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常见真空紫外以及软X-ray 光谱仪的光学设计

提供者:先锋科技(香港)股份有限公司   发布时间:2019/6/28  阅读次数:145次   进入该公司展台

      由于真空紫外及软X-RAY 与可见光及红外波段在很多光学传输性质上的不同,比如,需要真空环境,很低的反射率,无合适的“透明”折射率材料,成像困难,与物质相互作用时,表现出高能粒子的特性,少有衍射 等等。 由于其以上的种种特性,在其光谱仪的设计上,一般需要遵循尽量减少光路中的反射元件,以及采取掠入射等原则。  
以下介绍几种常见真空紫外以及软X-ray 光谱仪的光学设计:
 
1、C-T 式:Czerny Turner
 使用大量的平面光栅与分离聚焦和准直镜,是常用的一种结构。通过光栅旋转实现了线性波长定位。旋转点与光栅表面重合。聚焦和准直光学可以是球形、椭圆形、环形或抛物线形,这取决于仪器的要求。这种设计提供了一个CCD探测器平面焦平面。许多用于UV- VIS – IR和真空UV的仪器都采用了这种设计。

主要特点
· 由两块凹面镜完成成像,
· 平面光栅完成衍射
· 可扫描 
· 可成像,像差小
· 可装配多个光栅
· l>100nm 到中远红外
 
为探测更低的波段,可以在此基础上,采用掠入射的C-T 结构,使得光谱探测范围低到8nm:
 
· 基于传统C-T结构
· 掠入射: >80度入射角
· 采用平面光栅
· 良好点到点成像效果
· 高通光量
· 单点扫描或CCD成像探测
· 光谱范围: 8-120nm
 
2、交叉C-T式 :Criss Cross C-T
十字交叉C-T光路使入射角最小化。这通过减少像差提高了光学性能。Czerny-Turner的交叉光路,在真空或氮气吹扫下,可以工作在从105nm一直延伸到LWIR。


3、正入射单色仪: Normal Incidence monochromators
正入射单色仪使用凹面光栅来分散和聚焦光。由于减少了光学表面,它们的工作波长可短至30nm。“McPherson 15°”是使用此设计的一个设备;波长驱动器可以旋转和聚焦光栅,以获得高光谱分辨率。该仪器适用于CCD和微通道板(MCP)增强探测器。这些设计几乎都是专为真空紫外线波段而设计;

· 具备理想的成像效果,
· 适合搭配CCD 等探测器使用,
· 可以水平色散或者垂直方面色散使用。
· 焦距: 1m,3m, 6.65m
· 波长范围: 30-1200nm

4、 Seya-Namioka 设计: 
此设计专为真空紫外设计,在入口和出口缝隙之间使用了70°15'的角度。采用凹面、球面、罗兰圆光栅。经过改进的光栅可以提高分辨率。这些设计主要用于实验需要在105nm以下工作,并且需要在狭缝之间有很大的空间来容纳实验室、光源或检测器的情况。
 
5、 改进型Seya-Namioka 设计:Modified Seya-Namioka
改进的Seya-Namioka 设计或校正全息设计使用了校正凹面全息光栅,该光栅设计减少了散射光,提高了光谱分辨率。我们的234/302光谱仪就是用这种结构,一个紧凑,快速的光学系统,具有良好的分辨率和通光量,可以覆盖从30nm到可见区域;
 
· 入射和出射狭缝固定,夹角基本固定不变:70度左右;
· 单块凹面光栅完成成像和衍射
· 通过转动光栅的方式实现波长扫描。
· 工作波长范围:30nm 到可见及近红外波段
· 像差修正--Modified Seya-Nomioka 结构

6、掠入射罗兰圆结构 Rowland Circle Grazing Incidence
掠入射仪器的工作范围为~1 ~ >100nm。一条狭缝穿过罗兰圆,CCD探测器安装在垂直于出口射线的位置,微通道板增强器与圆相切,可以沿圆扫描以截取感兴趣的区域。光也源可以安装在用于校准系统的扫描狭缝处,作为单色可调光源系统;
 
· 主要原理基于罗兰圆
· 入射狭缝固定不动,
· 出射狭缝沿罗兰圆圆周进行扫描采集光谱
· 掠入射入射角大于80度
· 光谱范围: <1nm—310nm
 
7、平场校准光谱仪 Flat Field Aberration Corrected
平场校准光谱仪依赖于独特形状的光栅基板或像差校正槽的设计和间距。如果感兴趣的波长和范围都是已知且固定不变的,那这种结构就非常有用。其探测范围有限,且仪器结构非常简单。由于对光栅的要求,现有的设计很少,而且造价昂贵。它们也是收集低分辨率极端紫外光谱的有效方法。
· VLS(Variable Line Spacing),可变间距光栅
· 获得平场焦平面;
· 良好的像差修正
· 超环面基地VLS光栅-像散修正;
· 光谱范围: 1-20nm 或10-170nm
 
    美国McPherson有限公司是一家专业的光谱仪生产厂商,公司位于波士顿西北部的Chelmsford。在McPherson所有的产品中,除去传统光谱仪以及高分辨率光谱仪之外,最富盛名的就是其真空紫外及软X-ray光谱仪了,特别是此类产品在全世界同步加速器以及核聚变研究方面的应用,已经成了光谱测试领域的传奇。在这些光谱仪中,包括所有上述比较常见多种结构设计,比如Seya-Namioka设计,平场光栅光谱仪以及掠入射光栅光谱仪等,波长范围可以覆盖从0.5nm一直到近红外波段,适合于不同应用的场合。

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