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真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术进展

李志刚

李志刚. 真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736
引用本文: 李志刚. 真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736
LI Zhi-gang. Progress of wavefront-division Fourier transform spectrometry in the vacuum ultraviolet[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736
Citation: LI Zhi-gang. Progress of wavefront-division Fourier transform spectrometry in the vacuum ultraviolet[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736

真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术进展

doi: 10.3788/CO.20150805.0736
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No.61378063)
详细信息
    通讯作者: 李志刚(1972—),男,吉林长春人,博士,研究员,2000年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事空间光学遥感技术及辐射定标方面的研究。E-mail:lizhg@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TH744.1

Progress of wavefront-division Fourier transform spectrometry in the vacuum ultraviolet

  • 摘要: 本文分析了真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术原理、特点及其必要性,介绍了几种采用真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术的光谱仪的代表性结构、性能和应用,探讨了国内真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术的未来发展,为获得高分辨率真空紫外光谱提供了另一途径。
  • 图  1  中文真空紫外扫描式分波前干涉仪示意图。VUV-F,参考反射器;VUV-M,移动反射器;RW,参考楔;HeNe,HeNe稳频激光束;BS,分束器;FM,定镜名

    Figure  1.  Schematic of a VUV scanning wavefront-division interferometer. VUV-F:reference reflector; VUV-M:mobile reflector; RW:reference wedge; HeNe:HeNe frequency-stabilized laser beam; BS:beamsplitter; FM:fixed mirror

    图  2  安装的真空紫外分波前干涉仪

    Figure  2.  Mounted VUV wavefront-division interferometer

    图  3  Kr吸收光谱

    Figure  3.  Krypton absorption spectrum

    图  4  He光吸收截面

    Figure  4.  Helium photoabsorption cross-section

    图  5  软X射线干涉仪实验示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of the soft X-ray interferometer experiment

    图  6  透射光栅式硅分束器方案设计

    Figure  6.  Proposed design of the transmission-grating silicon beamsplitter

    图  7  软X射线干涉仪示意图

    Figure  7.  Schematic of soft X-ray interferometer

    图  8  硅分束器

    Figure  8.  Silicon beamsplitter

    图  9  改进型掠入射Mach-Zehnder干涉仪示意图

    Figure  9.  Schematic of the modified grazing-incidence Mach-Zehnder interferometer

    图  10  改进型掠入射Mach-Zehnder干涉仪装置照片

    Figure  10.  Photograph of the modified grazing-incidence Mach-Zehnder interferometer set-up

    图  11  分束器部分反射表面扫描电镜照片

    Figure  11.  SEM picture of partially reflective surface of beamsplitter

    图  12  改进型掠入射Mach-Zehnder干涉仪测得的干涉图快速傅里叶变换光谱

    Figure  12.  Fast Fourier transform spectra of interferograms measured with a modified grazing-incidence Mach-Zehnder interferometer

  • [1]

    [1] THORNE A P,HARRISC J,WYNNE-JONES I,et al. A Fourier transform spectrometer for the vacuum ultraviolet:design and performance[J]. J. Phys. E,1987,20:54-60.
    [2] SANSONETTI C J,NAVE G,READER J,et al.. Comprehensive observations of the ultraviolet spectrum and improved energy levels for singly ionized chromium(Cr Ⅱ)[J]. Astrophys. J. Suppl. Series,2012,202:15.
    [3] NAVE G,SANSONETTI C J. Wavelength of the 3d6(5D)4s a6D-3d5(6S)4s4p y6P multiplet of Fe I(UV 8)[J]. J. Opt. Soc. Am. B,2011,28:737-745.
    [4] GURELL J,WAHLGREN G M,NAVE G,et al.. Wavelengths, energy levels and hyperfine structure constants in Ho II[J]. Phys. Scr.,2009,79:035306.
    [5] KERBER F,LINDLER D,BRISTOW P,et al.. Performance of the GHRS Pt-Ne hollow-cathode lamps after their return from space and comparison with archival data[J]. SPIE,2006,6266:62663A.
    [6] NAVE G,LI Z,SANSONETTI C J,et al.. Atomic oscillator strengths in the vacuum ultraviolet using Fourier transform and grating spectroscopy[J]. Phys. Scr.,2005,T119:35-39.
    [7] BLACKWELL-WHITEHEAD R J,PICKERING J C,PEARSE O,et al.. Hyperfine structure measurements of neutral manganese with Fourier transform spectroscopy[J]. Astrophys. J. Suppl. Series.,2005,157:402-409.
    [8] NAVE G,SANSONETTI C J. Reference wavelengths in the spectra of Fe, Ge, and Pt in the region near 1935 Å[J]. J. Opt. Soc. Am. B,2004,21:442-453.
    [9] NAVE G. Atomic transition rates for neutral holmium(Ho I)[J]. J. Opt. Soc. Am. B,2003,20:2193-2202.
    [10] IVARSSON S,LITZÉN U,WAHLGREN G M. Accurate wavelengths, oscillator strengths and hyperfine structure in selected praseodymium lines of astrophysical interest[J]. Phys. Scr.,2001,64:455-461.
    [11] NAVE G,GRIESMANN U. New energy levels and classifications of spectral lines from neutral and singly-ionized dysprosium(Dy I and Dy II)[J]. Phys. Scr.,2000,62:463-473.
    [12] GRIESMANN U,BURNETT J H. Refractivity of nitrogen gas in the vacuum ultraviolet[J]. Opt. Lett.,1999,24:1699-1701.
    [13] GRIESMANN U,KLING R,BURNETT J H,et al.. The NIST FT700 vacuum ultraviolet Fourier transform spectrometer:applications in ultraviolet spectrometry and radiometry[J]. SPIE,1999,3818:180-188.
    [14] NAVE G,JOHANSSON S,THORNE A P. Precision vacuum-ultraviolet wavelengths of Fe II measured by Fourier-transform and grating spectrometry[J]. J. Opt. Soc. Am. B,1997,14:1035-1042.
    [15] NAVE G,JOHANSSON S,AXNER O,et al.. Analysis of the 3d64s(6D)6d subconfiguration of Fe I by laser-enhanced ionisation and emission spectroscopy[J]. Phys. Scr.,1994,49:581-587.
    [16] THORNE A. Fourier-transform spectroscopy into the vacuum-ultraviolet[J]. Nature Photon.,2011,5:131-133.
    [17] STRONG J,VANASSE G A. Lamellar grating far-infrared interferometer[J]. J. Opt. Soc. Am.,1960,50:113-118.
    [18] DE OLIVEIRA N,JOYEUX D.,PHALIPPOU D,et al.. A Fourier transform spectrometer without a beam splitterfor the vacuum ultraviolet range:from the optical design to the first UV spectrum[J]. Rev. Sci. Instrum.,2009,80:43101.
    [19] DE OLIVERIA N,ROUDJANE M,JOYEUX D,et al.. High-resolution broad-bandwidth Fourier-transform absorption spectroscopy in the VUV range down to 40 nm[J]. Nature Photon.,2011,5:149-153.
    [20] NAHON L,DE OLIVEIRA N,GARCIA G A,et al.. DESIRS:a state-of-the-art VUV beamline featuring high resolution and variable polarization for spectroscopy and dichroism at SOLEIL[J]. J. Synchrotron Rad.,2012,19:508-520.
    [21] DE LANGE A,DICKENSON G D,SALUMBIDES E J,et al.. VUV Fourier-transform absorption study of the Lyman and Werner bands in D2[J]. J. Chem. Phys.,2012,136:234310.
    [22] UBACHS W,SALUMBIDES E J,EIKEMA K S E,et al.. Novel techniques in VUV high-resolution spectroscopy[J]. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom.,2014,196:159-164.
    [23] HOWELLS M R,FRANK K,HUSSAIN Z,et al.. Toward a soft X-ray Fourier-transform spectrometer[J]. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,1994,A347:182-191.
    [24] MOLER EJ,DUARTE R M,HOWELLS M R,et al.. First measurements using the ALS soft X-ray Fourier transformspectrometer[J]. SPIE,1997,3154:117-122.
    [25] AGÅKER M,ANDERSSON J,ENGLUND C J,et al.. Novel instruments for ultra-soft X-ray emission spectroscopy[J]. Nucl. Inst. Meth Phys. Res. A,2009,601:213-219.
    [26] AGÅKER M,ANDERSSON J,ENGLUND J C,et al.. Spectroscopy in the vacuum-ultraviolet[J]. Nature Photon.,2011,5:248.

    [1] THORNE A P,HARRISC J,WYNNE-JONES I,et al. A Fourier transform spectrometer for the vacuum ultraviolet:design and performance[J]. J. Phys. E,1987,20:54-60.
    [2] SANSONETTI C J,NAVE G,READER J,et al.. Comprehensive observations of the ultraviolet spectrum and improved energy levels for singly ionized chromium(Cr Ⅱ)[J]. Astrophys. J. Suppl. Series,2012,202:15.
    [3] NAVE G,SANSONETTI C J. Wavelength of the 3d6(5D)4s a6D-3d5(6S)4s4p y6P multiplet of Fe I(UV 8)[J]. J. Opt. Soc. Am. B,2011,28:737-745.
    [4] GURELL J,WAHLGREN G M,NAVE G,et al.. Wavelengths, energy levels and hyperfine structure constants in Ho II[J]. Phys. Scr.,2009,79:035306.
    [5] KERBER F,LINDLER D,BRISTOW P,et al.. Performance of the GHRS Pt-Ne hollow-cathode lamps after their return from space and comparison with archival data[J]. SPIE,2006,6266:62663A.
    [6] NAVE G,LI Z,SANSONETTI C J,et al.. Atomic oscillator strengths in the vacuum ultraviolet using Fourier transform and grating spectroscopy[J]. Phys. Scr.,2005,T119:35-39.
    [7] BLACKWELL-WHITEHEAD R J,PICKERING J C,PEARSE O,et al.. Hyperfine structure measurements of neutral manganese with Fourier transform spectroscopy[J]. Astrophys. J. Suppl. Series.,2005,157:402-409.
    [8] NAVE G,SANSONETTI C J. Reference wavelengths in the spectra of Fe, Ge, and Pt in the region near 1935 Å[J]. J. Opt. Soc. Am. B,2004,21:442-453.
    [9] NAVE G. Atomic transition rates for neutral holmium(Ho I)[J]. J. Opt. Soc. Am. B,2003,20:2193-2202.
    [10] IVARSSON S,LITZÉN U,WAHLGREN G M. Accurate wavelengths, oscillator strengths and hyperfine structure in selected praseodymium lines of astrophysical interest[J]. Phys. Scr.,2001,64:455-461.
    [11] NAVE G,GRIESMANN U. New energy levels and classifications of spectral lines from neutral and singly-ionized dysprosium(Dy I and Dy II)[J]. Phys. Scr.,2000,62:463-473.
    [12] GRIESMANN U,BURNETT J H. Refractivity of nitrogen gas in the vacuum ultraviolet[J]. Opt. Lett.,1999,24:1699-1701.
    [13] GRIESMANN U,KLING R,BURNETT J H,et al.. The NIST FT700 vacuum ultraviolet Fourier transform spectrometer:applications in ultraviolet spectrometry and radiometry[J]. SPIE,1999,3818:180-188.
    [14] NAVE G,JOHANSSON S,THORNE A P. Precision vacuum-ultraviolet wavelengths of Fe II measured by Fourier-transform and grating spectrometry[J]. J. Opt. Soc. Am. B,1997,14:1035-1042.
    [15] NAVE G,JOHANSSON S,AXNER O,et al.. Analysis of the 3d64s(6D)6d subconfiguration of Fe I by laser-enhanced ionisation and emission spectroscopy[J]. Phys. Scr.,1994,49:581-587.
    [16] THORNE A. Fourier-transform spectroscopy into the vacuum-ultraviolet[J]. Nature Photon.,2011,5:131-133.
    [17] STRONG J,VANASSE G A. Lamellar grating far-infrared interferometer[J]. J. Opt. Soc. Am.,1960,50:113-118.
    [18] DE OLIVEIRA N,JOYEUX D.,PHALIPPOU D,et al.. A Fourier transform spectrometer without a beam splitterfor the vacuum ultraviolet range:from the optical design to the first UV spectrum[J]. Rev. Sci. Instrum.,2009,80:43101.
    [19] DE OLIVERIA N,ROUDJANE M,JOYEUX D,et al.. High-resolution broad-bandwidth Fourier-transform absorption spectroscopy in the VUV range down to 40 nm[J]. Nature Photon.,2011,5:149-153.
    [20] NAHON L,DE OLIVEIRA N,GARCIA G A,et al.. DESIRS:a state-of-the-art VUV beamline featuring high resolution and variable polarization for spectroscopy and dichroism at SOLEIL[J]. J. Synchrotron Rad.,2012,19:508-520.
    [21] DE LANGE A,DICKENSON G D,SALUMBIDES E J,et al.. VUV Fourier-transform absorption study of the Lyman and Werner bands in D2[J]. J. Chem. Phys.,2012,136:234310.
    [22] UBACHS W,SALUMBIDES E J,EIKEMA K S E,et al.. Novel techniques in VUV high-resolution spectroscopy[J]. J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom.,2014,196:159-164.
    [23] HOWELLS M R,FRANK K,HUSSAIN Z,et al.. Toward a soft X-ray Fourier-transform spectrometer[J]. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,1994,A347:182-191.
    [24] MOLER EJ,DUARTE R M,HOWELLS M R,et al.. First measurements using the ALS soft X-ray Fourier transformspectrometer[J]. SPIE,1997,3154:117-122.
    [25] AGÅKER M,ANDERSSON J,ENGLUND C J,et al.. Novel instruments for ultra-soft X-ray emission spectroscopy[J]. Nucl. Inst. Meth Phys. Res. A,2009,601:213-219.
    [26] AGÅKER M,ANDERSSON J,ENGLUND J C,et al.. Spectroscopy in the vacuum-ultraviolet[J]. Nature Photon.,2011,5:248.

  • [1] 赵云, 吕金光, 秦余欣, 陶金, 梁中翥, 王维彪, 尼启良, 孟德佳, 梁静秋.  微型傅立叶变换光谱仪的优化设计与实验研究 . 中国光学, 2020, 13(2): 411-425. doi: 10.3788/CO.20201302.0411
    [2] 张天一, 朱永田, 侯永辉, 张凯, 胡中文, 王磊, 陈忆, 姜海娇, 汤振, 许明明, 姜明达.  LAMOST高分辨率光谱仪研制 . 中国光学, 2019, 12(1): 148-155. doi: 10.3788/CO.20191201.0148
    [3] 胡琪, 王喆, 刘洪顺, 薛智文, 邓家春.  基于单次傅里叶变换的分段衍射算法 . 中国光学, 2018, 11(4): 568-575. doi: 10.3788/CO.20181104.0568
    [4] 王琪, 梁静秋, 梁中翥, 吕金光, 王维彪, 秦余欣, 王洪亮.  分孔径红外偏振成像仪光学系统设计 . 中国光学, 2018, 11(1): 92-99. doi: 10.3788/CO.20181101.0092
    [5] 曹佃生, 林冠宇, 杨小虎, 张子辉, 闻宝朋.  紫外双光栅光谱仪结构设计与波长精度分析 . 中国光学, 2018, 11(2): 219-230. doi: 10.3788/CO.20181102.0219
    [6] 梁静秋, 梁中翥, 吕金光, 秦余欣, 田超, 王维彪.  空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究 . 中国光学, 2015, 8(2): 277-298. doi: 10.3788/CO.20150802.0277
    [7] 施建华, 伏思华, 谢文科.  光栅光谱仪光谱响应误差校正 . 中国光学, 2014, 7(3): 483-490. doi: 10.3788/CO.20140703.0483
    [8] 汤兆鑫, 黄玮, 许伟才, 刘立峰, 徐象如.  差分五棱镜扫描法在波前检测中的应用 . 中国光学, 2014, 7(6): 1003-1011. doi: 10.3788/CO.20140706.1003
    [9] 赵慧洁, 宋汪洋, 张颖, 赵峰, 程宣.  声光可调谐滤波器成像光谱仪实时预处理系统 . 中国光学, 2013, 6(4): 577-583. doi: 10.3788/CO.20130604.0577
    [10] 张晶, 王淑荣, 黄煜, 薛庆生, 李博.  临边成像光谱仪的发展现状与进展 . 中国光学, 2013, 6(5): 692-700. doi: 10.3788/CO.20130605.0692
    [11] 王军.  基于谱间和帧内差分脉冲编码调制的超光谱图像无损压缩 . 中国光学, 2013, 6(6): 863-867. doi: 10.3788/CO.20130606.863
    [12] 安岩, 孙强, 刘英, 李淳.  交叉型消像散Czerny-Turner结构光谱仪设计 . 中国光学, 2012, 5(5): 470-475. doi: 10.3788/CO.20120505.0470
    [13] 张军强, 邵建兵, 颜昌翔, 吴清文, 陈伟.  成像光谱仪星上光谱定标的数据处理 . 中国光学, 2011, 4(2): 175-181.
    [14] 陈万英, 唐玉国, 巴音贺希格, 崔继承, 冯树龙.  微型平像场近红外光谱仪的消杂散光设计 . 中国光学, 2010, 3(3): 263-267.
    [15] YANG T, LI C C, HO H P.  基于亚微米尺度干涉阵列的超小型高分辨光谱仪 . 中国光学, 2010, 3(1): 38-44.
    [16] 张军强, 吴清文, 颜昌翔.  星载成像光谱仪杂散光检测技术 . 中国光学, 2010, 3(4): 337-342.
    [17] 曲艺.  真空紫外波段光栅二级衍射效率测量装置 . 中国光学, 2010, 3(6): 566-571.
    [18] 陈少杰, 唐玉国, 巴音贺希格, 李延超, 于宏柱, 崔继承.  高速便携式近红外光栅光谱仪光电系统设计 . 中国光学, 2009, 2(4): 322-328.
    [19] 撖芃芃.  成像光谱仪同心光学系统的研究 . 中国光学, 2009, 2(2): 157-162.
    [20] 李晓晖, 颜昌翔.  成像光谱仪星上定标技术 . 中国光学, 2009, 2(4): 309-315.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-05-18
  • 录用日期:  2015-06-22
  • 刊出日期:  2015-01-25

真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术进展

doi: 10.3788/CO.20150805.0736
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(No.61378063)
    通讯作者: 李志刚(1972—),男,吉林长春人,博士,研究员,2000年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事空间光学遥感技术及辐射定标方面的研究。E-mail:lizhg@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TH744.1

摘要: 本文分析了真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术原理、特点及其必要性,介绍了几种采用真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术的光谱仪的代表性结构、性能和应用,探讨了国内真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术的未来发展,为获得高分辨率真空紫外光谱提供了另一途径。

English Abstract

李志刚. 真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736
引用本文: 李志刚. 真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术进展[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736
LI Zhi-gang. Progress of wavefront-division Fourier transform spectrometry in the vacuum ultraviolet[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736
Citation: LI Zhi-gang. Progress of wavefront-division Fourier transform spectrometry in the vacuum ultraviolet[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 736-743. doi: 10.3788/CO.20150805.0736
    • 傅里叶变换光谱技术原理是基于通过干涉仪所产生的作为相干光束光程差函数的干涉图是入射光源光谱的傅里叶变换,因此通过干涉图傅里叶逆变换可以获取入射光源的光谱。由于宽光谱范围、高分辨率、高波长精度、多波长采集等优势,傅里叶变换光谱技术已经成为重要的光谱测量手段。

      20世纪60年代,红外波段傅里叶变换光谱技术由于能提供优异的信噪比而得到迅速发展。傅里叶变换光谱仪中,所有波长光辐射被同时记录,而不是顺序记录,在红外波段,傅里叶变换光谱仪探测系统的噪声主要是探测器噪声或背景噪声,与信号大小无关,因此具有多路传输的优点。也由于干涉仪具有轴对称性,入射光阑是圆形的,在相同分辨率下,比起扫描光栅单色仪,光通量要大几个数量级,傅里叶变换光谱技术具有高光通量优点。在红外波段,傅里叶变换光谱技术由于灵敏度较高,在大多应用中超越了光栅光谱技术。红外波段傅里叶变换光谱仪逐渐广泛应用于物理化学、分析化学、大气物理及天文物理等众多领域。

      20世纪70年代,傅里叶变换光谱技术向近红外、可见、近紫外波段延伸。在这个光谱区,探测器噪声与光子噪声相比微不足道。倘若光源是稳定的,噪声由光子起伏限定,且随信号大小的平方根增加,这时,傅里叶变换光谱技术的多路传输优势并不明显。但是如果向更短波段进展,对干涉仪光学与机械零部件精度要求也越来越高,技术难度增大。20世纪80年代英国帝国理工学院将傅里叶变换光谱技术延拓至真空紫外光谱区,研究者精心设计了一台扫描式Michelson干涉仪[1],严格满足光学和机械方面的精度要求。分束器入射角为5°,而不是传统的45°,有利于降低偏振效应。干涉仪置于1.5 m×0.25 m×0.25 m的真空室内,采用熔石英制作分束器,测量波长范围短至170 nm,200 nm处光谱分辨率可达2×106。在仿制这台原型仪器的基础上,美国国家标准技术研究院、瑞典隆德大学、英国帝国理工学院作了大量有益的研究[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]

      但是,由于缺乏制作真空紫外波段分束器的透射材料,分振幅式的干涉仪只能工作到120~150 nm以上波段。在远真空紫外波段,使用分振幅方式的傅里叶变换光谱技术发展陷入困境。在这种状况下,分波前式傅里叶变换光谱技术为向真空紫外更短波段的拓展提供了另一途径。在真空紫外波段由于光子噪声居主,分波前傅里叶变换光谱仪的多路传输没有优势。由于采用分波前干涉,高通量优势也丧失。但真空紫外傅里叶变换光谱技术仍然是优异的,这些理由也是促使发展结构紧凑、方便快捷的真空紫外傅里叶变换光谱仪的动力。首先,该技术可达到很高的分辨率。与光栅单色仪相比,分辨率依赖于扫描程长而不是光栅宽度。其次,由于傅里叶变换的线性特性,波数标尺是线性的,原理上波长定标只需一条参考谱线,而不是像光栅单色仪那样,在整个光谱范围内波长定标需多条参考谱线。第三是灵活性,可以轻易通过改变扫描长度进行分辨率同积分时间或信噪比的权衡[16]。因此,真空紫外傅里叶变换光谱技术仍然是研究的前沿。由于存在材料和技术难度,国内外研究进展缓慢,研究团队也比较少。这些研究工作主要集中在法国、美国和瑞典等国家。本文重点评述了近年法国、美国和瑞典开展的真空紫外分波前傅里叶变换光谱技术的研究工作。

    • 傅里叶变换光谱仪早期工作中,由于缺乏合适的远红外分振幅型分束器,曾采用分波前技术制作傅里叶变换光谱仪,以期向远红外波段拓展[17]。如今,这一技术在短波真空紫外得到应用与发展。

      法国de Oliveira等人研制了基于改进型Fresnel双镜干涉仪结构的无分束器傅里叶变换光谱仪[18],以1.5×105的分辨率记录了O2在190 nm附近Schuman-Runge吸收带光谱。在此基础上,进行重建和升级,研制了与之结构颇为相似的真空紫外扫描式分波前干涉仪,作为终端站与法国SOLEIL同步辐射装置真空紫外光束线DESIRS相连,可在超高真空条件下使用,信噪比高,测量波长范围为250~40 nm(5~30 eV),分辨率约为1×106,波长精度为1×10-7 [19, 20, 21, 22]。真空紫外扫描式分波前干涉仪结构如图1所示,包括两个成90°角真空紫外反射面的两个屋顶形光学玻璃块面向入射真空紫外波荡器光束。

      图  1  中文真空紫外扫描式分波前干涉仪示意图。VUV-F,参考反射器;VUV-M,移动反射器;RW,参考楔;HeNe,HeNe稳频激光束;BS,分束器;FM,定镜名

      Figure 1.  Schematic of a VUV scanning wavefront-division interferometer. VUV-F:reference reflector; VUV-M:mobile reflector; RW:reference wedge; HeNe:HeNe frequency-stabilized laser beam; BS:beamsplitter; FM:fixed mirror

      入射光束被两个反射器分开,分别以45°角反射两次。参考反射器(VUV-F)和移动反射器(VUV-M)间隔100 μm。由于VUV-F在垂直方向上的微小倾斜,使得两反射光束相交并干涉。在距反射器130 cm处,真空紫外光电二极管置于水平狭缝后探测干涉图,狭缝宽为50 μm,小于空间干涉条纹间隔。DESIRS波荡器光源能够满足分波前干涉仪对一维空间相干度的要求。扫描控制系统基于多次反射的HeNe激光干涉仪装置,可根据光谱范围所需提供不同采样间隔的采样信号,用于精确的干涉图采样。VUV-M的背面作为动镜,VUV-M的移动通过使用基于两平面镜之间多次反射的可见光干涉仪来测量,保证了在真空紫外光程差变化和可见光干涉测量控制信号之间直接而稳定的关系。

      在分束器之后,稳频HeNe激光光束在VUV-M后表面和参考楔(RW)之间反射p次后返回。就VUV-M位移而言,可见光干涉图的周期δxHeNe/2p′,其中λHeNe表示HeNe激光波长,p′等于p与一个几何因子的乘积。几何因子由p决定,其值接近于1。激光干涉图用于每周期两次触发真空紫外干涉图采样,即采样间隔为λHeNe/4p′。此系统灵敏度是通过平分正弦周期获得的,是一个非常简单的处理,并且给出准确的结果。相反,若由传统的干涉仪获得相同的灵敏度,往往需要对每个条纹进行很多的电子学细分,从而增加了采样误差风险,或要求一个精确恒定的扫描速度。这一干涉采样系统原理上极大地降低了对VUV-M移动速度波动的要求。p是一个从8至15之间的可调参量,这一调整可通过倾斜VUV-M来完成。最大分辨率和自由光谱范围都由参量p确定。安装的真空紫外分波前干涉仪如图2所示。

      图  2  安装的真空紫外分波前干涉仪

      Figure 2.  Mounted VUV wavefront-division interferometer

      用这种光谱仪测得的Kr价电子层吸收光谱如图3所示,分辨率为8.5×105图4给出了He光吸收截面测量结果。同来自于DESIRS光束线的高分辨率光栅单色仪相比较,获取相同带宽(6 000 cm-1)、分辨率(δσ=1.3 cm-1)和信噪比的实验数据,由于记录数据点之间电子学和机械因素导致的间歇时间的原因,高分辨率光栅单色仪的记录时间比此傅里叶变换光谱仪长约30倍。

      图  3  Kr吸收光谱

      Figure 3.  Krypton absorption spectrum

      图  4  He光吸收截面

      Figure 4.  Helium photoabsorption cross-section

      法国de Oliveira及其合作者共同研制的仪器代表了吸收傅里叶变换光谱学在真空紫外光谱区的一项重大突破。这一新型基于傅里叶变换的仪器,由于其前所未有的分辨率、绝对谱线位置精度、宽光谱范围和其高效的数据采集效率,将很快在气相吸收光谱学整个真空紫外波段产生不同寻常的结果。在真空紫外波段,傅里叶变换光谱仪可以在天体物理学、星际介质和行星大气有关的项目中得以应用,满足诠释天基光谱仪和望远镜数据以及高分辨率实验室精确数据库的迫切需要,还可应用于地球大气和燃烧过程的研究。如能提供高亮度真空紫外辐射源,傅里叶变换光谱仪亦可应用于发射光谱学以研究高电离原子态。

      20世纪90年代,在真空紫外光谱区的软X射线波段,美国Howells等人[7]提出采用分波前傅里叶变换光谱技术研究He 60~80 eV附近吸收光谱的技术方案(如图5所示)。照射气体池中样品的软X射线辐射来自于Lawrence Berkeley国家实验室同步辐射光源ALS弯转磁铁光束线9.3.2上的球面光栅单色仪。

      图  5  软X射线干涉仪实验示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of the soft X-ray interferometer experiment

      设计中将Mach-Zehnder干涉仪变为菱形,采用掠入射方式,波长为10~100 nm。通过直线移动载有4片平面反射镜的平台来改变两干涉光束的光程差,光程差可达1 cm。在65 eV处,分辨率达5×105。谱仪光学系统设计中使用两块分波前分束器(BS1和BS2),由单晶硅采用微细加工技术制成。分束器设计采用透射光栅结构(如图6所示),通过有效区域内栅条表面的反射和狭缝的透射得以实现分波前。分束器刻蚀槽缝宽为25 μm,深为0.5 mm,反射表面斜率误差小于0.75 μrad。基于这一设计概念,研究人员开展了仪器研制工作[24]图7为软X射线干涉仪示意图,整个干涉仪安装于高真空室内,与超高真空光束线之间通过薄箔窗口分隔。

      图  6  透射光栅式硅分束器方案设计

      Figure 6.  Proposed design of the transmission-grating silicon beamsplitter

      图  7  软X射线干涉仪示意图

      Figure 7.  Schematic of soft X-ray interferometer

      干涉仪中动镜台由双动液压活塞驱动,反射镜的位置采用外差式激光干涉仪测量。动镜台必须有足够的移动以引入所需的光程差,并且必须保持角度准直以确保两光束在探测器处相干重组。谱仪的总移动范围约为1.5 cm,整个范围内的角度公差为±0.5 μrad。采用单片马氏体时效钢板经电火花线切割加工制作的、安装4块反射镜的柔性铰链线性移动台是使之得以实现的关键。分波前分束器反射表面的平面度要求小于1 μrad,表面粗糙度约为0.3 nm RMS。图8为分束器示意图,槽宽为50 μm,周期为100 μm,采用单晶硅片制作,反射表面镀钼膜。

      图  8  硅分束器

      Figure 8.  Silicon beamsplitter

      瑞典Agker及其合作者共同研制了改进型Mach-Zehnder干涉仪[25],用于超软X射线发射光谱学研究。干涉仪(如图9所示)包括一块分束器,一块光束混合器和两块平面反射镜,掠入射角为10°。

      图  9  改进型掠入射Mach-Zehnder干涉仪示意图

      Figure 9.  Schematic of the modified grazing-incidence Mach-Zehnder interferometer

      入射光由分波前式分束器分至两臂,在光束混合器处复合。CCD探测器记录所生成的干涉图。可通过扫描改变两臂程差,最大程差可至100 μm,相当于12 meV的分辨率。通过转动分束器和其中一块平面反射镜的组合完成干涉仪光程差的改变,位于分束器表面的转动轴垂直于光路方向。分束器/平面镜组和的转动使用压电倾斜台,角度范围为12 mrad,精度为0.2 μrad。由于组合的转动使得两路光在光束混合器上的重聚处位置发生变化,通过对光束混合器的移动来补偿这一变化。光束混合器安装于三轴压电台上,可提供10 μm位移和两个方向亚微弧度分辨率的倾斜。由于强吸收,在软X射线波段,干涉仪中采用半反半透镜作分束器十分困难。对镜子不但要求厚度极薄而且极平,这使得镜子的加工难度极大。为避免这一困难,采用具有透射光栅结构的高精度分波前式分束器。采用适合短波段应用要求的掠入射方式,部分光束直接通过分束器,另一半经狭缝间的反射栅条镜表面反射。若光相干宽度大于分束器狭缝结构周期,干涉仪通过不同臂的光束将会在光束混和器后干涉。改进型掠入射Mach-Zehnder干涉仪照片如图10所示。高质量光学元件是保证由干涉产生的光强变化获得最大对比度的必要条件。表面粗糙度应尽量减小以降低散射,表面面形误差必须非常小以避免在光束混合器处光束的偏离。

      图  10  改进型掠入射Mach-Zehnder干涉仪装置照片

      Figure 10.  Photograph of the modified grazing-incidence Mach-Zehnder interferometer set-up

      分束器和光束混合器由镜坯制作,尺寸为(50 mm×110 mm×5 mm)。通光孔径为(25 mm×30 mm),结构周期为200 μm。分束器栅条周期结构如图11所示。反射镜和分束器要求表面粗糙度小于0.5 nm RMS,面形误差低于1 μrad RMS。

      图  11  分束器部分反射表面扫描电镜照片

      Figure 11.  SEM picture of partially reflective surface of beamsplitter

      图12给出了改进型掠入射Mach-Zehnder 干涉仪在瑞典隆德MAX-lab NIM光束线I3测得的干涉图快速傅里叶变换光谱[26]。测试结果表明,能够用于波长至22.5 nm的真空紫外波段光谱测量。这一光谱仪是基于分波前式分束器,扫描长度短于法国的真空紫外扫描式分波前干涉仪,因而在分辨率上还不能与之相比。

      图  12  改进型掠入射Mach-Zehnder干涉仪测得的干涉图快速傅里叶变换光谱

      Figure 12.  Fast Fourier transform spectra of interferograms measured with a modified grazing-incidence Mach-Zehnder interferometer

    • 在天体物理学领域的宇宙学、星际介质和恒星大气研究,地外大气和燃烧过程研究及等离子体物理和高电离态原子物理研究的推动下,真空紫外傅里叶变换光谱技术发展十分迅速。研制200~0.2 nm真空紫外傅里叶变换光谱仪有重要的学术意义和应用价值。20世纪80年代英国帝国理工学院研制成扫描式真空紫外Michelson干涉仪,将傅里叶变换光谱技术延拓至真空紫外光谱区。但由于缺乏合适的分束器,限制了分振幅傅里叶变换光谱技术向真空紫外波段150~120 nm以下的更短波长的拓展。这种情况下,分波前式傅里叶变换光谱技术在真空紫外光谱区得到了新的应用。法国de Oliveira等人基于Fresnel双镜干涉原理,研制了分波前傅里叶变换光谱仪,波长范围250~40 nm(5~30 eV)。瑞典Uppsala大学Agker及其合作者基于改进型Mach-Zehnder干涉仪,采用微细加工技术制作的分波前型分束器,研制了另一种分波前傅里叶变换光谱仪。波长范围10~100 nm。

      研制真空紫外光谱区傅里叶变换光谱仪需解决相干光源应用、分波前型分束器研制、超高精度光学元件加工、分波前干涉仪高精度扫描驱动系统研制等四项关键技术,其中尤以高精度分波前型分束器微细加工难度大。从真空紫外傅里叶变换光谱仪研制和应用现状看,法国分波前傅里叶变换光谱仪方案先进、可行,避免用微细加工制作分波前分束器引发的一系列问题,值得深入探讨与采纳,并可作为我们拟研制的采用相干光源的真空紫外分波前傅里叶变换光谱仪器的切入点。

      可以预期,随国内天体物理、地外大气物理、等离子体物理、高电离态原子物理等"大工程、大科学"研究的展开,分波前真空紫外傅里叶变换光谱技术将迎来全新发展时代。

参考文献 (1)

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