几种常见真空紫外以及软X-ray 光谱仪的光学设计

     由于真空紫外及软X-RAY 与可见光及红外波段在很多光学传输性质上的不同，比如，需要真空环境，很低的反射率，无合适的“透明”折射率材料，成像困难，与物质相互作用时，表现出高能粒子的特性，少有衍射 等等。 由于其以上的种种特性，在其光谱仪的设计上，一般需要遵循尽量减少光路中的反射元件，以及采取掠入射等原则。  
以下介绍几种常见真空紫外以及软X-ray 光谱仪的光学设计：
 
1、C-T 式：Czerny Turner
 使用大量的平面光栅与分离聚焦和准直镜，是常用的一种结构。通过光栅旋转实现了线性波长定位。旋转点与光栅表面重合。聚焦和准直光学可以是球形、椭圆形、环形或抛物线形，这取决于仪器的要求。这种设计提供了一个CCD探测器平面焦平面。许多用于UV- VIS – IR和真空UV的仪器都采用了这种设计。

主要特点
· 由两块凹面镜完成成像，
· 平面光栅完成衍射
· 可扫描 
· 可成像，像差小
· 可装配多个光栅
· l>100nm 到中远红外
 
为探测更低的波段，可以在此基础上，采用掠入射的C-T 结构，使得光谱探测范围低到8nm：
 
· 基于传统C-T结构
· 掠入射： >80度入射角
· 采用平面光栅
· 良好点到点成像效果
· 高通光量
· 单点扫描或CCD成像探测
· 光谱范围： 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。这通过减少像差提高了光学性能。Czerny-Turner的交叉光路，在真空或氮气吹扫下，可以工作在从105nm一直延伸到LWIR。


3、正入射单色仪： Normal Incidence monochromators
正入射单色仪使用凹面光栅来分散和聚焦光。由于减少了光学表面，它们的工作波长可短至30nm。“McPherson 15°”是使用此设计的一个设备；波长驱动器可以旋转和聚焦光栅，以获得高光谱分辨率。该仪器适用于CCD和微通道板(MCP)增强探测器。这些设计几乎都是专为真空紫外线波段而设计；

· 具备理想的成像效果，
· 适合搭配CCD 等探测器使用，
· 可以水平色散或者垂直方面色散使用。
· 焦距： 1m，3m, 6.65m
· 波长范围： 30-1200nm

4、 Seya-Namioka 设计： 
此设计专为真空紫外设计，在入口和出口缝隙之间使用了70°15'的角度。采用凹面、球面、罗兰圆光栅。经过改进的光栅可以提高分辨率。这些设计主要用于实验需要在105nm以下工作，并且需要在狭缝之间有很大的空间来容纳实验室、光源或检测器的情况。
 
5、 改进型Seya-Namioka 设计：Modified Seya-Namioka
改进的Seya-Namioka 设计或校正全息设计使用了校正凹面全息光栅，该光栅设计减少了散射光，提高了光谱分辨率。我们的234/302光谱仪就是用这种结构，一个紧凑，快速的光学系统，具有良好的分辨率和通光量，可以覆盖从30nm到可见区域；
 
· 入射和出射狭缝固定，夹角基本固定不变：70度左右；
· 单块凹面光栅完成成像和衍射
· 通过转动光栅的方式实现波长扫描。
· 工作波长范围：30nm 到可见及近红外波段
· 像差修正--Modified Seya-Nomioka 结构

6、掠入射罗兰圆结构 Rowland Circle Grazing Incidence
掠入射仪器的工作范围为~1 ~ >100nm。一条狭缝穿过罗兰圆，CCD探测器安装在垂直于出口射线的位置，微通道板增强器与圆相切，可以沿圆扫描以截取感兴趣的区域。光也源可以安装在用于校准系统的扫描狭缝处，作为单色可调光源系统；
 
· 主要原理基于罗兰圆
· 入射狭缝固定不动，
· 出射狭缝沿罗兰圆圆周进行扫描采集光谱
· 掠入射入射角大于80度
· 光谱范围： <1nm—310nm
 
7、平场校准光谱仪 Flat Field Aberration Corrected
平场校准光谱仪依赖于*形状的光栅基板或像差校正槽的设计和间距。如果感兴趣的波长和范围都是已知且固定不变的，那这种结构就非常有用。其探测范围有限，且仪器结构非常简单。由于对光栅的要求，现有的设计很少，而且造价昂贵。它们也是收集低分辨率紫外光谱的有效方法。
· VLS（Variable Line Spacing），可变间距光栅
· 获得平场焦平面；
· 良好的像差修正
· 超环面基地VLS光栅-像散修正；
· 光谱范围： 1-20nm 或10-170nm
 
    美国McPherson有限公司是一家专业的光谱仪生产厂商，公司位于波士顿西北部的Chelmsford。在McPherson所有的产品中，除去传统光谱仪以及高分辨率光谱仪之外，富盛名的就是其真空紫外及软X-ray光谱仪了，特别是此类产品在*同步加速器以及核聚变研究方面的应用，已经成了光谱测试领域的传奇。在这些光谱仪中，包括所有上述比较常见多种结构设计，比如Seya-Namioka设计，平场光栅光谱仪以及掠入射光栅光谱仪等，波长范围可以覆盖从0.5nm一直到近红外波段，适合于不同应用的场合。