獲取純凈X光單色光源新技術

魏來 錢鳳

隨著X射線、真空紫外光學技術和儀器的不斷發(fā)展，大部分實驗需要的是在一定波段范圍內可選擇的單色光，因此高性能的軟X射線/極紫外單色儀的研制對于現(xiàn)代精密光學分析實驗具有重要意義。國家重大科學儀器設備開發(fā)專項“軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀”項目利用前期開發(fā)的具有自主知識產權的X光單級衍射光柵，擬研制用于軟X射線/極紫外波段的無諧波光柵單色儀，可以將諧波污染水平抑制在0.3%以下，從而將輸出光譜的純度提升1至2個量級。經(jīng)過三年多的不懈努力，目前項目在整機集成和關鍵部件研發(fā)方面取得了突破性進展。

一、立項背景

以高精密等離子體診斷、新材料超精細分析、高性能同步輻射測量、先進空天探測等為代表的前沿科學發(fā)展，對先進的軟X射線/極紫外測量技術提出了更新、更高的要求，特別是對核心技術的自主開發(fā)和持續(xù)創(chuàng)新能力提出了迫切的需要。其中軟X射線/極紫外光柵單色儀是以上前沿科學發(fā)展所必需的重要高端科學分析儀器，其性能水平是影響相關領域科學探索和技術創(chuàng)新能力的重要因素之一。

軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀是指利用光柵衍射原理從復色軟X射線/極紫外光源中分解獲取單色光的儀器設備，其應用十分廣泛。目前國際上現(xiàn)有的軟X射線/極紫外光柵單色儀均受高次諧波污染的限制，難以支撐超高精密軟X射線/極紫外光譜分析技術的發(fā)展。因此，發(fā)展具有自主知識產權的新型單色儀，有效解決高次諧波對譜純度的污染問題，對極紫外和軟X光譜學的發(fā)展以及相關精密實驗研究都具有十分重要的意義。

二、項目目標

“軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀”專項的主要目標是基于項目組前期在衍射光柵技術領域取得的獨創(chuàng)性研究成果，開發(fā)一種國際首創(chuàng)、擁有自主知識產權、核心技術指標較傳統(tǒng)同類產品有大幅度提升，具有尖端技術優(yōu)勢，引領國際前沿的重大科學儀器設備——軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀，實現(xiàn)X光源單色化，抑制高次諧波污染，將光譜純度提高1-2個量級，推動光譜分析儀器的發(fā)展。項目以企業(yè)為主體，實施軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀的工程化、產業(yè)化發(fā)展，從國家級大型同步輻射裝置單色化光束線升級改造入手，推廣應用、開拓國內外市場。

三、項目進展情況

該項目自2012年10月立項以來，牽頭單位中國工程物理研究院激光聚變研究中心聯(lián)合中科院微電子研究所、同濟大學、清華大學等多家參研單位和應用單位，共同努力，完成了項目既定的年度任務目標，并在整機集成及關鍵元器件研發(fā)方面取得了突破性進展。

1.單色儀核心元件—X光單級衍射光柵

傳統(tǒng)的黑白光柵具有多級衍射的特征，因此， 長期以來， 應用于ICF研究的光柵譜儀一直受到高級衍射干擾的影響，測譜精度受到很大限制。2002年，由曹磊峰率領的科研團隊提出了二值化正弦光柵的概念， 提供了一種研制X光單級衍射光柵的基本技術思路。在此基礎上，經(jīng)過10余年的努力，X光單級衍射光柵得到了不斷發(fā)展和完善，從準隨機到周期結構，從反射式到透射式，形成了一系列不同型號的光柵，且光柵衍射效率也在不斷提高。項目成立以來，通過開展對X光單級衍射光柵的優(yōu)化，新研發(fā)的梯形衍射光柵（見圖1）的衍射效率為6.8%，高于正選光柵6%的衍射效率，極大提高了X光單級衍射光柵的效率。不僅如此，梯形光柵是周期結構的光柵，減少了版圖數(shù)據(jù)，大大降低了光柵制作難度。

2.軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀的研制成果

對于不同的應用，所需要單色儀的指標和構成也有所不同。目前，項目組已經(jīng)成功研制出三種不同型號的軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀，分別是單色儀樣機、用于光電子能譜單色化光源的單色儀（圖2）以及用于慣性約束聚變光學元件標定的單色儀。這幾種型號的單色儀已經(jīng)順利出光，且能譜分辨和高次諧波抑制比等重要技術指標完全達到了既定目標，工作能譜覆蓋了10～1000eV。

2015年11月，該項目中期進展匯報會在同濟大學舉行，與會專家對項目已取得的成果給予了肯定，同時也對后期產業(yè)化提出了要求和希望。會上，中國工程物理研究院激光聚變研究中心與中科院高能所簽訂了共建國際首條軟X射線/極紫外無諧波光柵單色化束線的協(xié)議。此外，用于中科院空間中心空天探測器定標的單色儀目前也已經(jīng)完成光學設計。目前，軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀的研發(fā)和產業(yè)化工作都在順利推進。

隨著單色儀研制的成功，用于單色儀精密調節(jié)和波長掃描的自動控制軟件也研制成功，并成功應用于單色儀的裝調，該軟件已申請軟件著作權1項。

3. X-lab光學仿真軟件

軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀的光學設計中，需要對光學系統(tǒng)進行仿真，現(xiàn)有的光學仿真軟件中不含有X單級衍射光柵這個光學元件，因此為了能夠實現(xiàn)如X光單級衍射光柵、波帶片等特殊X光光元件的仿真，開發(fā)了X-Lab光學仿真軟件。

X射線光學仿真軟件（簡稱X-LAB）是一款用于研究光束經(jīng)過光學系統(tǒng)的傳播過程，可廣泛應用于可見光、紫外光以及X光方面的光學系統(tǒng)，具有一定的通用性。對于仿真和設計光譜儀、單色儀十分便捷，該軟件集成了光柵版圖繪制功能，為光柵設計制作提供了有力的保障。總體來說，在該軟件的幫助下，能夠更快更好的進行光柵設計，版圖生成和光路系統(tǒng)仿真。其中包含了透射光柵，X光單級衍射光柵，菲尼爾波帶片，反射式橢圓波帶片等特殊光學元件。其軟件界面如圖3所示。目前該軟件已經(jīng)實現(xiàn)20套的銷售量。

四、應用前景分析

軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀在物理學、化學、天文學、材料科學、生物、醫(yī)藥、食品、化工、冶金、采礦、環(huán)境科學等方面具有重要應用。極紫外和軟X射線是電磁波譜中非?；钴S的一段能區(qū)，它涵蓋了C、N、O、Si等許多輕元素的K邊和Ti、V、Cr、Fe、Zn、Ni等元素的L邊。輕元素分析、磁性材料研究、表面科學、等離子體診斷、軟X射線顯微術以及微制造技術等也多集中在這一能區(qū)。借助這段能譜，可以對物質結構及各種性質獲得更深刻的認識。軟X射線/極紫外光柵單色儀作為一種重要的科學儀器，也是人們研究和應用極紫外和軟X射線不可或缺的工具。它已在太陽極紫外光譜測量、天文觀測、軟X射線顯微數(shù)、極紫外光刻、同步輻射和等離子體診斷等許多領域得到廣泛的應用，并取得了極大的成功。

無諧波光柵單色儀的問世，將大大改善現(xiàn)有單色光源的譜純度，為實驗標定提供置信度更高的數(shù)據(jù)，將極大地推動精密物理實驗的進步。無諧波光柵單色儀為解決同步輻射光源的高次諧波污染帶來了新的契機。它從根本上解決了光柵的高次諧波問題，簡化了現(xiàn)有的各種技術手段，大大推進了單色儀的實用化，可以更好地服務于各種不同的客戶需求。將同步輻射光源的高亮度、高準直、波長連續(xù)可調等優(yōu)秀性能等與無諧波單色儀的高諧波抑制功能結合起來，大幅提高同步輻射吸收譜技術的發(fā)展，進而推動相關領域研究，提高我國該領域科研水平。

發(fā)展單級衍射光柵單色儀技術，有效抑制光源中的高次成分，對于新材料超精細分析技術發(fā)展具有重要意義。例如高能量密度物理研究中所需的材料，其尺寸控制精度需達到納米量級，成分控制精度要求成分偏差小于0.5%。為了使研制或生產的材料滿足使用要求，就必須采用光電子能譜等高精度方法對材料特性進行表征。另外，軟X射線/極紫外光柵單色儀對先進空天探測技術發(fā)展也是至關重要的。設備定標是太陽EUV輻射探測器研制過程中的重要環(huán)節(jié)，與其它類型的電磁輻射探測設備相比，此類探測器對地面定標系統(tǒng)技術條件要求極高，對EUV光源的流量控制精度及光束單色性指標要求嚴格，利用項目研發(fā)的無諧波光柵單色儀進行設備定標，可以極大的提高設備定標精度和數(shù)據(jù)應用能力。

可見，實現(xiàn)軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀的自主研發(fā)，將為我國先進能源、空天技術、新材料、大科學裝置等領域的前沿科學發(fā)展提供國際領先的研究工具，有利于提升相關領域的原始創(chuàng)新能力，有利于實現(xiàn)前沿科學研究和尖端技術創(chuàng)新的跨越式發(fā)展，有利于提高國家安全保障能力。