ТЕМА 3

Спектральные приборы и их основные оптические характеристики.

Спектрометры для регистрации спектров источников излучения и спектров вторичного свечения

Принцип устройства спектральных приборов

Большинство имеющихся источников света испускают сложное по спектральному составу излучение. Задача спектрального прибора состоит в том, чтобы сложное излучение разложить на составляющие по частотам или по длинам волн. Для этой цели могут быть использованы такие физические явления, как: дисперсия с многолучевой интерференцией, многолучевая интерференция.

Рис. 3.1. Зависимость n( при нормальной дисперсии

Дисперсия света обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны . В спектральных приборах используется нормальная дисперсия, когда показатель преломления сравнительно медленно уменьшается с увеличением длины волны (рис. 3.1).

Зависимость показателя преломления от длины волны может быть с достаточным приближением выражена формулой Коши

,

где А, В, С — некоторые постоянные, зависящие от рода вещества, или формулой Гартмана

,

где , , C — постоянные величины.

На основе явления дисперсии построены все призменные спектральные приборы. Диспергирующим элементом таких приборов является одна или несколько призм.

Дифракция света обусловлена волновой природой света и возникает при различном ограничении волновой поверхности. Наиболее простым случаем является дифракции в параллельных лучах. Именно этот случай дифракции лежит в основе построения дифракционных спектральных приборов. В этих приборах используется явление дифракции в параллельном пучке от большого числа одинаковых щелей, составляющих дифракционную решетку. При этом явление дифракции сопровождается еще интерференцией многих лучей, вследствие чего имеют место резкие и узкие дифракционные максимумы, соответствующие различным углам дифракции и длинам волн (рис. 3.2). Следовательно, дифракционная решетка так же, как и призма, выполняет роль разделителя по длинам волн.

Многолучевая интерференция основана на интерференции многих пучков при отражении света от двух плоских поверхностей, имеющих высокий коэффициент отражения (рис. 3.3). Параллельные лучи разных точек источника света дают в фокальной плоскости линзы интерференционные полосы равного наклона. За счет высоких порядков интерференции приборы, построенные на этом принципе, обладают узким свободным спектральным интервалом и малой шириной спектральных максимумов — малой приборной шириной, что и определяет их название — приборы высокой разрешающей способности.

Типы спектральных приборов

В практической спектроскопии существует следующая классификация спектральных приборов

1. По типу оптической схемы

• обычные приборы, имеющие отдельно коллиматорную (входную) и камерную (выходную) трубы

• автоколлиматорные приборы, в которых конструктивно совмещены коллиматор и камера.

2. По принципу диспергирования

• призменные приборы

• приборы с дифракционными решетками

• интерференционные приборы.

3. По назначению

• монохроматоры, выделяющие узкую спектральную область или спектральную линию

• полихроматоры, выделяющие широкую или одновременно несколько узких областей спектра или несколько спектральных линий

• спектрографы и спектроскопы, позволяющие получать или наблюдать одновременно широкие области спектра

• спектрометры — приборы, сканирующие спектры при помощи фотоэлектрического, теплового приемника, ПЗС-линейки и регистрирующего устройства (компьютера).

4. По способу регистрации спектра

• визуальные (спектроскопы)

• фотографические (монохроматоры, полихроматоры).

5. По области спектра

• для инфракрасной области

• для видимой области

• для ультрафиолетовой области

• для вакуумной области.