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幾種常見真空紫外以及軟X-ray 光譜儀的光學設計

由于真空紫外及軟X-RAY 與可見光及紅外波段在很多光學傳輸性質上的不同，比如，需要真空環境，很低的反射率，無合適的“透明”折射率材料，成像困難，與物質相互作用時，表現出高能粒子的特性，少有衍射等等。由于其以上的種種特性，在其光譜儀的設計上，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。
以下介紹幾種常見真空紫外以及軟X-ray 光譜儀的光學設計：

1、C-T 式：Czerny Turner
使用大量的平面光柵與分離聚焦和準直鏡，是常用的一種結構。通過光柵旋轉實現了線性波長定位。旋轉點與光柵表面重合。聚焦和準直光學可以是球形、橢圓形、環形或拋物線形，這取決于儀器的要求。這種設計提供了一個CCD探測器平面焦平面。許多用于UV- VIS – IR和真空UV的儀器都采用了這種設計。

主要特點
· 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
· 可裝配多個光柵
· l>100nm 到中遠紅外

為探測更低的波段，可以在此基礎上，采用掠入射的C-T 結構，使得光譜探測范圍低到8nm：

· 基于傳統C-T結構
· 掠入射： >80度入射角
· 采用平面光柵
· 良好點到點成像效果
· 高通光量
· 單點掃描或CCD成像探測
· 光譜范圍： 8-120nm

2、交叉C-T式：Criss Cross C-T
十字交叉C-T光路使入射角最小化。這通過減少像差提高了光學性能。Czerny-Turner的交叉光路，在真空或氮氣吹掃下，可以工作在從105nm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分散和聚焦光。由于減少了光學表面，它們的工作波長可短至30nm。“McPherson 15°”是使用此設計的一個設備；波長驅動器可以旋轉和聚焦光柵，以獲得高光譜分辨率。該儀器適用于CCD和微通道板(MCP)增強探測器。這些設計幾乎都是專為真空紫外線波段而設計；

· 具備理想的成像效果，
· 適合搭配CCD 等探測器使用，
· 可以水平色散或者垂直方面色散使用。
· 焦距： 1m，3m, 6.65m
· 波長范圍： 30-1200nm

4、 Seya-Namioka 設計：
此設計專為真空紫外設計，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。經過改進的光柵可以提高分辨率。這些設計主要用于實驗需要在105nm以下工作，并且需要在狹縫之間有很大的空間來容納實驗室、光源或檢測器的情況。

5、改進型Seya-Namioka 設計：Modified Seya-Namioka
改進的Seya-Namioka 設計或校正全息設計使用了校正凹面全息光柵，該光柵設計減少了散射光，提高了光譜分辨率。我們的234/302光譜儀就是用這種結構，一個緊湊，快速的光學系統，具有良好的分辨率和通光量，可以覆蓋從30nm到可見區域；

· 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
· 通過轉動光柵的方式實現波長掃描。
· 工作波長范圍：30nm 到可見及近紅外波段
· 像差修正--Modified Seya-Nomioka 結構

6、掠入射羅蘭圓結構 Rowland Circle Grazing Incidence
掠入射儀器的工作范圍為~1 ~ >100nm。一條狹縫穿過羅蘭圓，CCD探測器安裝在垂直于出口射線的位置，微通道板增強器與圓相切，可以沿圓掃描以截取感興趣的區域。光也源可以安裝在用于校準系統的掃描狹縫處，作為單色可調光源系統；

· 主要原理基于羅蘭圓
· 入射狹縫固定不動，
· 出射狹縫沿羅蘭圓圓周進行掃描采集光譜
· 掠入射入射角大于80度
· 光譜范圍： <1nm—310nm

7、平場校準光譜儀 Flat Field Aberration Corrected
平場校準光譜儀依賴于獨特形狀的光柵基板或像差校正槽的設計和間距。如果感興趣的波長和范圍都是已知且固定不變的，那這種結構就非常有用。其探測范圍有限，且儀器結構非常簡單。由于對光柵的要求，現有的設計很少，而且造價昂貴。它們也是收集低分辨率極端紫外光譜的有效方法。
· VLS（Variable Line Spacing），可變間距光柵
· 獲得平場焦平面；
· 良好的像差修正
· 超環面基地VLS光柵-像散修正；
· 光譜范圍： 1-20nm 或10-170nm

美國McPherson有限公司是一家專業的光譜儀生產廠商，公司位于波士頓西北部的Chelmsford。在McPherson所有的產品中，除去傳統光譜儀以及高分辨率光譜儀之外，最富盛名的就是其真空紫外及軟X-ray光譜儀了，特別是此類產品在全世界同步加速器以及核聚變研究方面的應用，已經成了光譜測試領域的傳奇。在這些光譜儀中，包括所有上述比較常見多種結構設計，比如Seya-Namioka設計，平場光柵光譜儀以及掠入射光柵光譜儀等，波長范圍可以覆蓋從0.5nm一直到近紅外波段，適合于不同應用的場合。

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