Что такое диспергирующий элемент? Принцип работы призмы.

Дисперсия – это результат разложения света сложного состава.

Основным элементом спектрального прибора, позволяющим разлагать излучение какого-либо источника в спектр, является диспергирующий элемент

Диспергирующий элемент определяет основные характеристики спектрального прибора – угловую и линейную дисперсию.

Угловая дисперсия – основная характеристика спектрального прибора, которая определяется как отношение изменения угла отклонения dφ к изменению длины волны dλ диспергируемого излучения.

Линейная дисперсия – другая важная характеристика спектрального прибора, которая равна отношению изменения линейного расстояния dl между спектральными линиями в плоскости камерного объектива к изменению длины волны dλ.

В спектральных приборах применяется два типа диспергирующих элементов - это спектральная призма и дифракционная решётка.

Принцип работы спектральной призмы.

i

Дисперсия света в призме осуществляется благодаря тому, что показатель преломления вещества призмы зависит от длины волны. На рис. через призму проходит световой пучок, состоящий из двух длин волн λ₁ и λ₂. Если λ_{1 <} λ₂, то уже на первой грани лучи разойдутся, т.к. показатели преломления для этих лучей разные. После преломления на второй грани угол расхождения Δφ ещё больше увеличится. Таким образом, световой пучок сложного состава после прохождения через призму распадается на пучки лучей разных направлений в зависимости от длин волн. Для каждой длины волны имеется свой угол отклонения φ.

Чем меньше длина волны, тем угол отклонения больше.

Фиолетовые лучи, например, отклоняются призмой сильнее, чем красные.

Волновые свойства света. Длина волны.

Свет обладает как карпускулярными, так и волновыми свойствами.

В одних явлениях наиболее ярко проявляются корпускулярные свойства света (фотоэффект), в других волновые – (диффракция, интерференция)

Все явления в которых наблюдается отклонение от закона прямолинейного распространения света, т.е. проникновение света в область тени, получили название дифракции света.

Если свет одной длины волны пропустить не через круглое отверстие, а через узкую щель, на экране вместо колец наблюдаются освещённые полосы, разделённые тёмными промежутками. Если же освещать экран светом сложного состава, то вместо светлых колец одного цвета, разделённых темными промежутками, будет наблюдаться чередование колец или полос разного цвета, т.к. положение максимумов освещённости для лучей разного цвета (разной длины волны) не совпадают.

Следовательно при дифракции света происходит разложение сложного света, т.е. имеет место дисперсия света.

Интерференция света – явление в процессе которого, при наложении двух и более лучей с одинаковой длиной волны встретившихся в какой-либо точке пространства, происходит усиление светового сигнала

Расстояние между точками с одинаковыми фазами колебаний называется длиной волны и обозначается буквой λ.

Принцип работы дифракционной решётки

Дифракционная решётка представляет собой стеклянную пластину, поверхность которой отполирована и покрыта отражающей плёнкой металла с нанесёнными не ней параллельно друг другу штрихами. Нанесение (нарезка) штрихов на зеркальной поверхности производится на специальном высокоточном станке, носящем название машины Роуланда.

Для получения ультрафиолетовых спектров применяют решётки с 3600, 1800 и 1200 штрихов на миллиметр

Для видимой части спектра 600 и 1200 штрихов на миллиметр

Для инфракрасной области спектра - 300 и 100 штрихов на миллиметр.

Наряду с плоскими дифракционными решётками в спектральных приборах достаточно часто применяются вогнутые дифракционные решётки, которые совмещают функции диспергирующего элемента и фокусирующих элементов - коллиматорного и камерного объективов.

λ₂

λ₁

2

N

1

1 – входная щель, 2 - решётка

Края канавок являются преградой и свет выходит из канавки расходящимся пучком. Затем параллельные пучки света, идущие от разных точек канавки собираются линзой и интерферируют.

Если фазы волн встретившихся в точке пространства одинаковы, результатом интерференции является усиление интенсивности света в этой точке.

Если фазы противоположны – полное гашение.

Δ

Δ₁

Разность фаз возникает в следствии того, что лучи одного направления проходят до места встречи разные расстояния, называемые разностью хода.

Если разность хода двух лучей равна чётному числу полуволн (целому числу длин волн), фазы одинаковые и результатом интерференции будет усиление интенсивности света.

Условие максимума при интерференции:

Δ = 2k*λ/2 = k*λ

В одной точке усиленными оказываются только те длины волн, для которых разность хода удовлетворяет условию максимума.

Лучи отражённые под другим углом, собираются в другой точке и интерферируют лучи с уже другой длиной волны, для которых удовлетворяется условие максимума.

Чем больше угол отражения, тем больше разность хода и тем большая длина волны, удовлетворяя условию максимума усиливается. Именно поэтому происходит разложение света по длинам волн в дифракционной решётке.

Преимущества при использовании дифракционных решёток.

1. Практически во всей оптической области спектра угловая дисперсия решётки больше.

2. В пределах одного порядка угловая дисперсия не зависит от длины волны.