Исследование оптических спектров, страница 3

Спектры излучения и пропускания на практике исследуются с помощью монохроматоров, имеющих обычно в качестве диспергирующих элементов призму либо дифракционную решетку. Диспергирующий элемент преобразует спектральное распределение исследуемого излучения, попадающего во входную щель монохроматора шириной d, в пространственное распределение. Посредством перемещения диспергирующего элемента в выходную щель поочередно направляются составляющие излучения с различающимися λ. Выходная оптика монохроматора проецирует изображение входной щели в плоскость выходной, поэтому используются одинаковые входная и выходная щели. В дифракционном монохроматоре фукции диспергирующего элемента и выходной оптики выполняет вогнутая дифракционная решетка. Вид экспериментально зарегистрированного спектра определяется, в значительной мере, способностью монохроматора различать отдельные близкорасположенные составляющие с различными длинами волн λ₁ и λ₂.

Чем меньше величина d, тем более узкий участок пространственного спектра попадет в выходную щель и тем выше разрешение монохроматора. Уменьшение d ограничивает дифракция. На практике, любой монохроматор в силу на конечности величины d и оптических аберраций трансформирует идеальное монохроматическое излучение в спектральную линию, форма которой описывает так называемую аппаратную функцию монохроматора. Шириной аппаратной функции на половинном уровне Δλ₀ = f (λ) определяется минимальный интервал λ₁ … λ₂, разрешимый с помощью данного монохроматора. При прочих равных условиях Δλ₀ тем меньше, чем сильнее пространственное разделение различных длин волн в плоскости выходной щели, т. е. чем больше угловая дисперсия диспергирующего элемента.

Средние по параметрам серийные призменные монохроматоры обеспечивают Δλ₀ ~ 10 нм при d = 0,1 ... 0,2 мм, а дифракционные – имеют Δλ₀ на уровне десятых долей нанометра. Таким образом, реальная линия излучения, которая, например для разряда низкого давления, составляет Δλ ~ 3·10^{– 3} нм, будет уширена до Δλ₀ и иметь в идеале вид аппаратной функции монохроматора. Центры реальной линии и аппаратной функции совпадают. Это обстоятельство служит основой для калибровки монохроматора. В качестве калибровочного  можно использовать излучение, например гелий-неонового лазера с λ = 632,8 нм или достаточно интенсивные линии излучения ртутного разряда низкого давления с длинами волн 434 нм и 546 нм. При автоматической записи спектра (к примеру, с помощью самопишущего вольтметра) узкие регистрируемые линии излучения уширяются дополнительно за счет механической инерционности прибора. При регистрации линий с малой Δλ с помощью ЭВМ важную роль начинает играть инерционность фотоприемного усройства (ФПУ) монохроматора.

Для оценки возможностей монохроматора различать отдельные близкорасположенные линии с длинами волн λ₁, λ₂ используют также параметр λ₁/ Δλ₀, называемый разрешающей способностью прибора.

При регистрации с помощью монохроматора какого-либо спектра истинное значение спектральной функции I_λ = f (λ) на выбранной длине волны искажается за счет селективности спектральных свойств фотоприемника и пропускания оптического тракта. Экспериментальный спектр, зарегистрированный фотоприемником монохроматора, называют редуцированным, т. е. приведенным, пересчитанным с учетом спектральной характеристики всего оптического тракта монохроматора ν_мхр (λ) = τ_о (λ) ν_ФПУ (λ), где τ_о (λ) – спектральный коэффициент пропускания оптической системы монохроматора; ν_ФПУ (λ) – относительная спектральная чувствительность фотоприемного устройства. Для конкретной длины волны редуцированная плотность мощности I_ред = ν_мхр (λ) I_λ (λ). Тогда истинный спектр может быть рассчитан как