真空紫外波段光柵二級衍射效率測量裝置

曲 藝

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033)

1 引 言

衍射效率是光柵最重要的一項基本性能指標[1],它不僅決定著儀器的光譜能量特性,而且最終限制著光柵光譜儀器的有效工作波段。因此,測試光柵的光譜衍射效率曲線,無論對完善光柵理論,研究Wood反常效應(yīng),還是設(shè)計光譜儀器及提高光柵制作質(zhì)量[2]都有著重要的意義。

關(guān)于光柵衍射效率的理論計算,人們已提出了許多新的概念與方法[3～5],但實驗測量真空紫外波段光柵的二級衍射效率仍面臨許多新問題。比如,測試環(huán)境需要在真空環(huán)境下進行,若系統(tǒng)過于復雜[6～9],則會加大成本;又絕大多數(shù)材料在真空紫外波段都是完全吸收的,可用的材料非常有限[10～12],另外,避免光源與光學元件在真空環(huán)境下的衰減也是問題[13～15]。在文獻 [16]中,Richard等人提到利用同步輻射來測量真空紫外波段光柵的二級衍射效率,實現(xiàn)了在 46 nm處光柵二級衍射效率測量,精度為 6%。但是該方法涉及的同步輻射光源并不易獲得,而且測量波長單一;同時由于同步輻射線無法同時充滿光柵,還需要引入掃描裝置,使得測量裝置結(jié)構(gòu)更加復雜。本文提出了利用光柵二級光譜影響反射樣品光譜反射率結(jié)果的原理來獲得真空紫外波段光柵二級光譜衍射效率的方法。該方法使用的測量儀器結(jié)構(gòu)簡單,可以同時獲得一段波長范圍內(nèi)的光柵二級衍射效率,儀器測量不確定度為 14.08%。

2 測量系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

2.1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光柵二級光譜效率測試裝置如圖1所示。該裝置使用 30W氘燈光源,窗口為MgF2材料,可以通過 120～380 nm波段紫外光,超環(huán)面反射鏡將入射光反射至單色儀入縫處,照亮光柵,衍射光匯聚至出縫后,經(jīng)過柱面反射鏡組準直,變?yōu)槠叫泄狻９怅@用于控制光斑尺寸,經(jīng)過透射 /反射式調(diào)制扇,透射光進入樣品室,反射光進入?yún)⒖脊饴诽綔y器。主光路探測器可在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動,接收樣品的反射光,它與參考光路探測器結(jié)構(gòu)相同。光電倍增管表面鍍有水楊酸鈉膜,將紫外光轉(zhuǎn)為可見光。由于工作波段覆蓋了真空紫外-近紫外波段,整個系統(tǒng)需要密封在真空環(huán)境中。引入?yún)⒖脊饴返闹饕康氖窍捎谧贤夤庠此p造成的測量誤差,提高測量精度。

圖1 光柵二級光譜效率測試裝置Fig.1 Sketch ofmeasuring instrument for grating second-order diffraction efficiency

2.2 工作原理

首先探測光路中沒有樣品時的信號I0(λ),同時記錄參考光路信號I′0(λ)。

式中L(λ)為光源在波長λ處的光譜輻亮度,(D/f)2為系統(tǒng)相對孔徑平方,S為入縫面積,τ(λ)為系統(tǒng)光譜傳遞效率,DEff1(λ)為光柵一級衍射效率,Res(λ)為探測器在波長λ處的響應(yīng)度。

然后在光路中加入反射樣品,IR(λ)為經(jīng)樣品反射后的信號,其中包含樣品的反射率信息。

則樣品反射率R(λ)為:

為避免光柵高級衍射光譜對R(λ)測量結(jié)果的影響,通常在光路中加入短波段截止濾光片。若不加入濾光片,則波長λ1處的測量結(jié)果會受到波長為λ2(λ1=2λ2)的高級光譜的影響。此時上述測量過程中的I0(λ)與IR(λ)分別為:

受到光柵高級光譜衍射效率影響的樣品光譜反射率R′(λ1)為:

光柵在波長λ2處的二級效率DEff2(λ2)為:

紫外探測器為表面鍍有水楊酸鈉的光電倍增管,由于水楊酸鈉在 120～330 nm的量子效率近似相等[17,18],因此在該波段范圍內(nèi),探測器響應(yīng)Res(λ)相同。式 (7)中氘燈光源的光譜輻亮度L(λ),系統(tǒng)光譜傳遞效率τ(λ),光柵一級光譜衍射效率DEff1(λ)為已知數(shù)據(jù) ,帶寬 dλ1/dλ2=2。利用反射樣品在波長λ1處的標準反射率R(λ1)和光柵二級衍射光譜影響的反射率R′(λ1),就可以計算出真空紫外波段光柵的二級光譜衍射效率。

3 測量結(jié)果與分析

首先,測量樣品的標準反射率值,由于 MgF2材料的截止波長為 105 nm,因此,當測量機構(gòu)掃描至 220 nm時,光路移入一片長波通濾光片,該濾光片可將 210 nm以下的短波全部濾除,因此光路中無二級光譜影響,可測得樣品的標準反射率值。接下來測量受光柵二級光譜影響的反射率,它與上述過程區(qū)別在于,當測量機構(gòu)掃描至220 nm時,不加入長波通濾光片,此時,反射率測量結(jié)果大于210 nm時會受二級光譜的影響。舉例來說,當掃描機構(gòu)至 320 nm時,此時 160 nm的二級衍射光也同樣在光路中傳輸,探測器同時接收到 320 nm與 160 nm的輻射,因此,樣品在 320 nm的反射率測量值與標準值會有差異。

圖2中所示為反射樣品的標準反射率曲線,圖3中所示為受光柵二級光譜影響的反射率曲線。從圖中可以看到在 220～380 nm波段,反射率由于受到光柵高級衍射效率的影響存在差別。

圖2 樣品的標準反射率Fig.2 Standard reflectivity of sample

圖3 樣品受光柵二級衍射影響的反射率Fig.3 Reflectivity influenced by second-order diffraction of grating

以波長λ1=322 nm與λ2=161 nm為例,系統(tǒng)參數(shù)見表1,氘燈數(shù)據(jù)來自德國標準組織 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt),其光譜輻亮度曲線見圖4,在 161 nm,光譜輻亮度不確定度為 14%。測量了 5塊反射鏡樣品,樣品為鋁 +氟化鎂,基底材料為 K9。在 120～380 nm具有不同的光譜反射率,測量精度在 1%以內(nèi)。測量的反射率值與光柵效率測量結(jié)果見表2,系統(tǒng)不確定度計算結(jié)果見表3。

圖4 氘燈光譜輻亮度Fig.4 Spectral radiance of deuterium lamp

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of system

表2 光柵效率測量結(jié)果Tab.2 M easuring results of grating efficiency

表3 系統(tǒng)不確定度Tab.3 I ndeterm inacy of system

4 結(jié) 論

本文利用光柵二級光譜影響反射樣品光譜反射率結(jié)果的原理,獲得了真空紫外波段光柵二級光譜衍射效率。該方法使用的測試裝置簡單,可以同時獲得一段波長范圍內(nèi)的光柵二級光譜效率。文中以 161 nm為例,計算得到所測量光柵的二級衍射效率為 0.006 11×(1±0.077 7),其不確定度為 14.08%,認為其主要原因是所使用的光源氘燈輻亮度值不確定度較大。

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