【儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】近日，中國工程物理研究院激光聚變研究中心和中國科學學院微電子所等單位合作，通過齊心協(xié)力、刻苦攻關(guān)，研制成功了基于X射線單級衍射光柵的所謂無諧波光柵單色儀，并進一步開展面向應(yīng)用的工程化產(chǎn)業(yè)化研究，開啟了光柵單色儀的無諧波時代。
無諧波光柵單色儀模型
光柵單色儀是一種常用的光譜分析儀器，它利用光的輻射、色散、和吸收等原理通過光譜分析的技術(shù)途徑，可以對物質(zhì)的成分和含量乃至狀態(tài)進行定性或者定量的分析。因此，光柵單色儀在科學研究各領(lǐng)域、社會服務(wù)各行業(yè)均有非常重要的應(yīng)用。
“構(gòu)成單色儀核心元件的衍射光柵是一種多級衍射元件，這導致了利用光柵單色儀獲得的‘單色光束’不可避免地混有波長為目標波長整數(shù)分之一的所謂‘高次諧波組分’。高次諧波組份的存在顯而易見地降低了單色光束的光譜純度，為光譜分析技術(shù)的應(yīng)用帶來很大的技術(shù)困擾并增加了應(yīng)用成本。諧波組份因而也被稱作諧波污染。”中國工程物理研究院激光聚變研究中心研究員曹磊峰如是說。
據(jù)了解，解決高次諧波污染的通用做法是，在單色儀的輸出光路中插入抑制諧波組分的窄帶濾光片，將輸出光束中不期望存在的高次諧波濾除掉。
“濾光片的引入，增加了光柵單色儀的結(jié)構(gòu)復雜性和使用成本。針對不同波長的光，還需要選擇不同設(shè)計的濾光片以達到良好的使用效果。在電磁波譜自真空紫外至軟X射線的波長區(qū)域，高次諧波污染的問題尤其難以解決。”曹磊峰說，而且在這一波長區(qū)域，任何材料均對其有非常顯著的吸收。在這一波段，對不同波長的光束設(shè)計和選擇合適的濾片非常困難而且相當昂貴，同時還不得不忍受對目標光束亮度的顯著衰減。
為此，科學家進行了不懈的探索。他們在真空紫外至軟X射線波長區(qū)域抑制高次諧波污染的采用的做法，目前包括氣室法，濾片法和反射鏡法等等。這些做法，在顯著增加真空紫外至軟X射線波段單色儀的結(jié)構(gòu)復雜性和使用成本的同時，無一例外地會顯著衰減目標波長光束的亮度并影響光束質(zhì)量。
中國工程物理研究院激光聚變研究中心和中國科學學院微電子所合作另辟蹊徑，以自主研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的單級衍射光柵，替代具有多級衍射特征的傳統(tǒng)衍射光柵，從源頭上消除了光柵單色儀的高次諧波組分，以單級衍射光柵開發(fā)的新型單色儀，不再需要在輸出光路上附加諧波抑制組件或措施。
然而這一重大成果的背后，是科研人員數(shù)十年如一日的實驗、攻關(guān)。
2002年曹磊峰在其博士論文中提出了利用二值化正弦透過率函數(shù)實現(xiàn)X射線單級衍射光柵的建議。此后的十幾年中，他與中科院微電子所謝常青合作，分別帶領(lǐng)自己的團隊集智合作研制成功了這種的新型色散元件，并在慣性約束聚變激光等離子體診斷中得到了重要應(yīng)用。
重大成果研發(fā)成功后，如何推廣應(yīng)用，使其發(fā)揮更大的社會價值，是曹磊峰著急的事。
2012年，曹磊峰團隊與大恒(集團)有限公司、中科院微電子所、同濟大學、清華大學、中科院高能物理研究所、中科院空間中心、四川材料工藝應(yīng)用研究所聯(lián)合申請獲批了科技部國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項，協(xié)同攻關(guān)、合作研制開發(fā)軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀，并推動這種基于新型色散原件的新型科學儀器設(shè)備的工程化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
經(jīng)過兩年的躬行實踐，2014年底，項目組研制的首臺軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀調(diào)試成功，在不附加任何諧波抑制措施的情況下輸出光束的光譜純度達到99.7%，于同類設(shè)備附加諧波抑制措施所能達到的好水平(99%)。
2016年5月止，項目組又先后研發(fā)了多臺無諧波光柵單色儀，其中有兩臺已調(diào)試成功準備投入應(yīng)用，其他的也處于緊張的加工、裝調(diào)階段。
“單級衍射光柵的問世為光源單色化和光譜分析技術(shù)帶來了新的技術(shù)機遇，光柵單色儀開啟了‘無諧波’污染的新的歷史階段。”曹磊峰說，雖然數(shù)十年如一日，探索單級衍射光柵的世界，枯燥而辛勞，但是看到它的問世，并走向產(chǎn)業(yè)化，這讓他十分欣慰，未來他將繼續(xù)上下而求索，在光柵單色儀領(lǐng)域中更加求真求新。
（原標題：光柵單色儀開啟無諧波污染時代）
