Анализаторы частоты диспергирующего типа

Действие анализаторов частоты диспергирующего типа состоит в пространственном разделении потоков излучения с различными частотами. Первоначально использовали призмы, в настоящее время в основном используют дифракционные решетки и их аналоги.

Принципиальная схема анализатора частоты диспергирующего типа представлена на рис. 1.1 (блок II), а также более подробно на рис. 1.3.

Призмы применяют в оптическом (ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном) диапазонах. Призмы изготавливают из материалов, прозрачных в соответствующей области излучения и обладающих большой оптической дисперсией — величиной d n /dl, характеризующей зависимость показателя преломления n от длины волны l. Характерные виды применяемых призм представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.3. Принципиальная оптическая схема спектрального прибора с пространственным разделением длин волн с помощью угловой

дисперсии: 1 — коллиматор с входной щелью Щ и объективом О₁ с фокусным расстоянием f ₁; 2 — диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией dQ/d l; 3 — фокусирующая система (камера) с объективом О₂, создающим в фокальной плоскости Ф изображение входной щели в излучении разных длин волн с линейной дисперсией dx/ d l

Рис. 1.4. Призмы: а — простая трехгранная призма с преломляющим углом a = 60 °, б — призма Литтрова (a = 60 °), в – призма Корню (a₁ = a₂ = 30 °°), г — призма Резерфорда – Броунинга (a₂ = 100 °)

Дифракционная решетка — это пластина (плоская или вогнутая) с нанесенными на ней параллельными штрихами-канавками с постоянным шагом d (от 50 до 3600 шагов на мм). Каждый штрих представляет миниатюрный отражающий элемент. Лучи, отраженные от разных штрихов решетки, интерферируют.

Пусть угол падения луча на решетку равен y, а угол наблюдения отраженного угла — j (рис. 1.5). Два луча, отраженные от соседних штрихов, имеют разность хода, равную . В соответствии с законами интерференции максимум интенсивности будет наблюдаться под такими углами, для которых выполняется равенство

,

(1.2)

где m — целое число, называемое порядком отражения.

Таким образом, световые потоки с разными длинами волн будут наблюдаться под разными углами.

Рис. 1.5. Дифракционная решетка: направления на спектры различных порядков

Дифракционные решетки используют в оптическом диапазоне спектра. В рентгеновской области применяют аналоги дифракционных решеток (кристаллы-анализаторы), поскольку шаг решетки должен быть очень мал.

Основные оптические характеристики анализаторов частоты диспергирующего типа:

- спектральный диапазон работы,

- дисперсии (угловая и линейная),

- спектральная полоса пропускания,

- разрешающая способность;

- светосила.

Спектральный диапазон работы для призм определяется областью прозрачности материалов. Для стекла это 350 – 2500 нм, кристаллического кварца 175 – 3500 нм (180 – 10000 нм), бромида калия — 210 – 27000 нм. Для дифракционных решеток рабочий диапазон зависит от шага d. В средней ИК-зоне используют решетки в 300 – 50 штрихами на мм, в видимой — 1200-600 штрихов/мм, в УФ — 3600 – 1200 штрихов/мм. Сейчас делают и для обл. мягкого рентгеновского излучения — (~1нм), и для далекой ИК зоны (~1мм).

Угловая дисперсия D_j определяется величиной угла dj, на который расходятся монохроматические пучки с длинами волн l и l+dl:

(1.3)

Для призменных анализаторов она зависит от оптической дисперсии материала призмы, а также ее геометрии. Например, у кварца, в УФ области она на порядок больше, чем в ближней ИК области. Поэтому и угловая дисперсия для них в рабочем диапазоне непостоянна. Для дифракционных решеток: и мало зависит от длины волны.

Линейная дисперсия характеризуется расстоянием в спектре между монохроматическими линиями с длинами волн l и l+dl:

.

(1.4)

Линейная и угловая дисперсия тесно связаны между собой. Если оптическая ось прибора перпендикулярна фокальной плоскости, то , где f — фокусное расстояние камерного объектива. По традиции чаще используют величину обратной линейной дисперсии = , которая показывает, какой спектральный диапазон размещается на 1 мм фокальной плоскости камерного объектива. Для анализаторов в УФ и видимой части она составляет от нескольких десятых до 10 нм/мм.

Спектральная полоса пропускания характеризует интервал длин волн, выделяемых выходной щелью анализатора при падении на его входную щель немонохроматического излучения. Спектральная полоса пропускания зависит от обратной линейной дисперсии и ширины входной и выходной щели анализатора :

,

(1.5)

где — ширина входной и выходной щели.

Если входная и выходная щель имеют разную ширину, то в качестве берется большая из них. Для призменных и решеточных анализаторов типичные в УФ и видимой части — 0,1 – 5 нм, у прецезионных анализаторов — до 0,01 нм.

Разрешающая способность характеризует наименьшую разность длин волн двух близких спектральных линий равной интенсивности, которая позволяет наблюдать их отдельно. Обычно используют относительную величину:

,

(1.6)

где — средняя длина волны наблюдаемых линий.

Чем больше разрешающая способность, тем более подробно выглядит картина спектра. Значения R для анализаторов частоты оптического диапазона достигает 10³ – 10⁵, рентгеновского — 10² – 10³.

Светосила — характеристика способности анализатора собирать и пропускать излучение. Она зависит от относительного отверстия камерного объектива , где в — диаметр объектива, f — его фокусного расстояние. Для анализаторов оптического излучения величина оптического отверстия достигает 0,04 – 0,2.

Между основными характеристиками анализатора частоты дисперсионного типа существует соотношение

,

(1.7)

Выражение (1.7) показывает, что при постоянном разрешении R нельзя выиграть в светосиле, не ухудшая дисперсию, и наоборот, а для улучшения разрешения надо увеличивать или дисперсию, или светосилу. Возможности анализаторов частоты диспергирующего типа в этом отношении сильно ограничены. Большими возможностями обладают анализаторы частоты модуляционного типа.