Спектральные приборы. Основы оптики. Теория изображения

Реферат

Исторически первыми и наиболее распространёнными до настоящего времени приборами для исследования спектрального состава излучения являются приборы с пространственным разделением излучения разных длин волн. Разделение осуществляется оптическим диспергирующим элементом, обладающим угловой дисперсией: угол отклонения луча таким элементом зависит от длины волны X .

На рис. 4.10 показана упрощённая схема призменного спектрального прибора. Свет от исследуемого источника освещает узкую щель А , расположенную в передней фокальной плоскости объектива 061 (перпендикулярно плоскости рисунка).

Щель как предмет и объектив 061 образуют коллиматор — устройство для создания параллельных пучков от каждой точки предмета. На рисунке показан пучок только от осевой точки щели А, параллельный горизонтальной оси. В задней фокальной плоскости второго объектива 062 (первое положение) формируется изображение щели А’.

Ход лучей изменится, если в пучок поместить призму Пр. Предположим для простоты, что источник излучает свет только двух длин волн А. Д 2 . Преломление пучка на плоских гранях призмы не меняет его сходимости, т. е. после преломления призмой каждый элементарный параллельный пучок остаётся параллельным, меняется только его направление распространения. Для простоты рассмотрим пучок, лучи которого перпендикулярны входной грани призмы. Следовательно, он отклоняется только при преломлении на выходной грани. Закон преломления на второй грани (см. ход лучей на рис. 4.10 слева внизу):

Здесь 0 — плоский угол призмы; п- показатель преломления материала призмы; а — угол отклонения луча от нормали ко второй грани. Показатель преломления любого оптического материала зависит от длины волны; это явление, открытое Ньютоном, называется дисперсией света. Следовательно, после призмы параллельные пучки лучей А.), Х2 распространяются по разным направлениям. Пучок лучей к2 показан штриховыми линиями. Если на пути преломлённых пучков поставить объектив 062 (второе положение), то в его задней фокальной плоскости сформируются два раздельных изображения осевой точки входной щели А-^ цвета А.| и цвета 2 . Очевидно, что все элементарные параллельные пучки, соответствующие внеосевым точкам входной щели, преломляются и разделяются по направлениям на обеих гранях призмы, а затем собираются в задней фокальной плоскости объектива 062(2), образуя две узкие линии — изображения щели цвета А.| и Х2 . Если спектр источника содержит дискретный набор длин волн, то в задней фокальной плоскости 062(2) образуется соответствующий набор узких линий — изображений входной щели, которые и называются спектральными линиями. В реальных спектральных приборах эти изображения искажены аберрациями оптической системы и дифракцией (см. разд. 5).

9 стр., 4483 слов

Безопасная эксплуатация подкрановых путей (портовых сооружений) ...

... сооружений в эксплуатацию. Можно выделить следующие виды ремонта путей: ремонт по техническому состоянию; текущий ремонт подкрановых путей; капитальный ремонт путей. Ремонт ... к следующему. Расстояние от нижнего края балластной призмы подкранового пути до края дна котлована должно быть не ... табл. 3. 2. Величина кривизны рельсового пути в горизонтальной плоскости не должна быть более 1/500 его ...

Чем больше дисперсия оптического стекла призмы, т. е. чем больше разница показателей преломления для, и Х 2 , тем больше разность Да углов между параллельными пучками разных длин волн, тем больше расстояние между спектральными линиями. В отсутствие же диспергирующего элемента все эти цветные изображения накладываются друг на друга: если, например, щель /(освещена белым светом, то и изображение А’ за объективом 062(1) представляет собой белую линию.

Система «коллиматор — параллельные пучки — объектив» используется во многих оптических приборах, нс только спектральных. Между объективами устанавливаются оптические элементы, не меняющие сходимость пучка. Например, в сложных микроскопах пучок как целое поворачивают отражательной призмой, эквивалентной одному или нескольким плоским зеркалам и плоскопараллельной пластинке.

В спектральных приборах помимо преломляющих призм в параллельном ходе лучей между объективами 061 и 062 могут быть установлены и другие диспергирующие элементы, например, плоская дифракционная решётка или интерферометр Фабри-Перо [14].

С точки зрения геометрической оптики все эти элементы эквивалентны плоскому зеркалу или плоскопараллельной пластинке, поскольку преобразуют параллельный пучок в параллельный, точнее, с учетом угловой дисперсии, в набор параллельных пучков.

Объективами в спектральных приборах обычно служат сферические или параболические зеркала, так как их фокусные расстояния нс зависят от X.

Диспергирующие элементы в виде вогнутой отражательной дифракционной решётки сочетают дисперсионное разложение пучка с формированием изображения предметной плоскости, т. е. позволяют обойтись без объективов.

Показанные на рис. 4.10 оптические элементы являются составными частями разнообразных спектральных приборов. Например, монохроматор позволяет выделить излучение одной длины волны, точнее, узкого спектрального диапазона. Для этого в плоскость изображения помещают узкую щель параллельно спектральным линиям. При повороте призмы (показано дуговой стрелкой на рис. 4.10) изменяется наклон всего множества пучков, картина спектральных линий перемещается в плоскости А ‘, в результате чего с выходной щелью можно совместить ту или иную спектральную линию (5, https:// ).

8 стр., 3540 слов

Спектральные методы анализа

... спектральный анализ можно проводить как по спектру испускания, так и по спектру поглощения. Первый способ удобен для анализа ... полихроматический белый свет (т.е. Совокупность пучков света со всеми длинами волн) ... спектральных линий в сериях, расположенных в различных областях электромагнитного излучения, находятся в определённой закономерной связи друг с другом, которую в общем виде для всех элементов ...

В растровых монохроматорах вместо узких щелей в сопряжённых плоскостях А и А’ устанавливают идентичные двумерные решётки — растры. Это позволяет увеличить в 100 раз монохроматический свстовой поток через монохроматор. Распределение прозрачных и непрозрачных участков в растре подбирают так, чтобы при малом изменении длины волны и смещении изображения входного растра относительно выходного растра световой поток уменьшался достаточно резко.

Вывести излучение сразу нескольких раздельных участков спектра можно с помощью многощелевого монохроматора — полихроматора. Для этого в плоскость изображения устанавливают экран с несколькими щелями, каждая из которых совмещается с одной из спектральных линий.

Разнообразны и способы наблюдения и регистрации спектра. Наблюдать цветные изображения щели в видимой области спектра можно в окуляр Ок, совместив его переднюю фокальную плоскость с плоскостью А ‘. Такой прибор называется спектроскоп. Очевидно, что 062 и Ок образуют телескоп, настроенный на изображение входной щели, созданное 061 в бесконечности.

В спектрографе протяженную картину спектральных линий регистрируют на фотопластинку или фотоплёнку, помещаемую в плоскость действительного изображения А’.

Спектральное распределение энергии излучения источника измеряют с помощью эмиссионного спектрометра. В простейшем варианте за выходной щелью монохроматора устанавливают фотоприёмник. В современных спектрометрах в плоскость изображения вместо щели помещают линейку или матрицу фотоприёмников, при этом сразу регистрируется спектральное распределение интенсивности излучения в широком диапазоне длин волн.

Абсорбционный спектрометр предназначен для измерения спектральной зависимости коэффициента поглощения вещества. Изображённая на рис. 4.11 простейшая схема спектрометра с точки зрения геометрической оптики представляет собой две последовательные системы формирования пучка, состоящего из элементарных параллельных пучков. Как и на рис. 4.9, здесь показан только пучок из осевой точки входной щели. Первая система — это монохроматор: входная щель Щ1, коллиматорный объектив 061, диспергирующий элемент ДЭ (отклонение пучка из-за угловой дисперсии не показано), объектив 062, щель Щ2. В монохроматизированный пучок второй системы (щель Щ2, объективы 063 и 064) помещается кювета К с исследуемым веществом, эквивалентная плоскопараллельной пластинке. С плоскостью вторичного действительного изображения А» входной щели совмещается щель или малая фоточувствительная площадка фотоприёмника.

Двухлучевой спектрофотометр, по сути, представляет собой двойной спектрометр: для повышения точности измерений поток излучения от источника разделяется на два пучка — основной и поток сравнения.