（原子与分子物理专业论文）谱学光子筛的理论模拟与实验表征.pdf

四川大学硕士学位论文 谱学光子筛的理论模拟与实验表征 原子与分子物理 研究生王传珂指导教师蒋刚刘慎业 软x 光透射光栅谱学已经成为国内i c f 实验研究的重要手段，在黑腔物理 研究、x 光辐射输运、辐射烧蚀不透明度等重要课题都有很关键的应用。目前 的软x 光透射光栅谱仍面临衍射模式描述不准确、衍射效率不确定以及高级衍 射的困扰等问题。 在对传统透射光栅的衍射模式进行认真理论研究的基础上，中国工程物理 研究院曹磊锋博士提出了余弦窗口正弦透射光栅的概念。理论研究和计算模拟 表明：这种新的衍射元件不存在高级衍射、不存在次级衍射峰、具有光滑的主 衍射峰，确定的衍射效率，其衍射模式比传统透射光栅优越得多。 利用控制随机针孔阵列密度分布的办法，可以制作出透过率函数与余弦窗 口正弦光栅完全一致的软x 光透射衍射光学元件，我们称之为软x 光谱学光子 筛。软x 光谱学光子筛概念的提出，有可能使余弦窗口正弦光栅的概念实用化， 在软x 光透射光栅谱学当中得到实际的应用。利用这种光学元件替代透射光栅 进行x 光谱学研究可排除高级衍射和次级衍射峰的干扰，可大幅度提高透射光 栅谱测量的精度和信噪比。 在理论研究的基础上，采用v c + + 自行编制了谱学光子筛计算模拟程序， 对光子筛的衍射模式进行了模拟，研究了有透镜、不同透过率函数的光栅衍射 模式和无透镜、不同窗口函数的光子筛衍射模式，并进一步研究了无透镜情况 下光子筛衍射谱干涉和高级衍射现象，讨论了光子筛工作性能的优点和制作的 可行性。理论研究和模拟计算表明：利用正弦透射光栅替代黑白光栅将可以排 除高级衍射的困扰，使x 光透射光栅谱学变得简单而直接；引用余弦窗口可以 极大地优化透射光栅的衍射模式，使透射光栅的主衍射峰变得光滑，艮时可有 效消除透射光栅的次级衍射峰。虽然谱学光子筛也存在超高级衍射，但无论其 光强还是位置都远远超过了实验测量范围，可以忽略不计计算模拟结果验证 四川大学硕士学位论文 了理论研究的科学性。 设计制作了可见光波段的谱学光子筛，并采用6 3 2 8 r i m 光对光子筛的衍射 模式进行了实验演示，讨论了谱学光子筛应用于软x 光波段的可行性。通过实 验探索，提出了实用可行的标定方案，在光学实验室对振幅型和相位型两种谱 学光子筛进行了精密标定和实验表征。研究了波长4 6 0 h m - - l l o o n m 范围内两 种光子筛的衍射模式，给出了其相对衍射效率、绝对衍射效率、衍射位置等工 作参数。标定结果表明； 1 如理论所预言，光子筛不存在高级衍射、不存在次级衍射峰。光子筛在 衍射区域具有光滑的主衍射峰，其衍射模式比传统透射光栅优越得多。 2 相位型光子筛在某些波段可以有效抑制0 级谱光强，增强对实验测量有 用的1 级衍射谱光强，甚至在某个波长完全抑制0 级衍射谱，只存在l 级衍射 谱。 3 振幅型光子筛衍射效率随波长的变化波动不大，相位型光子筛衍射效率 的峰值出现在特征波长处。 4 振幅型和相位型光子筛的1 级衍射谱位置随波长都呈线性变化的规律。 关键词：透射光栅，光谱学，光子筛，软x 光，计算机模拟，标定 四川大学硕士学位论文 t h e o r ys i m u l a t i o na n dc a l i b r a t i o no fp h o t o n s i e v e m a j o r ：s p e c i a l t ya t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c s g r a d u a t es t u d e n t ：c h u a n k ew a n g s u p e r v i s o r ：g a n gj i a n g ，s h e n y el i u t h es o rx - r a yt r a n s m i s s i o ng r a t i n gs p e c t r o m e t e rh a sb e e nt h e0 0 1 ei n s t r u m e n t i ni c fe x p e r i m e n t s ，i th a sb e e nu s e di nt h ef i e l d so fh o h l r a n mp h y s i c s ，x - r a y r a d i a t i o nt r a n s p o r t a t i o n ，r a d i a t i o na b l a t i o n , a n ds oo n r e c e n t l y , t h es o f tx - r a y t r a n s m i s s i o ng r a t i n gs p e c t r o s c o p yh a sb e e nc o n f u s e db ym a n yp r o b l e m s ，s u c ha st h e d i f f r a c t i o np a t t e r ni sd i f f i c u l tt ob ed e s e r i b e a , t h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yi su n c e r t a i n t y , h i g ho r d e rd i f f r a c t i o n sa r ei n e v i t a b l ye x i s t 。a n d8 0o n b a s e dt h e o r e t i c a lw o r ko nd i f f r a c t i o np a t t e r no ft r a n s m i s s i o ng r a t i n g ，ap r o p o s a l t os u b s t i t u t et h er e c t a n g u l a rw i n d o w g r a t i n gw i t hac o s i n ew i n d o ws i n et r a n s m i s s i o n g r a t i n gi ss u g g e s t e db yd o c t o rl e c a ow h ow o r k si nc h i n aa c a d e m ye n g i n e e r i n g p h y s i c s n 呛n o v e lo p t i c se l e m e n tg i v e si d e a ld i f f r a c t i o np a t t e mf o rt r a n s m i s s i o n g r a t i n gs p e c t r o s c o p y ：n oh i g h o r d e rd i f f r a c t i o n , n os u b o r d i n a t i o nd i f f r a c t i o n m a x h n u n la n dt h em a i nd i f f r a c t i o nm a x i m u mt a k ei d e a ls m o o t hs h a p o t h eo p t i c s e l e m e n tt a k e sg r e a tb e n e f i tt oi m p r o v et h ep r e c i s i o na n ds nr a t i oo ft r a n s m i s s i o n g r a t i n gs p e c t r o s c o p y ac o n c e p to fs o f tx - r a ys p e c t r o s c o p yp h o t o ns i e v ei sa l s os u g g e s t e dw h i c hi t a f f o r d sap r a c t i c a lw a yt of a b r i c a t et h en o v e ld i f f r a c t i o no p t i c sc o s i n ew i n d o ws i n e t r a n s m i s s i o ng r a t i n g d e v e l o p i n ga n du s i n gt h en e wc o n c e p td i f f r a c t i o no p t i c sw i l l s o l v et h ek e yp r o b l e m ( d i s t o r t i o nf r o mh i 曲o r d e rd i f f r a c t i o n ) o ft h ep r e s e n t t r a n s m i s s i o ng r a t i n gs p e c t r o s c o p ya n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r v c i s i o no fs o f t x - r a ys p e c t r o s c o p yi nl a s e rp l a s m ad i a g n o s i s o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lw o r k , t h ev c + + w a sa d o p t e at od e v e l o pt h e n u m e r i c a la n a l y s i sp r o g r a mf o rd i f f r a c t i o np a t t e r no fp h o t o ns i e v e t h ed i f f r a c t i o n p a t t e r n si nm a n yd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d t h ef a b r i c a t i o nf e a s i b i l i t ya n d 四川大学硕士学位论文 t h ee x c e l l e n c eo fp h o t o ns i e v ew e r ed i s c u s s e da l s o t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a l a n a l y s i s s h o wt h a t s u b s t i t u t i n gt h er e c t a n g u l a rw i n d o wg r a t i n g w i t hac o s i n e w i n d o ws i n et r a n s m i s s i o ng r a t i n gc a l lg e tr i do ft h ep u z z l eo fh i g ho r d e rd i f f r a c t i o n a n dm a k ei ts i m p l et od e s c r i b ex r a yt r a n s m i s s i o ng r a t i n gs p e c t r o s c o p y c o s i n e w i n d o wc a l t le f f e e t i v e l yo p t i m i z et h ed i f f r a c t i o np a t t e r no fat r a n s m i s s i o ng r a t i n g ：t h e s u b o r d i n a t i o nd i f f r a c t i o nm a x i m u mi se f f e c t i v e l yr e s t r a i n e d ，a n dt h em a i nd i f f r a c t i o n m a x i m u mi sm a d ea l li d e a ls m o o t hs h a p e t w ok i n d so fp h o t o ns i e v ef o rv i s i b l el i g h th a db e e nf a b r i e a m t d e m o n s t r a t i o n e x p e r i m e n t sh a db e e np e r f o r m e d , t h ep o s s i b l et h a tp h o t o ns i e v ea p p f i e dt ox - r a y m e a s u r e l l l c n tw e r ed i s c u s s e da l s o a p r a c t i c a l i t ya n df e a s i b l ec a l i b r a t i n gm e t h o dw a s b r o u g h tf o r w a r d a na m p l i t u d ep h o t o ns i e v ea n dap h a s es h i f tp h o t o ns i e v ew e r e c a l i b r a t e da c c u r a t e l y t h ed i f f r a c t i o n p a t t e r n sw h e nw a v e l e n g t hc h a n g e df r o m 4 6 0 n t ot ol l o o n mw e r em e a s u r e d ；t h er e l a t i v ed i f f r a c d o ne f f i c i e n c y , t h ea b s o l u t e d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ed i f f i a e t i o np o s i t i o nw e 陀p r e s e n t e d 1 c o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ed i f f r a c t i o np a t t e r n sf o rp h o t o ns i e v e a r ；en oh i g ho r d e rd i f f r a c t i o n , 1 1 0s u b o r d i n a t i o nd i f f r a e d o nm a x i m u m ，t h em a i n d i f f r a c t i o nm a x i m u mt a k ei d e a ls m o o t hs h a p e 2 p h a s es h i f tp h o t o ns i e v ec a l lr e s t r a i ni n t e n s i t yo f0 t l ao r d e rd i f f r a c t i o n e f f e c t i v e l y , a n d b u i l d u pi n t e n s i t yo f1 “o r d e rd i f f r a c t i o nw h i c hi s u s e f u l i n i e x p e r i m c n t s w h e nw a v e l e n g t hi ss p e e i f i e a l l y , i n t e n s i t yo f0 t ho r d e rd i f f r a c t i o nw i l l b e 0 ，o n l y1 “o r d e rd i f f r a c t i o ne x i s t 3 t h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yf o ra m p l i t u d ep h o t o ns i e v eh a st i t t l ef l u c t u a t i o n w h e nw a v e l e n g t hi sc h a n g e d , a n dt h ev a l u eo fd i f f r a c 吐o ne f f i c i e n c yf o rp h a s es h i f t p h o t o ns i e v ei sp e a l 【w h e nw a v e l e n g t hi ss p e e i f i c a u y 4 t h ep o s i d o no f l 醴o r d e rd i t h a e t i o ni s l i n e a r i t yw i t hw a v e l e n g t hb o t h a m p l i t u d ep h o t o ns i e v ea n dp h a s es h i f tp h o t o n s i e v e k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o ng r a t i n g ，s p e c t r o s c o p y , p h o t o ns i e v e ，s o f tx - r a y , t h e o r ys i m u l a t i o n , d e m o n s u ：a t i o ne x p e r i m e n t ，c a l i b r a t i o n i v 四川大学硕士学位论文 第1 章绪论 诸多当前物理科学的理解都是来源于原子光谱学。精确测量光谱可以解答 与诸多物理现象紧密相关的问题【1 1 。这些物理现象分布于原子物理学、天文学、 等离子诊断学、核物理学等领域。光学波段的原子跃迁被科学地用于等离子体 参数诊断，如等离子温度、密度等。 透射光栅谱学( t r a n s m i s s i o ng r a t i n gs p e c t r o s c o p y ) 指的是利用透射光栅的 衍射，对物体发光的谱特征进行研究和分析，借以对物体的物理和化学性质、 原子分子物理过程等进行研究和分析的一种重要手段【2 _ 扪。“很难找出其他的设 备比衍射光栅给每个科学领域带来更重要的实验信息。物理学家、天文学家、 化学家、生物学家、冶金学家都把它作为惯用的具有卓越精度和准确性的工具， 用作测定天体特征和大气存在的原子种类探测器，用以研究原子分子结构，从 而获得无数的现代科学不可或缺的信息。”( j s t r o n gj0 雎s o c a m 5 0 ( 1 1 4 8 1 1 5 2 ) q u o t i n gg r h a r r i s o n ) 受控熟核聚变研究是当今世界上不亚于人类登月计划的重大科研项目，对 人类的生存与发展具有伟大而深远、至关重要的意义【4 】。激光惯性约束聚变 ( i c f ) 是实现受控热核聚变的最有希望的途径之一，几十年以来得到了人们 的广泛关注与深入研究晰闫。激光等离子诊断( 1 a s e rp l a s m ad i a g n o s i s ) 与i c f 实验是激光聚变研究的至关重要的手段和环节，受到了人们的普遍重视。2 0 世 纪8 0 年代开始，软x 光透射光栅谱学逐渐在i c f 实验研究当中得到了重要应 用 7 1 。目前为止，软x 光透射光栅谱学已经发展成为激光聚变实验研究的核心 技术 8 1 。 1 1 激光聚变研究发展综述 1 1 1 激光聚变研究的目的和意义 能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的重要战略 物资资源；经济、能源与环境协调发展已被公认为是未来传承人类文明的基本 模式。当今人类能源结构仍然以一次性的化石能源为主，化石能源结束后的后 化石能源时代，风力、水力、太阳能远远满足不了人类现代文明发展对能源的 四川大学硕士学位论文 需求。因此，获得廉价、丰富的能源是人类社会所共同面临的重大课题 9 1 。 原子核内部蕴藏着丰富的核能资源，人们曾经一度大规模利用裂变原理建 造大型核电站，使核能造福于人类。然而，重核裂变能存在的缺点决定了裂变 能远非理想的未来能源。相比之下，轻核聚变反应产生的聚变能则是一种高效 且干净的核能。核聚变的实质是两个轻核形成一个稍重核的反应，如氘与氚的 聚变反应产生氦。其实太阳每时每刻放出的光和热就是来源于氘氚反应产生的 聚变能。聚变反应的材料氘和氚在地球上的储量非常丰富，且是宇宙中丰度最 高的元素之一。人类如果掌握了受控核聚变，就能拥有一种取之不尽、用之不 竭的清洁能源。为此，在二十世纪四十年代末第一次氢弹试验成功后不久，科 学家们便开始探索实现可控核聚变的各种途径。 n u c l e a r r e a c t i o n s “ f u s l o nsf i s s i o n 裟7 f 图1 1 聚变反应示意图 核聚变能源是取之不尽、用之不竭的能源。如果实现以d ( 氘) 为燃料的 核聚变，即可以获取2 1 0 “1 w a 的核聚变能，若以每年2 0 1 刑a 消费，则可 以使用十亿年。若以d - t 为燃料，也能够使用3 0 0 0 万年，所以核聚交一旦实 现，世界能源问题将一劳永逸地解决了【4 】。它是非常安全的能源，投料少，没 有厉备反应性，这意味者在事故状态下泄漏系数是很小的。它也是相当清洁的 能源，不产生裂变电站的长寿命高放射性废物。核聚变发应产生的大量高能中 子有着广泛的用途，可以利用这些中子来生产核聚变自身所需要的氚及裂变燃 料，以及处理长寿命高放射性废物。核聚变能是目前公认的最终解决人类能源 需求的出路 9 1 。 由于惯性约束聚变在原理的某些方面与热核武器类似，所以美国人还利用 激光聚变来研究热核武器的一些物理问题1 0 1 ，【1 1 】，由此看来，激光聚变研究除了 我们前面已经提到过的：从长远来看对解决未来的能源问题极具战略意义以外， 随着全球核禁试的实现，它已成为维持武器库存、保持武器性能，从而保持国 2 一l i 1 瓤罄 詈 嚣 凛 四川大学硕士学位论文 家核威慑力量的最有效途径“2 1 。 1 1 2 激光聚变研究的历史和进展。 在2 0 世纪6 0 年代第一台激光器问世后不久，科学家就设想用它实现热核 聚变，并逐步具体化。1 9 6 3 年以b a s o v 为首的前苏联科学家首先提出用高功率 激光辐照聚变燃料产生高温高密度等离子体，达到点燃热核聚变反应的条件 3 1 。这一思想迅速得到了全世界的广泛关注。1 9 7 2 年美国l i v e m o r e 实验室的 n u c k o u s 在n a t u r e 杂志上发表文章【1 4 1 ，公开了利用多路激光直接均匀辐照靶丸 ( 直接驱动) ，产生球形聚爆的理论，进一步掀起了i c f 研究的高热潮。几十 年来，世界各核大国如美国、法国、俄罗斯、日本和中国对激光聚交的研究都 极为重视，相继投入巨资，在大型高功率激光驱动器、实验诊断、理论模拟和 制靶技术等与i c f 研究相关的方面开展深入研究，取得了令人瞩目的成就l ”。 1 9 7 5 年美国l i v e m o r e 实验室进一步提出了间接驱动的概念 5 1 ，通过高z 元素材料，将激光能量转换为干净、均匀的高温辐射场，利用高温辐射场与d t 靶丸相互作用，对称压缩核燃料，实现内爆。1 9 8 1 年s h i v a 激光器上的直接驱 动实验产生了3 x1 0 1 0 个中子，发，并达到1 0 0 倍液氘密度。随后n o v a 激光器 上的间接驱动获得实质性进展，使氘氚燃料密度压缩到1 0 0 倍的液氘密度。1 9 8 8 年，l i v e m o r e 实验室又通过结合核实验的方法，分析了高增益内爆的物理要求 和条件，估计能量5 i o m j ，脉宽1 0 n s ，波长0 3 5 1l lm 的激光可使5 1 0 m g 的氘氚材料产生热核聚变，并实现1 0 0 倍的能量增益。b a s o v 和m t a b a k 分别 于1 9 9 2 年和1 9 9 4 年提出了所谓“快点火”概念【l 司，认为激光聚变反应点火的 门槛可能进一步降低。2 0 0 1 年日本通过他们的大功率超快激光装置演示了快点 火概念的可行性u ”。 各大国在驱动器发展领域的竞争非常激烈( 见表1 i ，表1 2 ) 。在这方面， 美国处于领先地位。1 9 9 8 年l o 月2 1 日，美国能源部批准了“国家点火装置” ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y , n i f ) 计划，其设计目标是：1 9 2 路光束、1 6 0 0 c m 2 口径的光学元件、5 0 0 t w 的输出功率、1 8 m j 的输出能量，总投资将达到2 2 亿u s d ，被认为是所有已设计的激光系统中规模最大、造价最高的，希望能在 2 0 1 0 年左右实现点火1 8 1 1 9 1 。为实现同样的研究目标，法国和中国也已经建设自 己的装置：法国启动了所谓兆焦耳装置( l a s e r - k g j o u l e ) ，而中国则开始了神光 3 四川大学硕士学位论文 i ( s h e n g g u a n 9 1 ) 计划。2 0 0 5 年上半年，欧盟宣布将在英国拟建所谓临界中间 级装置，暂命名为h i p e r ，其目标介于点火和演示性聚变反应堆之间。 表1 1 用于i c f 研究的主要固体激光装置捌 国家实验室装置 能量( k j )脉宽( n s ) 束数 1 1 3 激光聚变研究的原理和过程 惯性约束聚变是依赖物质惯性压缩、加热热核燃料，使之发生热核反应， 释放能量的过程，其物理过程大致可以分为以下三个阶段：1 、激光一靶物质的 能量耦合；这是激光聚变物理过程的第一步，激光器能量首先要转化为等离子 体能量。该过程包含能量吸收、x 光的转换和输运。2 、球形内爆；靶丸表面被 烧蚀时，产生高速向外运动的气流，类似于火箭的排气运动过程，驱动靶丸内 爆，进而压缩、加热心部氘氚材料。3 、热核材料心部点火及燃烧。当氘氚材料 芯部达到高温高密度状态、满足l a w s o n 判据的时候发生热核聚变反应【2 1 捌。 反应产生的高能a 粒子在热核燃料中沉积，进一步加热燃料，使之进一步燃烧。 实现惯性约束聚变目前采取两种方式：直接驱动和间接驱动。直接驱动方 式是直接将驱动源( 例如多束激光) 均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸，驱动内 4 四川大学硕士学位论文 爆，如图1 2 所示直接驱动的能量利用率高，但对激光器的辐照均匀性的要 求也高( l ) 。 g _ m l _ i m r w d _ u 柚l 柚1 _ 图1 2 直接驱动内爆物理过程” 间接驱动方式则是首先将驱动源能量转换为软x 光能量，由后者再去驱动 靶丸内爆( 故又称为辐射驱动) 。间接驱动方式通常需要由“黑腔靶”( h o h l r a u m ) 加以实现。黑腔靶是一个由高z 元素构成的中空腔体，形状多为柱形或球形， 并有一些孔，让驱动源进入腔内，聚变靶丸置于黑腔的中央，如图1 3 所示。 如果驱动源是激光，这些激光束辐照黑腔的内壁，在那里激光能量被吸收，并 大部分转换为x 射线，驱动中心的靶丸内爆。与直接驱动相比，间接驱动能量 利用率低，但也降低了对激光辐照均匀性等指标的要求。 * h r _ 睦 燕一 一。竺塑堡! _ ! e _ 嘲h 嘲惭嘲 r _ - d i ，删 l - 如h 矗曲v 埔_ - 憎m 蚺肘r | i _ _ h i 一 图1 3 间接驱动内爆物理过程” 1 2 软x 光透射光栅谱学研究概况 1 2 1 激光聚变研究中的x 光行为及诊断 在激光聚变间接驱动模式实验研究中，激光首先与圆柱形黑腔靶壁相互作 用转化成x 光能，然后通过辐射输运，把能量输运到内爆区，驱动氘氚靶丸实 现内爆。由此可知，为了最终获得温度足够高且均匀的辐照场，在间接驱动i c t 5 墓 四川大学硕士学位论文 中，研究x 光的发生、发展过程以及对x 光定量分析等是非常重要的。 x 光诊断技术，是激光等离子体诊断技术的一个重要组成部分，是高温高 密度条件下诊断腔壁和燃料靶丸等离子体状态参数的主要手段。经过二十几年 的发展，中国工程物理研究院激光聚变研究中心已建立了一系列诊断设备，能 对x 光进行能谱、时：空全面的诊断，为实验提供充分的物理信息。近期进展 情况如表1 1 所示。 表1 1x 光诊断设备简表田 诊断 设备名称主要技术指标主要用途 类别 测谱范围：0 2 k e v 1 5 k e v辐射温度测 x r d 阵列谱仪( d a n t e 谱仪) 能谱分辨：1 0 量 x 光辐射强 平响应x r d 阵列角分布测量系统测谱范围：0 2 k e v 1 5 k e v度角分布测 量 光 能 测谱范围：0 2 n m 1 0 n m软x 光连续 谱 x 光透射光栅谱仪 和 能谱分辨：0 0 5 n m 0 5 r i m 谱测量 辐 射 测谱范围：l n m 3 0 n m不透明度测 强 掠入射平场光栅谱仪 度 能谱分辨：0 0 3 n m 0 0 5 r i m量 测 量 测谱范围：0 2 n m 0 8 r i m 晶体谱仪线谱测量 能谱分辨：1 1 0 0 1 1 0 0 0 硬x 光连续 滤片一荧光谱仪测谱范围：5k e v 3 0 0 k e v谱和强度测 量 1 2 2 软x 光谱学和透射光栅谱仪 软x 光辐射来自于高温物体的原子分子物理过程，利用软x 光谱学的办法 可以对高温物体的性质和状态进行研究和诊断。软x 光谱学诊断，是探测和研 究高温高密度激光等离子体的重要方法 2 3 1 。 透射光栅是一种非常古老的光学元件，大约出现在1 8 世纪。作为色散元件， 透射光栅可以应用于红外、可见光以及近紫外光当光栅的结构做得更加精细 6 四川大学硕士学位论文 时，这种元件还可以应用于软x 光甚至于硬x 光辐射的谱学研究。7 0 年代以 来，随着显微印刷术以及现代光刻技术的发展，透射光栅的线条做到微米、亚 微米的水平早已不是难事。目前，国内的透射光栅可以做到2 0 0 0 3 0 0 0 线对 毫米1 2 4 1 ，国外制作的5 0 0 0 线对毫米、1 0 0 0 0 线对毫米 2 5 1 的透射光栅都有报 道。透射光栅谱学，作为一种x 光摄谱技术，已经广泛的应用于天文学1 2 6 1 、激 光等离子体诊断 2 7 , 2 8 , 2 9 1 ，x 射线激光等领域的研究当中。 与其它的x 光摄谱手段相比，透射光栅谱学结构简单、使用方便、并且容 易与其它仪器配和，形成复合诊断手段t 3 0 ，同时又有较高的谱分辨能力，因而 在激光等离子体诊断研究中很受人们的欢迎。 x 光透射光栅谱仪原理如图1 4 所示，当一平行入射x 光束透过间隔为d 的两狭缝时，会发生衍射。衍射的x 光在满足光栅方程 k x = d ( s i n a + s i n l 3 ) = ds i n 8 ( 1 1 ) 时，衍射x 光得到干涉加强。式中，k = l ，2 ，3 ，透射光栅对入射x 光 的衍射级数；九为入射和相干散射x 光波长；口，p 分别为入射和衍射方向与透 射光栅平面法线方向的夹角，取a = o ；d 为光栅常数。 由( 1 ) 式可以看出，当入射x 光具有能谱分布或多波长时，选定光栅常 数d 和衍射级数k 后，波长九和衍射角6 便有一一对应的关系。在不同衍射角 方向测量不同衍射波长的x 光，可确定入射x 光的能谱分布特性【3 1 1 。此谱仪 主要对0 5 3 5 k e v 能区进行测量，其能谱分辨3 ，绝对测量误差4 0 ，有 一定空间分辩能力。其缺点是多级衍射影响严重，即单能x 光可产生多峰分布， 须通过解谱程序 3 2 1 排除高级衍射干扰。 7 四川大学硕士学位论文 1 3 论文选题背景及内容安排 1 3 1 选题背景 软x 光透射光栅谱学业已成为国内i c f 实验研究的核心手段，在黑腔物理 研究、x 光辐射输运、辐射烧蚀不透明度等重要课题里面都有很关键的应用。 目前的软x 光透射光栅谱学仍面临衍射模式描述不准确、衍射效率不确定以及 高级衍射的困扰等问题。制约应用于i c f 研究软x 光透射光栅谱学诊断测量精 度的因素主要包括： l 、透射光栅衍射规律传统解析理论的不精确性。传统的解析理论基于光学 衍射的f r a u n h o f e r 近刨3 0 3 1 1 ，这一点与激光等离子体软x 光透射光栅谱学测量 实际几何位形有较大出入。 2 、软x 光透射光栅的衍射效率不确定性【3 2 1 。目前的透射光栅制备工艺无 法保证透射光栅的二值化特征，任何一块光栅由于制各过程中的随机性都将形 成自己独特的参数特征( 线条形状、尺寸，等) 。这样的一种参数，在目前情况 下人们仍缺乏对其精确探测的手段。 3 、高级衍射。这是最终导致软x 光透射光栅谱学测量复杂化的根本原因。 正是由于高级衍射的存在，人们才不得不对实验中得到的测量谱进行解谱，前 两个因素也正是在解谱过程中造成了对最终摄谱结果的不良影响。 这些问题客观上限制了软x 光透射光栅谱学的摄谱精度，显然给i c f 研究 精密化带来了不利影响。深入研究透射光栅谱学、改进和发展软x 光谱学诊断 技术，对提高我国i c f 研究精密化具有积极而深远的意义。 在对传统透射光栅的衍射模式进行认真理论研究的基础上，中国工程物理 研究院曹磊锋博士提出了余弦窗口正弦透射光栅以及软x 光谱学光子筛的概念 田j 。理论计算结果表明：这种新的衍射元件不存在高级衍射、不存在次级衍射 峰、在所有的衍射区域( f r c s n c l 区和f r a u n h o f i e r 区) 总具有光滑的主衍射峰， 具有确定的衍射效率，其衍射模式比传统透射光栅优越得多。利用这种光学元 件替代透射光栅从事x 光谱学研究将排除高级衍射和次级衍射峰的干扰，将可 能大幅度提高透射光栅谱学的精度和信噪比。 本项工作的目的是通过计算模拟和实验表征，验证光子筛理论的科学性和 可行性。为此，本工作编译了谱学光子筛计算模拟程序，对光子筛的衍射模式 进行了模拟。同时设计了实用可行的实验方案，通过在可见光波段对振幅型和 8 四川大学硕士学位论文 相位型两种光子筛衍射模式进行实验表征，给出光子筛衍射模式优越性的定量 表示，以标定实验数据与理论模拟结果进行比对，从而验证光子筛研制理论的 科学性和可行性，同时也可以对光子筛加工精度进行校验。 1 3 2 内容安排 全文分6 章，内容如下： 第一章：绪论。综述激光聚变研究的目的和意义，研究历史及最新进展。 概述了透射光栅谱学在激光聚变研究中的应用地位，介绍了本文研究课题的研 究背景和内容安排。 第二章：透射光栅的衍射模式及优化。对透射光栅衍射的衍射模式进行了 深入的讨论，指出了传统解析理论不准确之处。根据余弦窗口正弦光栅的概念， 将传统透射光栅谱学中应用的透射光栅衍射模式加以优化。 第三章：谱学光子筛的理论研究与计算模拟。介绍了光子筛的概念，讨论 了光子筛制作的可行性和优点。在理论研究的基础上，采用自行编译的谱学光 子筛计算模拟程序对光子筛的衍射模式进行了模拟，研究了有透镜、不同透过 率函数的光栅衍射模式和无透镜、不同窗口函数的光子筛衍射模式，并进一步 研究了无透镜、光子筛衍射谱干涉和高级衍射现象。 第四章：谱学光子筛的设计制作与实验演示。介绍了光子筛的设计参数及 制作方法，采用6 3 2 8 r i m 光对光子筛的衍射模式进行了实验演示，讨论了谱学 光子筛应用于软x 光波段的可行性。 第五章：谱学光子筛的实验表征。在4 6 0 n n - - l l o o n m 范围内精密标定了 两种光子筛的衍射模式，给出了其衍射效率、衍射位置等工作参数。同时研究 了入射光以不同角度入射光子筛时衍射模式的变化，观察了白光入射光子筛时 的衍射图像。结果表明较之传统光栅，光子筛具有优越得多的衍射特征以及确 定的衍射效率。 第六章：总结及展望。对全文进行了总结讨论，并提出了下一步研究的内 容。 文末是致谢与附录。 9 四川大学硕士学位论文 参考文献 ls b u t t e r , j r c r e s p o l o p e z - u r r u t i a , p b e i c r s d o r f c r , c t a l d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a h i g h - r e s o l u t i o n h i g h - e f f i c i e n c yo p t i c a ls p e c t r o m e t e r j r e v s c i 1 n s t r u m 2 0 0 2 ，7 3 ( 1 1 ) ： 3 7 3 7 3 7 4 1 2 e f d l , k h s t e p h a n p p r e d e h l ，e ta 1 t r a n s m i s s i o ng r a t i n gs p e c 缸- o s c o p yi nt h e1 0k e v r a n g e 们r e v s c i 1 n s t r u m 。1 9 9 9 ，7 0 ( 6 ) ：2 5 9 7 - 2 6 0 0 3 r t f g l e t o n , s f j a m e s t r a n s m i s s i o n g r a t i n gs n e a k e ds p e c t r o m e t e r f o r t h e d i a g n o s i s o f s o f t x - r a ye m i s s i o nf r o mu l u a b i g hi n t e n s i t yl a s e rh e a t e dt a r g e t s 们r e v s c l l n s t r u m , 2 0 0 4 ，7 5 ( 1 0 ) ： 3 9 6 9 - 3 9 7 3 4 等离子体物理学科发展战略研究课题组核聚变与低温等离子。面向2 l 世纪的挑战和对 策i m 北京：科学出版社, 2 0 0 4 5 j o h n i j n d ld e v e l o p m e n t o f t h e i n d i r e c t - d r i v e a p p r o a c h o f i c f a n d t h e t a r g e t p h y s i c s b a s i sf o r i g n i t i o na n dg a i n 们p h y s p i a s m a a , 1 9 9 5 ，2 ( 1 1 ) ：3 9 3 3 - 4 0 2 4 6j o h nt i a a l 2 e t e ra m c n d t , r i c h a r dl b e r g e r , e ta 1 t h ep h y s i c sb a s i sf o ri g n i t i o nu s i n g i n d i r e c t - d r i v et a r g e t so nt h en a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y j p h y s p l a s m a s , 2 0 0 4 ，11 ( 2 ) ：3 3 9 - 4 9 1 7c e g u onm ，k e u f f m a nrl t t a wr y l u ka m ，e ta lt i m e - r e s o l v e dx - m yt r a n s m i s s i o ng r a t i n g s p 啪m e t e r f os t u d y i n g l a s e r - p r e d u c e d p l a s m a s 哪4 印f o p t , 1 9 8 3 2 2 ( 2 ) ：3 1 8 - 3 2 2 8 郑志坚。丁永坤，丁耀南等激光一惯性约束聚变综合诊断系统1 强激光与粒子束，2 0 0 3 ， 1 5 ( 1 1 ) ：1 0 7 3 1 0 7 8 9 王淦昌惯性约束聚变册科学中国人，1 9 9 5 ，( 6 ) ：4 - 6 1 0j j d u d e m t a d ta n dg a m o s e s i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n , 1 9 8 2 l l 宫本健郎 e l l ，金尚宪译。热核聚变等离子体物理学嗍科学出版社，1 9 8 1 1 2 景峰钕玻璃激光多程放大技术研究p 】绵阳：中国工程物理研究院( 1 9 9 8 ) 1 3n g b a s o v , e l a l p r o c e e d i n g o f t h e c o n f e r e n c e o n q u a n t u m e l e c t r o n i c s 。p a r i s 。1 9 6 3 1 4 j h n u c k o l l s l w o o d , 九t h i e s s e n a n d g b z i m m e n n a r l l a s e r