Одноканальные спектральные приборы с пространственным разделением волн

Основой оптич. схем С. п. этой группы является диспергирующий элемент (дифракционная решётка, эшелетт, эшелле, интерферометр Фабри - Перо, спектральная призма), обладающий угловой дисперсией , что позволяет развернуть в фокальной плоскости изображения входной щели в излучении разных (рис. 3). Для объективов O₁ и О₂ обычно используются зеркала, не обладающие хроматич. аберрациями (в отличие от линзовых систем). Если в фокальной плоскости установлена одна выходная щель, схема С. п. представляет собой схему моиохроматора, если неск. щелей,- полихроматора, если фототувствит. слой или глаз,- спектрографа или спектроскопа.

Одноканальные С. п. обычно строятся на основе монохроматоров, в к-рых сканирование осуществляется поворотом дифракц. решёток. В простейших менохроматорах вместо диспергирующего элемента и выходной щели применяются циркулярно-клиновые интерференц. светофильтры с непрерывной перестройкой по полосы пропускания. Для таких С. п. характерно последоват. соединение функциональных элементов, в к-рых информативный сигнал к--л. образом обрабатывается (рис. 4). Для измерений спектров пропускания и отражения разл. образцов используются встроенные источники излучения со сплошным спектром, для исследований спектров внеш. излучателей - соответствующие осветители, а для непосредств. измерения поглощения в веществе могут использоваться оптико-акустич. ячейки, преобразующие поглощённую энергию в подходящий для регистрации сигнал. В классич. С. п. оптич. модулятор вводится в схему лишь для того, чтобы в электрич. части применить усиление на перем. токе.

Рис. 3. Схема спектрального прибора с пространственным разделением длин волн с помощью угловой дисперсии: 1 - коллиматор с входной щелью Щ и объективом О, с фокусным расстоянием f₁; 2 - диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией ; 3 - фокусирующая система (камера) с объективом 0„, создающим в фокальной плоскости Ф изображения входной щели в излучении разных длин волн с линейной дисперсией

Рис. 4. Блок-схема однолучевого одноканального прибора: И - источник излучения; М - оптический модулятор (обтюратор); Ф - сканирующий фильтр (монохроматор); П - фотоэлектрический приёмник излучения; У - усилитель и преобразователь сигналов приёмника; Р - аналоговый или цифровой регистратор; БУ - блоки управления и обработки данных на базе ЭВМ.

Устройства управления С. п. и обработки результатов измерений строятся на базе микропроцессоров. Они отличаются большим разнообразием и обеспечивают оптимизацию режимов работы С. п. по параметрам R, М, в рамках условия (1) [для классич. С. п. условие имеет вид , если шум приёмника не зависит от падающего на него потока]. Вместо величины К иногда используют т. н. энергетический фактор , к-рый численно равен отношению сигнал/шум, наблюдаемому при единичном выделяемом спектральном интервале и единичной полосе частот . Накладываемые фактором Q энергетич. ограничения играют осн. роль в ИК-области, где яркости источников быстро уменьшаются и значения Q малы; напр., в ср. ИК-области ( 10 мкм) хорошие С. п. имеют Q = 10⁷мкм^-2 Гц^1/2 (в шкале волновых чисел Q = 10³см^-2Гц^1/2). В видимой и ближней ИК-областях энергетич. ограничения играют меньшую роль и рабочие значения Л могут приближаться к дифракц. пределу (напр., в С. п. с дифракц. решётками - к значению , где k - кратность дифракции, - волновое число, L - ширина решётки, - угол дифракции). Рассмотрим типичные приборы группы 1.

Спектрометры высокого разрешения для исследований структуры атомных и молекулярных спектров; представляют собой стационарные лаб. установки, построенные по схеме рис. 4. В зависимости от области спектра применяются разнообразные монохроматоры (с фокусными расстояниями до 10 м) в вакуумируемых корпусах, в виброзащищённых и термостабилизиров. помещениях. В этих приборах используется 2- и 4-кратная дифракция на эшеллях шириной до 400 мм, применяются спец. источники и охлаждаемые приёмники, что позволяет достигать в спектрах поглощения в области длин волн 2,5 мкм. Для выявления ещё более тонкой структуры в схему измерений: вводят сканирующие интерферометры Фабри - Перо ( в видимой области).

Спектрофотометры (СФ) выполняют операции фотометрирования для определения отношений потоков - безразмерных коэф. пропускания и отражения разнообразных образцов веществ и материалов. В наиб. прецизионных СФ эта задача решается по схеме рис. 4 сравнением двух последоват. отсчётов для одного и того же пучка излучения: «образец в пучке», «образец вне пучка». Такой же метод применяется в массовых нерегистрирующих СФ - сравнительно дешёвых С. п., сотни разновидностей к-рых выпускаются десятками фирм. Серийные автоматич. регистрирующие СФ основаны на более сложных, но и более производительных двухлучевых схемах измерений, отличающихся от однолучевой тем, что между источником и фильтром (или между фильтром и приёмником) организуются два пучка излучения - измерительный (в к-рый помещается образец) и референтный. Эти пучки модулируются по определ. алгоритмам, обеспечивающим работу т. н. систем электрического отношения, регистрирующих коэф. пропускания Т или оптич. плотности D = -lgT как ф-ции или . Использовавшиеся для этих целей системы оптич. нуля практически вышли из употребления к кон. 1980-х гг.

Многочисл. модели автоматич. СФ можно разделить примерно на три класса: сложные универсальные СФ для науч. исследований (R ~ 2000-5000), приборы ср. класса (R ~ 500-1000) и простые, т. н. рутинные, СФ (R ~ 100-500) с рабочими спектральными диапазонами, заполняющими всю область прозрачности атмосферы 0,19-50 мкм. Кроме того, спец. вакуумные модели выпускаются для УФ-области (0,1-0,2 мкм) и ИК-области (50-300 мкм). Конструкции автоматич. СФ обеспечивают широкий выбор значений Л, М, , скоростей и масштабов регистрации спектров разл. объектов, приборы оснащаются наборами газовых и жидкостных кювет, приставками для измерений зеркального и диффузного отражений, а также нарушенного полного внутреннего отражения, приставками для измерений малых образцов, для исследований при разных темп-pax и т. п. В конструкции спец. типов СФ вводят микроскопы (микроспектрофотометры), устройства для исследований спектров люминесценции (спектрофлуориметры), дисперсии показателя преломления (спектрорефрактометры), поляризации (спектрополяриметры), измерений яркости внеш. излучателей в сравнении с встроенным эталонным (спектрорадиометры), испытаний чувствительности фотоматериалов (спектросенситометры) и др.

Автоматич. СФ являются осн. приборами для исследований спектральных характеристик веществ и материалов и абсорбционного спектрального анализа.

Спектрометры комбинационного рассеяния могут быть однолучевыми и двухлучевыми. Источниками излучения в них обычно служат лазеры, а для наблюдения комбинац. частот (см. Комбинационное рассеяние света)и подавления фона, создаваемого первичным излучением, применяются двойные и тройные монохроматоры с голографич. дифракц. решётками. В лучших приборах отношение фона к полезному сигналу снижено до 10^-15 и комбинац. частоты могут наблюдаться на расстояниях порядка неск. см^-1 от возбуждающей линии.

Скоростные спектрометры (хроноспектрометры) работают по схеме рис. 4, но в отличие от др. С. п. их снабжают устройствами быстрого циклич. сканирования и широкополосными ( до 10⁷ Гц) приёмно-регистрирующими системами. Для исследований кинетики хим. реакций сканирование ведётся с малой скважностью, к-рая достигается, напр., методом «бегущей щели»: вместо выходной щели в фокальной плоскости устанавливается быстро вращающийся диск с большим числом радиальных прорезей. Таким способом получают до 10⁴ спектров в 1 с. Если время жизни объекта слишком мало, применяют более быстрое сканирование вращающимися зеркалами, это приводит к большой скважности и требует синхронизации начала процесса с моментом прохождения спектра по щели.