книги из ГПНТБ / Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения

обеспечить преемственность эталона длины, Международ­ ное бюро мер и весов приняло рекомендацию, что все дальнейшие определения должны быть согласованы

с цифрой 6438,4696 Л для длины волны красной линии кадмия [77]. В 1958 г. Международное бюро приняло решение о введении нового эталона длины, в качестве которого принята длина волны оранжевой линии изотопа криптона с массовым числом 86, соответствующая пере­

ходу между уровнями 2р10 и Ы5 (Хпаі.=6057,802105 А) [78,‘ 79].

Длины волн других линий определяются по отноше­ нию к эталону длины.

Международный астрономический союз определил большое число вторичных стандартов (нормалей) длин волн. Эти вторичные стандарты — линии, длина волны которых сравнена с красной линией кадмия интерферо­ метрическими методами. Линия принималась в качестве стандарта только в том случае, если измерения для нее были выполнены не менее чем в трех лабораториях и по­ лученные результаты совпадали [76]. Эти линии располо­

жены приблизительно через 50 Â во всем диапазоне ви­ димого спектра. Большинство линий вторичных стандар­ тов являются линиями дугового спектра железа. Это обусловлено тем, что спектр этот легко получается и, кроме того, богат линиями. Условия получения спектра строго определены: «дуга работает при напряжении от 110 до 220 в и силе тока от 5 я и меньше; используется центральная зона дуги длиной от 12 до 15 мм и шириной 1—1,5 мм под прямым углом к оси дуги; верхним элек­ тродом является железный стержень диаметром 6—7 мм, а нижним электродом — шарик из окиси железа». Между­ народным' астрономическим союзом принято в качестве вторичных стандартов 306 линий спектра железа в ин­

тервале 6677—2447 Â. Оценено, что значения длин волн

этих линий верны с точностью до 0,001—0,002 Â. В ка­ честве вторичных стандартов принято также 20 линий спектра неона (5852—7032 А) и 20 линий спектра крип­ тона (4273—6456 А). Точность измерений оценивается в 0,0001 А.

Утверждены третичные стандарты— линии, длины воли которых получены интерполированием на приборах с ди­ фракционными решетками. К ним относятся 312 линий спектра железа (3371—6750 А) [80].

80

Другой метод градуировки инфракрасных приборов заключается в следующем. В качестве стандартов бе­ рутся линии видимой области спектра или близкой инфра­ красной. При работе на приборах с дифракционными решетками эти линии в высоких порядках дифракции налагаются на более длинноволновые линии. Так, на­ пример, длина волны 0,6 мкм в спектре 10-го порядка налагается на длину волны 0,75 мкм в спектре 8-го по­ рядка, на длину волны 1 мкм в спектре 6-го порядка, 1,5 мкм в спектре 4-го порядка, 2 мкм в спектре 3-го по­ рядка, 3 мкм в спектре 2-го порядка и 6 мкм в спектре 1-го порядка. Длина волны, которую нужно определить, измеряется с помощью интерполяции между набором реперов такого рода. Этот метод дает вполне удовлетво­ рительную точность.

В атласах и таблицах длипы волн спектральных ли­ ний обычно приводятся для воздуха. Определить длину волны в вакууме можно, пользуясь соотношением Хоак=

где длина волны выражена в мкм. Соотношение относится к случаю нормального давления и температуре 15 °С. Знание длины волны, определенной в вакууме, важно при переходе к частотам или волновым числам (единицам, принятым в спектроскопии). Волновое число определяет число длин воли, укладывающихся в 1 cat, т. е. ѵ—

==108/X]mK cat-1, где \ ак выражено в Л.

§ 2. Съемка и измерение спектров

Для измерения длин волн в каком-нибудь спектре фотографическим методом с использованием, скажем, вторичных стандартов, на фотопластинку снимают иссле­ дуемый спектр и стандартный спектр. Для правильной расшифровки спектра необходимо, чтобы эти спектры ие были смещены один относительно другого по частотам или длинам воли. В практической работе приходится для этого принимать ряд мер предосторожности

[66, 68, 71, 75, 88].

82

Чтобы избежать нежелательного сдвига при съемке двух указанных спектров, кассету спектрального при­ бора с фотографической пластинкой не двигают. Съемка производится с помощью диафрагмы Гартмана, позволяю­ щей получить два спектра, расположенных рядом. Диа­ фрагма должна легко передвигаться перед щелью, с тем чтобы при передвижении ие сдвинуть щель, так как это приведет к смещению спектра. На фотоснимке, получен­ ном с помощью диафрагмы Гартмана, границы спектров несколько заходят друг за друга. Это удобно при даль­ нейшем промере спектрограммы.

Следует обратить внимание на расположение иссле­ дуемого и стандартного источников: оба эти источника должны располагаться по возможности одинаково по от­ ношению к оси спектрального прибора. Если один из источников несколько смещен от оси, то это может вы­ звать смещение линий хотя бы из-за того, что линза коллиматора освещается по-разному. При практических измерениях это смещение всегда следует иметь в виду. Чтобы избеяшть неточностей, можно рекомендовать пос­ ле съемки одного источника его удалить, точно на его место поставить другой и вновь произвести съемку. Правда, зачастую даже такая замена не может обеспечить одинаковости освещения, так как источники могут сильно различаться по своей геометрии, например, разрядная трубка и дуговой разряд. В этом случае следует тщательно

указанного метода может использоваться система, в ко­ торой оба источника установлены, а меняется направле­ ние света с помощью поворотной призмы или зеркала.

При длительных временах экспозиции и при точных съемках следует иметь в виду, что смещение спектров может быть вызвано изменением температуры, измене­ нием давления и т. и. В качестве меры предупреждения используется термостатирование приборов и помещений. Следует еще раз подчеркнуть, что эти смещения сущест­ венны при длительных временах экспозиции и при точ­ ных измерениях._ Очень заметными могут быть всевоз­ можные механические воздействия, вибрация, толчки и т. п. Они могут вызвать смещение фотопластинки в кас­ сете, смещение самой кассеты, смещение диспергирую­ щего элемента и т. д. Единственным средством преду­ преждения является аккуратность в работе.

6* 83

Следует отметить некоторые особенности спектро­ скопии излучения ОКГ, обусловленные главным образом *такими его характеристиками, как высокая направлен­ ность и когерентность. Высокая направленность излу­ чения ОКГ требует обязательного использования кондепсорных систем, обеспечивающих заполнение апертуры спектрального прибора. Недостаточное заполнение при­ водит к тому, что диспергирующие элементы работают неполностью. Это в свою очередь приводит к снижению разрешающей способности. Высокая когерентность из­ лучения приводит к тому, что на всех апертурных диа­ фрагмах и, в частности, на щелях получаются сложные картины дифракции, достигающие больших угловых раз­ меров. Особенно сильно дифракция сказывается па ре­ зультатах при работе в условиях, близких к предельным для данного спектрального прибора. Это обстоятельство заставляет в некоторых случаях использовать рассеива­ тели, несколько нарушающие когерентность излучения.

Следующий этап, естественно после химической об­ работки фотопластинки, — это промер спектров. Эта опе­ рация осуществляется на приборах, называемых ком­ параторами. Точность отсчета хороших компараторов 1 мкм. На практике чаще всего используется компаратор следующего устройства. Измеряемая фотопластинка уста­ навливается на каретке, которая может перемещаться. На той же каретке помещается шкала высокой точности. Спектр на фотопластинке наблюдается в микроскоп. В другой микроскоп, отсчетный, или измерительный, наблюдается шкала. Наблюдательный и отсчетный микро­ скопы жестко скреплены с помощью крестовины, причем температурный коэффициент расширения этой кресто­ вины и шкалы делается одинаковым. Это позволяет избежать погрешностей из-за влияния температуры. Ка­ ретка с фотопластинкой и шкалой передвигается микро­ метрическим винтом, так что любую спектральную ли­ нию можно подвести под перекрестие наблюдательного микроскопа. С помощью измерительного микроскопа де­ лается отсчет. Заводским прибором такого типа является компаратор ИЗА-2.

Несколько реже используется компаратор с одним наблюдательным микроскопом. Отсчет на таком компа­ раторе Делается по шкале микрометрического винта. Первый тип приборов предпочтительнее, так как для них существенно меньшую роль играет износ микро­

84

метрического винта, дающий одну из главных ошибок измерений на приборах второго типа.

Для отождествлений спектров по стандартным спектро­ граммам, а также для относительно грубого промера спектров используются спектропроекторы [74, 75]. В этих приборах спектр в увеличенном виде проекти­ руется на стол, на котором могут быть размещены из­ мерительные инструменты или диаграммы спектров. При­ боры такого типа ПС-18, СПП-2, ДСП-2 предназначены для работы со спектрограммами, имеющими размеры, доходящие до 13x18 см. Диаметр поля зрения прибо­ ров 15—18 мм. Объектив с фокусным расстоянием 30 мм и относительным отверстием 1 : 3,5—1 : 4,5 обеспечивает разрешение ~0,010—0,015 мм и дает увеличение по­ рядка 20 раз.

§ 3. Призменные спектральные приборы

Основные характеристики призменных диспергирую­ щих систем [71, 74, 75, 89]. Наилучшие условия для получения изображения спектра при прохождении света через призму достигаются в том случае, когда через

85

r0= cc/2. На основании закона преломления получается выражение

_ sin K6 + g)/2] sin (a/2)

Мерой отклонения лучей различных длин воли дис­ пергирующей системой является угловая дисперсия dO/dА, где dB — разность углов отклонения для двух лучей, длины волн которых отличаются на d~k. Угловая

дисперсия измеряется обычно в радІА. или в градІА. В случае призмы угловая дисперсия определяется соот­ ношением dBld^=(dBldn) (dn/dl). Величина dB/dn опре­ деляется из выражения для коэффициента преломления

где А и В — постоянные. Угловая дисперсия, выражаю­ щая разность углов отклонения двух лучей, частоты которых отличаются на dv, будет отличаться множителем dnldv и имеет вид dB/dv=(dB/dn) (dn/dv). С учетом фор­ мулы Гартмана имеем

dn СА2

где А0 и С — постоянные. Угловая дисперсия в этом случае измеряется обычно в рад/см-1 или град/см_1.

86

Линейная дисперсия dlldX определяет пространствен­ ное разделение длин волн в фокальной плоскости. Здесь dl — расстояние между двумя спектральными линиями, которые отличаются друг от друга на dX. Линейная дис­

персия измеряется в см/А или мм/А. На практике упо­ требляется величина dX/dl, обратная линейной дисперсии

и измеряемая в А/мм. Если фокусное расстояние фоку­ сирующей системы F, то линейная дисперсия связана с угловой дисперсией соотношением

Множитель 1/cos ß отражает тот факт, что плоскость фотопластинки наклонена к оптической оси камерного объектива для компенсации хроматической аберрации.

Существенной характеристикой всякой диспергирую­ щей системы является разрешающая способность (раз­ решающая сила) (0£=Х/ЪХ. Теоретическое ограничение разрешающей способности обусловлено явлением ди­ фракции на апертурной диафрагме, при этом монохромати­ ческое изображение щели размазывается. По Рэлею условие разрешения двух дифракционных изображений линий заключается в том, чтобы главный максимум одного из них попадал на ближайший к главному макси­ муму минимум другого (при равной интенсивности макси­ мумов). Рассмотрение, основанное на учете дифракции на апертуре шириной h, дает для 1-го минимума h sin «= =кХ (к=1), где <р — угловое расстояние между главным максимумом и 1-м минимумом, выражающее угловое разрешение прибора 8Ѳ. Для малых углов разрешающая способность а% дается выражением

■ & = X/bX = hMßX = hdü/dX.

Из этого выражения можно рассчитать теоретическую разрешающую способность при известной угловой дис­ персии. В случае призмы теоретическая разрешающая способность

определяется размером основания призмы t и дисперсией материала dn/dX.

87

'Практически монохроматическое изображение щели бывает уширено также из-за дефектов оптики прибора, зернистости пластинок и т. д. Распределение энергии, получаемое на выходе спектрального прибора для беско­ нечно узкой спектральной линии, называется аппарат­ ной функцией спектрального прибора.

Следует остановиться иа методе увеличения дисперсии для призмы. Метод основан на том, что призма выво­ дится из положения, соответствующего минимуму угла отклонения [92, 93], т. е. ход лучей через призму стано­

что при уменьшении угла падения работает только часть призмы, т. е. величина основания для работающей части призмы уменьшается (f. < і,о). Кроме того, вывод призмы из положения, соответствующего углу наименьшего от­ клонения, увеличивает потери света за счет отражения от граней призмы [94]. Условия работы таковы, что угол приближается к углу Брюстера. Практически в случае спектральных приборов, имеющих систему призм, вывод из положения, соответствующего минимуму угла откло­ нения, производят таким образом, чтобы ход лучей через всю систему был симметричным, при этом вполне реально увеличение дисперсии приблизительно в 10 раз без за­ метного ухудшения качества изображения, но яркость изображения уменьшается.

В заключение нужно отметить, что спектральные ли­ нии, зарегистрированные на спектрограмме призменного

88

прибора, имеют искривление [75, 89]. Это обстоятельство иаглядно можно представить следующим образом. Лучи, идущие от концов щели, проходят по наклонному сече­ нию призмы, что соответствует большему преломляющему углу. Эти лучи больше отклоняются, поэтому изображение щели искривляется. Так как угловая дисперсия увели­

Обработка спектрограмм. Приборы небольшой диспер­ сии предназначены главным образом для качественных и полуколичественных измерений. Часто в приборе уста­ навливается шкала, которая может быть зафиксирована на фотопластинке. Шкала градуируется или в процессе изготовления прибора, или в процессе работы по какомунибудь эталонному спектру. Точность отсчета в приз­ менных приборах меняется с длиной волны, поскольку

Для приборов более высокой дисперсии или в случае ис­ следования спектров, обладающих широкими спектральны­ ми полосами, пользуются методом графической интерполя­ ции [66]. В этом случае можно получить реальную точность 1—0,1 А. Следует заметить, что этот метод це­ лесообразен, если требуется измерять большое число линий, в противном случае вряд ли будет оправдан труд, затраченный на построение градуировочного графика. Сущность метода графической интерполяции состоит в том, что по промеренному стандартному спектру строится график зависимости длины волны X от величины отсчета на компараторе. Чтобы обеспечить хорошую точность, следует строить график в большом масштабе. Например, если отсчет на спектрограмме делается с точностью 0,001 мм, то на графике эта величина должна иметь за­ метную величину, во всяком случае не меньше 0,1 мм, т. е. 1 см на пластинке соответствует 1 м на графике. Только в этом случае^ не будет практически снижаться точность измерений из-за грубости отсчетов по графику. При практической работе, когда длина спектра на фото­ пластинке достигает нескольких сантиметров, на одном бланке размером, например, 1 ліХІ м наносят несколько графиков, точнее, несколько участков одного графика. Точность по длинам волн на графике должна быть 0,1 — 0,01 Â на 0,1 мм графика, т. е. на 1 м графика прихо­

S9