Принцип работы монохроматора кратко

Обновлено: 30.06.2024

в оптике, прибор для выделения узких интервалов длин волн (частот) оптического (т. е. видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) излучения; один из спектральных приборов (См. Спектральные приборы). М. состоит (рис.) из входной щели 1, освещаемой источником излучения, Коллиматора 2, диспергирующего элемента 3 (см. Дисперсия света), фокусирующего объектива 4 и выходной щели 5. Элемент 3 пространственно разделяет лучи разных длин волн λ, направляя их под разными углами φ, и в фокальной плоскости объектива 4 образуется спектр — совокупность изображений входной щели в лучах всех длин волн, испускаемых источником. Нужный участок спектра совмещают с выходной щелью 5 поворотом диспергирующего элемента; изменяя ширину щели 5, меняют спектральную ширину δλ (интервал длин волн) выделенного участка.

Диспергирующими элементами М. служат Дисперсионные призмы и дифракционные решётки (См. Дифракционная решётка). Их угловая дисперсия Δφ/Δλ вместе с фокусным расстоянием объектива 4 определяет линейную дисперсию М. Δl/Δλ (Δφ— угловая разность направлений лучей, длины волн которых отличаются наΔλ; Δl — расстояние в плоскости выходной щели, разделяющее эти лучи). Призмы дешевле решёток и обладают большой дисперсией в ультрафиолетовой области. Однако их дисперсия сильно уменьшается с ростом λ; кроме того, для разных областей спектра необходимы призмы из разных материалов. Решётки свободны от этих недостатков.

Кроме дисперсии, качество М. определяют его разрешающая способность и светосила. Разрешающая способность М., как и любого другого спектрального прибора, равна λ/(Δλ)*, где (Δλ)* — наименьшая разность длин волн, ещё различимая в выходном излучении М. Светосила М. показывает, какая часть лучистой энергии, испускаемой источником в выделенном интервале δλ, проходит через М. Она зависит от геометрических характеристик М. (в частности, размеров щелей и диспергирующего элемента) и от потерь на отражение и поглощение в оптике М.

Объективы М. (коллиматорный и фокусирующий) могут быть линзовыми или зеркальными. Зеркальные объективы пригодны в гораздо более широком спектральном диапазоне, чем линзовые, и, в отличие от последних, не требуют перефокусировки при переходе от одного выделяемого участка спектра к другому. Это особенно удобно в невидимых для глаза областях спектра (ультрафиолетовой и инфракрасной), в связи с чем в М. для этих областей применяется преимущественно зеркальная оптика.

М. служат важнейшими составными частями источников монохроматического освещения и Спектрофотометров, с помощью которых измеряют энергию, излучаемую исследуемыми объектами в различных областях спектра. В спектрофотометрии особенно важно избежать попадания в выходную щель М. рассеянного света с длинами волн, далёкими от выделяемого участка спектра. С этой целью часто применяют двойные М., представляющие собой два М., конструктивно объединённых так, что выходная щель первого из них служит входной щелью второго. К преимуществам двойных М. относится также возможность существенно повысить их дисперсию.

Лит.: Топорец А. С., Монохроматоры, М., 1955; Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, Л., 1970.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Монохроматор - длин волн из широкой области спектра оптического (т. е. видимого и электромагнитного излучения.

Схема прохождения лучей в монохроматоре с дифракционной решёткой.

Принцип действия монохроматора основан на явлении дисперсии света в призме или на дифракционной решётке.

Содержание

Устройство

  • Диспергирующими элементами в монохроматорах могут быть дисперсионные призмы или объектив, который проектирует его на выходную Объективы монохроматора (коллиматорный и фокусирующий) могут быть линзовыми или зеркальными. Зеркальные объективы применимы в гораздо более широком спектральном диапазоне, чем линзовые, и, в отличие от последних, не требуют перефокусировки при переходе от одного выделяемого участка спектра к другому. Это особенно удобно в невидимых для глаза областях спектра ( спектр) призмой или дифракционной решёткой, свет нужной длины волны, с помощью механических поворотных устройств, направляют в необходимое место (например, на Типы монохроматоров


Оптическая схема монохроматора Эберта-Фасти отличается от схемы Черны-Тернера устройством спектрофотометрах, где особенно важно избежать попадания в выходную щель рассеянного света с длинами волн, далёкими от необходимого для исследований участка спектра. Для улучшения качества излучения часто применяют Монохроматор Черни-Тернера


Схема монохроматора:1 – входная щель; 2 – коллиматор; 3 – диспергирующийэлемент;4 – фокусирующий объектив;5 – выходная щель.

МОНОХРОМА́ТОР, спек­траль­ный оп­тич. при­бор для вы­де­ле­ния уз­ких уча­ст­ков спек­тра оп­тич. из­лу­че­ния. Свет от ис­точ­ни­ка из­лу­че­ния про­хо­дит че­рез вход­ную щель 1 М., кол­ли­ма­тор 2 , дис­пер­ги­рую­щий эле­мент 3 , фо­ку­си­рую­щий объ­ек­тив 4 и вы­ход­ную щель 5 . Дис­пер­ги­рую­щий эле­мент про­стран­ст­вен­но раз­де­ля­ет лу­чи раз­ных длин волн $λ$ , на­прав­ляя их под раз­ны­ми уг­ла­ми $φ$ , и в фо­каль­ной плос­ко­сти объ­ек­ти­ва об­ра­зу­ет­ся спектр – со­во­куп­ность изо­бра­же­ний вход­ной ще­ли в лу­чах всех длин волн, ис­пус­кае­мых ис­точ­ни­ком. Нуж­ный уча­сток спек­тра со­вме­ща­ют с вы­ход­ной ще­лью по­во­ро­том дис­пер­ги­рую­ще­го эле­мен­та; из­ме­няя ши­ри­ну ще­ли, ме­ня­ют спек­траль­ную ши­ри­ну $δλ$ (ин­тер­вал длин волн) вы­де­лен­но­го уча­ст­ка. Ино­гда роль ще­ли вы­пол­ня­ет то­рец оп­то­во­лок­на, а са­мо оп­то­во­лок­но ис­поль­зу­ет­ся для по­да­чи све­та в М. вме­сто тра­диц. оп­тич. схем.

Резюме

Принципы

Устройство для получения монохроматического светового пучка , имеет множество применений в науке , будь то в химии , физике или оптики , поскольку многие явления зависят от длины волны от света . Среди различных устройств, использующих монохроматоры, можно, в частности, упомянуть спектрометры, используемые для химических или структурных анализов или анализа . Для получения монохроматического света можно создать монохроматический источник на желаемой длине волны ( например, лазер ) или же фильтровать полихроматический источник.

Понятие дисперсии

Для разделения различных длин волн светового луча монохроматор может использовать либо явление рассеяния света призмой (см. Рисунок справа), либо явление дифракции на решетке или кристалле . Выходная щель позволяет выбрать желаемую длину волны в соответствии с ее положением в спектре, который был расширен за счет дисперсии.

Рассеяние или дифракция светового луча может использоваться только в том случае, если свет коллимирован, то есть если все световые лучи параллельны (или практически параллельны). На практике световые лучи почти всегда расходятся, и необходимо использовать коллиматор, чтобы сделать лучи параллельными. Обычно в монохроматорах используются коллиматоры, работающие на отражение (а не на пропускание), чтобы не вносить паразитную дисперсию из-за света.

Пример


Полихроматический параллельный пучок затем рассеивается призмой или дифрагирует на решетке или кристалле ( D ), затем собирается другим зеркалом ( E ), которое фокусирует его на выходной щели ( F ). В случае призмы или решетки разные длины волн разделяются на уровне выходной щели (если луч находится в видимом диапазоне, разные цвета разделяются), каждая из которых достигает разных точек щели. В случае кристалла дифрагирует одна длина волны в зависимости от значения угла падения ( закон Брэгга ).

Поэтому световой луч, выходящий из щели ( G ), больше не состоит из одной длины волны (и небольшой доли соседних длин волн). Вращение D ( призмы , решетки или кристалла ) вызывает смещение луча на уровне зеркала E и выходной щели F , что позволяет выбрать желаемую длину волны , центрируя ее на щели.

Характеристики

Характеристики

Дисперсия монохроматора характеризуется шириной диапазона выходных длин волн на единицу раскрытия щели (например, 1 нм на 1 мм раскрытия щели). Этот коэффициент постоянен для кристалла или шага решетки , но зависит от длины волны в случае призмы . Соответственно, если пользователю призменного монохроматора необходим луч с постоянной длиной волны, апертуру щели необходимо отрегулировать в соответствии с длиной волны.

Полоса пропускания монохроматора порядка нанометра.

Производство

Ширина диапазона длин волн выходного луча характеризуется шириной на половине высоты гауссиана, обозначаемой FWHM ( Полная ширина на половине максимума ). Это сильно зависит от открытия щелей: поэтому необходимо найти компромисс между интенсивностью луча (очень открытые щели) и малой шириной полосы (очень маленькие открытые щели). Ширина также зависит от свойств системы , позволяющей дисперсию света ( показатель преломления в призме , шаг дифракционной решетки , природы и ориентации кристалла ). Наконец, он напрямую связан с фокусным расстоянием используемого коллиматора : чем больше фокусное расстояние , тем уже диапазон длин волн. К сожалению, чем больше фокусное расстояние , тем больше коллиматор собирает небольшую часть расходящегося пучка после входной щели и тем ниже выходная интенсивность. Монохроматоры с очень высоким разрешением могут иметь коллиматоры с фокусным расстоянием около 2 метров. Поэтому производство таких монохроматоров требует особого внимания к термической стабильности и механической стабильности.

Обычные оптические системы обычно имеют проблемы с оптическими аберрациями в фокусе изображения второго коллиматора (который фокусирует луч на выходной щели). Чтобы решить эту проблему, разрезы иногда слегка изогнуты, а не прямые.

Читайте также: