Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие к специальному физическому практикуму по оптической спектроскопии
.pdf
Рис. 6. Смешанный спектр излучения люминесцентной лампы
Спектральная аппаратура
В обобщенном смысле практически любой спектральный прибор
состоит из трех частей:
1) источник электромагнитного излучения;
2) спектральный преобразователь (диспергирующий элемент);
3) детектор (приемник) излучения.
1. Источники излучения:
а) спонтанное излучение происходит без участия внешнего элек-
тромагнитного поля (фотона);
б) вынужденное излучение происходит при участии внешнего
электромагнитного поля.
• В случае эмиссионной спектроскопии излучение
образца может
возбуждаться в газовом разряде (искра, дуга).
• Простейшие лампы накаливания, ленточные лампы.
• Газонаполненные разрядные лампы с различными видами элек-
тродов (особо распространены: галогеновые лампы – неоновые,
ксеноновые; ртутные лампы; лампы с полым катодом; электролюминесцентные лампы).
• Суперлюминесцентные источники (высокий вклад вынужденного излучения).
ВВЕДЕНИЕ
11
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
• Лазерные источники: газовые (гелий-неон, аргон, аргон-криптон, кадмий), жидкостные на красителе (родамин 6Ж), твердотельные (NdYAG), полупроводниковые (диодные – лазерная
указка), волоконные. Свойства излучения лазера зависят от:
рабочего тела (активная среда – газы, жидкости, твердые тела)
и от свойств резонатора (объема, в котором находится активная
среда).
• Фотодиоды.
Специфические источники (например, излучение
в ускорителях
заряженных элементарных частиц; частный случай ускорителя – синхротронное излучение).
2. Диспергирующий элемент
Свет от источника излучения взаимодействует с образцом, после чего излучение, получившееся в результате взаимодействия,
необходимо преобразовать для дальнейшей регистрации. В классических спектральных приборах для этой цели используют диспергирующие элементы – элементы, позволяющие разложить
излучение в
пространстве в соответствии с его спектральным со-
ставом.
Классическим диспергирующим элементом является призма.
Именно с помощью стеклянной призмы Ньютон разложил солнечный
свет в спектр – с этого момента, собственно, и начинается история
спектроскопической науки.
Рис. 7. Схема призменного спектрального прибора: S – входная щель; Л1 – коллиматорный
объектив; P – диспергирующий элемент (призма); Л2 – камерный объектив; F – фокальная
плоскость отображения спектра (выходная щель монохроматора); F
объективов; n(λ) – показатель преломления; a – преломляющий угол; b – база призмы
– фокусные расстояния
1,2
12
ВВЕДЕНИЕ
Схема призменного спектрального прибора показана на рис. 7.
Принцип работы такого прибора состоит в том, что показатель преломления стекла для электромагнитного излучения с различными
частотами несколько отличается. В результате при выходе из линзы
компоненты излучения с разными длинами волн оказываются разнесенными в пространстве и по направлению.
Рис. 8. Схема взаимодействия света с дифракционной решеткой. Параметры решетки:
d – период решетки; D – ширина отдельного элемента (штриха) решетки; θ – угол решетки;
Δ – разность хода лучей между соседними штрихами
Второй распространенный в спектроскопии тип диспергирующих
элементов – дифракционная решетка (см. рис. 8). Принцип действия:
фронт световой волны разбивается штрихами решетки на отдельные
монохроматические пучки света. Эти пучки претерпевают дифракцию
на штрихах и интерферируют друг с другом. Так как для каждой длины волны существует свой угол дифракции, то белый свет расклады-
в спектр.
вается
Решетки бывают отражательными и прозрачными. В отражатель-
ных решетках штрихи нанесены на зеркальную (металлическую) поверхность, и наблюдение ведется в отраженном свете; в прозрачных
13
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
штрихи нанесены на прозрачную поверхность (или вырезаются в виде
щелей на непрозрачном экране), наблюдение ведется в проходящем
свете.
К важным характеристикам дифракционной решетки относятся: ее
размер, период d (количество линий N на единицу длины) и точность
нанесения штрихов (параллельность, форма). Условия интерференционных максимумов дифракционной решетки, наблюдаемых под определенными углами
, имеют вид: d sin θ = mλ , где θ – угол максимума
данного цвета, m – порядок максимума (порядковый номер максимума, отсчитанный от центра картинки).
У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину
порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов.
При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление та-
решеток требует применения самых высоких технологий. На прак-
ких
тике применяются также и более грубые решетки с 50–100 штрихами
на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки.
Основными характеристиками спектрального прибора являются
дисперсия D и разрешающая
способность R (см. таблицу 1).
В зависимости от решаемых задач используются как призменные,
так и дифракционные спектральные приборы.
Дисперсия и разрешающая способность призменного
и дифракционного спектрометров
(см. обозначения в тексте и на рис. 7 и 8)
Тип прибора Дисперсия D
Призменный
Дифракционный
14
Таблица 1
Разрешающая
способность R
ВВЕДЕНИЕ
Типовые схемы дифракционных спектрометров
Дифракционные приборы обычно делаются с зеркальными коллиматорами для исключения хроматических аберраций. Простейшая
схема – вертикальная схема Эберта, автоколлимационная, с одним
коллиматорным зеркалом. Входная щель и выходная щель (детектор)
разнесены по высоте (см. рис. 9).
Источник
Рис. 9. Автоколлимационная схема Эберта
Широкое распространение получила схема Черни – Тернера
(см. рис. 10). Свет, проходящий через входную щель 1, попадает на входное зеркало 2, где он коллимируется и направляется
на дифракционную решетку 3, там он дифрагирует и направляется
к другому зеркалу 4, которое его фокусирует на выходную щель 5.
Одному определенному положению дифракционной решетки соответствует свет в узком
пройти через выходную щель. По этой схеме изготовлены светосильные монохроматоры МДР-2, МДР-23. Обычно они комплектуются несколькими сменными решетками. Для УФ-видимой области – 1200 штр/мм, для ИК – 600 или 300 штр/мм. Относительное
отверстие – 1:2,5.
диапазоне длин волн, который может
излучения
15
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Рис. 10. Схема Черни – Тернера; 1 – входная щель; 2 – входное зеркало; 3 – дифракционная
решетка; 4 – выходное зеркало; 5 – выходная щель (детектор)
В спектрометрах, построенных на основе круга Роуланда, используются вогнутые дифракционные решетки. Вогнутые решетки совмещают функции фокусировки и разложения спектра, что позволяет
уменьшить количество элементов схемы и, соответственно, уменьшить потери на отражение.
3. Детекторы излучения
• Простейшим детектором излучения является человеческий глаз.
• Фотографическая пластинка (пленка, эмульсия).
• Болометр (прибор, в
котором используется зависимость сопро-
тивления от температуры, регистрирует тепловое излучение).
• Фотоэлектронный умножитель.
• Фотоэлемент (работает на полупроводниках, регистрируется
разность потенциалов).
• Фотодиод (работает на полупроводниках, сопротивление перехода меняется в зависимости от освещения поверхности).
• Лавинный фотодиод (разновидность фотодиода, более чувстви-
телен, регистрирует вплоть до 1 фотона).
• Трубка видикон (трубка кинескопа наоборот).
• Линейные и матричные детекторы на основе прибора с заря-
довой связью (ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы). Используются
в современных регистрирующих устройствах, например в цифровых фотоаппаратах. В 2009 г. была дана Нобелевская премия
за открытие ПЗС-матрицы (Бойль, Смит).
16
ВВЕДЕНИЕ
• КМОП-матрицы (разновидность ПЗС-матрицы, но гораздо дешевле. На их основе сделаны web-камеры).
Детекторы излучения бывают:
• одноканальные (глаз, ФЭУ, фотодиод, фотоэлемент, болометр);
• многоканальные
• одномерные 1D – ПЗС-линейка;
• двумерные 2D – трубка видикон, ПЗС-матрица, КМОП-матрица.
ФЭУ, болометр, фотоэлемент, фотодиод, лавинный фотодиод требуют визуализации зарегистрированного сигнала: (1) измеритель тока/
напряжения; (2) отображающее
устройство (самописец, вольтметр,
компьютер).
Характеристики приемников излучения – чувствительность (какое минимальное количество фотонов он способен зарегистрировать),
квантовая эффективность (какое количество из прилетевших фотонов
он способен зарегистрировать), скорость считывания (ФЭУ может регистрировать сигналы с временным разрешением до 10–14 с; ПЗС-матрице требуется 20–30 мсек).
Литература
1. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. –
М.: Наука, 1979. – 480 c.
2. Зайдель А. Н. , Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника
и практика спектроскопии. – М.: Наука, 1972. – 376 с.
3. Ландсберг Г. С. Оптика. – М.: Го с . изд. технико-теоретической
лит-ры, 1957. – 760 с.
17
Лабораторная работа № 1
АППАРАТНАЯ ФУНКЦИЯ
СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
Одной их основных характеристик оптических систем спектральных приборов является аппаратная функция (АФ) спектрального при-
бора. Спектральный прибор, на который направляется исследуемое
излучение с распределением J(λ), характеризуется способностью выделять из этого распределения участки спектра с шириной δλ. Это есть
некоторая функция от длины волны, характерная для данного прибора
называемая функцией пропускания или аппаратной функцией спек-
и
трального прибора. Обозначим ее так: а(λ–λʹ). В спектральном приборе даже строго монохроматический свет не изображается бесконечно
тонкой линией. Распределение интенсивности вдоль спектра для монохроматического света называется аппаратной функцией, то есть АФ
спектрального прибора характеризует наблюдаемое распределение
интенсивности по спектру
нохроматическим источником излучения. Таким образом, АФ дает
возможность количественно описать искажения излучения, вносимые
реальным спектральным прибором. Вклад в АФ вносят следующие
элементы прибора: входная и выходная щели, диспергирующий элемент и все оптические элементы.
На регистрирующем устройстве прибора получается некоторое
распределение I(λʹ), которое несет информацию
пределении, так и об аппаратной функции прибора. I(λʹ) имеет вид:
при освещении прибора «идеально» мо-
как об истинном рас-
I(λʹ) =
а(λ–λʹ)dλ. (1)
Из выражения (1) ясно, что, чем меньше будет ширина АФ, тем
больше будет похож регистрируемый спектр на истинный. В предельном случае бесконечно малой ширины, когда а(λ–λʹ) можно представить как δ-функцию Дирака, тогда имеем
I
эксп
(λʹ) = J
ист
(λʹ).
J(λ) – истинное распределение интенсивности излучения
по спектру.
I(λʹ) – наблюдаемое с помощью спектрального прибора распределение интенсивности по спектру.
18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТ А № 1. АППАРАТНАЯ ФУНКЦИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРИБОРА
I(λ) – наблюдаемое распределение интенсивности в спектре для монохроматической составляющей J(λ)dλ.
В истинном распределении J(λ) можно выделить некоторую монохроматическую составляющую J(λ)dλ, то есть значение функции J(λ)
в бесконечно малом интервале длин волн δλ.
Наблюдаемое распределение интенсивности в спектре для этой
составляющей определяется
АФ так, что в некоторой произвольной
точке спектра с длиной волны λʹ вместо распределения J(λ)dλ будет
а(λ–λʹ) J(λ)dλ, где а(λ–λʹ) – АФ спектрального прибора.
Другие монохроматические составляющие также дадут соответствующий вклад в общую интенсивность в точке λʹ. Наблюдаемое с помощью
спектрального прибора распределение интенсивности по спек-
тру I(λʹ) определяется интегралом (см. формулу (1)).
Формула (1) называется сверткой функций а(λ–λʹ) и J(λ).
Рассмотрим два крайних случая:
1) Если ширина спектральной линии много меньше ширины АФ,
то сигнал на выходе прибора будет иметь форму АФ. Это дает
возможность экспериментально определить АФ,
пользуясь
очень узкой спектральной линией (например, линией излучения газового лазера), если вычисление этой функции представляет трудности.
2) Если ширина спектральной линии много больше ширины АФ,
то сигнал на выходе прибора будет полностью воспроизводить
входной сигнал, а форма АФ не играет существенной роли.
В промежуточных случаях, чтобы узнать истинное распределение
I(λʹ), нужно знать ход АФ.
Рассмотрим примеры АФ спектральных приборов некоторых типов
в зависимости от ширины щелей:
19
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
а) очень узкая входная щель – дифракционная АФ;
б), в), г) – щелевая АФ.
б) большая ширина входной щели (прямоугольник);
в) промежуточные значения ширины щели. Щелевая АФ монохроматора определяется как свертка двух АФ, соответствующих
входной щели и выходной щели. В этом случае график АФ монохроматора имеет форму трапеции, где а и
аʹ – ширина входной и выход-
ной щелей.
г) при аʹ = а график АФ монохроматора имеет форму треугольника,
ширина основания которого 2aʹ = 2а.
Итак, расчет АФ может проводиться как строгим, так и упрощенным методами. Строгий расчет имеет дело с интегралами –
«свертками» функций истинного спектра с аппаратной функцией,
упрощенный –
это вычисление площадей неких равнобедренных
треугольников, которыми можно с большой точностью аппроксимировать аппаратные функции. Это достаточно верно, так как в обоях случаях мы имеем дело с площадями. Зная АФ, можно точно
восстановить истинный контур спектра по контуру, наблюдаемому
в спектральном приборе.
В данной работе наша задача определить вид АФ
монохроматора путем сканирования спектральной линии излучения лазера,
являющейся изображением входной щели. Необходимо получить
запись лазерной линии, меняя зазор щели от 0,006 мм до 0,2 мм
с шагом 0,002 мм. Получаем набор АФ, соответствующих разным
размерам щели.
Отчет по лабораторной работе
Отчет по лабораторной работе должен содержать обработанные ре-
зультаты измерений спектральной линии излучения
20
лазера.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]