Лекции 7-8

Рис. 60. Зависимость дисперсии показателя преломления от длины волны для кварца (1) и стекла (2)

Материал для изготовления призм.

Ма­териал должен обладать достаточной дис­персией показателя преломления, быть про­зрачным в изучаемой области спектра, быть прочным и легко поддаваться обработ­ке, устойчивым к внешним воздействиям и при всем этом быть достаточно дешевым. Всем этим требованиям одновременно не удовлетворяет ни одно вещество. Поэтому материал для изготовления призм подби­рают в первую очередь по оптическим ха­рактеристикам, т. е. учитывая его прозрач­ность и величину дисперсии показателя преломления. Например, для видимой части спектра достаточно прозрачны кварц и оп­тическое стекло, но дисперсия показателя преломления кварца для этой области зна­чительно ниже, чем у стекла (рис. 60). (Зависимость показателя преломления n от длины волны λ_o называют законом дисперсии показателя преломления, или просто дисперсией показателя преломления. В природе дисперсия показателя преломления приводит к известному явлению радуги. В этом случае преломление света осуществляется в мельчайших капельках воды)

По­этому для работы в видимом спектре при­меняют призмы из специальных оптических стекол с большим по­казателем преломления (тяжелые стекла, содержащие свинец), например из флинта или крона. Для УФ стекло непрозрачно, а кварц не только прозрачен, но и имеет большую дисперсию пока­зателя преломления.

Для изучения УФ спектров применяют приз­мы из кристаллического или плавленого кварца.

Для изучения ИК спектров приходится пользоваться призмами из малопрочных и гигроскопических материалов, таких, как хлористый натрий, бро­мистый калий и т. п.

В вакуумном УФ прозрачны лишь очень немногие материалы. Практически пригодны для призм только фториды кальция и ли­тия. Но и эти материалы прозрачны только до 110 нм.

Для еще более коротковолновой части спектра прозрачных материалов нет и призменные приборы здесь неприменимы.

Типы призм (рис. 61).

Помимо диспергирующих, в спектральных приборах применяются поворотные призмы, играющие вспомога­тельную роль.

Из диспергирующих призм наиболее распространена призма с преломляющим углом в 60°. Для УФ области применяется кварце­вая призма Корню, составленная из двух призм с преломляющим углом в 30°, изготовленных из кварца разного вида (рис. 61, б). Необходимость такой призмы вызвана тем, что кварц обладает двумя нежелательными для действия призмы оптическими свойст­вами — двойным лучепреломлением и способностью вращать плос­кость поляризации поляризованного света.

Рис. 61. Типы призм:

а — 60-градусная; б — призма Корню; в — 30-градусная с зеркальной катетной гранью; г — постоянного отклонения; д, е — поворотные призмы

Очень кратко поясним сущность этих явлений. Световые волны представля­ют собой распространяющиеся во времени и пространстве электромагнитные ко­лебания, в которых согласованно изменяются напряженность электрического и магнитного полей (рис. 62).

Рис. 62. Поляризация света

Векторы Е и Н, обозначающие соответственно напряженность электрического и магнит­ного полей, всегда перпендикулярны друг другу и направлению распростра­нения волны (рис. 62, а). Плоскость, проходящая через направление распро­странения света и электрический вектор Е, называется плоскостью поляризаций света. В излучении атомов и молекул, когда каждая частица испускает свет независимо от других, имеются волны различной поляризации, и все вместе они составляют неполяризованный свет, называемый естественным (рис, 62, б) . Некоторые кристаллы, например турмалин, способны пропускать свет лишь с определенным направлением колебания электричес­кого вектора. Такой свет называют поляризованным (рис. 62, в). Имеются и другие вещества, кристаллы которых пропускают свет, но делят его на два пучка, имеющих разную поляризацию. Именно такими свойствами обладают кристаллы кварца. Это явление называется двойным лучепреломлением. Наблюдается он не всегда. Если свет распространяется в кристалле вдоль его определенной кристаллографической оси, называемой оптической осью кристалла, двойное лучепреломление не наблюдается. Двойное лучепреломление недопустимо в призме спектрального прибора, так как из-за него все линии окажутся раздвоенными. Чтобы это явление проявлялось в призме по возможности в меньшей степени призму вырезают из кристалла кварца так, чтобы его оптическая ось была параллельна основанию призмы. Тогда лучи, для которых призма установлена на угол наименьшего отклонения, не будут испытывать двойного лучепреломления, а для других лучей этот эффект будет мало заметен.

Способность кварца вращать плоскость поляризации поляризованного луча приводит также к ухудшению качества спектра из-за того, что угол поворота плоскости поляризации зависит от пути, пройденного светом в кристалле. Поэто­му лучи данной длины волны, идущие в призме ближе к основанию, отклоняются иначе, чем лучи той же длины волны, но идущие ближе к вершине призмы. Сле­довательно, из призмы выйдет не параллельный монохроматический пучок, а расходящийся, что, естественно, ухудшает изображение спектра. Однако в приро­де есть кварцы двух видов — правовращающий и левовращающий. Один из них поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке, другой против. Это и используется в призме Корню: одна половина ее правовращающая, другая — левовращающая. Действие одной половины компенсируется действием другой ^: (см. рис. 61, б).

Диспергирующую призму с преломляющим углом в 30° и посе­ребренной ка’тетной гранью (см. рис. 61, в) свет проходит дваж­ды в прямом и обратном направлениях. Поэтому угловая диспер­сия такой призмы равна угловой дисперсии призмы с преломляю­щем углом 60°, изготовленной из того же материала. Кварцевая - 30-градусная призма работает аналогично призме Корню.

Из поворотных призм наиболее распространена прямоугольная равнобедренная призма (см. рис. 61, д), работающая по принципу полного внутреннего отражения. Свет входит в нее перпендикуляр­но катетной грани и, не преломляясь, падает на гипотенузную грань под углом 45°. Полностью отразившись от гипотенузной гра­ни, выходит из призмы под углом 90° относительно первоначально­го направления. Широко используется призма, поворачивающая лучи света на 180° (см. рис. 61, е).

В приборах некоторых типов используют комбинированные призмы, к числу которых относится призма Аббе (см. рис. 61, г). Она состоит из трех призм—двух тридцатиградусных дисперги­рующих (ABC и CDE) и одной — поворотной (BDC). В призме Аббе направление диспергированного пучка света составляет пря­мой угол с направлением падающего пучка. Такая призма может быть легко изготовлена только из стекла, поэтому она и применя­ется в приборах, предназначенных для работы в видимой области спектра.

Дифракционная решетка

Разложение света в спектр дифракционной решеткой связано с явлениями дифракции и интерференции (Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения(суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности). В однородной прозрач­ной среде свет распространяется прямолинейно. Но если на пути световой волны имеется непрозрачная преграда, наблюдается ди­фракция, т. е. огибание волной преграды. На рис. 63 показано про­хождение параллельного пучка лучей монохроматического света через узкую щель в непрозрачном экране. Если бы за щелью свет распространялся прямолинейно, в фокальной поверхности собира­ющей линзы, расположенной за экраном, оказалось бы резкое изо­бражение щели, повторяющее форму щели и равноинтенсивное по всей ширине. В действительности в результате дифракции свет отклоняется от прямолинейного направления. Края щели являются преградой, и свет выходит из щели расходящимся пучком (рис.63а). От каждой точки щели лучи идут по всем направлениям. Параллельные пучки света, идущие от разных точек щели, собираются линзой в точки и интерферируют. Если фазы встретившихся в данной точке волн одинаковые (разность фаз равна нулю), результатом интерференции является усиление интенсивности света в этой точке. Если фазы противоположны — полное гашение. Разность фаз возникает вследствие того, что лучи одного направления про­ходят до места встречи разные расстояния. Для когерентных лучей разность расстояния принято выражать числом длин волн или числом полуволн называть разностью хода. Если разность хода ∆ двух встретившихся в данной точке лучей равна четному чис­лу полуволн (целому числу длин волн), фазы одинаковые и результатом интерференции будет усиление интенсивности света. Условие максимума

при интерференции:

Рис. 63. Дифракция на узкой щели (а) и угловое распределение интенсивности (б). В точке А интенсивность макси­мальная в точках В и В' равна нулю

Если разность хода равна нечетному числу полуволн, фазы про­тивоположны и результат интерференции — гашение света. Усло­вие минимума при интерференции:

.

k — любое целое число: k = 1, 2, 3 ...

В результате дифракции и интерференции многих лучей проис­ходит перераспределение энергии световой волны. На рис. 63,б показано угловое распределение энергии (интенсивности) при ди­фракции от одной щели шириной «а». Интенсивность света макси­мальна в направлении падающего пучка света (φ=0) и минималь­на в направлении Аналогичная дифракционная картина наблюдается в случае, если параллельный пучок света под некоторым углом i падает на отражательную поверхность, размер которой сравним с длиной волны света. Благодаря дифракции от каждой точки зеркальной поверхности свет отражается по всем направлениям. Максимум интенсивности наблюдается для лучей, угол отражения которых равен углу падения i.

Дифракционная решетка представляет собой систему строго параллельных штрихов-канавок, нанесенных на отражательную поверхность. Основанием (подложкой) для решетки служит хоро­шо отполированная стеклянная пластинка. На нее нанесен слой хрома и поверх него — слой алюминия. На этой мягкой металли­ческой поверхности нарезают штрихи одинаковой ширины, распо­ложенные на одинаковом рас­стоянии друг от друга. Решет­ки бывают плоские и вогнутые. В настоящее время для полу­чения УФ спектров применяют решетки — с 3600, 1800 и 1200 штрихов на 1 мм длины решет­ки, для видимой части спектра 600 и 1200 штр/мм, для ИК 300, 100 штр/мм. Общая площадь решетки обычно не превышает 150х100 мм².

Один из простейших и распространённых в быту примеров отражательных дифракционных решёток — компакт-дискили DVD. На поверхности компакт-диска — дорожка в виде спирали с шагом 1,6 мкм между витками. Примерно треть ширины (0,5 мкм) этой дорожки занята углублением (это записанные данные), рассеивающим падающий на него свет, примерно две трети (1,1 мкм) — нетронутая подложка, отражающая свет. Таким образом, компакт диск — отражательная дифракционная решётка с периодом 1,6 мкм.