Монохроматор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Социалистических

Республик («) 968628 (ф(1

// а=(=. г (61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 010481 (21) 3268058/18-25 (51)M Кп з

С 01 J 3/12 с присоединением заявки ¹â€”

/ (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий

Опубликовано 2 10.82. Бюллетень № 39

Дата опубликования описания 23.10.82 (531УДК 535. 953 (088.8) (72) Авторы изобретения

A.Å. Вершинский, Е.И. Лебедев, О. В. Алекса и Е.Д. Иищенко (71) Заявитель (54) NOHOXPOMATOP

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано . при создании монохроматоров, сканирующих спектрометров и спектрофотометров на основе монохроматоров.

Важными техническими характеристиками монохроматоров, определяющими их способность выделять монохроматические сигналы на немонохроматическом фоне, являются дисперсия и уровень мешающего <рассеянного) излучения на выходе прибора.

Известны применения двойных монохроматоров для улучшения этиМ характеристик (1 3 и (2), Однако эти устройства имеют сложную конструкцию, значительные габариты и высокую стоимость. Кроме того, большое количество оптических дета» лей приводит к значительным потерям полезного излучения и накладывает высокие требования на точность юстировки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является монохроматор с двукратной дисперсией, содержащий оптически связанные вход1 ную и выходную спектральные щели, коллиматор, зеркальный объектив, от(ражательную дифракционную решетку и плоское зеркало (33.

Однако монохроматор при довольно простой конструкции имеет высокую дисперсию, но характеризуется высоким уровнем мешающего излучения, что приводит к ограничению пороговой чувствительности, т.е. способности выделения слабых спектральных сигна. лов.

Целью изобретения является улучшение пороговой чувствительности эа счет уменьшения величины мешающего излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в монохроматоре с двукратной дисперсией, содержащем оптически связанные входную и выходную спектральные щели, коллиматор, зеркальный объектив, отражательную дифракционную решетку и плоское зеркало, коллнматор установлен между ди Фракционной решеткой и плоским зеркалом и выполнен. в виде последовательности решеток, ориентиро. ванйых перпендикулярно плоскости дисперсии дифракционной решетки, а центральная эона объектива перекры-. та в направлении, параллельном плосЗО кости дисперсии, непрозрачным эк96В628 раном; ., При этом расстояние t от плоскогоо зеркала до дифракционной решетки и высота Н дифракционной решетки. выбраны иэ условий

f(D - r) + hE

Н3 0 - r + 2 - — (Е.+ t), h где f - фокусное расстояние объектива; 10

0 и r - соответственно размеры объектива и экрана в направлении, перпендикулярном плоскости дисперсии;

h — высота спектральных щелей 15

m - расстояние между ними>

Š— расстояние от объектива. до дифракционной решетки. дополнительное снижение уровня мешающего излучения и устранение ! высших порядков дифракционной решет- ки может быть достигнуто, если между каллиматором и плоским зеркалом ус- i тановлена диспергирующая призма, ре- ! шетки решеточного коллиматора выпол», иены с равной шириной A непрозрачных штрихов и равными промежутками В между штрихами, а интервал К, между первой решеткой, ближайшей к плоскому зеркалу, и смежной с ней решеткой выбран равным BL/C, где

L C — длины и поперечный размер решеточного коллиматора, при этом интервалы К между любыми другими смежными решетками выбраны иэ усло35 вия К, « К,„, (1 + - — ), а интерваI лы К> между смежными решетками на участке коллиматора, расположенном между объективом и дифракционной ре- 40 шеткой из,условия К„ = iпсt ñgp)

A + В ч где — угол, образован<9У

45 ный отрезками оптической оси монохро.матора между объективом и дифракционной решеткой и между дифракционной решеткой и плоским зеркалом.

На фиг.1 приведена оптическая схема монохроматора, разрез вертикальной плоскостью; на фиг.2 — монохроматор, вид сверху; на фиг.3 решеточный коллиматор, вид в разрезе плоскостью, параллельной плоскости дисперсии.

33онохроматор содержит входную спектральную щель 1, установленную в фокальной плоскости зеркального объектива 2, дифракционную решетку 3, удаленную от объектива 2 на расстоя- 6О йие Е, плоское зеркало 4 и выходную спектральную щель 5, также установленную в фокальной плоскости объектива 2. Центральная зона объектива 2 перекрыта в направлении, парал- 65 лельном плоскости дисперсии дифракционной решетки 3, непрозрачным экраном 6, высоту которого следует выбрать равной (m + h), Е где — фокусное расстояние объектива 2у

h — высота спектральных щелей

1,5;

m — - расстояние между ними. Между плоским зеркалом 4 и дифракционной решеткой 3 рекомендуется установить диспергирующую призму 7 таким образом, чтобы плоскости дисперсии призмы 6 и дифракционной решетки 3 были взаимно параллельны.

При этом призма 7 должна быть соединена через нелинейный элемент 8, например кулачок, с приводом 9 сканирования спектра, подключенным к дифракционной решетке 3.

Расстояние t от дифракционной решетки 3 до призмы 7 (а при отсутствии призмы 7 — до плоского зеркала 4 должно удовлетворять условию

f(D - r) hE, m

7 где f — фокусное расстояние объектива;

D u r — соответственно размеры объектива 2 и экрана 6 в вертикальном направлении (перпендикулярном плоскости дисперсииу

h — высота спектральных щелей

1,5.

Высота Н дифракционной решетки 3 должна быть не менее, чем

0 - r + 2 (Е + t).

f

Между дифракционной решеткой 3 и призмой 7 установлен решеточный коллиматор 10, выполненный в виде последовательности амплитудных решеток 11 ° 1-11.2 прямоугольным профилем штрихов 12 и с одинаковым периодом Р (фиг.3), т.е. одинаковой шириной A непрозрачных. штрихов 12 .и одинаковой шириной В промежутков между ними.

При этом штрихи 12 решеток коллиматора должны быть ориентированы перпендикулярно плоскости, дисперсии дифракционной решетки 3. На поверхность штрихов 12 и внутренние по- . верхности коллиматора 10 нанесено, поглощающее покрытие, Решетки коллиматора могут быть выполнены в ви- . де тонких металлических пластин с прорезями или в виде наборов тонких нитей.

Интервал К между первой решеткой

11.1 ближайшей к плоскому эерка968628 лу 4, и смежной с ней решеткой 11.2 рекомендуется выбрать равным

8L/Ñ, (1) где С - поперечный размер коллиматора 10 в плоскости диспер. сии) у — длина коллийатора.

Интервалы K«K»..., K> между второй и третьей решетками 11.2 и

11.3 третьей и четвертой и любыми другими смежными решетками 11, 11 „следует выбирать из условия:

Ки - и-j(1 + 8 где — угол, образованный отрезками 0 >О>, и 0>04 оптической оси,монохроматора между объективом 2 и дифракционной решеткой 3 и между дифракционной решеткой и плос ким зеркалом 4 (или призмой 5) .

Выбор конкретных значений К, К и (, удовлетворяющих условиям (1) и (3 ), производится методом последонательных приближений. Общее число решеток приближенно on ределяем из выраже н ия

)и

П вЂ” I I>t(+ I)+ 1. (4) Грани 14-16. коллиматора 10 (фиг.2) являются рабочими, т. е. служат для ввода и вывода излучения.

При работе монохроматора немонохроматический поток излучения, прошедший через входную спектральную щель 1, падает на нижнюю часть объектива 2 (фиг.1) и коллимируется им.

Расходимость коллимированного пучка в вертикальной плоскости определяется высотой цели h и равна д) =

Ь

Расходимостью в горизонталь.2f ной плоскости пренебрегаем. Коллимированное излучение падает на

Из условий (1 и 2) видно, что для сокращения числа решеток при выбранном отношении В/A длину L коллиматора 10 желательно выбрать как можно более близкой к расстоянию между дифракционной решеткой 3 и призмой 7. Для выполнения этого треI бования интервалы Кгг между решетками коллиматора на участке 13 коллиматора 10, расположенном между объективом 2 и дифракцисгнной решеткой 3 (фиг.3), т.е. вдоль отрезка 020 оптической оси монохроматора на расстоянии L< < C/tgQ от дифракционной решетки, следует выбрать иэ условия

А >

Л+В В А+ В

Бах.

f. A ( где S> — ширина входной щели.

Из выражения (5) видно, что для . повышения прозрачности коллиматора целесообразно минимизировать значение В. ПосколЬку реальНо 1 (С В, 55 A )) Ssv. вторым и TpeTbHM чл нами выражении (5 ) можно пренебречь. Следовательно, при A/B = 4 прозрачность коллиматора 11 может быть доведена примерно до, 80%. Угол коллимации

g< х A/2L, все рассеянное излучение, распространяющееся вне этого угла, благодаря выполнению (1 и 2), поглощается штрихами 12 решеток 11 и внутренними стенками коллимато;ра 10. При Ь = 527 мм A = .8 мм

65 с(к 0,76 10- - рад, т.е. наличие кол5

t0

45 грань 14 решеточного коллиматора 10.

Благодаря выполнению условия (3 ) все лучи, прошедшие через первую иэ встретившихся на их пути решетку коллиматора, проходят через все остальные решетки участка 13 коллиматора

10 без потерь и, выйдя из коллиматора через грань 15, попадают на нижнюю половину дифракционной решетки 3.

Излучение, диспергированное дифракционной решеткой 3, вновь попадает в.коллиматор 10. Поток излучения в узких спектральных интервалах вблизи длин волны 1., 2 >(., 3 1., для которых сумма углов падения на дифракционную решетку 3 и дифракции равна Ч, проходит вдоль продольной оси 0 z 0 коллиматора на пре" .го ломляющую прйзму 7. Излучение, соответствующее другим спектральным интервалам, поглощается штрихами 12 решеток коллиматора и боковыми стенками коллиматора 10.

Таким образом, наличие коллиматора 10 приводит к уменьшению потока немонохрома=ического излучения, достигающего преломляюще(призмы 7, т.е. к снижению уровня рассеянного излучения.

Излучение, прошедшее через коллиматор 10, дважды диспергируется при прямом и обратном прохождении через преломляющую призму 7. При этом происходит пространственнбе разделение пучков излучения, соответствующих различным порядкам дифракции. Положение плоского зеркала 4 выбирается таким образом, чтобы излучение в одном из выделенных спектральных интервалов, например, вблизи Я., возвращалось в коллиматор 10 и прохо дило через него с минимальными погтерями. Прозрачность т коллиматора на длине волны 1 в этом случае определяется выражением

968628

Н > где

Эи

65 лмматора способствует резкому снижению величины мешающего излучения.

Благодаря выполнению укаэанных соотношений между расстояниями от дифракционной решетки 3 до оптических элементов 2,7 и размерами дифракционной решетки 3 и экрана б, излучение, диспергированное призмой, освещает только верхнюю часть дифракционной решетки 3, т.е. обеспечивается полное пространственное разделение участков решетки 3, на которых происходит первичная и повторная дифракция излучения. Поток, вторично диспергированный решеткой 3, вновь попадает на участок 13 коллиматора 10, Вследствие выполнения условия (3 ) монохроматический поток с длиной волны (проходит без потерь вдоль линии 0 0 через эту часть 13 коллиматора 10, которая расположена между дифракционной решеткой 3 и объективом 2. Возможность коллимирования потоков излучения, идущих в двух направлениях (вдоль отрезков 0 0э и 0 0.(. оптической оси монохроматора ), позволяет максимально приблизить длину t коллиматора 10 к длине отрезка 0 04., т.е. обеспечить наименьшее значе- . ние о ..

Уменьшение значения о к за счет минимизации значения А нецелесообразно, так как это приведет к падению разрешающей способности, определяемой в данном случае величиной А/А. При выбранных параметрах монохроматора, т.е. при А = 8 мм, разрешающая способность сохраняет, вполне приемлемое значение (около б 10 в зеленой области спектра).

Изменение длины волны излучения на выходе монохроматора обеспечивается согласованным поворотом дифракционной решетки 3 и столика, несущего призму 7 и зеркало 4, посредством привода сканирования .9.

Таким образом, предлагаемый монохроматор эквивалентен тройному монохроматору со сложением дисперсии.

При этом первый монохроматор образован оптическими элементами 1 и 2 (нижняя половина), 3 (нижняя половина). и 10, второй монохроматор - элементами 10, 7 и 3, 4 третий - элементами 10, 3 (верхняя половина1, 2 (верхняя половина) и 5. Как следствие введения экрана 6 и выбора соответствующих размеров элементов 2 и 3 предотвращается попадание мещающего : излучения из первого во второй и третий монохроматоры. В результате предлагаеьый монохроматор при высокой дисперсии характеризуется очень низким уровнем мешающего .излучения.

46

Следует отметить, что достижение существенного технического эф«. фекта - повышение пороговой чувствительности эа счет снижения уровня мешающего излучения - достигнуто при минимальном усложнении известного мо- нохроматора с двукратной дисперсией, а именно эа счет введения всего двух элементов - решеточного коллиматора и непрозрачного экрана. Что касается преломляющей призмы, то при не очень высоких требОваниях к дисперсии и уровню рассеянного излучения, ее можно не использовать.

Если же требуется очень высокая дисперсия, в монохроматор можно вести дополнительное зеркало и установить призму 7 таким образом чтобы излучение, дважды прошедшее через нее, попадало на дополнительное зеркало и вновь возврат)алось на призму и далее в коллиматор 10.

Возможны также варианты реализа- . ции монохроматора с раздельными коллиматорным и фокусирующим зеркальными объективами, с выполнением этих объективов н виде линз и т.д.

Формула изобретения

1. Монохроматор с- двукратной дис-, персией, содержащий оптически связанные входную и выкодную спектральные щели, коллиматор, эеркальннй объектив, отражательную дифракционную решетку и плоское зеркало, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения пороговой чувствительности за счет уменьшения величины мешающего излучения, коллиматор установлен между дифракционной решеткой и плоским зеркалом и выполнен в виде последовательности решеток, ориентированных перпендикулярно плоскости дисперсии дифракционной решетки, а центральная зона объектива перекрыта в направлении, параллельном плоскости дисперсии, непрозрачным экраном. При этом расстояние от плоского зеркала до дифракционной решетки и высота Н дифракционной решетки выбраны из условий фокусное расстояние объектива ° соответственно размеры объектива и экрана в направлении, перпендикулярном плоскости дисперсных, высота спектральных щелей

968628

m - расстояние между слектральными щелями; .Š— расстояние от объектива до

° дифракционной решетки.

2. Монохроматор по и. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что между коллиматором и плоским зеркалом дополнительно установлена диспергирующая призма, решетки решеточного коллиматора выполнены с равной шириной А непрозрачных штрихов и равными 10 прсмежутками В между штрихами, а интервал К между первой решеткой, ближайшей к плоскому зеркалу, и смежной с ней решеткой выбран равным

BL/Ñ, где L, С вЂ” длина и поперечный размер решеточного коллиматора, при этом интервалы К между любыми другими смежными решетками выбраны из условия К 6 К > < (1 + В/A), а интервалы К между смежными решетками на участке коллиматора, расположенном между объективом и дифракционной решеткой — из условия, „ (И q). 9 где - угол, образованный отрезками оптической оси мзнохроматора между объективом и дифракционной решеткой и между дифракционной решеткой и плоским зеркалом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л., "Машиностроение", 1968, с. 202-206.

2. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Л., "Машиностроение", 1975, с. 171-178.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 271836, кл. G 01 J 3/18,1968 (прототип). (968628

Составитель Л. Гойхман

Редактор Г. Ус Техред Т.Маточка Корректор С. Шекмар

Заказ 8147/68 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4