变含角光栅单向器的实验研究

变含角光栅单向器的实验研究

合肥国家同步辐射实验室的表面物理光束采用角色光刻成像技术，称为可变光刻单元。1旋转角度d的估算可变包含角单色器的基本原理和设计方法见文献在安装和调试单色器时，一般可以先用仪器把光栅的转轴调整到水平并和主光轴垂直，精度可达2″，并把光栅平面调整到转动轴上为了便于表达反射光线在两个方向上角度的改变量，在镜子表面建立一个坐标系（图3），镜子对称轴绕rolling,yawing方向的角度改变，可分别表示为∆θ计算时假定镜子的转动轴刚好经过一个轴承的中心（图1），并且两个转轴在同一垂直平面内。如果两轴线位于两个不同水平面内，并有立体交角∆γ，则上述结果刚好对调，即由于在变包含角单色器中平面镜的旋转角θ<10°，如果两轴不平行度为100″，用(1)、(2)两式估算可知∆θr由于像的中心倾斜移动和倾斜，导致像在垂直方向的移动量d如果出缝的像长为L，则由于像的倾斜带来的像展宽dd若以镜子掠入射角δ=5°，出缝长度L=30mm，∆θ另外，由于平面镜中心在旋转时位置上下偏移，这使反射光线与理想时的情形有一个位移dd其中，α，β为光栅上的入射角和衍射角。倒线色散率是在色散平面内垂直于狭缝的方向上用Å/mm表示的一个量，即∆λ/∆s，单色器倒线色散率用微分表示为：其中，N、K分别是光栅刻线密度和光谱级次，s是狭缝的开启宽度，r该值会使波长产生调谐误差和分辨率下降，出缝开启宽度对分辨率的影响为那么，由于旋转轴的不平行度带来的波长展宽在由出缝宽度限制的带宽中百分比可表示为其中:s旋转轴长度L=400mm来估算不平行度∆γ=100″对分辨率或者波长选择的影响。由式（12）、（13）得d2光栅旋转轴测量我们提出单色器的两个旋转轴的平行度要求小于26″，这样的精度即使在出缝开启为10ìm的情况下，对分辨率的影响也小于20%。要达到这种高的测量精度，我们用平行光管（测微平行光管42J，长春第一光学仪器厂）作为测量仪器，该仪器测量分辨率可达1″。单色器的双轴旋转机构如图6所示，光栅旋转轴的两个轴承（内径φ40mm）安装在一个整体加工的U形板(1)上，平面镜旋转轴的轴承(φ40mm)以一块板(4)与U形板的侧面(2)用螺钉固定，并配有两个定位销钉，以保证每次拆装后仍可保持两轴之间的距离和平行度的精确度。光栅旋转轴(3)是专门为测试目的特别研磨的高精度轴，在它的端面(5)有一螺孔，用来安装带有调整机构的小平面镜（图中没有示出）。平面镜的转轴(6)在光栅转轴垂直下方14.6mm处，中心有一个φ20mm的通孔，另一小平面镜安装在轴的最外侧端面上（没有示出），这个平面镜只遮住通孔的一半，以让平行光管透过另一半小孔观察到光栅转轴上的平面镜。由于两轴之间距离较小，为平行光管同时观察两个转动轴线上的平面镜，测量平行度提供了方便。测量原理见图7，固定在两个转动轴端面上小平面镜的倾角皆有螺钉调整，平面镜的倾角改变，平行光管的十字叉丝被反射回来的方向也改变。平行光管上的十字叉丝经两个镜子分别反射后在观察目镜形成两个十字像。测量时，利用两个镜子上的调整机构调整到与其轴线垂直，这时在平行光管目镜的两个十字像之间的读数即为两个转轴之间不平行度的数值。测量结果表明厂家加工和安装的精度为79″，没有达到26″的技术要求。为了减少平行度误差，必须对平面镜轴承的连接板(4)或U形板(1)的侧面(2)（见图6）进行研磨，边研磨边重复上述的测量过程。最后获得了4″的不平行度，这样的精度在狭缝开启大小为10ìm时，对分辨率的影响小于5%，并使成像点在出缝的左右偏移量小到可以忽略。3平行光管测量方法分析了变包含角光栅单色器两个旋转轴的不平行度对波长选择的影响，这种影响在某些条件下非常显著。要获得两个旋转轴之间的高度平行性，仅依靠机械厂家的加工来保证，一般难于实现，误差比较大。结合平行光管测量方法和相应的研磨手段，可以克服加工带来的误差，并可取得比较高的平行度。这种方法不失为变包含角单色器的一种简单可靠的测量和纠正转轴