设计和选择一套真空紫外光谱仪的关键在哪?

设计和选择一套真空紫外光谱仪的关键在哪?

真空紫外一般指1-200nm波长的光谱,因为这段光谱在空气中会被吸收,需要真空环境,因此称之为真空紫外(Vacuum Ultra-Voilet).需要真空环境,是真空紫外光谱系统的第一个特点.
如果将光谱换做能谱,真空紫外1-200nm相当于6.2-1240eV,紫外可见近红外200-1000nm相当于1.24-6.2eV,我们可立即发现真空外光谱的第二个特点：能量跨度非常大,3个量级!这给光学元件设计带来了不小的困难.
反射镜和光栅多采用金属镀膜,来实现较宽光谱范围的高反射率.但这一点在1-200nm范围遇到了问题.所有金属膜在1-200nm内反射率都偏低.因此真空紫外光谱系统首要问题不是如何提高分辨率等指标,而是能不能测到信号?幸运的是,材料的反射率随着入射角的增大而增大.因此真空紫外光谱系统的第三个特点是：多采用掠入射光路设计.
那么是否采用掠入射光路设计就解决问题了呢?恰恰相反,它引入了真空紫外光谱系统一个更复杂的难题,“像差”.像差是什么?简单地说,由于像差的存在,光在进入入射狭缝即“物点”,经过光学光谱系统传输到达像面(探测器面),即“像点”,“像点”相对“物点”发生了形变,主要是面积的无规则变大和离焦.大家都知道出射狭缝的尺寸一般等于入射狭缝尺寸,采用多通道探测器时,像元尺寸也是规则的矩形.“像点”的无规则增大必然导致两个问题：一是当采用出射狭缝时,大量信号被出射狭缝遮挡无法被探测器接收,二是当采用多通道探测器时,光信号光弥散到错误像元被探测器接受,引起杂散光,降低分辨率.
麻烦之处还体现在像差随入射角的增加非线性增大.因此真空紫外光谱系统中的像差远比紫外可见近红外光谱系统中严重的多,它会导致分辨率和光通量严重偏离近轴光学理论体系得到的结果,指标成倍,甚至成数量级降低.
因此我们得到真空紫外光谱系统的关键点：如何“消像差”.简单地说,消像差就是通过对光栅(反射镜,如果存在)的设计,尽可能使“像点”恢复接近“物点”原来的“样子”,使更多宝贵的光信号顺利通过出射狭缝,或进入正确的探测器像元位置.
采用消像差光栅,能兼顾反射效率和通光效率,提升系统总光通量.鉴于以上,设计或选择一台真空紫外光谱仪要注意以下5点：
1/ 100-200nm选择小角度入射光路设计,减小像差.
2/ 100nm以下,选择掠入射光路,并尽可能采用凹面光栅.因为凹面光栅可以减少镜子的使用,从而大大降低反射导致的能量损失.
3/ 凹面光栅有非消像差和消像差,等线距和变线距,球面和非球面之分,如果有条件,尽可能采用消像差、非球面、变线距光栅.法国HORIBA Jobin Yvon凭借先进的全息技术,早在1975年研制成功超环面光栅,减少球面像差和像散.1995年研制成功变线距光栅,2005年研制成功变刻槽深度光栅,有效解决真空紫外光谱系统的像差问题.现如今他们可以将这些技术灵活运用,根据实际需求,通过合理的光学设计将真空紫外光谱系统的总光通量和分辨率提升到一个新的高度.
4/ 真空紫外光谱系统在运行时必须一直保持真空,所有实验需一气呵成.如果在测试过程中需要切换光栅,最好可实时真空中切换.否则破真空更换光栅,既增加了损伤光栅和光谱仪的概率,放气和抽气也浪费了大量的时间.
总而言之,如果装载两块或两块以上的光栅,从实用性角度考虑,强烈推荐选择有真空切换光栅能力的真空紫外光谱系统.
5/ 真空紫外光谱系统大多使用消像差光栅,由于消像差光栅设计和制造的复杂性,并不像普通光栅有几十种上百种可以任意选择.因此当设计和选择真空紫外光谱系统时,要考虑未来的拓展性,就一定要考虑未来还能买到什么样的光栅做升级.通过购买新光栅加入到原有光谱系统是一种性价比最高的升级方式,但这一点需要在购买时就要考虑到.