双通道椭圆弯晶谱仪的光学设计

根据椭圆几何光学和X射线晶体的布拉格衍射原理,进行了弯晶谱仪的光学设计.设计的椭圆离心率和焦距分别是0.958 6 mm和1 350 mm,椭圆的弧长是125.64 mm,光路的光程为1 443.30 mm;布拉格衍射角为30～67.5°,谱线探测角为55.4～134°;柱面镜的掠入射角为3.7°,半径为10 127 mm;谱线探测器的阴极面中心到狭缝的距离是35 mm.利用LiF、PET、MiCa和KAP晶体作色散元件,测量的波长范围是0.20～2.46 nm,晶体的尺寸是125 mm×8 mm×0.2mm.此外,将两个弯晶进行上下对称交叉和前后错开布置,减小了谱仪的尺寸和减轻了它的重量.     

X射线椭圆弯晶谱仪实验研究

利用椭圆从一个焦点发射出的光线经椭圆面反射必汇聚于另一焦点的性质,设计了基于620～6200eV的X射线椭圆弯晶谱仪.文中分析了系统原理,完成了谱仪光学色散系统、探测系统及仪器的研制.采用KAP、LiF、PET、MiCa作为色散元件,其2d值在0.4～2.6nm、Bragg角为30°～67.5°,晶体尺寸为120×8×0.2mm,偏心率为0.9586,焦距1350mm,光程长1456mm,分析器基底材料用数控铣床加工.实验在上海"神光Ⅱ"号装置上实施,激光能量为150J,波长为0.35mm,真空度为3×10^-3Pa.为达到光学对准,采用了小点光源以及精密望远镜对中.实验结果显示出金靶在0.63～0.79nm范围,其分辨力(△λ/λ)达到了1/486.谱的分辨力还与晶体特征和激光靶源尺寸有关.谱仪性能良好、使用方便、简单,具有高的收集效率和分辨能力,能够有效获取激光惯性约束聚变中激光等离子体发射光谱的丰富信息.     

氟化锂椭圆弯晶分析器的特性及应用

设计了测试能量范围为0.6~6 keV的椭圆弯晶谱仪。此谱仪利用椭圆自聚焦原理,晶体分析器采用氟化锂材料,椭圆焦距为1 350 mm,离心率为0.958 6,布拉格角范围为30~65°。在神光Ⅱ靶室进行了实验,入射激光波长为0.35 μm,激光功率约为1.6×10¹⁴ W/cm²,与厚度为100 μm的钛平面靶法线夹角约为45°。实验结果证实,弯曲的氟化锂晶体具有极佳探测效果,弯晶分析器对波长为0.2~0.35 nm的X射线的分辨率可达500~1 000,同时具有等光程而便于空间分辨测量的优点,在同样距离条件下比平晶分析器高一个数量级的收光效率,故适合于激光等离子体X射线的光谱学研究。     

椭圆弯晶谱仪分析器研制

针对激光惯性约束核聚变辐射的X射线分析,可得到关于等离子体电子密度、温度、电荷分布等重要信息.研究的X射线弯晶谱仪分析器是用来诊断X射线光谱,进而实现对激光惯性约束核聚变的控制.探讨了椭圆弯晶谱仪理论原理,分析了积分反射率和质量吸收系数.弯晶谱仪采用LiF弯晶分析器,椭圆焦距2c为1 350 mm,椭圆离心率e为0.958 6,晶体布拉格角范围为30°至60°.在此对LiF弯晶分析器的制作工艺进行详细描述.实验结果表明,该晶体分析器对X射线的分辨率(λ/Δλ)可达900以上,能够用来对激光等离子体的X射线光谱进行诊断.     

激光等离子体X射线极化光谱研究

为了诊断激光等离子体X射线的极化光谱,研制了一种新型的基于空间分辨的极化谱仪。将平面晶体和球面弯晶色散元件在极化谱仪内正交布置,即在水平通道用PET平面晶体作为色散元件,而在垂直通道用Mica球面弯晶作为色散元件,球面半径为380mm。信号采用成像板进行接收,有效接收面积为30×80mm,从等离子体光源经晶体到成像板的光路约为980mm。物理实验首次在中国工程物理研究院激光聚变研究中心“2×10J激光装置”上进行,成像板获得了铝激光等离子体X射线的光谱空间分辨信号。实验结果表明该谱仪具有较高谱分辨率,适合激光等离子体x射线极化光谱的诊断。     

电子探针中X光分光谱仪波长分辨力的讨论

讨论了电子探针中 X光分光谱仪的波长分辨力。除 X光谱线的自然宽度外 ,弯晶光谱仪的分辨力是由一些实际因素决定的 :弯晶光学系统的固有偏差、衍射晶体的镶嵌结构、晶体的有效厚度及 X光源的有限体积。在不同条件下 ,上述因素中的一个或几个对限制波长分辨起主要作用     

椭圆石英弯晶的积分衍射效率标定

椭圆弯晶谱仪具有测谱宽度大,能谱分辨力高等特点,并在"神光II"激光惯性约束聚变实验研究中得到了很好的应用。利用X射线衍射仪铜(Cu)靶X射线管作为X射线线光源,选取合适厚度滤片,抑制Cu-Kβ线及韧致辐射,测量了Cu-Kα能点处二氧化硅石英椭圆弯晶的积分衍射效率和摆动曲线半高全宽,并开展了针对上述两个重要参数随晶体弯曲曲率半径改变的测试验证,预估了能谱分辨力。结果表明,椭圆弯晶的积分衍射效率和摆动曲线半高全宽对晶体弯曲半径改变敏感,通过提高晶体弯曲度可增强晶体"镶嵌"效果。该结果可为下一步优化设计多用途性椭圆弯晶谱仪,以及完善X射线光谱定量化测量提供了数据支撑。     

软X射线椭圆晶体谱仪的研制

为了测量激光等离子体软X射线的空间和时间分辨光谱,研制了一种新型的双通道椭圆晶体谱仪,椭圆的离心率和焦距分别为0.9586和1350mm。将两个完全相同的椭圆晶体分析器进行上下对称布置,在上通道用软X射线CCD相机测量空间分辨光谱,在下通道用软X射线条纹相机测量时间分辨光谱。利用KAP椭圆晶体作色散元件,测量的波长范围是1.33~2.46nm。首次在“星光Ⅱ”激光装置上进行了打靶实验,利用该谱仪配软X射线CCD相机获取了钛激光等离子体X射线的光谱,实验结果表明该谱仪的最高光谱分辨率可以达到1173。     

新型柔性铰链式精密狭缝的结构原理及有限元分析

根据上海光源软X射线谱学显微光束线站高光谱分辨的要求,单色光出射狭缝设计采用柔性铰链式精密结构,利用柔性铰链的特性优点,可以实现狭缝开口仅为0～0.5 mm,而且可以精度很高地调节开口宽度.该设计实现了狭缝开口输出位移和输入驱动位移的比例关系.文中介绍了该狭缝结构的机械设计原理及所采用柔性铰链的设计方法,并通过有限元分析软件ANSYS对其进行建模分析,验证了其运动原理和机械强度的设计,确定狭缝能满足上海同步辐射装置的使用要求.     

精确测定光谱线峰光强新途径的探索

本文通过探索光谱仪出射光谱线峰位移与温度、波长及系统误差等因素的关系，发现了它们之间的规律性。运用这些规律性，利用传感器及计算机技术，发明了光栅单色仪的智能波长校正装置（IWC），该装置能准确地计算出光栅光谱仪的实时语线峰位移，光栅的驱动装置根据谱线峰位移值修正光栅的旋转，使每条光谱线峰位置准确、顺序地通过先谱仪出射狭缝。智能波长校正装置计算的峰位置与光谱线实时描迹峰位置之差小于0.005nm。将智能波长校正装置应用在扫描式ICP光谱仪上，开发了智能波长校正的扫描式ICP光谱仪，简称扫描式ICP－IWC光谱仪。实验表明，在谱线峰位置上采用定点测量模式，能提高扫描式ICP光谱仪测量谱线峰先强的精密度。扫描式ICP－IWC光谱仪的测量精度约1％，它具有结构简单、无需预热、操作简单、快速、安全可靠等特点。     

小型的高精度软X射线-极紫外反射率计

针对探月二期工程中的有效载荷之一极紫外相机中的多层膜光学元件高精度反射率测量的需要,建立了一台使用液体靶激光等离子体光源的小型软X射线-极紫外波段反射率计。该反射率计主要由激光等离子体光源、Mcpherson 247动狭缝掠入射单色仪及相关的数据采集系统组成。单色仪波段范围1-125nm,光谱分辨率小于0.08nm。无碎屑的液体靶激光等离子体光源的使用避免了光学元件的损坏,而动狭缝掠入射单色仪的使用则提高了光谱分辨率和波段范围。使用该反射率计实测了工作波长为13.5nm和30.4nm的Mo/Si多层膜的反射率,测量结果表明测量重复性优于±0.5%。     

基于凹面光栅的可调高分辨率单色仪结构设计及波长重复性分析

凹面光栅兼具成像和色散的能力,采用凹面光栅分光的单色仪能够很好实现小型化设计和应用到低于200 nm的真空紫外波段。光谱分辨率和波长重复性是单色仪的重要指标,针对单色仪的光谱分辨率,本文将光栅固有分辨率和由狭缝引起的增宽相结合推导出单色仪的光谱分辨率计算模型,利用自研微动狭缝进行实验验证,单色仪分辨率符合理论模型,极限分辨率优于0.1 nm;针对单色仪的波长重复性,在单色仪光机结构参数转换的基础上对波长重复性影响因素进行分析,推导出单色仪的波长重复性计算模型,利用汞灯作为光源进行波长重复性验证其波长重复性优于0.02 nm符合理论计算模型,验证了光机结构设计的有效性和理论分析的正确性。     

分光测色仪中的光谱仪系统

根据分光测色仪的应用需要,对分光系统、光电接收系统及相关电路组成的光谱仪进行了模块化设计,以方便仪器的整体设计、装调和测试。考虑分光测色仪是非成像光学仪器,故提出用光纤来连接各光学模块。根据应用需求提出了光谱仪的主要技术指标,所设计光谱仪很好地完成了球差和彗差的校正。分析了用滤光片消除二级衍射光谱的方法,解决了光纤和光谱仪数值孔径不匹配的问题。研制了光谱仪系统,其外形尺寸为130mm×90mm×45mm。实验测试显示,在狭缝宽度为50μm时,光谱仪各波段的光谱分辨率都可以达到2nm。对光谱仪进行了波长定标,定标精度小于0.2nm,整个工作波段占401个像元,满足1nm的波长输出间隔的设计要求。该光谱仪的可弯曲光纤和电子线路便于整机灵活布局与模块拆卸,同时方便单独测试。所述方法为分光测色仪的整机研制与测试打下了良好的基础。     

一种采用微硅片狭缝的新型微小型光纤光谱仪

研制了一种采用微硅片狭缝代替传统机械狭缝的微小型光纤光谱仪。采用MEMS(微机电系统)工艺制造出了体积小、厚度薄的一体式微硅片狭缝,并分析了微硅片狭缝的狭缝不平直度对微小型光纤光谱仪分辨率的影响,通过测试系统分辨率的实验,验证了采用微硅片狭缝的可行性。同时,对微小型光纤光谱仪的光谱带宽和像元分辨力进行了讨论,为波长的标定提供了一种理论依据。通过对采集的汞灯谱线的分析和MATLAB的精确计算,验证了所提出的通用波长-像元迭代公式的正确性,从而研制出了一种采用微硅片狭缝的半峰全宽为0.85 nm,波长标定精度小于0.2 nm,体积为50 mm×46 mm×14 mm的微小型光纤光谱仪。     

Characterization of a polarization-resolved high spectral resolution UV-visible spectrometer

To measure the degree of polarization of a plasma emission, a polarization-resolved UV-visible Czerny-Turner-type spectrometer was designed and constructed. For a high spectral resolution, F=1 m mirrors were used as a focusing and collimating mirrors and the incidence angles to the mirrors were determined to eliminate coma. The effect of astigmatism was reduced by designing the incidence angles to the mirrors to be as small as possible. The flat focal plane condition proposed by Reader [J. Opt. Soc. Am. 59, 1189 (1969)] was used to determine the grating position. The measured spatial resolution was 170 microm. To simultaneously measure the intensities with two perpendicular polarizations, a calcite crystal was placed after the entrance slit of the spectrometer. The change in the imaging property of the spectrometer due to the calcite crystal was measured and minimized. The spectral resolution was experimentally measured with a laser produced plasma to be 0.05 nm at 348 nm. The resolving power measured is 6600.     

全固态连续波555 nm黄-绿光激光器

报道了全固态连续波555 nm黄-绿光激光器,黄-绿激光分别由Nd:YAG和Nd:YVO₄晶体的946 nm和1342 nm谱线非线性和频产生,两条谱线各自晶体对应的能级跃迁分别为⁴F_3/2-⁴I_9/2和⁴F_3/2-⁴I13/2。实验中采用复合折叠腔结构,利用LBOI类临界位相匹配进行腔内和频,当注入到Nd∶YAG和Nd:YVO₄晶体的泵浦功率分别为12 W和8 W时,获得542 mW的TEM₀₀连续波555 nm黄-绿激光输出,4 h功率稳定度优于±3.7％。实验结果表明,采用Nd:YAG和Nd:YVO₄两种激光晶体进行腔内和频是获得黄-绿激光的高效方法,并可以应用到其它两种激光晶体进行腔内非线性和频,获得更多不同波长的激光输出。     

基于紧凑结构的Czerny-Turner光谱仪的程序化设计方法

在满足光谱性能的同时,能最大化减小Czerny-Turner(CT)光谱仪光学系统尺寸,并防止入射光线与衍射光线发生干涉,创建了完整的结构参量选定体系。提出了光栅方程的变式,确定了防止入射光线与衍射光线发生干涉的约束条件,建立了光路结构的数学模型,确定了各个结构参量的计算公式。在此基础上将参量的确定过程编程简化,输入系统的分辨率、波长范围、数值孔径值和元件之间最小距离,即可直接得到光路结构的所有设计参量,实现了快速通用的CT光谱仪的设计方法。通过实例验证得到光谱范围780～1020 nm、分辨率0.4 nm、体积54 mm×56 mm×30 mm的光谱系统,可为其他设计提供参考。     

低成本光谱仪的研制

为了满足高校教学和人才培养的需求,便于系统的小型化、低成本,设计了低成本光谱仪的光学系统和机械结构,制作了低成本的光谱仪实物并完成了对仪器的性能测试。该光谱仪的工作波长为400~800nm,分辨率为20nm,仪器尺寸为200mm×120mm×80mm,成本控制在2 000元以内。通过对仪器的测试,获得了六个光谱特征峰,验证了低成本光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。