幾種常見(jiàn)真空紫外以及軟X-ray 光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)

     由于真空紫外及軟X-RAY 與可見(jiàn)光及紅外波段在很多光學(xué)傳輸性質(zhì)上的不同，比如，需要真空環(huán)境，很低的反射率，無(wú)合適的“透明”折射率材料，成像困難，與物質(zhì)相互作用時(shí)，表現(xiàn)出高能粒子的特性，少有衍射 等等。 由于其以上的種種特性，在其光譜儀的設(shè)計(jì)上，一般需要遵循盡量減少光路中的反射元件，以及采取掠入射等原則。  
以下介紹幾種常見(jiàn)真空紫外以及軟X-ray 光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)：
 
1、C-T 式：Czerny Turner
 使用大量的平面光柵與分離聚焦和準(zhǔn)直鏡，是常用的一種結(jié)構(gòu)。通過(guò)光柵旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了線性波長(zhǎng)定位。旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與光柵表面重合。聚焦和準(zhǔn)直光學(xué)可以是球形、橢圓形、環(huán)形或拋物線形，這取決于儀器的要求。這種設(shè)計(jì)提供了一個(gè)CCD探測(cè)器平面焦平面。許多用于UV- VIS – IR和真空UV的儀器都采用了這種設(shè)計(jì)。

主要特點(diǎn)
· 由兩塊凹面鏡完成成像，
· 平面光柵完成衍射
· 可掃描 
· 可成像，像差小
· 可裝配多個(gè)光柵
· l>100nm 到中遠(yuǎn)紅外
 
為探測(cè)更低的波段，可以在此基礎(chǔ)上，采用掠入射的C-T 結(jié)構(gòu)，使得光譜探測(cè)范圍低到8nm：
 
· 基于傳統(tǒng)C-T結(jié)構(gòu)
· 掠入射： >80度入射角
· 采用平面光柵
· 良好點(diǎn)到點(diǎn)成像效果
· 高通光量
· 單點(diǎn)掃描或CCD成像探測(cè)
· 光譜范圍： 8-120nm
 
2、交叉C-T式 ：Criss Cross C-T
十字交叉C-T光路使入射角小化。這通過(guò)減少像差提高了光學(xué)性能。Czerny-Turner的交叉光路，在真空或氮?dú)獯祾呦拢梢怨ぷ髟趶?05nm一直延伸到LWIR。


3、正入射單色儀： Normal Incidence monochromators
正入射單色儀使用凹面光柵來(lái)分散和聚焦光。由于減少了光學(xué)表面，它們的工作波長(zhǎng)可短至30nm。“McPherson 15°”是使用此設(shè)計(jì)的一個(gè)設(shè)備；波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器可以旋轉(zhuǎn)和聚焦光柵，以獲得高光譜分辨率。該儀器適用于CCD和微通道板(MCP)增強(qiáng)探測(cè)器。這些設(shè)計(jì)幾乎都是專為真空紫外線波段而設(shè)計(jì)；

· 具備理想的成像效果，
· 適合搭配CCD 等探測(cè)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
· 波長(zhǎng)范圍： 30-1200nm

4、 Seya-Namioka 設(shè)計(jì)： 
此設(shè)計(jì)專為真空紫外設(shè)計(jì)，在入口和出口縫隙之間使用了70°15'的角度。采用凹面、球面、羅蘭圓光柵。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的光柵可以提高分辨率。這些設(shè)計(jì)主要用于實(shí)驗(yàn)需要在105nm以下工作，并且需要在狹縫之間有很大的空間來(lái)容納實(shí)驗(yàn)室、光源或檢測(cè)器的情況。
 
5、 改進(jìn)型Seya-Namioka 設(shè)計(jì)：Modified Seya-Namioka
改進(jìn)的Seya-Namioka 設(shè)計(jì)或校正全息設(shè)計(jì)使用了校正凹面全息光柵，該光柵設(shè)計(jì)減少了散射光，提高了光譜分辨率。我們的234/302光譜儀就是用這種結(jié)構(gòu)，一個(gè)緊湊，快速的光學(xué)系統(tǒng)，具有良好的分辨率和通光量，可以覆蓋從30nm到可見(jiàn)區(qū)域；
 
· 入射和出射狹縫固定，夾角基本固定不變：70度左右；
· 單塊凹面光柵完成成像和衍射
· 通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵的方式實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。
· 工作波長(zhǎng)范圍：30nm 到可見(jiàn)及近紅外波段
· 像差修正--Modified Seya-Nomioka 結(jié)構(gòu)

6、掠入射羅蘭圓結(jié)構(gòu) Rowland Circle Grazing Incidence
掠入射儀器的工作范圍為~1 ~ >100nm。一條狹縫穿過(guò)羅蘭圓，CCD探測(cè)器安裝在垂直于出口射線的位置，微通道板增強(qiáng)器與圓相切，可以沿圓掃描以截取感興趣的區(qū)域。光也源可以安裝在用于校準(zhǔn)系統(tǒng)的掃描狹縫處，作為單色可調(diào)光源系統(tǒng)；
 
· 主要原理基于羅蘭圓
· 入射狹縫固定不動(dòng)，
· 出射狹縫沿羅蘭圓圓周進(jìn)行掃描采集光譜
· 掠入射入射角大于80度
· 光譜范圍： <1nm—310nm
 
7、平場(chǎng)校準(zhǔn)光譜儀 Flat Field Aberration Corrected
平場(chǎng)校準(zhǔn)光譜儀依賴于*形狀的光柵基板或像差校正槽的設(shè)計(jì)和間距。如果感興趣的波長(zhǎng)和范圍都是已知且固定不變的，那這種結(jié)構(gòu)就非常有用。其探測(cè)范圍有限，且儀器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。由于對(duì)光柵的要求，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)很少，而且造價(jià)昂貴。它們也是收集低分辨率紫外光譜的有效方法。
· VLS（Variable Line Spacing），可變間距光柵
· 獲得平場(chǎng)焦平面；
· 良好的像差修正
· 超環(huán)面基地VLS光柵-像散修正；
· 光譜范圍： 1-20nm 或10-170nm
 
    美國(guó)McPherson有限公司是一家專業(yè)的光譜儀生產(chǎn)廠商，公司位于波士頓西北部的Chelmsford。在McPherson所有的產(chǎn)品中，除去傳統(tǒng)光譜儀以及高分辨率光譜儀之外，富盛名的就是其真空紫外及軟X-ray光譜儀了，特別是此類產(chǎn)品在*同步加速器以及核聚變研究方面的應(yīng)用，已經(jīng)成了光譜測(cè)試領(lǐng)域的傳奇。在這些光譜儀中，包括所有上述比較常見(jiàn)多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如Seya-Namioka設(shè)計(jì)，平場(chǎng)光柵光譜儀以及掠入射光柵光譜儀等，波長(zhǎng)范圍可以覆蓋從0.5nm一直到近紅外波段，適合于不同應(yīng)用的場(chǎng)合。