Монохроматор

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскнкСоцналнстнческнкРеспублнк р 1968628 Ф(61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 010481 (21) 3268058/18-25 51 М Кп з С 01 3 3/12 с присоединением заявки Мо -(23) Приоритет -Государственный комитет СССР ио делам изобретений и открытийОпубликовано 2310.82. Бюллетень Ио 39 Дата опубликования описания 23.10.82(72) Авторы изобретения А.Е. Вершинский, Е.И. Лебедев, О.В. Алекса и Е.Д. Мищенко 1 Заявитель 54) МОНОХРОМАТОР к н р 20 выходиматор,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 моохроматоров для улучшения этих хаактеристик 1и 2,1 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 блиэким к изобретению по технической сущности является монохроматор с двукратной дисперсией, содержащий оптически связанные входную и ую спектральные щели, колли зеркальный объектив, отательную дифракционную решет у иское зеркало 3,Однако монохроматор при довольнопростой конструкции имеет высокуюдисперсию, но характеризуется высоким уровнем мешающего излучения,что приводит к ограничению пороговойчувствительности, т.е. способностивыделения слабых спектральных сигиа.лов.Целью изобретения является улучшение пороговой чувствительностиэа счет уменьшения величины мешающего излучения.Поставленная цель достигаетсятем, что в монохроматоре с двукрат"ной дисперсией, содержащем оптически связанные входную и выходнуюспектральные щели, коллиматор, зеркальный объектив, отражательную дифракционную решетку и плоское зеркало, коллнматор установлен между ди"Фракционной решеткой и плоским зеркалом и выполнен в виде после"довательности решеток, ориентированйых перпендикулярно плоскостидисперсии дифракционной решетки, ацентральная эона объектива перекры-.та в направлении, параллельном плоскости дисперсии, непрозрачным вкраном;.,При этом расстояние с от плоского зеркала до дифракционной решетки и высота Н дифракционной решетки. выбраны иэ условийГ(0 - г) + ЬЕг йНО - г + 2 -у- (Е + с),Ьгде 1 - фокусное расстояние объектива; 10О и г - соответственно размеры объектива и экрана в направлении,перпендикулярном плоскостидисперсии;- высота спектральных щелейа - расстояние между нимиЕ - расстояние от объектива, додифракционной решетки.дополнительное снижение уровня мешающего излучения и устранениевысших порядков дифракционной решетки может быть достигнуто, если междукаллиматором и плоским зеркалом ус-тановлена диспергирующая призма, ре.шетки решеточного коллиматора выпол,иены с равной шириной А непрозрачных штрихов и равными промежутками В между штрихами, а интервал К,между первой решеткой, ближайшей кплоскому зеркалу, и смежной с нейрешеткой выбран равным ВЕ/С, гдеЕАС - длины и поперечный размер решеточного коллиматора, при этом интервалы КЬ между любыми другимисмежными решетками выбраны иэ усло 35вия К, ( К (1 + - - ), а интерва 1лы К, между смежными решетками научастке коллиматора, расположенноммежду объективом и дифракционной ре Ошеткой из условия К = пс( А 8 с 9 зА + Вч где- угол, образован 19 Ч45ный отрезками оптической оси монохро.матора между объективом и дифракционной решеткой и между дифракционнойрешеткой и плоским зеркалом,На фиг.1 приведена оптическаясхема монохроматора, разрез вертикальной плоскостью; на фиг,2 - иэнохроматор, вид сверху; на фиг.3решеточный коллиматор, вид в разрезе плоскостью, параллельной плоскости дисперсии.55онохроматор содержит входнуюспектральную щель 1, установленнуюв фокальной плоскости зеркальногообъектива 2, дифракционную решетку 3,удаленную от объектива 2 на расстоя Ойие Е, плоское зеркало 4 и выходнуюспектральную щель 5, также установленную в фокальной плоскости объектива 2, Центральная зона объектива 2 перекрыта в направлении, парал лельном плоскости дисперсии дифракционной решетки 3, непрозрачным экраном 6, высотукоторого следуетвыбРать Равной г (щ + Ь),Егде Г - фокусное расстояние объектива 2Ь - высота спектральных щелей1,5;щ - расстояние между ними.Между плоским зеркалом 4 и дифракционной решеткой 3 рекомендуется установить диспергирующую призму 7таким 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 с от дифракционнойрешетки 3 до призмы 7 (а при отсутствии призмы 7 - до плоского зеркала 4 должно удовлетворять условиюГ(0 - г) + ЬЕ,П 13где Г - фокусное расстояние объектива;0 и г - соответственно размеры объектива 2 и экрана 6 в вертикальном направлении (перпендикулярном плоскости дисперсииу/Ь - высота спектральных щелей1,5,Высота Н дифракционной решетки 3должна быть не менее, чем0 - г + 2 (Е + с).ЬГМежду дифракционной решеткой 3 и призмой 7 установлен решеточный коллиматор 10, выполненный в виде последовательности амплитудных решеток 111-11,2 прямоугольным профилем штрихов 12 и с одинаковым периодом Рфиг.3), т.е. одинаковой шириной А непрозрачных штрихов 12 ,и одинаковой шириной В промежутков между ними.1При 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 вви- . де тонких металлических пластин с прорезями или в виде наборов тонких нитей.Интервал К 4 между первой решеткой11.1 ближайшей к.плоскому эеркаА, АЛхВх ВАЯВ5 ух.Г. Дгде 5 б - ширина входной щели.Из выражения (5) видно, что дляповышения прозрачности коллиматорацелесообразно минимизировать значение В. ПосколЬку реальНо . (С В, 55 А5 эх втор и третьим члена ввыражении (5 ) можно пренебречь. Следовательно, при А/В = 4 прозрачностьколлиматора 11 может быть доведенапримерно до, 80. Угол коллимациис(к х А/2), все рассеянное излучение,распространяющееся вне этого угла,благодаря выполнению (1 и 2) , поглощается штрихами 12 решеток 11и внутренними стенками коллимато"+ 1+ 1. (4) лу 4, и смежной с ней решеткой 11.2 рекомендуется выбрать равным8/С, (1) где С - поперечный размер коллиматора 10 в плоскости диспер.сии) у- длина коллиматора.Интервалы К , К К, между второй и третьей решетками 11.2 и 11.3 третьей и четвертой и любыми другими смежными решетками 11, 11следует выбирать из условия:Кии(1 + у-) Из условий (,1 и 2) видно, что для сокращения числа решеток при выбранном отношении В/А длину (. коллиматора 10 желательно выбрать как можно более близкой к расстоянию между дифракционной решеткой 3 и призмой 7. Для выполнения этого тре 1бования интервалы Ки между решетками коллиматора на участке 13 коллиматора 10, расположенном между объективом 2 и дифракционной решеткой 3 (фиг.3), т.е. вдоль отрезка 020 оптической оси монохроматора на расстоянииС/Фд от дифракционной решетки, следует выбрать иэ ус- ловия где- угол, образованный отрезками ОдО и 004 оптическойоси,монохроматора междуобъективом 2 и дифракционной решеткой 3 и между дифракционной решеткой и плоским зеркалом 4 (или призмой 5) .Выбор конкретных значений КИ, КИ и Ь, удовлетворяющих условиям (1) и .(3 ), производится методом последонательных приближений. Общее число решеток приближенно определяем иэ выраженияГрани 14-1 б. 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 и и равна дЭ =Ь- Расходимостью в горизонталь.- ной плоскости пренебрегаем. Коллимированное излучение падает на 5 10 15 25 35 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 Лдля которых сумма углов падения на ди" Фракционную решетку 3 и дифракции равна Ч , проходит вдоль продольной оси 00 коллиматора на пре"юломляющую 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 немонохроматического излучения, достигающего преломляющей 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 , возвращалось в коллиматор 10 и проходило через него с минимальными потерями, Прозрачность т коллиматора на длине волны . в этом случае определяется выражением9 Б 8 б 28 НгдеЭи 1"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 дифрак. ционной решетки 3 и экрана б, излучение, диспергированное призмой,освещает только верхнюю часть дифракционной решетки 3, т,е. обеспечивается полное пространственноеразделение участков решетки 3, накоторых происходит первичная иповторная дифракция излучения. Поток, вторично диспергированныйрешеткой 3, вновь попадает на участок 13 коллиматора 10, Вследствиевыполнения условия (3 ) монохроматический поток с длиной волны ( проходит без потерь вдоль линии 00через эту часть 13 коллиматора 10,которая расположена между дифракционной решеткой 3 и объективом 2. Возможность коллимирования потоков излучения, идущих в двух направлениях(вдоль отрезков 00 э и 004 оптической оси монохроматора), позволяет максимально приблизить длину Ьколлиматора 10 к длине отрезка 0 04,т.е. обеспечить наименьшее значе- . ние о.Уменьшение значения ок 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, вполнеба приемлемое значение ( около 610 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 половина),2 (верхняя половина) и 5. Как следствие введения экрана б и выборасоответствующих размеров элементов 2 и 3 предотвращается попадание мещающего : излучения из первого вовторой и третий монохроматоры. В результате предлагаеьый монохроматорпри высокой дисперсии характеризуется очень низким уровнем мешающегоизлучения. 5 10 15 20 35 46 45 50 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 образомг чтобы излучение, дважды прошедшее через нее, попадало на дополнительное зеркало и вновь возвращалось 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, эеркальннйобъектив, отражательную дифракционную решетку и плоское зеркало, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения пороговой чувствительности за счет уменьшения вели" чины 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 1 от плоского зеркала до дифракционной решетки и высота Н дифракционной решетки выбраны из ус" ловий Г(0 - г) + ЬЕ й Э О - г.+ 2 (Е + е),Ив - расстояние между слектральными щелями;.Е - расстояние от объектива додифракционной решетки,2. Монохроматор по и. 1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что между 5коллиматором и плоским зеркалом дополнительно установлена диспергирующая призма, решетки решеточного коллиматора выполнены с равной шириной А непрозрачных штрихов и равными 10прсмежутками В между штрихами, а интервал К между первой решеткой,ближайшей к плоскому зеркалу, и смежной с ней решеткой выбран равнымВЕ/С, где , С - длина и поперечный 15размер решеточного коллиматора, приэтом интервалы Кн между любыми другими смежными решетками выбраны изусловия КН 6 К Н(1 + В/А), а интервалы Кн между смежными решеткамина участке коллиматора, расположенном между объективом и дифракцнонной решеткой - из условияКпй 1 а 9ф 9 где 9 - угол, образованный отрезками оптической оси монохроматора между объективом и диФракционной решеткой и между дифракционной решеткойи плоским зеркалом.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. 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 СССРР 271836, кл. 0 01 Э 3/18,1968 (прототип).За Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 илиал 147/68 Тираж 887ВНИИПИ Государственного кпо делам изобретений и 13035, Москва, 3-35, Раушск Подписноетета СССРкрытийнаб., д. 4/5