II.7.2 Спектральные призмы

Спектральная призма - пространственный многогранник, изготовленный из прозрачного для данного спектрального диапазона материала с достаточно высокой дисперсией.

Рис. II.8. Спектральная призма

На рис. II.8 изображена схема пространственного разделения луча света, состоящего из двух монохроматических лучей (₁ и ₂), на два луча при его прохождении через треуголь-ную призму. Можно выделить следующие основные параметры призмы как диспергирующего элемента:

Показатель преломления n=sin i₁ / sin i₂. Для всех веществ, используемых для изготовления диспергирующих элементов, наблюдается уменьшение показателя преломления с увеличением длины волны. Это приводит к уменьшению угловой дисперсии призмы - спектральные линии при одинаковых интервалах  будут расположены ближе друг к другу - т.е. хуже разрешены, что затрудняет работу со спектром.

Угловая дисперсия призмы

D_=2sin(A/2)/(1-n²sin²(A/2))^1/2dn/d=(T/b) dn/d (II.12)

пропорциональна дисперсии показателя преломления. Из формулы (II.12) следует, что угловая дисперсия тем больше, чем больше показатель преломления и чем больше угол в вершине призмы. Однако угол при вершине призмы нельзя увеличивать больше определенного значения. Это связано с тем, что при больших значениях этого угла луч света после преломления не выходит из призмы - наблюдается полное поглощение света. Обычно максимальный угол находится в пределах 64 - 84^.

Теоретическая разрешающая способность R₀=TD_. На разрешающую способность призмы влияют ее геометрические размеры. Практически размеры призм ограничиваются изотропностью материала, из которого они изготовлены.

Материал для изготовления призмы должен обладать достаточно высокой дисперсией показателя преломления, быть прозрачным в рабочей области спектра, 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. Например, для видимой части спектра достаточно прозрачны кварц и оптическое стекло, но показатель преломления кварца для этой области значительно ниже, чем у стекла. Поэтому для работы с видимым спектром применяют призмы из специальных оптических стекол с большим показателем преломления (тяжелые стекла, содержащие свинец), например из флинта или крона.

Оптические стекла практически непрозрачны для лучей с длиной волны менее 390 нм. Поэтому для получения спектров в ультрафиолетовой части спектра применяются призмы, изготовленные из кристаллического или плавленого кварца.

II.2.3. Дифракционные решетки

Дифракционной решеткой называется оптический элемент, представляющий собой совокупность большого числа параллельных, равноотстоящих друг от друга штрихов одинаковой формы, нанесенных на плоскую или вогнутую оптическую поверхность. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой периодическую структуру: штрихи с определенным и постоянным для данной решетки профилем повторяются через строго одинаковый промежуток t, называемый периодом решетки. На практике чаще пользуются величиной 1/t, называемой постоянной решетки и имеющей размерность штрихов/мм. Различают отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В настоящее время в спектральных приборах в основном применяют отражательные решетки. У таких решеток штрихи наносятся на зеркальную, обычно металлическую, поверхность, а наблюдение ведется в отраженном свете.

Существенным отличием дифракционной решетки от спектральной призмы является практическая независимость угловой дисперсии от длины волны. Для решетки угловая дисперсия увеличивается с уменьшением расстояния между штрихами

D_=k/tcos, (II.13)

где  - угол наклона падающего света относительно нормали к поверхности решетки, k - порядок дифракционного спектра, а разрешающая способность определяется общим числом штрихов N, т. е. геометрическими размерами решетки. Разрешающая способность также возрастает с увеличением порядка спектра:

R=Nk. (II.14)

Однако с ростом порядка спектра его интенсивность снижается пропорционально квадрату порядка. Для устранения этого недостатка используются дифракционные решетки с профилированными штрихами.

Рис. II.9. Профиль штрихов эшелетта

Эшелетт - отражательная дифракционная решетка, способная концентрировать дифрагированное излучение в спектре одного порядка, ослабляя остальные. Измене-ния распределения излучения по спектрам и высокой концентрации энергии в узкой спектральной области достига-ют, используя штрихи с треугольным профилем (рис. II.9). Угол наклона зеркальной грани (угол блеска) составляет 5 - 20.

Эшелле - отражательная дифракционная решетка, обеспечивающая концентрацию энергии дифрагированного излучения в спектрах высоких порядков (от 5 до 500). При относительно небольшом числе штрихов (10 - 100 штрихов/мм) для эшелле характерны очень высокие дисперсии и разрешающая способность. Профиль штриха этой решетки такой же, как у эшеллета, а угол блеска достигает 75.

Если штрихи нанести на поверхность вогнутого сферического зеркала, то получится дифракционная решетка, которая может служить одновременно в качестве диспергирующего элемента, а также камерного и коллиматорного объективов, так как обладает фокусирующими свойствами сферического зеркала. Такая решетка была предложена в 1882 году Роуландом. Оптическая схема спектрального прибора включает вогнутую дифракционную решетку, входную щель и регистрирующий элемент. Все детали оптической схемы расположены на окружности, называемой кругом Роуланда, диаметр которой равен радиусу кривизны решетки. Наряду с указанными преимуществами вогнутая решетка обладает существенным недостатком - астигматизмом, вследствие которого каждая точка входной щели изображается черточкой. Для устранения астигматизма требуется очень тщательная установка входной щели параллельно штрихам решетки.

Дифракционные решетки, применяемые для работы в различных областях спектра, различаются частотой и профилем штрихов, размерами, формой и материалом поверхности. Для ультрафиолетовой и видимой области наиболее типичны решетки, имеющие от 300 до 1200 штрихов на миллиметр. Штрихи на этих решетках выполняются на слое алюминия, предварительно нанесенном на стеклянную поверхность напылением в вакууме.

К преимуществам дифракционной решетки по сравнению с призмой можно отнести:

широкую область спектра;

малую зависимость угловой дисперсии от длины волны;

большую чем у призмы угловую дисперсию (исключение составляет область длин волн менее 250 нм, где кварцевые призмы дают сравнимые результаты);

простоту изготовления.

Недостатки дифракционных решеток следующие:

наличие нескольких дисперсионных порядков. Чтобы избавиться от этого недостатка, используют светофильтры или приборы со смешанной оптикой (комбинация решетки и призмы);

наличие “духов” - спектральных линий, которые наблюдаются в спектре, но отсутствуют в источнике. Это явление связано с дефектами изготовления решетки.