上海光源紅外束線中CVD金剛石窗的參數(shù)對紅外透射率的影響

黃君藝 陳 敏 佟亞軍 吉 特 張增艷 肖體喬

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

紅外光譜學(xué)技術(shù)在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1,2]。一些物質(zhì)氣體分子的振動轉(zhuǎn)動譜，大分子(如蛋白質(zhì)、核酸、醣類、脂類及生物膜結(jié)構(gòu)等)的振動轉(zhuǎn)動譜，晶態(tài)、非晶態(tài)固體的聲子譜，電子能譜都在紅外波段。研究這些紅外光譜可知道物質(zhì)的成份、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等，并能進(jìn)行定性和定量分析。同步輻射光源克服了傳統(tǒng)紅外光源亮度低的缺點，極大提高了紅外光譜的信噪比，亮度比傳統(tǒng)黑體輻射光源高三個數(shù)量級以上。目前，國外同步輻射中心(如ALS[3], NSLS[4], Spring8[5], Soliel[6], CLS[7]等)共建有數(shù)十條紅外線站。我國合肥同步輻射光源也建有一條紅外光束線[8]。

在同步輻射紅外光束線站中，儲存環(huán)為超高真空，而實驗站通常工作在高真空，為隔離儲存環(huán)和實驗站間的高低真空，需在束線中插入一個隔離窗來實現(xiàn)。由于天然金剛石窗價格昂貴，目前國際上紅外束線大多采用 CVD金剛石作為隔離真空的窗口。上海光源正在建設(shè)的BL01B紅外光束線也采用CVD金剛石作為隔離窗。金剛石窗有一定厚度，光束入射該窗口，部分光束在前后表面間發(fā)生多次反射，反射光相互干涉后導(dǎo)致不同波數(shù)的透射率發(fā)生變化。同步輻射紅外實驗站通常采用傅里葉變換光譜儀，對光強(qiáng)的變化非常敏感。為盡可能降低這種影響，需采取一些措施，因此，將CVD金剛石窗加工成具有一定楔角的楔型結(jié)構(gòu)，以盡量降低這種影響。本文結(jié)合上海光源BL01B的光源特性，對金剛石窗的各個參數(shù)對紅外透射率的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析，為同步輻射紅外光束線的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 前后面平行的CVD金剛石窗對紅外光束的影響[9]

光束經(jīng)過 CVD金剛石窗時，前后表面會發(fā)生多重反射(圖 1)。金剛石對整紅外波段的折射率n=2.38(n隨波長變化，但變化之小可認(rèn)為定值)，設(shè)厚度為d，均勻光照且垂直入射。

圖1 CVD金剛石窗多重反射示意圖Fig.1 Multiple reflections in the CVD diamond window.

從真空入射到金剛石界面的振幅透射率T1與從其界面出射到真空的振幅透射率T2為：

從金剛石界面到真空的振幅反射率R為：

用E0表示初始光波場，則傳播至第一界面后的光波場E1為：

傳播到第二界面(即傳播了距離d)后，E1的位相變化是exp(2πind/λ)，λ表示波長，忽略金剛石的吸收，光波場變?yōu)椋?/p>

顯然，部分光波會在第二界面反射，再傳播到第一界面又產(chǎn)生反射光，如此反復(fù)，形成多重反射。而第一次射出金剛石的光波場E2(1)為：

經(jīng)計算可得到第m次射出金剛石的光波場為：

于是總的出射光E2為：

出射光與初始入射光的光強(qiáng)之比為：

其中波數(shù)k=1/l。圖2為均勻光照下，用式(8)計算所得透射率隨波數(shù)的變化曲線，在0.5和1之間呈周期性變化，平均透射率是0.714(圖中虛線)。

圖2 前后面平行，厚度0.6 mm，直徑25 mm的CVD金剛石窗透射率隨波數(shù)的變化曲線Fig.2 Transmission as a function of wavenumber for a plane-parallel CVD diamond window with a thickness of 0.6 mm. The average transmission is 0.714(dash line).

這種由多重反射現(xiàn)象引起的透射率周期性變化會對光束進(jìn)行有害地調(diào)制，必定會給光譜帶來噪聲，最終影響光譜質(zhì)量。

2 有楔角的CVD金剛石窗對光束的影響

透射率隨波長變化的波動小，對實驗光譜不會產(chǎn)生較大影響。將 CVD金剛石加工成有楔角的形狀(圖3)能很好抑制透射率變化[10,11]。

圖3 有楔角的金剛石示意圖Fig.3 A CVD diamond window with wedged angle.

用d(x,y)描述有楔角的CVD金剛石厚度變化，則式(8)變?yōu)椋?/p>

T(x,y,k)表示波數(shù)為k時點(x,y)處的透射率，于是總的透射率為：

圖 4是均勻光照下(即U0(x,y,k)為常數(shù))不同楔角時 CVD金剛石透射率隨波數(shù)的變化曲線，隨著楔角引入，透射率變化幅度變得平穩(wěn)，楔角越大，效果越好，越接近平均值。圖5為紅外和近紅外波段透射率隨波數(shù)變化曲線，可見周期性變化幅度很小(僅0.2%)。因此，有楔角的金剛石對透射率的影響主要集中在遠(yuǎn)紅外波段。

圖4 楔角為0.5°, 1°和1.5°下CVD金剛石透射率隨波數(shù)的變化曲線Fig.4 Transmission vs wavenumber for a CVD diamond window with wedged angles of 0.5°, 1° and 1.5°.

圖5 中紅外(a)和近紅外(b)波段，透射率隨波數(shù)的變化曲線Fig.5 Transmission as a function of wavenumber in MIR(a) and NIR(b).

3 上海光源紅外光束線模擬光斑形狀及其對透射率的影響

以上計算均基于均勻光照的情況，然而實際光束是不均勻的，故須結(jié)合實際的光斑計算。基于設(shè)計參數(shù)，用SRW軟件[12]模擬了上海光源BL01B紅外光束在 CVD金剛石處的光斑形狀，計算透射率變化，以便真實模擬CVD金剛石對透射率的影響。

圖6是用SRW模擬出的光斑形狀，由于采用邊緣輻射，光束形狀與傳統(tǒng)彎鐵光源的光束形狀明顯不同。圖7為波數(shù)在10-40 cm–1時透射率的變化，可見增大楔角可明顯降低紅外透射率的波動。楔角為0.5°時，透射率變化最大位置在11.5 cm–1附近，相對于平均值變化了 9.2%；楔角為 1°時，僅為2.7%(相對于平均值0.714)。

圖6 SRW模擬得到的在CVD金剛石處的光斑形狀，波數(shù)分別在 20 cm–1(上)和 40 cm–1(下)Fig.6 Profile at CVD diamond calculated by SRW with wavenumbers of 20 cm–1 (above) and 40 cm–1 (below).

圖7 用模擬光斑計算得到的透射率隨波數(shù)的變化曲線Fig.7 Transmission as a function of wavenumber calculated by simulated spots.

圖6還表明，在遠(yuǎn)紅外波段，光斑形狀并非圓對稱，而是在水平方向?qū)ΨQ。有楔角的金剛石厚度會變化，不同安裝角度(金剛石厚度變化幅度最大方向和水平方向的夾角)對透射率有一定影響，故需研究不同安裝角度下金剛石窗對紅外透射率的影響。

圖8是楔角為1°時不同安裝角度的紅外透射率變化，并用標(biāo)準(zhǔn)差評價透射率的變化幅度，可見安裝角度為90°時，透射率變化幅度最小。

圖8 楔角為1°，不同安裝角度下透射率隨波數(shù)的變化(a)和標(biāo)準(zhǔn)差隨安裝角度的變化(b)Fig.8 Transmission vs wavenumber (a) and standard deviation vs installation angle (b)at different installation angles, with a wedged angle of 1°.

由式(8)得到透射率的調(diào)制周期為P(cm–1) =1/(2nd), 其中，n是CVD折射率，d是CVD金剛石窗的厚度(對于有楔角的金剛石是平均厚度)，所以厚度主要影響透射率的變化周期。對于圖2的金剛石調(diào)制周期約為3.5 cm–1。CVD越厚，吸收就越大，會降低通量，因此只要厚度能達(dá)到所需的抗斷強(qiáng)度即可，6 mm的CVD金剛石即能滿足該條件。

楔角使金剛石厚度發(fā)生變化，楔角越大，厚度變化越大，透射率變化越小；同樣，金剛石直徑越大，對于一定的楔角，厚度變化就越大，效果也越好。此結(jié)果是建立在光斑足夠大前提下，一般只要金剛石尺寸和光斑大小相匹配即可。

4 結(jié)語

本文討論了CVD金剛石對紅外光束的影響，主要體現(xiàn)在金剛石前后面的多重反射現(xiàn)象使透射率周期性變化。通過把 CVD金剛石加工成楔型，能很好抑制透射率過大變化，使其平穩(wěn)。用上海光源紅外線站的參數(shù)，通過SRW模擬出CVD金剛石處的光斑形狀，計算出透射率變化。結(jié)果表明，在有楔角情況下，透射率的大幅度變化主要集中在遠(yuǎn)紅外波段，當(dāng)楔角為1°時，最大透射率變化為2.7%，是較好的結(jié)果；當(dāng)安裝角度是 90°時，透射率變化幅度比其他情況更小；在厚度和尺寸的選擇上，除了滿足抗斷強(qiáng)度外，CVD尺寸需和光斑大小匹配。

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