ЛЕКЦИЯ
КЛАССИЧЕСКИЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Назначение спектральных приборов – выделение узких спектральных интервалов излучения с разрешением Δλ/λ=102 – 107. Давно известны и наиболее распространены спектральные приборы с пространственным разделением длин волн. Такие приборы называют классическими. Принципиальная базовая схема классического спектрального прибора включает в себя: входное отверстие (входную щель), коллимирующий объектив (коллимирующий объектив и входное отверстие – это входной коллиматор), диспергирующий элемент, камерный объектив, выходное отверстие (выходная щель). Исследуемое излучение направляется во входное отверстие. Спектр наблюдается в фокальной области камерного объектива, где располагается выходное отверстие. В приборах с диспергирующим элементом без осевой дисперсии (призма, решетка), разложение в спектр происходит в одной плоскости.
Классические спектральные приборы можно разделить на следующие группы:
a. Спектроскопы – простейшие спектральные приборы для визуального наблюдения спектра с окуляром на выходе. Стилоскоп - прибор для качественного визуального анализа качества стали.
b. Спектрографы - спектральные приборы для фотографирования спектра. Они имеют в фокальной плоскости камерного объектива кассету для фотопластинки.
c. Монохроматоры - спектральные приборы для выделения излучения в заданном спектральном интервале. в фокальной плоскости камерного объектива монохроматора расположена выходная щель. Как правило, монохроматоры имеют устройство для сканирования спектра. Камерный объектив в сочетании с выходным отверстием – выходной коллиматор. Монохроматор с несколькими выходными щелями – полихроматор.
d. Монохроматоры (полихроматоры) со встроенным источником света и приемниками оптического излучения – спектрометры (квантометры) или спектрофотометры (выходные данные в единицах оптической плотности).
Щелевые
спектральные приборы имеют входное отверстие в форме щели. На выходе получается
совокупность монохроматических изображений входной щели – спектральные линии. В
приближении геометрической оптики ширина - s/ и высота выходной щели -h/ равны:
(1)
Здесь Г – угловое увеличение диспергирующего элемента.
Спектральное качество прибора определяется угловой дисперсией диспергирующего элемента – dΘ/dλ, задающей изменение угла отклонения светового пучка при изменении его длины волны. На выходной щели угловая дисперсия преобразуется в линейную дисперсию:
(2)
dl - смещение монохроматического изображения входной щели при изменении длины волны на dλ. Часто употребляется термин обратная линейная дисперсия – dλ/dl.обычно в единицах [нм/мм]. Областью дисперсии называют область длин волн, где имеется однозначная связь между длиной волны входного излучения и ее положением в спектре на выходе прибора. спектральный прибор обладает фотометрическими свойствами – светосилой, которая есть коэффициент пропорциональности между яркостью источника света и непосредственно измеряемой энергетической величиной – потоком или освещенностью.
Разрешение классических спектральных приборов. Аппаратная функция. Разрешающая способность R=l/dl характеризуется минимальным интервалом между близкими монохроматическими линиями l и l+dl, которые еще можно разделить на выходе. Аппаратная функция для щелевых приборов – это форма изображения входной щели с учетом пространственного распределения выходного потока при освещении входной щели монохроматическим излучением. Предельная разрешающая способность классических спектральных приборов ограничена дифракцией света. Учитывается дифракция на действующем отверстии прибора (на апертурной диафрагме, которой обычно является диспергирующий элемент прибора). Практически достаточно принять во внимание дифракцию Фраунгофера на бесконечно длинной щели, поскольку камерный объектив отображает диспергирующий элемент на бесконечность по отношению к выходной щели. Результирующее поле на бесконечности дается суммой вторичных цилиндрических волн от каждого участка диспергирующего элемента:
(2)
В конечном ответе учтено, что рассматривается дифракция на малые углы. Распределение интенсивности в зоне регистрации будет следующим:
(3)
В формуле (3) считаем, что дифракционно ограниченное изображение монохроматического излучения перпендикулярно оптической оси. При учете наклона плоскости регистрации - ε¹p/2 (для компенсации хроматической аберрации) размер изображения увеличится на фактор 1/Sinε. Предельная разрешающая способность R=l/dl спектрального прибора определяется с учетом (1) и (3):
(4)
В формуле (4) для определения предельной разрешающей способности применен критерий Рэлея – две спектральных линии одной интенсивности считаются разрешенными если максимум пространственного распределения интенсивности одной линии совпадает с ближайшим нулем другой линии. Дифракционная аппаратная функция относится к идеальному случаю бесконечно тонкой входной щели и отсутствию каких либо геометрических искажений спектра. В реальных приборах изображение монохроматической спектральной линии дополнительно искажается конечной шириной входной щели, аберрациями оптической системы, погрешностями регистрации спектра (рассеянием света в фотоэмульсиях, инерционностью фотодетекторов).
Дифракционная аппаратная функция возникает в случае бесконечно тонкой светящейся нити (входная щель). Для входной щели конечного размера аппаратная функция – сумма дифракционных изображений (s′ - изображение входной щели в приближении геометрической оптики, интегрирование по y - по координатам изображения):
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.