光柵單色儀開啟無諧波污染時代

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通過齊心協力刻苦攻關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用的工程化產業化研究開啟了光柵單色儀的無諧波時代

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途徑可以對物質的成分和含量乃至狀態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域社會服務各行業均有非常重要的應用

構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為光譜分析技術的應用帶來很大的技術困擾并增加了應用成本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構復雜性和使用成本針對不同波長的光還需要選擇不同設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構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以自主研發擁有自主知識產權的單級衍射光柵替代具有多級衍射特征的傳統衍射光柵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是科研人員數十年如一日的實驗攻關

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實現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分別帶領自己的團隊集智合作研制成功了這種前所未有的新型色散元件并在慣性約束聚變激光等離子體診斷中得到了重要應用

重大成果研發成功后如何推廣應用使其發揮更大的社會價值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四川材料工藝應用研究所聯合申請獲批了科技部國家重大科學儀器設備開發專項協同攻關合作研制開發軟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備的工程化產業化發展

經過兩年的躬行實踐2014年底項目組研制的國際首臺軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀調試成功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%領先于國際同類設備附加諧波抑制措施所能達到的最好水平99%

2016年5月止項目組又先后研發了多臺無諧波光柵單色儀其中有兩臺已調試成功準備投入應用其他的也處于緊張的加工裝調階段

單級衍射光柵的問世為光源單色化和光譜分析技術帶來了新的技術機遇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并走向產業化這讓他十分欣慰未來他將繼續上下而求索在光柵單色儀領域中更加求真求新