一种用于产生双色X射线的光栅单色器的制作方法

一种用于产生双色x射线的光栅单色器
技术领域
1.本实用新型涉及x射线光学仪器领域，具体涉及一种用于产生双色x 射线的光栅单色器。


背景技术：

2.自由电子是激光是一种本身光谱带宽相对较窄(也称作纵向相干性好，带宽约0.2
‑
0.5％)的光源，但离全相干差距很大，但是有些用户为了实现一些前沿的研究，希望使用全相干的光(光谱带宽非常窄，接近傅里叶极限)。最常见的自放大自发辐射模式发出的自种子型自由电子激光的频谱如图1所示，其中包括很多毛刺，全相干就意味着选取下图中一个毛刺，这样带宽就会非常窄(约0.01％)，就会接近全相干，这种过程叫做单色。
3.x射线单色器是一种重要的光学仪器，被广泛应用于各领域的光学测量和光谱单色等方面。对于软x射线波段，一般采用基于光栅的x射线单色器。现有的单色器一般用于产生单一波长的单色光，目前没有报道能够同时产生双波长的双色全相干x射线。
4.x射线光栅是一种重要的光学元件，具有对一定波长的光产生色散的功能，被广泛应用于单色器、光学光谱仪等领域。现有x射线光栅都是采用统一线密度，目前还没有一种光栅可以用于单色器并同时产生双波长的双色的相干x射线。
5.近年来，产生双色全相干x射线已经成为自由电子激光领域的一大重要发展方向，全相干双色x射线为两个分立波长的单色光，这种光在自由电子激光领域中称为双色，在泵浦探测前沿领域的研究实验中非常有用。基于光栅单色器的自种子型自由电子激光可以产生全相干的脉冲辐射，然而受限于目前没有能够产生双色x射线的单色器，因此该方案不能用于产生双色x 射线。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种用于产生双色x射线的光栅单色器，以通过自种子型自由电子激光产生全相干双色x射线。
7.本实用新型提供一种用于产生双色x射线的光栅单色器，其安装于一自种子型自由电子激光装置中，其特征在于，包括沿一水平的入射光的光路走向依次排布且位于同一水平面上的一光栅、一反射镜、一可调狭缝和一聚焦偏转系统，聚焦偏转系统发射一双色的出射光；所述光栅为双线密度刻蚀光栅；所述光栅和聚焦偏转系统发射的出射光位于所述入射光所在的第一光轴上，且反射镜与可调狭缝的中心均位于与所述入射光的入射方向平行的第二光轴上；所述入射光为宽谱的自由电子激光。
8.所述光栅上设有两种线密度不同的光栅刻线，所述双线密度光栅设有对应的机械调节机构；光栅的机械调节机构设置为沿着入射光的入射方向移动光栅，以切换入射光的光斑打在光栅的子午方向上的位置，使得同一光斑同时打在两种光栅刻线的镀膜上；且光栅的机械调节机构还设置为对光栅进行转动调节，以改变入射光入射到光栅上的掠射角。
9.所述反射镜和狭缝均设有对应的机械调节机构；所述反射镜的机械调节机构设置
为使得反射镜绕一第二转动轴转动，该第二转动轴与光栅的表面的中心的连线垂直于入射光的入射方向，且第二转动轴的位置位于第一光轴和第二光轴的对称轴上；狭缝的调节机构设置为使得狭缝沿着入射光的入射方向移动并且调节狭缝的开口大小。
10.所述光栅包括基底、设于基底上的镀膜和刻蚀于镀膜上的两种线密度不同的光栅刻线。
11.所述光栅的镀膜的材料为同一种，所述镀膜的材料为金、铂中的一种，并且两种光栅刻线分别设置于沿竖直方向延伸的分界线的两侧。
12.两种光栅刻线的延伸方向为竖直方向，且光栅刻线的线密度根据需要产生的出射光的两个波长和入射光的掠射角并利用衍射条件的公式来确定；所述衍射条件的公式为：
13.n1λ1＝2d1(sinθ1‑
sinα)，n2λ2＝2d2(sinθ2‑
sinα)，
14.其中，λ1、λ2分别为出射光的两个波长，d1、d2分别为两种光栅刻线的两个线密度的倒数，n1、n2为两种不同的光栅刻线所分别对应的两个谐波次数，θ1、θ2为两种不同的光栅刻线所分别对应的两种衍射角，α为入射角。
15.入射光的掠射角为1度，需要产生的出射光的两个波长分别为1.243 纳米和1.253纳米，两种光栅刻线的线密度分别为1840线/毫米和1820线/ 毫米。
16.所述光栅为柱面光栅，在其子午方向上具有子午半径，用于使得光在光栅的子午方向上聚焦；所述狭缝处于光在光栅的子午方向上的聚焦位置上。
17.所述聚焦偏转系统设置为分别对来自狭缝的光进行子午和弧矢方向的聚焦，使得出射光偏转到入射光所在的第一光轴上且沿入射光的入射方向传播；所述聚焦偏转系统包括位于第二光轴上和所述狭缝的下游的第一偏转镜，以及位于第一光轴上和该第一偏转镜的下游的第二偏转镜。
18.第一偏转镜和第二偏转镜的其中一块可以是在其子午方向聚焦的柱面镜，另一块可以是在其弧矢方向聚焦的柱面镜；或者，第一偏转镜和第二偏转镜的其中一块可以是在其子午方向和其弧矢方向聚焦的环面镜，另一块可以是平面镜。
19.本实用新型的用于产生双色x射线的光栅单色器采用双线密度刻蚀光栅，使得当入射光打在这种光栅上时，能够遇到两种不同周期的刻线，从而通过衍射作用将两种分立波长的单色光沿同一角度衍射，并通过平面镜的反射和狭缝的波长选择衍射角度，来选出两种波长的全相干双色x射线，弥补了常规的光栅单色器不能产生双色x射线的缺点；此外，该单色器用于自由电子激光领域自种子型自由电子激光，从而产生高亮度、全相干、双色x射线自由电子激光。另外，本实用新型的光栅单色器的光栅和反射镜都设置为沿各自的转动轴转动，在调节过程中只需通过合理设置两者的转动角度，就可以产生不同光子能量的全相干双色x射线，简单易实现。
附图说明
20.图1是目前常见的自放大自发辐射模式发出的自种子型自由电子激光的频谱图；
21.图2是根据本实用新型的一个实施例的用于产生双色x射线的光栅单色器的简图；
22.图3是如图1所示的用于产生双色x射线的光栅单色器的光栅结构示意图；
23.图4是如图1所示的用于产生双色x射线的光栅单色器的光子能量扫描的方式示意图。
具体实施方式
24.下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
25.如图2所示是根据本实用新型的一个实施例的用于产生双色x射线的光栅单色器的连接关系图。所述x射线光栅单色器基于双线密度刻蚀的光栅，在本实施例中，其基于柱面双线密度刻蚀光栅。
26.如图2所示，本实用新型的用于产生双色x射线的光栅单色器安装于一自种子型自由电子激光装置中(具体安装于自种子型自由电子激光装置的波荡器中)，其包括：沿一水平的入射光的光路走向依次排布且位于同一水平面上的一光栅1、一反射镜2、一狭缝3以及一聚焦偏转系统4，聚焦偏转系统4发射一出射光，该出射光为全相干双色x射线。光栅1、反射镜2、狭缝3分别设有光栅的机械调节机构51、反射镜的机械调节机构52、狭缝的机械调节机构53。光栅1为双线密度刻蚀光栅，优选为柱面光栅；反射镜镜2 为平面反射镜；所述入射光为宽谱的自由电子激光，其频谱带宽为0.05％到 1％。在本实施例中，所述的入射光为光谱中心波长为1.243纳米、频谱带宽为0.5％(光谱半高全宽/中心波长)的自由电子激光；
27.如图4所示，光栅1和聚焦偏转系统4发射的出射光位于所述入射光所在的第一光轴i上，且反射镜2与可调狭缝3的中心均位于与所述入射光的入射方向100平行的第二光轴ii上。
28.如图2所示，所述的光栅1为光栅单色器中的第一个光学元件，设置为对入射光进行色散和偏转。所述光栅1的表面的中心位置与所述入射光的光源点的距离为2米，入射光以一掠射角α入射到光栅1上，掠射角α可以在0.8到3度之间调节。
29.如图3所示，所述的光栅1为双线密度光栅，用于对入射光进行色散和偏转，以产生全相干双色x射线。所述光栅包括其包括基底11、设于基底 11上的镀膜12和刻蚀于镀膜12上的两种线密度不同的光栅刻线13。所述光栅1在其子午方向上具有子午半径，该半径为260(
±
5％)米，用于使得光在子午方向上聚焦。所述光栅1的子午方向300水平且平行于光栅1的表面 (即光的传播方向)。在本实施例中，两种光栅刻线的延伸方向均为竖直方向200。镀膜12的材料为同一种材料，镀膜12的材料为金、铂两种材料的一种，以满足波长的反射特性以及双色单色器的需求。两种线密度不同的光栅刻线 13分别设置于如图3所示的沿竖直方向200延伸的分界线14的两侧(在本实施例中，分界线14位于光栅1的子午方向300上的中位线)，两种光栅刻线13各自用于产生其中一种颜色(即波长)的全相干光。
30.这里的光栅刻线13的线密度根据需要产生的出射光的双色的两波长和掠射角并利用上文的衍射条件的公式来确定的，理论上，光经过光栅1之后会产生衍射，衍射条件满足：
31.nλ＝2d(sinθ
‑
sinα)，
32.其中，n为谐波次数，λ为光波长，d为光栅刻线13的间距(即光栅刻线13的线密度的倒数)，θ为衍射角，α为入射角。
33.在本实用新型中，为了使得两种不同的光栅刻线13的间距(例如 d1、d2)使得两种不同波长的光(例如λ1、λ2)沿着相同方向传播，即衍射条件的公式为：
34.n1λ1＝2d1(sinθ1‑
sinα)，n2λ2＝2d2(sinθ2‑
sinα)，
35.其中，λ1、λ2分别为出射光的两个波长，d1、d2分别为两种光栅刻线 13的两个线密
度的倒数，n1、n2为两种不同的光栅刻线(13)所分别对应的两个谐波次数，n1、n2取1、2即可，θ1、θ2为两种不同的光栅刻线13所分别对应的两种衍射角，α为入射角。
36.由此，当满足对上述衍射条件时，两种不同的光栅刻线13的间距(例如d1、d2)会使得两种不同波长的光(例如λ1、λ2)沿着相同方向传播(相同的衍射角θ)，进而打在反射镜2的同一位置上，并被反射镜2反射到狭缝 3处，狭缝3处沿着色散方向会有两组沿着各自光子能量进行色散光斑，经过狭缝3的选择，会选出两种波长的双色x射线。
37.在本实施例中，入射光的掠射角α为1度，需要产生的双色的出射光的两个波长分别为1.243纳米和1.253纳米，由此算出的两种光栅刻线13的线密度分别为1840线/毫米和1820线/毫米。此外，本实用新型的单色器在实际设计的时候，双色需要的波长发生变化，则掠射角α和线密度也要相应发生变化。
38.如图2和图4所示，光栅1的机械调节机构51设置为沿着入射光的入射方向100移动光栅1，以改变入射光的光斑打在光栅1的子午方向300上的位置，使得同一光斑同时打在两种不同光栅刻线13的镀膜12上，也就是说，光斑需经过分界线14才能产生两种不同波长的衍射。所述光栅1的机械调节机构51除了可以平移，还可以设置为对光栅1进行转动调节，以改变入射光入射到光栅1上的掠射角，从而通过转动可以调节双色x射线的波长。其中，光栅1的机械调节机构51设置为使得光栅1绕图4中的第一转动轴x 转动，第一转动轴x位于光栅的表面的中心位置，以与下文的反射镜2的机械调节机构52配合，从而使所需的双色光(即两种不同波长的光)经由反射镜2反射并沿水平方向传播。
39.反射镜2为光路中第二个光学元件，其作用是配合光栅1用于对双色 x射线的波长进行扫描，从而使所需的双色光经由反射镜2反射并沿水平方向传播。所述反射镜2的机械调节机构52设置为使得反射镜2绕一第二转动轴o转动，该第二转动轴o与光栅1的表面的中心的连线垂直于入射光的入射方向100，且第二转动轴o的位置位于第一光轴i和第二光轴ii的对称轴上(即第二转动轴o到第一光轴i和第二光轴ii的距离相等)。
40.如图4所示，由于光在光栅1的子午方向300上聚焦，因此狭缝3处于平面镜2的下游(即平面镜2反射后光的传播路径上)并且处于光在光栅 1的子午方向300上的聚焦位置上。由于不同光子能量的光的聚焦位置和聚焦光斑会发生变化，狭缝3的机械调节机构53设置为可以使得狭缝3沿着入射光的入射方向100移动并且调节狭缝3的开口大小。狭缝3的初始位置为距离平面镜的直线距离1.5米，可移动范围为
±
10毫米，狭缝3的开口大小可以在10
‑
500微米的范围内调节。
41.再请参见图2，聚焦偏转系统4位于狭缝3的下游，设置为分别对来自狭缝3的光进行子午和弧矢方向的聚焦，使得出射光偏转到入射光所在的第一光轴i上且沿入射光的入射方向100传播。所述聚焦偏转系统4设置为使得出射光在子午和弧矢方向的聚焦位置为下游的波荡器的入口处。聚焦偏转系统4包括位于如图4所示的第二光轴ii上和所述狭缝3的下游的第一偏转镜(图未示)，以及位于如图4所示的第一光轴i上和该第一偏转镜的下游的第二偏转镜(图未示)。第一偏转镜和第二偏转镜的其中一块可以是在子午方向聚焦的柱面镜，另一块可以是在弧矢方向聚焦的柱面镜；或者，第一偏转镜和第二偏转镜的其中一块可以是在子午方向和弧矢方向聚焦的环面镜，另一块可以是平面镜。为了实现偏转和聚焦的效果，第一偏转镜和第二偏转镜的入射角均需要能够转动调节(即均需要对应的转动调节机构)。光栅1、反射镜2、狭缝3、第一偏转镜和第二偏转镜的法线均水平设置。这里的偏转镜
(如第一偏转镜和第二偏转镜)的子午方向指的是水平且平行于镜面的表面的方向，弧矢方向指的是竖直方向。
42.本实用新型的用于产生双色x射线的光栅单色器安装于自种子型自由电子激光装置的波荡器中间，从而基于自由电子激光装置产生的广谱x射线进行单色进而产生全相干双色x射线。此外，光栅1的基底应采用如图3所示的镂空设计，从而为电子束留出轨道空间。
43.由此，本实用新型采用两种不同线密度的光栅刻线13的光栅1，通过对光斑进行两组衍射，从而使不同波长的光沿着相同的方向衍射，进而通过反射镜2的反射使得不同波长的光色散到狭缝3处的同一位置，从而可以选出两种不同波长的双色x射线。
44.本实用新型所述的用于产生双色x射线的光栅单色器中产生双色x射线的方法具有结构简单、占用空间小、易调节等优点，合理的设置光栅入射角之后，通过简单调节平面镜的角度就可以实现。
45.基于上述的用于产生双色x射线的光栅单色器，所实现产生双色x射线方法，包括以下步骤：
46.步骤s1，提供上文所述的用于产生双色x射线的光栅单色器，将宽谱的自由电子激光作为入射光入射到所述的光栅1上，通过调节光栅机械调节机构51改变入射光入射到光栅1上的掠射角和入射光的光斑打在光栅1 上的位置，使得同一光斑同时打在两种不同光栅刻线13的镀膜12上，从而实现对入射光进行色散和聚焦得到两组不同波长的光。
47.步骤s2，通过调节反射镜的机械调节机构52使反射镜2绕一第二转动轴o转动，该第二转动轴o与光栅1的表面的中心的连线垂直于入射光的入射方向100，且第二转动轴o的位置位于第一光轴i和第二光轴ii的对称轴上，从而使经由反射镜2反射的光沿水平方向传播；
48.步骤s3，将经过色散得到的两组不同波长的光分别打在狭缝3处，利用狭缝3挡住不需要的光，从而选出全相干双色x射线(即经过色散得到的两组不同波长的光)；
49.步骤s4，采用聚焦偏转系统4对全相干双色x射线进行子午和弧矢方向聚焦到后续波荡器入口前2米处，并使光的传播方向偏转到入射光的传播方向100上。
50.以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。