（光学专业论文）多层膜的磁光增强及红外光谱的相关应用研究.pdf

童星坚塑燮堂塑塑墨丝丛堂堂盟塑茎壁旦堕塞 论文题目：多层膜的磁光增强及红外光谱的相关应用研究 趟抖堂皇王程系( 所) 遄堂 专业 2 0 0 2 届硕士研究生到签 指导教师睦基盏熬援 摘要 f ；本人三年的硕士研究工作侧重于红外光谱的应用研究，包括上海同步辐射红外 线站的前期设计和理论计算，红外椭圆偏振光谱的远程实验控制和分析，以及磁光 多层膜的研究。论文共分为三章，下面对各部分内容作简要的介绍。 红外光谱在生物大分子以及物质的微结构研究方面具有重要的应用。但是其较 弱的光源强度所导致的低信噪比成为瓶颈，限制了红外光谱技术在更广泛领域的推 广应用。目前国际上已经在使用的同步辐射光源，以及正在筹建的上海第三代同步 辐射光源，将能够提供从x 光一直到远红外的优质光源。特别是所提供的性能优良 的红外光源，将显著促进红外光谱在许多领域的研究和应用。本实验室积极参与了 上海同步辐射红外光源的筹建。在本论文的第一章中将介绍红外光束线的初期设计 方案，以及对红外光束线特性的理论计算。在较成熟的早期研究中，国际上许多同 步辐射中心都采用加速电子在弯铁处的辐射作为红外光束线。随着研究工作的深 入，弯铁边缘辐射以其所具有的张角小、准直性好的特点，而在红外光谱区获得应 用。美国a l l a d i n 等同步辐射中心都建了边缘出射的红外光束线。基于上海同步 辐射的特点，研究了两种辐射源：弯铁辐射和边缘辐射的特点。根据上海同步辐射 红外光束线的特点，将采用边缘辐射作为红外光源。j 上海同步辐射中心将被建成为我国的一个高科技研究中心。这将会吸引国内外 的学者和研究人员来中心工作，促进学科之间的合作。而宽带国际互联网的应用和 推广将缩短研究人员之间的距离，使研究人员能够突破物理空间的限制，实现在网 上进行远程合作研究，这主要是依赖于在网上对实验系统进行远程控制的方法和技 术手段。论文第二部分介绍了针对本实验室研制的红外椭圆偏振光谱实验系统，进 行远程控制实验方法和技术的研究。采用基于国际互联网( i n t e r n e t ) 数据传输协议 编写程序，成功实现了对红外双傅立叶变换椭圆偏振光谱分析系统的远程控制。实 验主要在远地实验者与本地的操作者之间进行，远地实验者经过身份认证以后，取 得与本地实验服务器的联系，在本地操作者的帮助下进行光路的调节，并设置实验 参数，如入射角和光谱测量的能量范围等参数。远程实验系统还包含视频监视系统， 可在实验中对整个系统进行监视。最后还提出了h t t p 扩展程序的方法，为远程控制 多层膜的磁光增强及红外光谱的相关应用研究 实验的通用性提供了新的手段。本项目得到了联合国教科文组织的资助。 除了对同步辐射的红外光源进行研究外，还对可见光区的多种光谱，如椭圆偏 振光谱和磁光克尔( k e r r ) 光谱等进行了研究。这两种光谱将为研究信息功能材料的 物质结构，如磁光材料的特性提供极佳的分析手段。在最后一章中，结合本实验室 的光谱分析系统，对s i n i t b f e c o s i n s u b 的多层膜体系的磁光性质从理论上进行了 详细研究。发现当固定中间t b f e c o 磁光层的厚度为1 l n m 时，改变上下两层s i n 的厚 度，可获得约9 0 度的克尔旋转角。并且， 同能量位置( 1 5 4 5 e v ) 的克尔旋转峰 通过调整上下两层s i n 的厚度可以得到不 但是在相应的峰位处的反射率值也很小， 使得在出现克尔旋转角为9 0 度处的波长位置的信噪比较低。所以可以调整上下两层 s i n 的厚度，使得其反射率适中同时k e r r 角的大小也较大，而总的信噪比也较高。 这项工作将为实际的应用提供理论依据。 关键字：红外光未磊边缘糖射弯铁辐射红外福磕仪远程盘铷磁藏。， 多层膜，t bo ，s i n i l 童星堕鲤壁堂塑里墨堑丛堂堂塑塑茎壁星竺墅一 t h em a g n e t o o p t i c a le n h a n c e m e n to ft h em u l t i l a y e r e d s t r u c t u r ea n dt h er e l a t e da p p l i c a t i o no ft h e i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y d e p a r t m e n to f o p t i c a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g m a j o ro p t i c s a u t h o r l i 型：兰鱼堕t u t o r b 旦卫! = i 垒盟g 二! 垒q a b s t r a c t t h i s w o r kf o c u s e do nt h es t u d ya n da p p l i c a t i o no ft h ei n f r a r e d s p e c t r o s c o p y ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n a n dt h e o r e t i c a ls i m u l a t i o no ft h e i n f r a r e db e a m l i n ew h i c hw i l lb eu s e di ns h a n g h a in a t i o n a ls y n c h r o t r o n r a d i a t i o nc e n t e r ( s s r f ) ，t h er e m o t ec o n t r o lo ft h ei n f r a r e de l l i p s o m e t r i c s p e c t r o s c o p ys y s t e m ，a n dt h er e s e a r c ho nt h em u l t i l a y e r e dm a g n e t o o p t i c a l m a t e r i a l s t h e r ea r et h r e ec h a p t e r si nt h et h e s i s ，a n dt h em a i nr e s e a r c h w o r ki si n t r o d u c e da sf o l l o w i n g i t i sw e l id e v e l o p e df o rt h em e t h o do fs t u d y i n gt h es t r u c t u r e so fm a n y k i n d so fm a t e r i a l sa n db i o l o g i c a lm o l e c u l e sw i t ht h ei n f r a r e ds p e c t r o s c o p y h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt oc a r r yo u tt h es t u d yi nt h ei n f r a r e dr e g i o n ， b e c a u s eo ft h el o ws i g n a l t o n o i s er a t i oc a u s e db yt h el o wl i g b ti n t e n s i t y i nt h er e g i o n h o w e v e r ，t h es h a n g h a is y n c h r o t r o nr a d i a t i o nc e n t e r ，p r e p a r e d t ob ee s t a b l i s h e d ，w i l lp r o v i d et h e1 i g h to fh i g h e ri n t e n s i t yw i t ht h e w a v e l e n g t hr a n g i n gf r o mt h ex r a yt of a ri n f r a r e d i tw i l lg r e a t l ys t i m u l a t e t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nr e l a t e df i e l d s w et r yt od e s i g na n ds e t u p t h ei n f r a r e db e a ml i n e t h em a i nw o r kd o n ei nt h i st h e s i si st od e s i g nt h e b e a m l i n ei nt h ep r e s t a g ew i t ht h e o r e t i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n f r a r e db e a m r a d i a t i o ni nr e a la p p l i c a t i o n d u et ot h el o n g t e r mr e s e a r c hc a r r i e do u t i np a s ty e a r s ，t h er a d i a t i o nf r o mt h eb e n d i n gm a g n e ti sw e l lu n d e r s t o o d r e c e n t l y ，an e ww a yo ft h er a d i a t i o nc a ll e de d g er a d i a t i o nh a sb e e ns t u d i e d t h ea l a d d i na n do t h e rs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nc e n t e r sh a v eu s e dt h i sm e t h o d t og e tt h ei n f r a r e dr a d i a t i o nw i t ht h eo p e n i n ga n g l em u c hs m a l l e rt h a nt h a t i nt h eb e n d i n gr a d i a t i o n i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ec o n c e p t i o do ft h ee d g e a n db e n d i n gr a d i a t i o na r ed e s c r i b e d t h er e s u l t so ft h et h e o r e t i c a l s i l n u l a t i o no ft h ei n f r a r e db e a m i i n eo fs h a n g h a is y n c h r o t r o nr a d i a t i o na r e s h o w n 1 1 1 童星堕盟堂堂望塑墨塾! ! 堂堂塑塑差窒旦堑壅一 t h es s r fw i l lb e c o m ean e wr e s e a r c hc e n t e rw i t hi t sf a c i l i t i e ss e r v e r i n g f o rt h es c i e n t i s t sa r o u n dt h ec o u n t r ya n dt h ew o r l d b yt a k i n gt h ea d v a n t a g e ( ) ft h em o d e r nn e t w o r ks y s t e m ，r e s e a r c hc o o p e r a t i o na m o n gr e m o t es c l e n t ls t s a n ds c h o l a r sc a nb er e a l i z e d t h isn e e d st od e v e l o pt h ee x p e r i m e n ts y s t e m t h a tc a nb er e m o t e l yc o n t r o l l e dt h r o u g ht h en e t w o r k ，a n dt h i sw o r ka l s oc a n b eu s e df o rt h ep u r p o s eo ft h er e m o t ee d u c a t i o n i nt h isw o r k ，an e wr e m o t e c o n t r o ls y s t e mf o ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t e ri sd e s i g n e d a n d c o n s t r u c t e dw i t ht h ei n t e r n e tt c p i pp r o t o c o lu s e di nt h ed a t at r a n s m i s s i o n t h es y s t e mi n c l u d e st h er e m o t es e r v e ra n dl o c a lc l i e n tt og e tt h eo n e t o o n e c o n n e c t i o n a f t e ri d e n t i f i e db yt h er e m o t ec o m p u t e r ，t h el o c a le x p e r i m e n t e r c a ni n p u ta n da d j u s tt h ep a r a m e t e r so ft h ee x p e r i m e n t ，s u c ha st h ei n c i d e n c e a n g l ea n dt h ee n e r g yr a n g e w h e nt h ee x p e r i m e n ti s f i n i s h e d ，t h el o c a l e x p e r i m e n t e rc a ni m m e d i a t e l yo b t a i nt h er e s u l t a i s o ，t h ev i s u a le x p e r i m e n t m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d i nt h et h i r dc h a p t e r 。an e ws t r u c t u r eo fs i3 n t b 2 7 f e 6 2 c o l l s i3 n - s u b ，w h i c h i su s e df o rm a g n e t o o p t i c a lr e c o r d i n g ，h a sb e e ns t u d i e d t h em a g n e t o o p t i c a l p r o p e r t i e so ft h i ss t r u c t u r eh a v eb e e ns i m u l a t e d b yv a r y i n gt h et h i c k n e s s o ft h es i nl a y e r sa tt h et o pa n db o t t o mo ft h es t r u c t u r ew i t ht h ef i x e d t h i c k n e s so ft b f e c o ( d ：li n m ) ，al a r g ek e r rr o t a t i o nn e a r9 0d e g r e ec a nb e a c h i e v e da tc e r t a i nw a v e l e n g t hf o rt h es t r u c t u r e t h ed e a ko fk e r rr o t a t i o n a n g l es p e c t r o s c o p yw i t hd i f f e r e n te n e r g yi nt h er a n g eo f1 5 - 4 5 e v ，c a nb e c a l c u l a t e da n do b t a i n e db yv a r i n gt h i c k n e s so ft h et o pa n db o t t o ms i nl a y e r s h o w e v e r ，t h el o w1 i g h tr e f l e c t i o na tt h ep e a kp o s i t i o no ft h ek e r rr o t a t i o n w i11p u ts o m e1 i m i t a t i o no nt h ea p p li c a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o a d j u s tt h et h i c k n e s so ft h et o pa n db o t t o ms i nl a y e r so ft h es t r u c t u r e ，w i t h h i g hr e f l e c t i o n a n d r e a s o n a b l ek e r rr o t a t i o na n g l e ，a n dt oo b t a i nt h e e x c e l l e n ts n r t h i sw o r ki so fi m p o r t a n c ef o rf u t u r ea p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s y n c h r o t r o nr a d i a t io n ，i n f r a r e d i n f r a r e de l l i p s o m e t e r ，r e m o t ec o n t r o ls y s t e m ， i v b e a m - i i n e ，e d g er a d i a l i o n ， m a g n e t o o p t i c a lk e r re f f e c t 第一章同步辐射红外光源 第一章同步辐射红外光源 1 前言 同步辐射是指高速运动的带电粒子在以接近于光速的速度运行，当轨道发 生改变时而产生的辐射。其实质是高速带电粒子在法向受到加速时，而沿切向 发出的电磁辐射。我国现在已建立了两个同步辐射中心：北京同步辐射装置 ( b s r f ，b e i j i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y ) 和合肥同步辐射中心( n s r l ， n a t i o n a s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl a b o r a t o r y ) 。北京的同步辐射装置只是北 京正负电子对撞机的副产物，属于第一代同步辐射光源。合肥同步辐射中心 n s r l ，属于专门为同步辐射设计的第二代同步辐射光源，其存储环的电子能量 为0 8 g e v 。将要筹建的上海同步辐射中心( s s r f ) 则属于第三代同步辐射。 同步辐射光源的性能稳定，能够提供高亮度和高稳定性的光源。其光谱范 围可以从硬x 光一直到远红外。特别是对于红外光源，同步辐射的亮度大约是 传统性黑体辐射的1 0 0 0 倍( 如图l 所示) ，高光通量为红外研究提供了优质光源。 红外光谱在研究 大气层以及生物 大分子材料方面 是一种比较理想 的手段 1 4 1 5 3 。 本章将主要 介绍上海同步辐 射红外光束线的 初期设计和相应 的弯铁辐射，以及 边缘辐射的模拟图1n s l s 的红外光束线u 4 1 r 与1 2 0 0 k 的黑体辐射的比较示意图 计算研究工作。由于弯铁辐射的研究比较成熟，所以在早期的同步辐射红外光 束线中都采用了弯铁辐射的形式。但是随着边缘辐射的进一步研究，其在红外 波段的小张角辐射特性以及对仪器设备的建立和维护较为容易的特点逐渐得到 认可。美国a l a d d i n 以及其他的一些同步辐射中心都有了相应的边缘辐射的红 外光束线。而上海同步辐射红外光束线的初期设计将主要考虑边缘辐射作为红 外光源。本章将分别对弯铁辐射和边缘辐射的原理进行介绍，对两种辐射的特 点进行了比较，同时给出了上海同步辐射中心红外线站的初步设计。 2 弯铁辐射和边缘辐射 第一章同步辐射红外光源 2 1 弯铁辐射 电子在磁性弯铁形成的均匀场中运动，由于磁场的方向垂直于电子运动的 方向，在洛仑兹力的作用下其运动方向将发生改变，同时沿着轨道的切向方向 辐射能量，其频谱中的频率可以达到y 3 c p ( p 为电子轨道半径，y 为质量的相对 论因子，c 为光速) 。辐射能量脉冲在空间的张角为2 7 ，由于对应的电子在偏 转磁场中扫过一段扇面，所以在水平方向的椎角为一瞬时值，但是在垂直方向 则在整个一段扇面上( 如图2 所示) 。辐射截面为线条形状，能量越高波长越短， 辐射场的分布越靠近轴心 1 3 。定义临界波长作为同步辐射频谱的特征量 旯，= 4 兀p 3 7 3 3 ，其意义在于波长大于和小于五，各为辐射能量的半，并且当 波长小于以后辐射呈指数衰减到零。弯铁辐射波长的光锥张角与y 和观测波长 与九和九。的比值有关。 由于观察点观察到 的辐射光锥( 椎角为 i 7 ) e 3 为电子经过一特 定的长度l 0 后发射的辐 射，其中k = p 7 = m c e b 为同步辐射中的特征长 度，可以得到其特征时间 t 。( 即表示电子辐射一时 间宽度为t 。的脉冲) 。 其垂直方向上的张角为 1 3 口 图2 弯铁辐射的示意图 ( 甜脉丸 艄1 3 训崩啪( 舻五 这里，五为波长，尸为电子的轨道半径。对于上海的同步辐射光源p 为l o 6 m ， 则当波数在1 一1 0 0 0 c m l 范围，对应的张角为7 6 - 7 6 m r a d 。所以当波长很大时， 张角过大，不利于光束准直和光学系统设计和制造。 2 2 边缘辐射( e d g er a d i a t i o n ) 在存储环的直线段( s t r a i g h ts e c t i o n ) 边缘，比如弯铁的两端，由于磁 2 第一章同步辐射红外光源 场从0 到弯铁中的磁场b 存在着不均匀的磁场分布，电子在这里会受到力与在 弯铁的均匀场中不同，会表现出不同的行为和辐射能量分布( 如图3 所示) 4 7 。由于一般边缘场的长度较短，其辐射沿着直线段的方向，呈柱状对称，辐 射截面呈空心圆 环状具有径向的偏振性，辐射 的能量脉冲随空间的分布在 张角为l y ( 沿着直线段) 有一 峰值。在红外波段，边缘辐射 张角比弯铁辐射的张角小，其 辐射场e 可表示为 3 图3 边缘辐射的示意图 靴，：赤矬筹讲十寿端 等式( 2 ) 右面第一项为加速场，又叫做近场；第二项为速度场，又叫做远场。 从等式( 2 ) ，可以看出等式右面的第一项加速场与第二项速度场对观察点距离 r 的关系分别为i r 和1 r 2 。定义r n = r 九y 2 ，则r n l 时在辐射场中加速场占主 要成分，又叫做远场辐射：而l r n o o l 为近场，r n o 0 1 为超近场，都是指 在辐射中速度场占主要部分。 边缘辐射由于其产生的特点主要会受到以下几个因素的影响：直线段的长 度l ，边缘场的长度d ，观察点到电子辐射点的距离r ，观察孔径大小以及电子 束的尺寸。直线段前后两端产生的边缘辐射会相互干扰，产生干涉现象；边缘 场的长度会使得辐射截面呈非对称分布，同时会影响到短波方向的辐射场；孔 径的大小以及观察点到电子辐射点的距离r 会直接影响到观察到的辐射截面是 远场辐射为主还是近场辐射为主，并且会导致远场辐射在波长1 0 l 7 n1 0 0 l y 之间有一急剧下滑趋势；电子束的大小使得不同电子产生的辐射场产生相干现 象。 ( 1 ) 远场边缘辐射：零边缘长度模型 在考虑沿着直段前进的电子在进入弯铁时的远场辐射时，所观察到的辐射 时间间隔为0 1 r ( 边缘辐射的能量的空间张角) 所需时间。远场辐射中，电 场分布主要是电子的加速运动产生的。在s i 制中，远场辐射的电场可写为： 第一章同步辐射红外光源 酗= 弘州悱蒜i 强 等蠕( f ) 出 ( 3 ) 这里x 是观察点的位置，是角频率，c 为光速，d ( t ) 为电子速度与光速的 比，e 为电子电量，岛自由空间的介电常数。r 是电子到观察点的距离，五( f ) 为 电子到观察点的距离的单位矢量。 对于离辐射源较近的远场辐射，r z x 和x r 不随时问改变。而观察时间相 对于辐射时间t 为： d t _ 旦，o ：1 一疗归( f ) ( 4 ) 口f 对于观察角度为e i 7 ( 相对于直线段) ，等式( 2 ) 中的相位的变化为： ( 0 【t o ( t ，) 一t o ( o ) 1 一( 2 7 【c k ) ( 1 2 7 2 + e 2 2 ) t ，小于7 c ，可得n k d 7 。这里的d = d c t ， 为边缘长度，是指电子偏转1 7 时所经历的长度。对于波长满足k d y 2 ，如果 等式中e x p ( i t 。( t ) ) 的被认为常数，这样就可以得到零边缘长度模型( d 哼0 ) 。对 于t 庐o ，则有： 协，= 硒e 对于等式( 5 ) 当t ， 协，= 丽e 溯 ： 趋于0 时，则上式变为 搠： ( 5 ) ( 6 ) 这样由零边缘长度模型得到的远场辐射与波长无关，其辐射成一柱状空心 对称的锥体。辐射在截面呈径向对称：在观察者的位置x o ( x ，y ，z ) ( 其中z 轴为 沿着赢线段方向，y 为垂直轴) ，对于x ，y z 电场几乎平行于( x ，y ，0 ) 。 当电子进入弯铁和从弯铁中出射都会产生边缘辐射，所以直线段的长度太 短会造成前后两端的远场辐射产生交叠。 当电子束的尺寸大于观察的辐射波长时，不同电子产生的辐射会产生严重 的干涉现象。远场辐射电场主要分布在辐射传播的截面上，这种情况下 棚a f = a 警髫竽) f 酝以刈2 忽略电子的出射以及能量的损失，由零边缘长度模型得到远场辐射的单元 立体角的光通量为： 第一章同步辐射红外光源 忐= 口等嘉( 番崭卜等嘉南瓦副i 石l 芹丽j 列i 万商哺 如果e 。 1r a d ，由式8 可以得到e m a x ( o ，) y ，o ；，g ，为电子束 的截面尺寸。对于上海同步辐射存储环，m a x ( a ，g ，) = 1 4 2 9 r a ，则边缘辐射的衍 射限制为：九 2 1 n m 。 对于衍射限制源 5 ，中心亮斑的亮度( p h o t o n s s 一0 ) 缅s r m 2 ) 近似等于 中心斑点的光通量除以”。 西劬t n e s $ 型产= 1 4 a ( f a c o l o ) x i l e t r ) ) 这样对于波长一定的情况下，得到的亮度只与电流有关。 边缘辐射的空间干涉角度为o o o h o 。“l m a x ( o 。，a ，) 1 3 。对于衍射限制 ( d i f f r a c t i o n l i m i t e d ) 的边缘辐射源，可以得到0 。一。 i r = e m 。由此可 见，对于衍射限制源，波长足够长的辐射其中心亮斑是空间干涉的。 ( 2 ) 近场边缘辐射 当r 九y 2 时为近场辐射，对边缘辐射的红外波段来讲，由于孔径限制和其他 的光学元件可能会截断近场辐射，使得近场辐射到不了孔径。而近场辐射沿着 直线段在0 ，- * ( ；c r ) “2 呈一空心柱状对称。而观察者的张角0 l ，总的横截面 的电场为 = 蠕，( 半鞲旷卜饥疬甸 对于r 研2 ，由上式得到的通量可以近似表示成： 堡。口丝三墅地璺趔 艘 国e l f 2 口2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第一章同步辐射红外光源 当观察点到辐射点的距离满足i l l a x ( 九，d o ) r l y ，在波 长较长时会对中心的亮斑点产生截止。在这种情况下，o 。 九a p = r 。2 r 。= 0 。2r 。会受至0 抑带4 。 ( 3 ) 有限边缘长度 有限边缘长度会在波长小于d y 2 产生很大的影响，使得边缘辐射的波长在 短波即x r a y 方向的截止波长比弯铁辐射的长。同时也会导致边缘辐射的分布 为非对称分布，使得边缘辐射的亮度增加。当波长较长时，这种影响将慢慢减 弱。 ( 4 ) 有限直线段长度 电子储存环中，沿着直线段的的红外光束线会同时探测到直线段两端的弯 铁边缘出射的重叠的边缘辐射。这两种边缘出射产生的干涉会对波长在l 2 附 近的远场辐射产生影响 4 ，6 。这里的l 是指直线段的长度。而这时的波长一 般比d 丫2 大很多，所以可以用零边缘模型来近似。在这里先假设观测孔径对边 缘辐射没有影响。 这样由式( 4 ) 可以得到，上下两端的边缘辐射的观测时间差异为： “= o 岳万) 去a 专o + y 2 8 2 乒c ( 1 4 ) 因此可以得到两个边缘辐射产生的交叠分布： 丽d f2 忐卜础础。1 2 丧4 s i n 砖( 1 砷2 ) ) ( 1 5 ) 这里芸一是指单独一个边缘辐射产生的分布，是由式( 8 ) 得到的。 口s z 咄p 由单独的边缘辐射零边缘模型得到了与波长无关的远场辐射的光通量；而 有限边缘长度和直段长度分别在短波和长波的远场辐射产生影响。所以对于单 独的边缘辐射源，由一孔径张角为几个l 丫得到的波长在d y 1 ；不同电子产生的辐射为非相干态：电子束在横截 面方向的出射为零；只考虑同步辐射横向的偏振量；电子轨迹离观测点r 至少 为几个波长；在任意的电子轨道上，电子的瞬时速度与观测的方向的夹角远小 于1 个弧度；同步辐射的辐射场不会受到真空腔的影响，比如反射等；忽略真 空腔引起的衍射。 s w r 的计算主要可以应用在以下领域：能量在i r 、i j v 、x - r a y 范围内的光束 线的设计以及优化；波荡器和扭摆器中的磁场分布模拟：存贮环中或者自由电 子激光器的电子束诊断；计算波荡器和扭摆器以及弯铁( b e n d i n gm a g n e t ) 出 射的辐射场的亮度；边缘辐射等。 4 上海同步辐射的红外光束线的设计以及计算结果 4 1 红外光束线的设计 图5 为红外光束线的初期设计方案。光束线首先从存储环引出进入第一个 高真空系统，被m l 平面镜反射后，经过阀门f v l ，再由椭球镜m 2 反射，经阀门 s v 后聚焦在高真空窗口w 1 上；然后，光束进入低真空系统，被焦点在w 1 的抛 物面镜反射后平行出射，再由平面镜m 4 改变出射方向，晟后进入实验系统：红 外椭偏仪。 ( 1 ) 高真空系统 高真空系统由平面反射镜m 、椭球面镜m 2 ，阀门f v l 、s v 和窗口w 1 组成， 如图5 所示。m l 的主要作用是将同步辐射红外光源反射到第一聚焦镜m 2 ，进行 聚焦，并将高能量的x 光吸收掉，实现热隔离。在s s r f 系统中，大部分短波长 光能量将耗散在m 1 上。m 1 镜可采用无氧铜材料制造，表面镀上金膜，尺寸约 为6 0 6 0 r a m 。由于m 1 镜的热负载非常大，估算为6 0 0 w c m 2 ，必须对它进行高 效率热交换式水冷却。冷却系统固定在1 1 5 1 的背面。由于m 平面镜离同步辐射 源较近，所以光路调节比较困难，同时水冷系统由于湍流会产生抖动影响到光 路的调节。在后面会讨论到不同的辐射在m l 镜上的投影也不一样。弯铁辐射x 射线在m l 平面镜上的投影为靠近中心的两条线，而红外波段在平面镜m 1 上的 第一章同步辐射红外光源 投影为离中心有一定距离的两条对称的线；边缘辐射的在平面镜m 1 上投影则为 同心圆，x 射线在里而红外光谱在外。 图5 红外光束线的设计图。m 1 为平面镜( 6 0 m m x 6 0 m m ) ；m 2 为椭球镜；f v i 为第一 个阀门；s v 为第二个阀门；w 1 为高真空窗口；m 3 为抛物镜；m 4 为平面镜。其中光 束线m 1 、m 2 、l w l 、f v 2 、w l 都处于高真空系统，m 3 、m 4 处于低真空系统。 m 2 设计为椭球镜，是在玻璃底上生长一层厚的金膜。其参数如图6 所示。 椭球镜的一焦点位于w l 处( 距离s 。= 2 o r e ) ，一焦点在辐射源处( 距离为s ：= 5 o m ) 。 椭偏参数分别为 a = ( s l + s 2 ) 2 = 3 5 m e = ( s i 2 + s 2 2 ) “2 2 a = o 7 6 9 b = a ( 1 一e 2 ) 1 2 = 2 2 3 6 m 由椭偏参数，可以得到m 2 镜的中心在椭球镜中所处的位置x ，y 为： y = s 2 s 2 2 a e = 1 8 5 8 m ，x = a ( 1 一y 2 b 2 ) 1 2 = 1 9 4 7 m 阀门f v l 、s v 主要用来在光路调节中，当出现异常情况时可以瞬时关闭， 起到保护光学器件以及高真空系统的作用。石英窗口w 。主要是起光束线和实验 站之间的高低真空隔离的作用。目前，最常用的材料是人造和天然金刚石，但 是前者在某些波段的透明度不如后者。天然金刚石窗口，具有很高的隔离强度 和高可靠性，可在本设计中覆盖完整的红外波段。虽然天然金刚石窗口有些波 段有轻微的吸收，但考虑到红外光源高亮度的优点，对实验结果影响不大。 第一章同步辐射红外光源 图6 椭球镜m 2 的设计示意图 ( 2 ) 低真空系统 这个腔中为低真空( 1 0 t ) ，所起作用是保护光学器件和防止其它气体的红外吸 收。其中包括二维精密可调狭缝，m 3 ( 抛物镜) ，m 4 ( 平面镜) ，w 2 ( 透明窗口) 。 a 二维精密可调狭缝 二维可调狭缝，用于精确确定光束在水平方向和垂直方向的尺寸，由于光 束线空间尺寸的限制，结构设计应力求简单，水平光阑开度为o 3 0 m m 连续可 调，垂直光阑o 1 0m n 连续可调。二可调范围为垂直方向( o 一】o m m ) ，水平方 向( o - 3 0 m m ) 。 b 准直组件 该组件的作用是使透过狭缝的光成为准直平行光源，然后进入实验站供用 户使用。它由抛物镜m 3 和平面反对镜m 4 组成。这是光源进入实验站之前的最后 一组光学元件，所以，需采用微调结构对地和m 进行控制，以保证光束的方向 性和准直性，可用常规高精度5 维光学调节装置实现。m 3 为表面镀金抛物镜， 其焦点位于w l 与椭球面镜的一仑焦点重合，距离w l 窗口0 5 r a ，使得光束反射 后平行出射。m 4 为表面镀金平面镜，用来调节光路，改变光路方向，距离m 3 平面镜1 o m 。w 2 用来隔离低真空系统。最后光通过w 2 进入红外光谱实验系统。 4 2 红外光束线的s w r 计算 下面在基于红外光束线的初步设计一k ，进行了一系列的前期模拟计算工作， 为透镜的设计提供可靠的数据，特别是第一块平面镜m l 。而在这一节，分别计 算了上海同步辐射的弯铁辐射以及边缘辐射的红外光束线的亮度和其它特点。 第一章同步辐射红外光源 详尽地计算和讨论边缘辐射和弯铁辐射光束线，最后对两种辐射场进行比较， 在一定的出射孔径下，可以看出在红外光谱范围内上海同步辐射的边缘辐射比 弯铁辐射更有优势。边缘辐射的最大优势在于在波长一定的情况下，其能量张 角较小、准直度好，易于光路的设计，并且由于边缘辐射在x r a y 波段的截至 波长比边缘波长长，所以对器件产生的热负荷较小。 上海同步辐射的设计参数分别如下：e = 3 5 g e v ；i = 3 0 0 m a ；电子束的尺寸为 ( 1 4 2 p a n ，5 0 p r o ) ；弯铁中心磁场为1 0 5 t ，弯铁中心的电子轨迹半径为p = 1 0 6 m ； 直线段的长度l 为1 2 7 6 m ；边缘长度d 为2 5 0 咖。电子的相对论质量因子为y = 6 8 5 0 ，则同步辐射的临界波长为以= 4 7 c p 3 7 3 = 1 3 8 h ，最短的波长可以到 0 7 a 。上海同步辐射的能量的光锥张角0 - - - - 1 y = o 1 4 6 m r a d ，在弯铁辐射中电子偏 转l 所需长度d = 1 5 4 m 。下面，我们分别计算了弯铁辐射以及边缘辐射的特 点。 4 3 弯铁辐射 在用s w r 计算时，弯铁磁场长度为2 2 4 m ，磁场强度为1 1 0 5 t 。出射孔孔径 分别为6 0 m m x 6 0 m m 和4 0 m m x 3 0 m m ，位于沿着电子轨道的切线方向，离辐射源r = 2 m 处。 一 o mm5o o0 51o l o n g i t u d i n a lp o s i t i o n 图7 ( a ) 波长为l o g m 的弯铁辐射在孔径为6 0 m m x 6 0 m m 上的分布：( b ) 电子在弯铁中的 轨迹。 红外光谱的波长都远远大于临界波长九 九。，由式( 1 ) 可得弯铁辐射的垂 直张角为e 。= 1 6 6 1 8 8 ( x p ) i 3 ，对于波长为1 p m 、1 0 m 、i o o g m 、1 0 0 0 p m ，所对于 的空间张角分别为7 6m r a d 、1 6 m r a d 、3 5 m r a d 、7 6 m r a d 。图7 是计算的弯铁辐射的能 量分布以及弯铁磁场内的电子轨迹。图7 ( a ) 是波长为l o p m 的弯铁辐射能量 口。葛od曩口on!jo王 第一章同步辐射红外光源 在6 0 m m x 6 0 m m 出射孔径的截面分布。其辐射在截面上为线条形状分布，垂直方 向上的辐射张角比水平方向更小。出射孔径6 0 m m x 6 0 m m 所对应的张角为 0 p i y 。图7 ( b ) 为电子在弯铁中的轨迹分布。 图8 为弯铁辐射场在孔径为6 0 肌n x 6 0 m m 截面上的能量分布，( a ) ( b ) 分别为 x = 0 ，y = 0 的垂直方向和水平方向的能量分布。 “吕 巨 苫 崇 苫 暮 三 3 0 m m - 2 01 0o1 02 03 0 h o r l z o m a lp o s i t i o n ( a )( b ) 图8 波长为1 0 衄的弯铁辐射在孔径6 0 m m x 6 0 m m 上不同方向上的能量分布( a ) x = o 时，辐 射在垂直方向上的能量分布；( b ) y = o 时，辐射在水平方向上的能量分布。 4 4 边缘辐射 上海同步辐射的弯铁边缘长为2 5 0 r a m ，直段长度l = 1 2 7 6 m ，出射孔径沿着直 线段距离为r = 2 m 处。边缘辐射的波长为l o p m ，对不同出射孔径6 0 m m x 6 0 n 1 i n ， 4 0 m m x 3 0 m m 计算辐射场 9 儿1 0 1 1 。边缘辐射中，使电子偏转到弯铁中或从弯 铁中出射需要一定的长度，这将对波长非常短的x r a y 的辐射产生抑制作用 1o 。所以在边缘辐射中，由加速产生的远场辐射必须满足波长九 d y 2 = 3 3 n m 。 九 九。= e 。2 r 的波长的近场辐射产生截至 作用。对于孔径为6 0 m m x 6 0 m m ，九。= 1 r8 m m ，孔径为4 0 m m x 3 0 m m ，k 。= 4 5 0 p m ，。另 外同样在波长较长的地方，由于直段两端的边缘辐射会产生干涉，在波长为 1 0 l 2 一l o o l y 2 即2 7 p m 一2 7 p m ，远场辐射的会急剧下降。所以上海同步辐射的 弯铁边缘辐射的红外光束，其远场分布占主要的范围为2 7j _ u n k 3 3 n m ，远场辐 射的张角为l y = 0 1 4 6 m r a d 。 当波长x r y 2 = 4 3 n m ，辐射场主要为速度场，即近场辐射。在i 一1 0 0 0 “m 波 长范围内，r n = r 2 r 丫2 = 4 3 n m 。其张角0 = ( z r ) z ，波长分别为l 岬、l o p m 、l o o p m 、1 0 0 0 p m ， 对应的张角为0 7 m r a d 、2 2 m r a d 、7 1 m r a d 、2 2 4 m r a d 。由此可知，在相同的 se事一ob、o【i“ 第一章同步辐射红外光源 波长的范围内边缘辐射对应的张角比弯铁辐射的小，因此边缘辐射的准直度比 弯铁辐射