Дифракционные спектральные приборы с плоскими решетками

В дифракционных спектральных приборах с плоскими решетками в отличие от призменных приборов всегда используются зеркальные объективы. Поэтому при наличии сменных решеток с разным числом штрихов на один миллиметр они могут использоваться в широкой области спектра. Разрешающая способность и светосила приборов с плоскими решетками достигает наивысших для щелевых приборов величин. Это обусловлено тем, что геометрические размеры плоских решеток могут быть весьма велики, то есть общее число штрихов решетки N имеет высокие значения. Кроме того, угловая дисперсия решеток обычно превышает угловую дисперсию призм, поэтому можно использовать более широкие щели.

Конструктивное исполнение приборов с плоскими дифракционными решетками различно. Для приборов с высокой линейной дисперсией используется схема Эберта (рисунок 5). Функции коллиматорного и камерного объективов в ней выполняются различными частями одного и того же вогнутого зеркала.

Схема Эберта используется в длиннофокусных дифракционных приборах. В более короткофокусных светосильных приборах предпочтительнее использовать схему Черни-Тернера (рисунок 6), в которой используются два раздельных (коллиматорное и камерное) зеркала. При этом уменьшается астигматизм, обусловленный большими углами падения пучков на зеркало.

В современных спектральных приборах, созданных на основе схемы Черни-Тернера, используется автоколлимационная система, в соответствии с которой обеспечивается двукратное отражение пучка от дифракционной решетки. При этом линейная дисперсия и разрешающая способность прибора увеличиваются вдвое. Например, монохроматор с зеркальными объективами, фокусное расстояние которых равно 1,5 метра, и голографической дифракционной решеткой 2400 штрихов на один миллиметр характеризуется разрешающей способностью ~400000 и линейной дисперсией ~10^-1 нм/мм.

Дифракционные спектральные приборы с вогнутыми решетками

В 1882 году Роуланд предложил совместить фокусирующее действие вогнутого зеркала с диспергирующими свойствами нарезанной на его поверхности дифракционной решетки (вогнутая дифракционная решетка). При этом в оптической схеме спектрального прибора остается одна отражающая поверхность – поверхность решетки. Вогнутые решетки незаменимы в далекой УФ области спектра, для которой нет подходящих материалов для линз, а отражающая способность зеркал очень мала, и интенсивность излучения после нескольких отражений становится ничтожно малой.

В основе большинства вариантов оптических схем приборов с вогнутыми решетками лежит круг Роуланда. Особенность этих схем состоит в том, входная щель, дифракционная решетка и приемник излучения расположены на окружности определенного радиуса.

Схема Пашена-Рунге. В этой схеме используется весь круг Роуланда, на котором жестко закреплены входная щель и решетка (радиус кривизны решетки ~2 м). Спектр фокусируется на значительной длине окружности. Регистрация спектра осуществляется посредством большого количества выходных щелей, которые можно настраивать на определенные спектральные линии. Такие приборы являются многоканальными (квантометры).

Схема Сейя-Намиока. Сферическая дифракционная решетка, входная и выходная щель расположены на круге Роуланда. Сканирование спектра осуществляется вращением решетки (рисунок 7).

Рисунок 7 – Схема Сейя-Намиока

Угол между осями падающего и дифрагированного пучков равен 70°. Расстояние между входной щелью и решеткой, а также решеткой и выходной щелью определяются из условия наименьшего отклонения этих расстояний при повороте решетки. Например, в приборе с решеткой с радиусом кривизны 1 м и 600 штрихов на один миллиметр поворотом решетки на 15° можно получить на выходной щели любую длину волны в области спектра от вакуумной ультрафиолетовой до 700 нм при расфокусировке не более 0,07 мм. Использование решеток с торроидальной поверхностью позволяет уменьшить астигматизм.

Приборы, основанные на круге Роуланда, используются в вакуумной области спектра (50 -190 нм).

Преимущества дифракционных приборов:

• возможность использования в широком спектральном диапазоне (включая вакуумную ультрафиолетовую область);

• более высокие значения разрешающей способности, линейной дисперсии

• при одинаковых значениях разрешающей способности призмы и решетки светосила решетки на порядок выше, чем у призмы.

Недостатком дифракционных приборов в сравнении с призменными является более сильная зависимость коэффициента пропускания от длины волны.