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一种软X射线双频光栅剪切干涉系统

阅读：902发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种软X射线双频光栅剪切干涉系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种软 X射线双频光栅剪切干涉系统，其采用了一种双频光栅作为软X射线剪切干涉元件，利用掠入射条件下，该光栅的两组-1级衍射光束自剪切干涉，对穿过等离子体的X射线激光的波前检测。该剪切干涉仪中采用两个多层膜球面镜的成像系统，能够得到清晰的等离子体边界。本发明将剪切干涉系统成功应用于软X射线波段，利用剪切干涉系统共光程的特点，解决了马赫-曾德尔干涉仪测试系统中等光程的调节困难的问题，为利用剪切法诊断等离子体电子密度提供了关键技术。，下面是一种软X射线双频光栅剪切干涉系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种软X射线双频光栅剪切干涉系统，其特征在于：包括第一块球面成像镜（3）、软X射线双频光栅（4）、第二块球面成像镜（5），X射线CCD相机（6）和计算机处理系统（7），其位置关系如下：
第一块球面成像镜（3）与被测靶面（2）的距离等于第一块球面成像镜（3）的焦距，入射光与第一块球面成像镜（3）的角度为2.5°，入射光经过被测等离子体（1）；所述的软X射线双频光栅（4）与第一块球面成像镜（3）之间的距离不限制，探针X射线在光栅表面的入射角度为82～84°之间；入射光经过软X射线双频光栅（4）衍射后，其-1级光有两束，其夹角由软X射线双频光栅（4）的频率、入射光的角度决定；两组-1级衍射光被第二块球面成像镜（5）反射后，入射到X射线CCD相机（6）上，第二块球面成像镜（5）与X射线CCD相机（6）之间的距离等于第二块球面成像镜（5）的焦距；X射线CCD相机（6）的输出端与所述计算机处理系统（7）的输入端相连；
所述的第一块球面成像镜（3）以及第二块球面成像镜（5）为多层介质膜反射镜；
被测等离子体（1）位于第一块球面成像镜(3)的焦平面上，X射线CCD相机（6）位于第二块球面成像镜(5)的焦平面上；
剪切干涉元件是软X射线双频光栅（4），该光栅在软X射线波段有高于10%的衍射效率；
剪切干涉元件是软X射线双频光栅（4），其能产生两束夹角在0.0004～0.0025°范围内的剪切干涉光束；具体的：
被测等离子体（1）是在靶面（2）受到激光轰击后产生的，探针X射线激光光束穿过被测等离子体（1）后，探针X射线激光波前中带有被测等离子体的密度信息，以入射角为2.5°角，入射到镀有多层介质膜的第一块球面成像镜（3）上，该球面反射镜与被测等离子体的距离为第一块球面成像镜（3）的焦距，经过第一块球面成像镜（3）反射后，入射到软X射线双频光栅（4）上，该软X射线双频光栅表面镀30nm金膜，软X射线双频光栅的频率分别为
1000线/毫米和1003线/毫米，光栅线条垂直于入射面即入射光束与光栅面法线形成的平面，入射光束经过该双频光栅衍射后，其-1级有两个光束，两个光束分别带有等离子体的信息，两个光束经过第二块球面成像镜（5）反射后，两束光在X射线CCD相机（6）上相干成像，第二块球面成像镜（5）与X射线CCD相机（6）之间的距离等于第二块球面成像镜（5）的焦距，图像由X射线CCD相机（6）采集并输入计算机处理系统7进行图像处理；
入射光束在Z轴方向的宽度为LZI，Y轴方向的宽度为LYI，衍射光束在Z轴方向的宽度为LZO，Y轴方向的宽度为LYO，入射角为θ0，衍射角为θ-1，Z轴方向无衍射，Y轴方向存在衍射，则经过光栅后衍射光束的尺寸与入射光束尺寸的变化关系为：
因此，在光路系统中产生等离子体的靶与其在CCD上的像之间的放大比例关系：
由于产生等离子的靶面处于第一块球面成像镜（3）的焦平面上，而经过光栅衍射后的光束再次经过第二块球面成像镜（5）成像在X射线CCD相机（6）上，靶面经过光栅衍射成像在X射线CCD相机（6），会造成靶面两个维度放大倍率的不一致，但不会因为光栅的衍射存在像差，产生等离子体的靶面能在CCD上清晰成像，等离子体的边界能够得到清楚的界定。

说明书全文

一种软X射线双频光栅剪切干涉系统

技术领域

[0001] 本发明涉及剪切干涉系统的技术领域，特别涉及一种软X射线双频光栅剪切干涉系统，该系统是一种工作于短波段(软X射线波段)的剪切干涉仪系统，该系统利用软X射线对等离子体进行密度诊断，其利用经过等离子体后的X射线波面的剪切干涉图，得到等离子体的密度等信息。

背景技术

[0002] 现有技术1(参见文献：Jorge Filevich，Jorge J.Rocca，Mario C.Marconi，et al.“picosecond-resolution soft-x-ray laser plasma interferometry”.Applied Optics，Vol.43，3938-3946，2004)采用马赫-曾德尔(M-Z)干涉系统进行等离子体诊断。该方法的工作原理简单，结果处理也比较方便。在干涉法诊断中，探针激光经光栅分束后，一束作为物光，穿过待测等离子体后，与作为参考光的另一束激光干涉形成干涉条纹，由于物光受到待测等离子体的扰动，光程发生变化，引起干涉条纹的移动，根据条纹的移动数，计算光程的改变，进而根据公式可以得到等离子体电子密度的分布。该方法的缺点是：1、利用光栅进行分束合束元件，物光和参考光经过不同路径，光路调节困难，由于X射线的相干长度只有200μm，等光程调节困难；2、光路中元器件较多，较为复杂，元器件的面型对干涉条纹带来干扰。

[0003] 现有技术2，3(参见文献：J.C.Wyant.“double Frequency Grating Lateral shear interferometer”Applied Optics，Vol12，2057-2060，1973以及参见文献：明海等，“双频光栅纹影剪切干涉法对温度场的诊断”，光学学报，14(2)，214-218，1994)中采用双频光栅作为剪切光学元件，设计剪切干涉系统，在可见光波段测试透射物体的面型变化等。该方法的特点是：首先，工作波段是可见光波段，直接利用双频光栅的两组-1级干涉级次形成剪切干涉条纹，利用公式计算被测光学元件的特性；其次：该系统是采用透射式衍射进行剪切干涉测量；最后，该系统存在较大的变形，由于采用光栅的衍射光进行剪切干涉，光斑变形较大，无法对被测元件清晰成像，因此被测光学元件的边界不能准确定位。

[0004] 现有技术4(参见文献：J.C.Wyant.“White Light Extended Source Shearing Interferometer”.Applied Optics，Vol.13，200-202，1974.)中给出的剪切干涉仪中，提到干涉系统中的衍射像差问题，首先文献中提到当对像差要求较高时，采用第二块光栅消除，但是当对被测物的边界定位要求较高时，该系统的像差仍然偏大。其次，该系统中提到再次采用光栅的方法，在X射线波段效率偏低，再次加入光栅作为光学元件，会造成光强太弱，成像系统无法识别剪切图像。

[0005] 目前采用M-Z干涉系统进行等离子体密度的诊断，其数据处理简单，但由于软X射线相干长度短，系统等光程的调节困难。本发明为了简化等离子体测试系统，提出采用剪切干涉系统对等离子进行诊断测试，该系统中采用了X射线双频光栅，同时能够对被测靶形成清晰的边界。目前还未见采用该方法的系统。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为了解决目前剪切干涉系统不能运用于短波段(尤其是软X射线波段)进行等离子体诊断的问题。该系统采用了软X射线双频光栅作为剪切干涉元件，运用双频光栅的两束夹角很小-1级衍射光，进行剪切干涉，对被测等离子密度分布测试。同时采用两个成像镜的系统结构设计消除了衍射元件带来的像差问题，解决了被测等离子体的边界模糊问题。

[0007] 本发明采用的技术方案如下：

[0008] 一种软X射线双频光栅剪切干涉系统，其特征在于：包括第一块球面成像镜、软X射线双频光栅、第二块球面成像镜，X射线CCD相机和计算机处理系统，其位置关系如下：

[0009] 第一块球面成像镜与被测靶面的距离等于第一块球面成像镜的焦距，入射光与第一块球面成像镜的角度为1.5～3.5°，入射光经过被测等离子体；所述的软X射线双频光栅与第一块球面成像镜之间的距离不限制，探针X射线在光栅表面的入射角度为82～84°之间；入射光经过软X射线双频光栅衍射后，其-1级光有两束，二者之间的夹角由软X射线双频光栅的频率、入射光的角度决定；两组-1级衍射光被第二块球面成像镜反射后，入射到X射线CCD相机6上，第二块球面成像镜与X射线CCD相机之间的距离等于第二块球面成像镜的焦距；X射线CCD相机的输出端与所述计算机处理系统的输入端相连。

[0010] 其中，所述的第一块球面成像镜以及第二块球面成像镜为多层介质膜反射镜。

[0011] 其中，被测等离子体1位于第一块球面成像镜3的焦平面上，X射线CCD相机6位于第二块球面成像镜5的焦平面上。

[0012] 其中，剪切干涉元件是软X射线双频光栅4，该光栅在软X射线波段有高于10％的衍射效率。

[0013] 其中，剪切干涉元件是软X射线双频光栅4，其能产生两束夹角在0.0004～0.0025°范围内剪切夹角。

[0014] 本发明和现有技术相比的优点在于：

[0015] 1、该系统中采用球面镜1和球面镜2能够对待测靶成像，边界清晰，对测试激光等离子体中靶的边界定义有重要意义。

[0016] 2、剪切量由双频光栅的频率、双频光栅与CCD之间的距离决定。

[0017] 3、该剪切系统的两束干涉光之间的光程差很小，能够工作在相干长度很短的X射线波段。

[0018] 4、在上述系统中，关键环节是剪切干涉元件(双频光栅4)、球面镜3与球面镜5组成的成像系统对剪切系统的成像：

[0019] (1)由于系统中被测等离子体的存在空间主要在靶面0-300μm之间，因此要求在CCD上的靶面成像清晰，由于靶面在CCD上所成的像与靶面之间的放大倍率已知，可以从CCD上的像精确定位在靶表面等离子的分布特性。而这在现有技术2、3中无法实现。

[0020] (2)软X射线双频光栅，能够产生两束夹角很小的剪切干涉光束，进行无光程差的剪切干涉，而该类的剪切干涉元件在X射线波段很难实现。附图说明

[0021] 图1是本发明软X射线双频光栅剪切干涉系统实施例的结构示意图。

[0022] 图2是本发明软X射线双频光栅剪切干涉系统中双频光栅(即剪切元件)的示意图：图2(a)是双频光栅面的整体示意图；图2(b)是双频光栅的截面示意图。

[0023] 图3是等离子体得到的剪切条纹示意图；图3(a)是无等离子体的静态剪切图；图3(b)是等离子体的剪切干涉图。

[0024] 图中，1为被测等离子体，2为被测靶面，3为第一块球面成像镜，4为软X射线双频光栅，5为第二块球面成像镜，6为X射线CCD相机，7为计算机处理系统。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0026] 首先参见图1，图1是本发明横向剪切干涉仪实施例的结构示意图。由图可见，本发明所述横向剪切干涉仪由第一块球面成像镜3、软X射线双频光栅4，第二块球面成像镜5，X射线CCD相机6和计算机处理系统7组成。

[0027] 探针X射线激光光束穿过被测等离子体1(在靶面2受到激光轰击后产生)后，探针X射线激光波前中带有被测等离子体的密度等信息，以入射角为2.5°角，入射到镀有多层介质膜的第一块球面成像镜3上，该球面反射镜与被测等离子体的距离为第一块球面成像镜3的焦距。经过第一块球面成像镜3反射后，入射到软X射线双频光栅4上，该软X射线双频光栅表面镀30nm金膜，软X射线双频光栅的频率分别为1000线/毫米和1003线/毫米，光栅线条垂直于入射面(入射光束与光栅面法线形成的平面)，入射光束经过该双频光栅衍射后，其-1级有两个光束，两个光束分别带有等离子体的信息。两个光束经过第二块球面成像镜5反射后，两束光在X射线CCD相机6上相干成像。第二块球面成像镜5与X射线CCD相机6之间的距离等于第二块球面成像镜5的焦距。图像由X射线CCD相机6采集并输入计算机处理系统7进行图像处理。

[0028] 入射光束在Z轴方向的宽度为LZI，Y轴方向的宽度为LYI，衍射光束在Z轴方向的宽度为LZO，Y轴方向的宽度为LYO，入射角为θ0，衍射角为θ-1，Z轴方向无衍射，Y轴方向存在衍射，则经过光栅后衍射光束的尺寸与入射光束尺寸的变化关系为：

[0029] LZO＝LZI，

[0030] 因此，图1中的光路系统中产生等离子体的靶与其在CCD上的像之间的放大比例关系：

[0031]

[0032] 由于产生等离子的靶面处于第一块球面成像镜3的焦平面上，而经过光栅衍射后的光束再次经过第二块球面成像镜5成像在X射线CCD相机6上。靶面经过光栅衍射成像在X射线CCD相机6，会造成靶面两个维度放大倍率的不一致，但不会因为光栅的衍射存在像差，产生等离子体的靶面能在CCD上清晰成像，等离子体的边界能够得到清楚的界定。

[0033] 实施例：

[0034] 图1是本发明实施例的结构图，其具体结构和参数叙述如下：

[0035] 第一块球面成像镜3尺寸为 20mm×6mm，其材料为石英玻璃，其反射膜为多层介质膜，反射波段为13～15nm。X射线激光在第一块球面成像镜3的入射角度为1.5°。第一块球面成像镜3的球面反射镜的曲率半径为700mm，待测靶与球面反射镜3的距离为350mm。第一块球面成像镜3和双频光栅4的夹角在94.5°，软X射线激光在双频光栅4的入射角为84°。软X射线双频光栅尺寸为60mm×60mm×10mm，软X射线双频光栅的线密度分别为1000线/毫米和1003线/毫米，表面镀30nm金膜。经双频光栅衍射后，-1级衍射光与光栅法线夹角为78.7°，第二块球面成像镜5与软X射线双频光栅的夹角为77.2°，-1级衍射光以1.5°入射角入射到球面成像镜5。第二块球面成像镜5的尺寸为 20mm×6mm，为介质膜反射镜，反射波段为13～15nm。第二块球面成像镜5球面基底曲率半径为4200mm。
第二块球面成像镜5与X射线CCD相机6的距离为2100mm。X射线CCD相机6与第二块球面成像镜5的夹角在1.5°，经成像镜5反射的X射线激光垂直入射到X射线CCD相机6的探测面上。

[0036] 探针X射线激光，经过被测靶面2后(无激光轰击靶，因此无等离子产生)，入射到第一块球面成像镜3上，经过系统剪切后，得到图3中(a)所示的静态干涉条纹。利用激光轰击靶面2，产生等离子时，再次利用探针X射线激光，经过被测等离子体1和被测靶面2，被系统剪切成像后，在X射线CCD相机6上得到如图3(b)所示的剪切干涉条纹。从图3(a)和(b)中可以清楚的看出有等离子时，干涉条纹的弯曲。因此能够实现等离子的密度检测。

[0037] 图2是本发明软X射线双频光栅剪切干涉系统中双频光栅(即剪切元件)的示意图。

[0038] 其具体结构和参数叙述如下：

[0039] 双频光栅的线密度分别为1000线/毫米和1003线/毫米，两组光栅组成的拍频为3线/毫米。线密度为1000线/毫米和1003线/毫米两组光栅刻蚀深度均为12～14nm。
材料为石英，面型优于1/10 波长(波长为632.8nm)。光栅表面镀30～40nm金膜。

[0040] 实验结果见图3示例，当入射光束不通过等离子时，剪切干涉条纹平直，周期相等，X射线CCD上只有靶的两组像，见图3(a)。当通过等离子时，等离子带来剪切干涉条纹的扰动，弯曲，见图3(b)。

[0041] 本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

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