近日，中國工程物理研究院激光聚變研究中心和中國科學(xué)學(xué)院微電子所等單位合作，通過齊心協(xié)力、刻苦攻關(guān)，研制成功了基于X射線單級衍射光柵的所謂無諧波光柵單色儀，并進一步開展面向應(yīng)用的工程化產(chǎn)業(yè)化研究，開啟了光柵單色儀的無諧波時代。　　

　　無諧波光柵單色儀模型
　　光柵單色儀是一種常用的光譜分析儀器，它利用光的輻射、色散、和吸收等原理通過光譜分析的技術(shù)途徑，可以對物質(zhì)的成分和含量乃至狀態(tài)進行定性或者定量的分析。因此，光柵單色儀在科學(xué)研究各領(lǐng)域、社會服務(wù)各行業(yè)均有非常重要的應(yīng)用。
　　　　
　　“構(gòu)成單色儀核心元件的衍射光柵是一種多級衍射元件，這導(dǎo)致了利用光柵單色儀獲得的‘單色光束’不可避免地混有波長為目標(biāo)波長整數(shù)分之一的所謂‘高次諧波組分’。高次諧波組份的存在顯而易見地降低了單色光束的光譜純度，為光譜分析技術(shù)的應(yīng)用帶來很大的技術(shù)困擾并增加了應(yīng)用成本。諧波組份因而也被稱作諧波污染。”中國工程物理研究院激光聚變研究中心研究員曹磊峰如是說。
　　
　　據(jù)了解，解決高次諧波污染的通用做法是，在單色儀的輸出光路中插入抑制諧波組分的窄帶濾光片，將輸出光束中不期望存在的高次諧波濾除掉。
　　
　　“濾光片的引入，增加了光柵單色儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和使用成本。針對不同波長的光，還需要選擇不同設(shè)計的濾光片以達到良好的使用效果。在電磁波譜自真空紫外至軟X射線的波長區(qū)域，高次諧波污染的問題尤其難以解決。”曹磊峰說，而且在這一波長區(qū)域，任何材料均對其有非常顯著的吸收。在這一波段，對不同波長的光束設(shè)計和選擇合適的濾片非常困難而且相當(dāng)昂貴，同時還不得不忍受對目標(biāo)光束亮度的顯著衰減。
　　
　　為此，科學(xué)家進行了不懈的探索。他們在真空紫外至軟X射線波長區(qū)域抑制高次諧波污染的采用的做法，目前包括氣室法，濾片法和反射鏡法等等。這些做法，在顯著增加真空紫外至軟X射線波段單色儀的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和使用成本的同時，無一例外地會顯著衰減目標(biāo)波長光束的亮度并影響光束質(zhì)量。
　　
　　中國工程物理研究院激光聚變研究中心和中國科學(xué)學(xué)院微電子所合作另辟蹊徑，以自主研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的單級衍射光柵，替代具有多級衍射特征的傳統(tǒng)衍射光柵，從源頭上消除了光柵單色儀的高次諧波組分，以單級衍射光柵開發(fā)的新型單色儀，不再需要在輸出光路上附加諧波抑制組件或措施。
　　
　　然而這一重大成果的背后，是科研人員數(shù)十年如一日的實驗、攻關(guān)。
　　
　　2002年曹磊峰在其博士論文中提出了利用二值化正弦透過率函數(shù)實現(xiàn)X射線單級衍射光柵的建議。此后的十幾年中，他與中科院微電子所謝常青合作，分別帶領(lǐng)自己的團隊集智合作研制成功了這種前所未有的新型色散元件，并在慣性約束聚變激光等離子體診斷中得到了重要應(yīng)用。
　　
　　重大成果研發(fā)成功后，如何推廣應(yīng)用，使其發(fā)揮更大的社會價值，是曹磊峰著急的事。
　　
　　2012年，曹磊峰團隊與大恒(集團)有限公司、中科院微電子所、同濟大學(xué)、清華大學(xué)、中科院高能物理研究所、中科院空間中心、四川材料工藝應(yīng)用研究所聯(lián)合申請獲批了科技部國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項，協(xié)同攻關(guān)、合作研制開發(fā)軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀，并推動這種基于新型色散原件的新型科學(xué)儀器設(shè)備的工程化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
　　
　　經(jīng)過兩年的躬行實踐，2014年底，項目組研制的國際首臺軟X射線/極紫外無諧波光柵單色儀調(diào)試成功，在不附加任何諧波抑制措施的情況下輸出光束的光譜純度達到99.7%，領(lǐng)先于國際同類設(shè)備附加諧波抑制措施所能達到的最好水平(99%)。
　　
　　2016年5月止，項目組又先后研發(fā)了多臺無諧波光柵單色儀，其中有兩臺已調(diào)試成功準(zhǔn)備投入應(yīng)用，其他的也處于緊張的加工、裝調(diào)階段。
　　
　　“單級衍射光柵的問世為光源單色化和光譜分析技術(shù)帶來了新的技術(shù)機遇，光柵單色儀開啟了‘無諧波’污染的新的歷史階段。”曹磊峰說，雖然數(shù)十年如一日，探索單級衍射光柵的世界，枯燥而辛勞，但是看到它的問世，并走向產(chǎn)業(yè)化，這讓他十分欣慰，未來他將繼續(xù)上下而求索，在光柵單色儀領(lǐng)域中更加求真求新。
　　
　　（原標(biāo)題：光柵單色儀開啟無諧波污染時代）