光栅单色仪开启无谐波污染时代 走向产业化

近日，中国工程物理研究院激光聚变研究中心和中国科学学院微电子所等单位合作，通过齐心协力、刻苦攻关，研制成功了基于X射线单级衍射光栅的所谓无谐波光栅单色仪，并进一步开展面向应用的工程化产业化研究，开启了光栅单色仪的无谐波时代。

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　　 　光栅单色仪是一种常用的光谱分析仪器，它利用光的辐射、色散、和吸收等原理通过光谱分析的技术途径，可以对物质的成分和含量乃至状态进行定性或者定量的分析。因此，光栅单色仪在科学研究各领域、社会服务各行业均有非常重要的应用。

　　“构成单色仪核心元件的衍射光栅是一种多级衍射元件，这导致了利用光栅单色仪获得的‘单色光束’不可避免地混有波长为目标波长整数分之一的所谓‘高次谐波组分’。高次谐波组份的存在显而易见地降低了单色光束的光谱纯度，为光谱分析技术的应用带来很大的技术困扰并增加了应用成本。谐波组份因而也被称作谐波污染。”中国工程物理研究院激光聚变研究中心研究员曹磊峰如是说。

　　据了解，解决高次谐波污染的通用做法是，在单色仪的输出光路中插入抑制谐波组分的窄带滤光片，将输出光束中不期望存在的高次谐波滤除掉。

　　“滤光片的引入，增加了光栅单色仪的结构复杂性和使用成本。针对不同波长的光，还需要选择不同设计的滤光片以达到良好的使用效果。在电磁波谱自真空紫外至软X射线的波长区域，高次谐波污染的问题尤其难以解决。”曹磊峰说，而且在这一波长区域，任何材料均对其有非常显著的吸收。在这一波段，对不同波长的光束设计和选择合适的滤片非常困难而且相当昂贵，同时还不得不忍受对目标光束亮度的显著衰减。

　　为此，科学家进行了不懈的探索。他们在真空紫外至软X射线波长区域抑制高次谐波污染的采用的做法，目前包括气室法，滤片法和反射镜法等等。这些做法，在显著增加真空紫外至软X射线波段单色仪的结构复杂性和使用成本的同时，无一例外地会显著衰减目标波长光束的亮度并影响光束质量。

　　中国工程物理研究院激光聚变研究中心和中国科学学院微电子所合作另辟蹊径，以自主研发拥有自主知识产权的单级衍射光栅，替代具有多级衍射特征的传统衍射光栅，从源头上消除了光栅单色仪的高次谐波组分，以单级衍射光栅开发的新型单色仪，不再需要在输出光路上附加谐波抑制组件或措施。