获取纯净X光单色光源新技术

魏来 钱凤

随着X射线、真空紫外光学技术和仪器的不断发展，大部分实验需要的是在一定波段范围内可选择的单色光，因此高性能的软X射线/极紫外单色仪的研制对于现代精密光学分析实验具有重要意义。国家重大科学仪器设备开发专项“软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪”项目利用前期开发的具有自主知识产权的X光单级衍射光栅，拟研制用于软X射线/极紫外波段的无谐波光栅单色仪，可以将谐波污染水平抑制在0.3%以下，从而将输出光谱的纯度提升1至2个量级。经过三年多的不懈努力，目前项目在整机集成和关键部件研发方面取得了突破性进展。

一、立项背景

以高精密等离子体诊断、新材料超精细分析、高性能同步辐射测量、先进空天探测等为代表的前沿科学发展，对先进的软X射线/极紫外测量技术提出了更新、更高的要求，特别是对核心技术的自主开发和持续创新能力提出了迫切的需要。其中软X射线/极紫外光栅单色仪是以上前沿科学发展所必需的重要高端科学分析仪器，其性能水平是影响相关领域科学探索和技术创新能力的重要因素之一。

软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪是指利用光栅衍射原理从复色软X射线/极紫外光源中分解获取单色光的仪器设备，其应用十分广泛。目前国际上现有的软X射线/极紫外光栅单色仪均受高次谐波污染的限制，难以支撑超高精密软X射线/极紫外光谱分析技术的发展。因此，发展具有自主知识产权的新型单色仪，有效解决高次谐波对谱纯度的污染问题，对极紫外和软X光谱学的发展以及相关精密实验研究都具有十分重要的意义。

二、项目目标

“软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪”专项的主要目标是基于项目组前期在衍射光栅技术领域取得的独创性研究成果，开发一种国际首创、拥有自主知识产权、核心技术指标较传统同类产品有大幅度提升，具有尖端技术优势，引领国际前沿的重大科学仪器设备——软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪，实现X光源单色化，抑制高次谐波污染，将光谱纯度提高1-2个量级，推动光谱分析仪器的发展。项目以企业为主体，实施软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪的工程化、产业化发展，从国家级大型同步辐射装置单色化光束线升级改造入手，推广应用、开拓国内外市场。

三、项目进展情况

该项目自2012年10月立项以来，牵头单位中国工程物理研究院激光聚变研究中心联合中科院微电子研究所、同济大学、清华大学等多家参研单位和应用单位，共同努力，完成了项目既定的年度任务目标，并在整机集成及关键元器件研发方面取得了突破性进展。

1.单色仪核心元件—X光单级衍射光栅

传统的黑白光栅具有多级衍射的特征，因此， 长期以来， 应用于ICF研究的光栅谱仪一直受到高级衍射干扰的影响，测谱精度受到很大限制。2002年，由曹磊峰率领的科研团队提出了二值化正弦光栅的概念， 提供了一种研制X光单级衍射光栅的基本技术思路。在此基础上，经过10余年的努力，X光单级衍射光栅得到了不断发展和完善，从准随机到周期结构，从反射式到透射式，形成了一系列不同型号的光栅，且光栅衍射效率也在不断提高。项目成立以来，通过开展对X光单级衍射光栅的优化，新研发的梯形衍射光栅（见图1）的衍射效率为6.8%，高于正选光栅6%的衍射效率，极大提高了X光单级衍射光栅的效率。不仅如此，梯形光栅是周期结构的光栅，减少了版图数据，大大降低了光栅制作难度。

2.软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪的研制成果

对于不同的应用，所需要单色仪的指标和构成也有所不同。目前，项目组已经成功研制出三种不同型号的软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪，分别是单色仪样机、用于光电子能谱单色化光源的单色仪（图2）以及用于惯性约束聚变光学元件标定的单色仪。这几种型号的单色仪已经顺利出光，且能谱分辨和高次谐波抑制比等重要技术指标完全达到了既定目标，工作能谱覆盖了10～1000eV。

2015年11月，该项目中期进展汇报会在同济大学举行，与会专家对项目已取得的成果给予了肯定，同时也对后期产业化提出了要求和希望。会上，中国工程物理研究院激光聚变研究中心与中科院高能所签订了共建国际首条软X射线/极紫外无谐波光栅单色化束线的协议。此外，用于中科院空间中心空天探测器定标的单色仪目前也已经完成光学设计。目前，软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪的研发和产业化工作都在顺利推进。

随着单色仪研制的成功，用于单色仪精密调节和波长扫描的自动控制软件也研制成功，并成功应用于单色仪的装调，该软件已申请软件著作权1项。

3. X-lab光学仿真软件

软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪的光学设计中，需要對光学系统进行仿真，现有的光学仿真软件中不含有X单级衍射光栅这个光学元件，因此为了能够实现如X光单级衍射光栅、波带片等特殊X光光元件的仿真，开发了X-Lab光学仿真软件。

X射线光学仿真软件（简称X-LAB）是一款用于研究光束经过光学系统的传播过程，可广泛应用于可见光、紫外光以及X光方面的光学系统，具有一定的通用性。对于仿真和设计光谱仪、单色仪十分便捷，该软件集成了光栅版图绘制功能，为光栅设计制作提供了有力的保障。总体来说，在该软件的帮助下，能够更快更好的进行光栅设计，版图生成和光路系统仿真。其中包含了透射光栅，X光单级衍射光栅，菲尼尔波带片，反射式椭圆波带片等特殊光学元件。其软件界面如图3所示。目前该软件已经实现20套的销售量。

四、应用前景分析

软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪在物理学、化学、天文学、材料科学、生物、医药、食品、化工、冶金、采矿、环境科学等方面具有重要应用。极紫外和软X射线是电磁波谱中非常活跃的一段能区，它涵盖了C、N、O、Si等许多轻元素的K边和Ti、V、Cr、Fe、Zn、Ni等元素的L边。轻元素分析、磁性材料研究、表面科学、等离子体诊断、软X射线显微术以及微制造技术等也多集中在这一能区。借助这段能谱，可以对物质结构及各种性质获得更深刻的认识。软X射线/极紫外光栅单色仪作为一种重要的科学仪器，也是人们研究和应用极紫外和软X射线不可或缺的工具。它已在太阳极紫外光谱测量、天文观测、软X射线显微数、极紫外光刻、同步辐射和等离子体诊断等许多领域得到广泛的应用，并取得了极大的成功。

无谐波光栅单色仪的问世，将大大改善现有单色光源的谱纯度，为实验标定提供置信度更高的数据，将极大地推动精密物理实验的进步。无谐波光栅单色仪为解决同步辐射光源的高次谐波污染带来了新的契机。它从根本上解决了光栅的高次谐波问题，简化了现有的各种技术手段，大大推进了单色仪的实用化，可以更好地服务于各种不同的客户需求。将同步辐射光源的高亮度、高准直、波长连续可调等优秀性能等与无谐波单色仪的高谐波抑制功能结合起来，大幅提高同步辐射吸收谱技术的发展，进而推动相关领域研究，提高我国该领域科研水平。

发展单级衍射光栅单色仪技术，有效抑制光源中的高次成分，对于新材料超精细分析技术发展具有重要意义。例如高能量密度物理研究中所需的材料，其尺寸控制精度需达到纳米量级，成分控制精度要求成分偏差小于0.5%。为了使研制或生产的材料满足使用要求，就必须采用光电子能谱等高精度方法对材料特性进行表征。另外，软X射线/极紫外光栅单色仪对先进空天探测技术发展也是至关重要的。设备定标是太阳EUV辐射探测器研制过程中的重要环节，与其它类型的电磁辐射探测设备相比，此类探测器对地面定标系统技术条件要求极高，对EUV光源的流量控制精度及光束单色性指标要求严格，利用项目研发的无谐波光栅单色仪进行设备定标，可以极大的提高设备定标精度和数据应用能力。

可见，实现软X射线/极紫外无谐波光栅单色仪的自主研发，将为我国先进能源、空天技术、新材料、大科学装置等领域的前沿科学发展提供国际领先的研究工具，有利于提升相关领域的原始创新能力，有利于实现前沿科学研究和尖端技术创新的跨越式发展，有利于提高国家安全保障能力。