Спектрограф с голографической решеткой Советский патент 1988 года по МПК G01J3/18 

Изобретение относится к области спектрального приборостроения и может быть использовано в исследовании спектров различных источников излучения в широком спектральном интервале без перенастройки аппаратуры (например при исследовании излучения синхротронов и накопителей, установо термоядерного синтеза и т.п.), Известен спектрограф, содержащий последовательно расположенные щель, вогнутую голографическую решетку и регистрирующее устройство. В этом спектрографе голографическая решетка позволяет фокусировать спектр на плоскость с коррекцией на ней астигматизма и меридиональной комы. Однак такая коррекция возможна лишь для уз кого спектрального диапазона и для его расширения на одной подложке изготавливают несколько решеток с разной частотой штрихов. В этом случае требуется несколько регистрирующих устройств, что значительно усложняет конструкцию. Кроме того, такая схема не пригодна для построения светосильного спектрографа, так как с увеличением относительного отверстия решетки возрастают аберрации, которые не были коррегированы, в первую очередь сагиттальная кома. Наиболее близким по технической сущности является спектрограф с голо графической решеткой .с плоским полем для широкого спектрального интервала содержащий расположенные по ходу луч щель, голографическую решетку и регистрирующее устройство. Перекрытие всего требуемого спектрального интервала осуществляется поворотом решетки вокруг оси, проходящей через ее центр кривизны. Необходимость поворота решетки значительно усложняет конструкцию и юстировку прибора. Кроме того, поскольку соответствующий выбор параметров голографирования может обеспечить коррекцию астигматизма и меридиональной комы только для одного положения решетки, такая конструкция не позволяет получить высокое качество изображения по всему рабочему спектральному диапазону, а отсутствие коррекции сагиттальной комы препятствует увеличению относительного отверстия, т.е. светосилы прибора. Целью изобретения является создание спектрографа с голографической решеткой с увеличенной светосилой и улучшенным качеством изображения. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем расположенные по ходу луча щель, вогнутую голографическую решетку и регистрирующее устройство, между щелью и решеткой установлен дополнительный оптический элемент и неподвижное плоское зеркало, установленное между указанным элементом и решеткой так, что угол If между отрезком, соединяющим центр плоского зеркала с центром щели и нормалью к решетке, определяетсяиэ соотношения (cos Ь;)з1пч (/ - а, Я 1 . ,г cos i, -.«г ч-«« - --- - d. Sin sin .ij - COS i , + cos i ), где r - радиус решетки; a параметры голографирования i, и углы падения лучей из источников голографирования в центр решетки; d,и d - расстояния от центра решетки до источников голографирования в меридиональной плоскости; d. и расстояния от центра решетки до источников голографирования в сагиттальной плоскости (соответствуют условиям минимума аберраций). При этом дополнительный оптический элемент может быть выполнен в виде плоского зеркала, установленного так, что Нормаль К решетке проходит через его центр под углом 45, или в виде конденсора, установленного так, что его оптическая ось лежит в одной плоскости с центром плоского зеркала, а расстояние 1, от фокальной плоскости конденсора до центра решетки определяется из соотношения г ,. , :-cos(/ COSI/, + а, sin 1/ - о, 1 где b 1 - -- , 1 - расстояние от. о щели до центра решетки. На чертеже приведена оптическа я схема спектрографа. Спектрограф содержит щель 1, плоское зеркало 2 и конденсор 3, ycтановленные с возможностью поочередного введения в пучок, неподвижное плоское зеркало 4, вогнутую голографическую решетку 5 и поверхность регистрации 6 изображения. Плоское зеркало 2 устанавливается так, что при его введении в пучок, нормаль к решетке проходит через его центр. Плоское зеркало 4 установлено так, что его центр лежит в одной плоское ти с оптической осью конденсора 3 пр его рабочем положении и центром решетки 5, а отрезок, соединяющий центр зеркала 4 с центром решетки, составляет угол ц с нормалью к ре- шетке, определяемый из соотношения (cos д- b)sin I/, , - а Работа устройства заключается в следующем. Световой пучок от входной щели 1 либо падает на решетку ,5 по нормали, если в пучок введено плоское зеркало 2, либо проходит че рез конденсор 3, формирующий изображение входной щели, и, отражаясь от плоского зеркала 4, падает на ре шетку под углом ( . Дифрагированное излучение фокусируется на поверхнос ти регистрации 6, при этом при нор мальном падении на этой поверхности I .г . фокусируется коротковолновая област а при падении лучей под углом i( длинноволновая. Вогнутая голографическая решетка допускает использование по крайней мере двух различных углов падения с одним и тем же положением фокальных кривых.. При 1/ О, Ь; Ь b 1 - i Формула для обирац1 и голографическо решетки на сферической подложке прй нимает вид cos I/, а - sini/ cos с/ -b sin(/-a, откуда iff - a, sin w ::i- -i. cos i -b Следовательно при углах падения V т.е. при введении в пучок плоского зеркала, и 4 i/, . т.е. при введении конденсора, на одной и той же фокальной поверхности будут фокусироваться разные спектральные диапазоны, причем при нормальном падении на этой поверхности фокусируется коротковолновая область, а при падении лучей под углом (f - более длинноволновая. Таким образом, введение плоского зеркала, конденсора и второго плоского зеркала при соблюдении определенных значений i/ и 1 позволяет получить высокое качество изображения и увеличение светосилы при сохранении ширины рабочего спектрального диапазона. В настоящее время рассчитана оптическая схема спектрографа, проведено ее полное исследование посредством анализа хода лучей. Согласно полученным параметрам изготавливается голографическая решетка, предполагается макетирование Отечественной промьш1ленностью для работы в вакуумной области спектра выпускается спектрограф ДФС-29, который может быть принят за базовый образец. Рабочий диапазон базового прибора 50-400 нм, относительное отверстие 1:16. Спектр фотографируется участка ми по 150 нм. Для изменения спектрального диапазона необходимо сложным рычажно-винтовым механизмом переместить и развернуть дифракционную решетку и кассету. Небольшое относительное отверстие не позволяет использовать его при исследовании слабьтх сигналов, а астигматизм затрудняет проведение исследований пространственного распределения излучения в источнике. Предлагаемый спектрограф превосходит базовый образец по относительному отверстию в 4 раза, имеет полную коррекцию астигматизма, меридиональной и сагиттальной комы и сферической аберрации для , 175 нм и 300 им и вдвое меньший по сравнению с базовым образцом астигматизм на кршо диапа:зона. Кроме того, в спектрографе решетка, кассета и щель неподвижны, т.е. не требуется сложного механизма для изменения рабочего спектрального диапазона. Спектрограф-будет использован при исследовании излучения примесей в установках термоядерного синтеза.

1. СПЕКТРОГРАФ С ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ РЕШЕТКОЙ, содержащий расположенные по ходу луча щель, вогнутую голографическую решетку и регистрирукяцее устройство, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увели,чения светосилы и улучшения качества изображения при сохранении ширины рабочего .диапазона, в нем между щелью и решеткой введены дополнительный оптический элемент и неподвижное плоское зеркало установленное между указанньм элементом и решеткой, причем угол If, между отрезком, соединяющим Ц(ентр плоского зеркала с центром щели и нормалью к решетке., определяется из соотношения (,-b) sin4, - а , где 1 ,т cos ii - cos ijsin i,-sin i d, r cos ij - COS 1л) ; 1 a, --------. (- r i; sin 1,- sin ч d, - cos i., + cos i; ) ; где r - радиус решетки; параметры голографирования: i,, i - углы падения лучей из источников голографирования в центр решетки; d, djрасстояния от центра решетки до источников голографирования в меридио- нальной плоскости; d ,, d - расстояния от центра реш.етки до источников голографирования .в сагиттальной плоскости (соответствуют условиям минимума аберраций). 2.Спектрограф по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что дополни(Л тельный оптический элемент выполнен в виде плоского зеркала, установленного так, что нормаль к решетке проходит через его центр под углом 45. 3.Спектрограф по п.1, о т л и чающийся тем, что дополнительный оптический элемент выполнен :в виде конденсора и установлен так, что его оптическая ось лежит в одной , ел плоскости с центром неподвижного .; ;плоского зеркала, причем расстояние 1,-от фокальной плоскости конденсатора . СП при его рабочем положении до центра решетки определяется из сротнощейия cos I/, + а sin i/ - b , 1,. . где b 1 - J- ; 1 - расстояние от щели до центра решетки.