- •Дифракционная решетка
- •Принцип действия отражательной дифракционной решетки.
- •Спектры разных порядков.
- •Вогнутые решетки.
- •§ 22. Основные оптические характеристики спектральных приборов
- •§ 24. Основные принципы конструкции спектральных приборов
- •Щели; 4 — щель
- •§ 25. Спектрографы
- •Основные характеристики спектрографов
- •Действие антивиньетирующей линзы
- •§ 26, Фотоэлектрические приборы для эмиссионного спектрального анализа
Лекции 7-8
Рис.
60. Зависимость дисперсии показателя
преломления от длины волны для кварца
(1) и стекла (2)
Материал должен обладать достаточной дисперсией показателя преломления, быть прозрачным в изучаемой области спектра, быть прочным и легко поддаваться обработке, устойчивым к внешним воздействиям и при всем этом быть достаточно дешевым. Всем этим требованиям одновременно не удовлетворяет ни одно вещество. Поэтому материал для изготовления призм подбирают в первую очередь по оптическим характеристикам, т. е. учитывая его прозрачность и величину дисперсии показателя преломления. Например, для видимой части спектра достаточно прозрачны кварц и оптическое стекло, но дисперсия показателя преломления кварца для этой области значительно ниже, чем у стекла (рис. 60). (Зависимость показателя преломления n от длины волны λo называют законом дисперсии показателя преломления, или просто дисперсией показателя преломления. В природе дисперсия показателя преломления приводит к известному явлению радуги. В этом случае преломление света осуществляется в мельчайших капельках воды)
Поэтому для работы в видимом спектре применяют призмы из специальных оптических стекол с большим показателем преломления (тяжелые стекла, содержащие свинец), например из флинта или крона. Для УФ стекло непрозрачно, а кварц не только прозрачен, но и имеет большую дисперсию показателя преломления.
Для изучения УФ спектров применяют призмы из кристаллического или плавленого кварца.
Для изучения ИК спектров приходится пользоваться призмами из малопрочных и гигроскопических материалов, таких, как хлористый натрий, бромистый калий и т. п.
В вакуумном УФ прозрачны лишь очень немногие материалы. Практически пригодны для призм только фториды кальция и лития. Но и эти материалы прозрачны только до 110 нм.
Для еще более коротковолновой части спектра прозрачных материалов нет и призменные приборы здесь неприменимы.
Типы призм (рис. 61).
Помимо диспергирующих, в спектральных приборах применяются поворотные призмы, играющие вспомогательную роль.
Из диспергирующих призм наиболее распространена призма с преломляющим углом в 60°. Для УФ области применяется кварцевая призма Корню, составленная из двух призм с преломляющим углом в 30°, изготовленных из кварца разного вида (рис. 61, б). Необходимость такой призмы вызвана тем, что кварц обладает двумя нежелательными для действия призмы оптическими свойствами — двойным лучепреломлением и способностью вращать плоскость поляризации поляризованного света.
Рис.
61. Типы призм:
а
— 60-градусная;
б
— призма Корню;
в —
30-градусная с зеркальной катетной
гранью;
г
— постоянного отклонения;
д, е
— поворотные призмы
Очень кратко поясним сущность этих явлений. Световые волны представляют собой распространяющиеся во времени и пространстве электромагнитные колебания, в которых согласованно изменяются напряженность электрического и магнитного полей (рис. 62).
Рис.
62. Поляризация света
Способность кварца вращать плоскость поляризации поляризованного луча приводит также к ухудшению качества спектра из-за того, что угол поворота плоскости поляризации зависит от пути, пройденного светом в кристалле. Поэтому лучи данной длины волны, идущие в призме ближе к основанию, отклоняются иначе, чем лучи той же длины волны, но идущие ближе к вершине призмы. Следовательно, из призмы выйдет не параллельный монохроматический пучок, а расходящийся, что, естественно, ухудшает изображение спектра. Однако в природе есть кварцы двух видов — правовращающий и левовращающий. Один из них поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке, другой против. Это и используется в призме Корню: одна половина ее правовращающая, другая — левовращающая. Действие одной половины компенсируется действием другой : (см. рис. 61, б).
Диспергирующую призму с преломляющим углом в 30° и посеребренной ка’тетной гранью (см. рис. 61, в) свет проходит дважды в прямом и обратном направлениях. Поэтому угловая дисперсия такой призмы равна угловой дисперсии призмы с преломляющем углом 60°, изготовленной из того же материала. Кварцевая - 30-градусная призма работает аналогично призме Корню.
Из поворотных призм наиболее распространена прямоугольная равнобедренная призма (см. рис. 61, д), работающая по принципу полного внутреннего отражения. Свет входит в нее перпендикулярно катетной грани и, не преломляясь, падает на гипотенузную грань под углом 45°. Полностью отразившись от гипотенузной грани, выходит из призмы под углом 90° относительно первоначального направления. Широко используется призма, поворачивающая лучи света на 180° (см. рис. 61, е).
В приборах некоторых типов используют комбинированные призмы, к числу которых относится призма Аббе (см. рис. 61, г). Она состоит из трех призм—двух тридцатиградусных диспергирующих (ABC и CDE) и одной — поворотной (BDC). В призме Аббе направление диспергированного пучка света составляет прямой угол с направлением падающего пучка. Такая призма может быть легко изготовлена только из стекла, поэтому она и применяется в приборах, предназначенных для работы в видимой области спектра.
Дифракционная решетка
Разложение света в спектр дифракционной решеткой связано с явлениями дифракции и интерференции (Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения(суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности). В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Но если на пути световой волны имеется непрозрачная преграда, наблюдается дифракция, т. е. огибание волной преграды. На рис. 63 показано прохождение параллельного пучка лучей монохроматического света через узкую щель в непрозрачном экране. Если бы за щелью свет распространялся прямолинейно, в фокальной поверхности собирающей линзы, расположенной за экраном, оказалось бы резкое изображение щели, повторяющее форму щели и равноинтенсивное по всей ширине. В действительности в результате дифракции свет отклоняется от прямолинейного направления. Края щели являются преградой, и свет выходит из щели расходящимся пучком (рис.63а). От каждой точки щели лучи идут по всем направлениям. Параллельные пучки света, идущие от разных точек щели, собираются линзой в точки и интерферируют. Если фазы встретившихся в данной точке волн одинаковые (разность фаз равна нулю), результатом интерференции является усиление интенсивности света в этой точке. Если фазы противоположны — полное гашение. Разность фаз возникает вследствие того, что лучи одного направления проходят до места встречи разные расстояния. Для когерентных лучей разность расстояния принято выражать числом длин волн или числом полуволн называть разностью хода. Если разность хода ∆ двух встретившихся в данной точке лучей равна четному числу полуволн (целому числу длин волн), фазы одинаковые и результатом интерференции будет усиление интенсивности света. Условие максимума
при интерференции:
Рис.
63. Дифракция на узкой щели
(а) и
угловое распределение интенсивности
(б).
В точке
А
интенсивность максимальная в точках
В и В'
равна нулю
.
k — любое целое число: k = 1, 2, 3 ...
В результате дифракции и интерференции многих лучей происходит перераспределение энергии световой волны. На рис. 63,б показано угловое распределение энергии (интенсивности) при дифракции от одной щели шириной «а». Интенсивность света максимальна в направлении падающего пучка света (φ=0) и минимальна в направлении Аналогичная дифракционная картина наблюдается в случае, если параллельный пучок света под некоторым углом i падает на отражательную поверхность, размер которой сравним с длиной волны света. Благодаря дифракции от каждой точки зеркальной поверхности свет отражается по всем направлениям. Максимум интенсивности наблюдается для лучей, угол отражения которых равен углу падения i.
Дифракционная решетка представляет собой систему строго параллельных штрихов-канавок, нанесенных на отражательную поверхность. Основанием (подложкой) для решетки служит хорошо отполированная стеклянная пластинка. На нее нанесен слой хрома и поверх него — слой алюминия. На этой мягкой металлической поверхности нарезают штрихи одинаковой ширины, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Решетки бывают плоские и вогнутые. В настоящее время для получения УФ спектров применяют решетки — с 3600, 1800 и 1200 штрихов на 1 мм длины решетки, для видимой части спектра 600 и 1200 штр/мм, для ИК 300, 100 штр/мм. Общая площадь решетки обычно не превышает 150х100 мм2.
Один из простейших и распространённых в быту примеров отражательных дифракционных решёток — компакт-дискили DVD. На поверхности компакт-диска — дорожка в виде спирали с шагом 1,6 мкм между витками. Примерно треть ширины (0,5 мкм) этой дорожки занята углублением (это записанные данные), рассеивающим падающий на него свет, примерно две трети (1,1 мкм) — нетронутая подложка, отражающая свет. Таким образом, компакт диск — отражательная дифракционная решётка с периодом 1,6 мкм.