。利用光的辐射、色散、和吸收等原理通过光谱分析的技术途径可以对物质的成分和含量乃至状态进行定性或者定量的分析。因而光栅单色仪在科学研究各领域、社会服务各行业均有非常重要的应用。

  如所周知,构成单色仪核心元件的衍射光栅是一种多级衍射元件。这一现实导致了利用光栅单色仪获得的“单色光束”不可避免地混有波长为目标波长整数分之一倍的所谓“高次谐波组分”。高次谐波组份的存在显而易见地降低了单色光束的光谱纯度,为光谱分析技术的应用带来很大的技术难度并增加重要的应用成本。谐波组份因而也被称作谐波污染。

  解决高次谐波污染的通用做法是在单色仪的输出光路中插入抑制谐波组分的窄带滤光片,将输出光束中不期望存在的高次谐波滤除掉。滤光片的引入,增加了光栅单色仪的结构复杂性和使用成本。针对不同波长的光,还需要选择不同设计的滤光片以达到良好的使用效果。在电磁波谱自真空紫外至软X射线的波长区域,高次谐波污染的问题尤其难以解决。

  而且在这一波长区域,任何材料均对其均会有非常显著的吸收。在这一波段,对不同波长的光束设计和选择合适的滤片非常困难而且相当昂贵,同时还不得不忍受对目标光束亮度的显著衰减。

  在真空紫外至软X射线波长区域人们抑制高次谐波污染的采用的做法目前包括气室法,滤片法,反射镜法等等。这些做法,在显著增加真空紫外至软X射线波段单色仪的结构复杂性和使用成本的同时,无一例外地会显著衰减目标波长光束的亮度并影响光束质量。

  中国工程物理研究院激光聚变研究中心和中国科学学院微电子所合作的有关科技成果使这一现状得到了根本改观。

  X射线单级衍射光栅的研制成功和面向应用的工程化产业化开发开启了光栅单色仪的无谐波时代。

  以自主研发拥有自主知识产权的单级衍射光栅替代具有多级衍射特征的传统衍射光栅,从源头上消除了光栅单色仪的高次谐波组分。以单级衍射光栅开发的新型单色仪不再需要在输出光路上附加谐波抑制组件或措施。

  2002年曹磊峰在其博士论文中提出了利用二值化正弦透过率函数实现X射线单级衍射光栅的建议。此后的十几年中,与中科院微电子所谢常青合作分别带领自己的团队集智合作研制成功了这种前所未有的新型色散元件并在惯性约束聚变激光等离子体诊断中得到了重要应用。

  2012年,曹磊峰团队与大恒(集团)有限公司、中科院微电子所、同济大学、清华大学、中科院高能物理研究所、中科院空间中心、四川材料工艺应用研究所联合申请获批了科技部国家重大科学仪器设备开发专项,协同攻关、合作研制开发软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪,并推动这种基于新型色散原件的新型科学仪器设备的工程化、产业化发展。

  2014年底,项目组研制的国际首台软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪调试成功,在不附加任何谐波抑制措施的情况下输出光束的光谱纯度达到99.7%,领先于国际同类设备附加谐波抑制措施所能达到的最好水平(99%)。

  2016年5月止,项目组又先后研发了多台无谐波光栅单色仪单色仪,其中有两台已调试成功准备投入应用,其他的也处于紧张的加工、装调阶段。

  单级衍射光栅的问世为光源单色化和光谱分析技术带来了新的技术机遇,光栅单色仪开启了“无谐波”污染的新的历史阶段。

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