Вогнутые решетки.

Если штрихи нанести на поверхность вогну­того сферического зеркала, то получится дифракционная решетка, которая одновременно может служить в качестве диспергирующего элемента и обоих объективов, так как обладает фокусирующими свойствами сферического зеркала. Такая решетка была предложе­на в 1882 г. Роуландом. В настоящее время она находит достаточ­но широкое применение в спектральных приборах.

Оптическая схема прибора включает вогнутую дифракционную решетку, щель и регистрирующий элемент. Все детали схемы рас­положены на окружности, диаметр которой равен радиусу кривиз­ны решетки. Эту окружность называют кругом Роуланда.

Рис. 74. Схема дифракционного спектрографа Пашена-Рунге

На рис. 74 показана наиболее распространенная схема дифракционного спектрографа, предложенная Пашеном и Рун­ге. Свет от щели S падает на вогнутую решетку G, которая разлагает свет и фокусирует изображение спектра по окружно­сти А В. На этой окружности располагают фотопластинки или фотопленку.

Наряду с преимуществами вогнутая решетка обладает существенным недо­статком по сравнению с плоской отражательной решеткой. Этот недостаток—астигматизм, вследствие которого каждая точка ще­ли изображается черточкой. Для устранения астигматизма следует очень тщательно устанавливать щели параллельно штрихам ре­шетки.

Дифракционные решетки изготовляют на очень точных дели­тельных машинах. Штрихи нарезают алмазными резцами лри по­стоянной температуре. Сложность технологии нарезки штрихов оп­ределяет высокую стоимость нарезных дифракционных решеток, поэтому часто в приборах используют копии, называемые репли­ками. В последнее время появились решетки, в которых для нане­сения штрихов используют голографию.

Решетки обладают рядом преимуществ над призмами:

а) практически во всей оптической области спектра угловая дисперсия решетки больше;

б) в пределах одного порядка угловая дисперсия не зависит от длины волны;

в) решетки могут работать в областях спектра, где нет прозрач­ных материалов, и др.

Взаимное расположение деталей спектрального прибора

Чтобы недостатки объективов и диспергирующего элемента меньше искажали изображение щели, детали прибора должны «быть определенным образом расположены относительно друг друга.

Рис. 72. Положение фокальной поверх­ности фокусирующего объектива: а — объектив L₂ — исправлен на хроматическую аберрацию — фокальная поверхность АВ пер­пендикулярна главной оптической оси; б — L₂ не исправлен на хроматическую аберрацию — фокальная поверхность АВ' расположена под углом α к главной оптической оси

Входная щель должна находиться в фокальной поверхности исправленного на хроматическую аберрацию объектива коллима­тора. Только в этом случае от каждой точки щели свет пада­ет на диспергирующий элемент параллельным пучком, что необходимо для четкого раз­ложения его в спектр (рис, 71, а).

Призма устанавливается приборе на угол наименьшего! отклонения для центрального! луча исследуемого спектра; преломляющее ребро призмы? или штрихи решетки — парал­лельно щели; центр щели, центр решетки или первой пре-; ломляющей грани призмы — на главной оптической оси объектива коллиматора (рис. 71, б).

Уширение линий за счет acтигматизма объективов наи­меньшее, если свет падает на| них в направлении главной оп­тической оси. Поэтому главные оптические оси обоих объ ективов лежат в одной плоско сти. По мере удаления от центра щели ухудшаются услови прохождения света в приборе поэтому нецелесообразно делать щели большой высоты Практически они не более 10–15 мм.

Рис. 71. Относительное расположение и принципы действия деталей спектраль­ного аппарата

В отличие от коллиматоного объектива фокусирующий объектив может быть и не и правлен на хроматическую аберрацию, так как он и предназначен для лучшего пространственного разделения монохроматически пучков. При неахроматическом объективе его фокальная поверность образует острый угол с главной оптической осью прибор (рис. 72) .

Разновидности схем спектральных приборов

Принципиальная схема, рассмотренная в § 20, служит" основой для схемы любого конкретного спектрального прибора. Но сущест­вует несколько разновидностей оптических схем приборов, наиболее распространенные из которых рассмотрены в этом пара­графе.

1. Схема с зеркальным объективом коллиматора. Примером схемы с зеркальным объективом коллиматора может служить схе­ма кварцевого спектрографа ИСП-30 (рис. 84, а) . Аналогичную схе­му имеют спектрографы устаревших моделей ИСП-28 и ИСП-22, которые в настоящее время промышленность не выпускает, но дос­таточно широко применяются в лабораториях. Объективом колли­матора в этих приборах служит сферическое зеркало, а объективом камеры — двойной кварцевый объектив, не исправленный на хро­матическую аберрацию. Диспергирующий элемент — призма Кор­ню.

Зеркальные объективы коллиматора часто используют в при­борах, предназначенных для наблюдения ультрафиолетовых и ин­фракрасных спектров.

2. Схема с двумя зеркальными объективами (схема Черни — Тернера). На рис. 84, б представлена схема дифракционного монохроматора ДМР-2. Свет, прошедший в прибор через входную щель Sy, отражается от коллиматорного объектива L\ и параллельными пучками падает на отражательную дифракционную решетку £>. Дис­пергированные пучки собираются объективом Z₂ в спектральные линии, каждую из которых можно вывести из прибора через выход­ную щель S2. За выходной щелью установлен фотоэлектрический приемник света'. Объективами служат сферические зеркала с фокус­ным расстоянием 400 нм. Прибор снабжен тремя сменными дифрак­ционными решетками. Решетку с 300 штр/мм используют для обла­сти спектра 1000—2500 нм, решетку с 600 штр/мм — для области

Рис. 84. Разновидности оптических схем спектральных приборов:

а —схема с зеркальным объективом коллиматора (ИСП-30); б —схема Чер­ни — Тернера (МДР-2); в — диспергирующий элемент автоколлимационной схемы; г — автоколлимационная схема (СЛ-11М); д — схема Эберта (ДФС-8); е — схема Пашена — Рунге (ДФС-29); s —щель; L₁, L₂ — объективы; D — дис­пергирующий элемент; R — регистрирующее устройство

500—1200 нм, решетку с 1200 штр/мм— для области 200—600 нм,- Схему Черни — Тернера применяют в основном для приборов с плоскими дифракционными решетками.

3. Автоколлимационная схема. В автоколлимационной схеме один объектив, но свет его проходит дважды в прямом и обратном направлении. Таким образом, один и тот же объектив выполняет функции и объектива коллиматора и фокусирующего объектива. В качестве диспергирующих элементов в автоколлимационных схе­мах часто используют призмы с преломляющим углом 30° и зеркаль­ной катетной гранью. Иногда используют призмы с прел дм лякмщш углом 60° и плоским зеркалом, направляющим свет в обратном на- правлейии (рис. 84, в). Свет проходит через диспергирующий эле­мент дважды, поэтому действие каждой призмы в автоколлимаци­онной схеме равноценно действию двух таких призм.

Автоколлимационные приборы более компактны, чем приборы с теми же оптическими характеристиками, но с простой оптической схемой.

Примером призменного прибора с автоколлимационной оптиче­ской схемой может служить стилоскоп CJI-11-M (рис. 84, г). Дис­пергирующая система D состоит из двух призм. Первая, с прелом­ляющим углом 60°, укреплена неподвижно, вторая с углом 30° и зеркальной катетной гранью может вращаться от маховика стило- скопа. Вращение 30-градусной призмы сопровождается перемеще­нием спектра в поле зрения окуляра прибора. Одновременно с вра­щением призмы автоматически перемещается объектив вдоль опти­ческой оси и таким образом обеспечивает фокусировку спектра.

4. Автоколлимационная схема с зеркальным объективом (схема Эберта). Для примера на рис. 84, д рассмотрена схема дифракци­онного спектрографа ДФС-8. Свет от щели S проходит на сфери­ческое зеркало L, верхняя часть которого служит объективом кол­лиматора. Отразившись от объектива коллиматора, параллельные пучки света падают на плоскую дифракционную решетку D, где про­исходит разложение света по длинам волн. Диспергированные пуч­ки света вновь направляют на сферическое зеркало L, которое в нижней своей части служит объективом камеры. Спектр фотогра­фируется на фотопластинке R. Отечественная промышленность вы­пускает три модификации спектрографа ДФС-8: с решеткой 600, 12.00 и 1800 штр/мм.

Схему Эберта применяют в приборах с плоскими дифракцион­ными решетками.

4. Схема с вогнутой дифракционной решеткой (схема Пашена — Рунге). Вогнутая дифракционная решетка выполняет в приборе од­новременно функции диспергирующего элемента и обоих объекти­вов. Приборы с вогнутой дифракционной решеткой имеют круглую форму с диаметром, соответствующим кругу Роуланда. Дисперги­рованные пучки света фокусируются на фокальной поверхности, представляющей собой часть круга, на которой расположена вход­ная щель прибора и регистрирующий элемент. По этой схеме со­браны некоторые спектрографы, например ДФС-29 (рис. 84, е) и квантометры.

Достоинством спектрографа с вогнутой решеткой следует счи­тать то, что он позволяет регистрировать сразу всю рабочую .часть спектра, поместив на круге пленку или ряд пластинок. На прибо­рах с плоской решеткой, как правило, можно одновременно реги­стрировать лишь небольшой участок спектра. Например, на спект­рографе ДФС-8 с дифракционной решеткой 1800 штр/мм рабочий диапазон спектра (200—800 нм) удается сфотографировать в 24 приема.

Далее не надо (только для особо любопытных)!

Фокусирующая оптика

Для разложения света в спектр в спектральном приборе надо, чтобы на диспергирующий элемент свет падал параллельными пучками, а диспергированные пучки были собраны в точки. Поэто­му наряду с основным элементом — призмой или дифракционной решеткой, в спектральном приборе немаловажную роль играет фокусирующая оптика —линзы и сферические зеркала (рис. 69). Линзы обладают рядом недостатков, называемых аберрациями, которые ухудшают качество спектра. Поэтому, когда это технически возможно, простые линзы заменяют сложными, исправленными на аберрации объективами, состоящими из нескольких линз.

Хроматическая аберрация означает, что линза имеет разные фокусные расстояния для разных длин волн. Каждая точка ото сражается линзой не в точку, а в размытое разноцветное пятныш ко. Чем меньше длина волны, тем меньше фокусное расстояние

(рис. 70, а). Если на линзу падает параллельный пучок видимого света, то ближе к линзе соберутся фиолетовые лучи, а дальше всех — крас­ные. Если светящийся пред­мет находится в главном фо­кусе для средней длины вол­ны, то только лучи этой дли­ны волны выйдут из лин­зы параллельным пучком. Лучи более коротких длин волн образуют сходящийся пучок, а более длинных — расходящийся. Сферические зеркала хроматической аберрацией не обладают.

Рис. 69. Линзы и сферические зеркала: а — двояковыпуклая линза (О — оптический" центр; MN — главная оптическая ось; M'N'i M"N" — по­бочные оптические оси); б, в, г — ход лучей в двояковыпуклой линзе (F —• главный фокус лин­зы; OF — фокусное расстояние; F_{F₂ — побочные фокусы; ЕЕ_Х — фокальная плоскость (поверхность линзы); д — отражение лучей от сферического зеркала

Сферическая аберрация проявляется в том, что лу­чи, прошедшие через края линзы, собираются ближе к линзе, чем лучи, прошедшие через ее центр (рис. 70, б). Каждая точка изображает­ся линзой в виде размытого пятнышка, изображение раз­мывается. Чем более узкий пучок света падает на линзу, тем меньше проявля­ется сферическая аберра­ция. Этот недостаток на­блюдается и у сферических зеркал.

Астигматизм связан с косым падением света на линзу (рис. 70, в). Каждая точка отображается линзой в виде двух от­резков. Изображение предмета получается искаженным — уширен­ным, размытым. Астигматизм присущ и вогнутым зеркалам.

Сложные объективы состоят из двух или нескольких линз, по­добранных так, чтобы их аберрации взаимно компенсировались по возможности полнее.

Для уменьшения хроматической аберрации компоненты сложного объектива должны быть сделаны из материала с разными показателями преломления. Сферическая аберрация уменьшается при сочетании выпуклой и вогнутой линз. Компоненты сложного объектива могут находиться в тесном оптическом контакте друг с другом или быть разнесены на некоторое определенное расстоя­ние.

Линзы объективов делают из того же материала, что и диспер­гирующие призмы: для видимой части спектра из стекла, для УФ

Рис. 70. Недостатки линз:

а — хроматическая аберрация (буквами Ф, К, 3 обозначены фиолето­вый, красный, зеленый лучи); б— сферическая аберрация; в — астиг­матизм

из кварца. Для видимой части спектра можно сделать а х р о м а- тический объектив (исправленный на хроматическую абер­рацию) для широкой области спектра, так как существует доста­точно большой выбор подходящих стекол с разными показателями преломления.

Для работы в ультрафиолетовой области в большинстве случа­ев используют зеркальные объективы. Зеркальные объективы вы­полняются в виде параболоидов вращения, внутренняя сторона которых, отражающая свет, имеет алюминиевое покрытие, защи­щенное от атмосферных воздействий специальной прозрачной плен­кой. Форма отражающей поверхности обеспечивает снижение абер­раций (сферической и астигматизма) при соответствующей уста­новке зеркала в приборе. Алюминиевое покрытие отличается до­статочно высоким коэффициентом отражения в видимой, ультра­фиолетовой и инфракрасной областях спектра. Несмотря на по­крытие, зеркало все же портится, если прибор находится в непод­ходящих условиях (воздействие паров кислот, других агрессивных веществ и т. д.).