СКАНИРУЮЩИЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ ПОЛИХРОМАТОР Российский патент 2016 года по МПК G01J3/18 G02B5/18 

Изобретение относится к области технической физики -спектрального приборостроения, а именно, к дифракционным полихроматорам, предназначенным для разложения в спектр анализируемого излучения. Сканирующий дифракционный полихроматор сочетает в себе свойства монохроматора (прибора последовательного действия) и спектрографа (прибора параллельного действия), то есть представляет собой сканирующий полихроматор.

Известны дифракционные полихроматоры, предназначенные для работы в различных областях спектра [Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Л., Машиностроение. 1995, с. 177].

При достаточно высоком качестве изображения спектра эти полихроматоры имеют либо большое количество отражающих поверхностей, либо при их изготовлении используется сложная и дорогая асферическая оптика.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является минигабаритный гиперспектрометр на базе дифракционного полихроматора [Патент РФ №2332645, опубликованный 27.08.2008 по индексу МПК G01J 3/18].

Данный полихроматор содержит вогнутую дифракционную решетку, установленную в параллельном пучке, создаваемом вогнутым зеркалом. Максимальное спектральное и пространственное разрешение вдоль щели имеет место в спектре на нормали к решетке и вблизи нее. В полихроматоре выведение разных участков спектра на многоэлементный приемник излучения осуществляется поворотом вогнутой решетки совместно с приемником излучения таким образом, чтобы центр приемника оставался бы на нормали к решетке. Таким образом, при сканировании спектра углы дифракции остаются неизменными (в центре спектрограммы на нормали к решетке угол дифракции равен нулю), а углы падения меняются. Однако при изменении угла падения расстояние от вершины вогнутой решетки до изображения входной щели на соответствующей длине волны будет меняться. Для сохранения высокого качества изображения спектра на нормали к решетке и вблизи нее необходимо при повороте решетки с приемником излучения одновременно перемещение приемника вдоль нормали к решетке по определенному закону.

Задачей изобретения является повышение спектрального разрешения прибора с удешевлением его конструкции при упрощении изготовления его деталей.

Задача решена в новой конструкции спектрального дифракционного полихроматора, содержащего входную щель, вогнутое сферическое зеркало и вогнутую сферическую дифракционную решетку, в котором, в отличие от прототипа, дифракционная решетка выполнена с переменным шагом, коэффициент неравномерности которой определен по формуле:

, где:

α₁ и α₂ - углы падения для начального и конечного положений дифракционной решетки, соответствующих крайним значениям длин волн рабочей области спектра. При этом А=µ·R, где µ - линейная составляющая коэффициента неравномерности шага решетки, R - радиус кривизны вогнутой решетки. R и µ имеют обратную размерность: R (мм), µ (1/мм), что подтверждает безразмерность коэффициента А.

Поступательного перемещения приемника излучения при сканировании спектра можно избежать, если использовать решетку с переменным шагом, коэффициент неравномерности которой определен в формуле изобретения. В самом деле, уравнение фокальной кривой вогнутой решетки с переменным шагом в меридиональной плоскости при условии, что угол дифракции β=0, а решетка освещена параллельным пучком, имеет вид: [Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение. 1995, с. 177]

где: ρ′=R/r′

R - радиус кривизны решетки,

r′ - расстояние от вершины решетки до изображения входной щели;

α - угол падения на решетку.

При этом А=µ·R, где µ - линейная составляющая коэффициента неравномерности шага решетки, связанная с постоянной решетки σ в точке решетки с координатой Y поперек штрихов и постоянной решетки σ_o в центральной точке решетки (y=0) соотношением

σ=σ_о(1+µ·y)

Из уравнения (1) можно получить выражения для ρ′₁ и ρ′₂, соответствующих начальному α₁ и конечному α₂ углам падения.

Приравняв выражения для ρ′₁ и ρ′₂, получим уравнение, из которого вытекает формула для коэффициента неравномерности шага решетки:

где α₁ и α₂ - углы падения для начального и конечного положений дифракционной решетки, соответствующих крайним значениям длин волн рабочей области спектра.

Коэффициент неравномерности шага решетки является безразмерной величиной, связан с радиусом кривизны решетки R (мм) и линейной составляющей µ коэффициента А, у которого уже есть размерность (1/мм), что определено выражением А=µ·R.

Дано математическое выражение для определения безразмерной величины коэффициента неравномерности шага решетки, не зависящее от величины радиуса кривизны решетки. После выбора кривизны, исходя из требований к обратной линейной дисперсии прибора, из формулы А=µ·R определяется линейная составляющая коэффициента неравномерности шага решетки (с размерностью 1/мм, необходимой для настройки делительной машины).

На чертеже представлена схема предлагаемого сканирующего дифракционного полихроматора. Излучение источника света (не показан) через входную щель 1 расходящимся пучком падает на вогнутое сферическое зеркало 2, которое отражает излучение в виде параллельного пучка на вогнутую сферическую дифракционную решетку 3 под углом α₁. Дифрагированные монохроматические пучки света фокусируются на многоэлементный приемник излучения 4, причем на нормали к решетке имеет место наилучшее качество изображения спектра. Для получения нового спектрального интервала длин волн на приемнике излучения достаточно развернуть решетку с приемником в положение, соответствующее углу падения α₂.

Пример: Пусть крайние значения длин волн в сканирующем полихроматоре составляют 400 и 700 нм, решетка имеет плотность штрихов 600 1/мм и работает в первом порядке спектра. Тогда при угле дифракции, равном нулю, углы падения составят 13,9 и 24,8 градуса. Из формулы коэффициент неравномерности шага решетки равен А=-0,351. Из уравнения фокальной кривой вогнутой решетки с переменным шагом при условии, что угол дифракции равен нулю, а решетка освещена параллельным пучком ρ₁=ρ₂=2,055. При радиусе кривизны решетки R=250 мм расстояние от вершины решетки до изображения входной щели составит r₁=r₂=121,6 мм.

Для обычной решетки А=0 и из уравнения фокальной кривой имеем ρ₁=1,970; ρ₂=1,907, что соответствует r₁=126,8 мм и r₂=131,0 мм.

Таким образом, при повороте решетки требуется смещение приемника излучения на г₂-r₂-r₁=4,2 мм, тогда как в предлагаемом сканирующем дифракционном полихроматоре смещения не требуется.

Предлагаемая конструкция прибора довольно проста в изготовлении и не требует использования сложных и дорогостоящих элементов.

Сканирующий дифракционный полихроматор содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку, вогнутое сферическое зеркало и многоэлементный приемник излучения. При этом дифракционная решетка выполнена с переменным шагом, коэффициент которого связан с начальным и конечным значениями углов падения на решетку. Технический результат - повышение спектрального разрешения полихроматора. 1 ил., 1 пр.

Сканирующий дифракционный полихроматор, содержащий входную щель, вогнутое сферическое зеркало и вогнутую сферическую дифракционную решетку, отличающийся тем, что дифракционная решетка выполнена с переменным шагом, коэффициент неравномерности которой определен по формуле:
,
где a₁ и α₂ - углы падения для начального и конечного положений дифракционной решетки, соответствующих крайним значениям длин волн рабочей области спектра, при этом А=µ·R, где µ - линейная составляющая коэффициента неравномерности шага решетки, R - радиус кривизны вогнутой решетки.