Монохроматор Советский патент 1982 года по МПК G01J3/12 

(54) МОНОХРОМАТОР

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

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

Известны применения двойных монохроматоров для улучыения зтиз характеристик tlJ и 2,

Однако зти устройства имеют сложную конструкцию, значительные габариты и высокую стоимость. Кроме тогчэ, большое количество оптических деталей приводит к значительным потерям полезного излучения и накладывает высокие требования на точность юстировки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является мэнохроматор с двукратной дисперсией, содержащий оптически связанные входную и выходную спектргшьные щели, коллиматор, зеркёшьный объектив, отражательную дифракционную решетку и тшбское зеркало 3j.

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 сигна10лов..

Целью изобретения является улучшение пороговой чувствительности за счет уменьшения величины мешгиощего излучения.

15

Поставленная цель достигается тем, что в монохроматоре с двукратной дисперсией, содержащем оптически связанные входную и выходную спектральные щели, коллиматор, зер20кальный объектив, отражательную дифракционную решетку и плоское зеркало, коллиматор установлен между дифракционной решеткой и плоским зеркалом и выполнен в виде последовательности решеток, ориентиро. перпендикулярно плоскости дисперсии дифракционной решетки, а центральная зона объектива перекрыта в направлении, параллельном плос30кости дисперсии, непрозрачным акраном;,При этом расстояние t о пло кого зеркала до дифракционной решеа ки р высота Н дифракционной решетки выбраны из условий f(0 - г) + НЕ (Е + t). Н D - г « 2 где f - фокусное расстояние объекти ва; D и г - соответственно размеры объе тива и экрана в направлении перпендикулярном плоскости дисперсии; h - высота спектральньах щелей; m - расстояние между ними; Е - расстояние от объектива, до дифракционной решетки. Дополнительное снижение уровня м шающего излучения и устранение высших порядков дифракционной решет ки может быть достигнуто, если мeжд каллиматором и плоским зеркалом установлена диспергирующая призма, ре шетки решеточного коллиматора выпол нены с равной шириной А непрозрачных штрихов и равными промежутками В между штрихами, а интервал К между первой решеткой, ближайшей к плоскому зеркалу, и смежной с ней решеткой выбран равньпи BL/C, где - длины и поперечный размер решеточного коллиматора, при этом интервалы К у, между любыми другими смежными решетками выбраны из уелоtaВИЯ К К(1 + -т) а интервалы К, между смежными решетками на участке коллиматора, расположенном между объективом и дифракционной ре шеткой из .условия К tg А -f в f.ii, где w - угол, образованtgV . ,ный отрезками оптической оси монохр матора между объективом и дифракционной решеткой и между дифракционно решеткой и плоским зеркалом. На фиг.1 приведена оптическая схема монохроматора, разрез вертикальной плоскостью; на фиг.2 - монохроматор, вид сверху; на фиг.З решеточный коллиматор, вид в разрезе плоскостью, паргшлельной плоскос ти дисперсии. Монохроматор содержит входную спектральную щель 1, установленную в фокальной плоскости зеркального объектива 2,. дифракционную решетку удаленную от объектива 2 на расстоя 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 лельном плоскости дисперсии дифракдионной решетки 3, непрозрачным экраном б, высоту Y которого следует (т + h) , выбрать равной где f - фокусное расстояние объективаh - 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 бьггь 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 - г) , где f - фокусное расстояние объектива;. и г - соответственно размеры объектива 2 и экрана б в вертикальном направлении (перпендикулярном плоскости дисперсии/;h - высота спектральных щелей Высота Н дифракционной решетки 3 должна быть не менее, чем (Е + t). О - г + 2 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.З), т.е. одинаковой шириной А 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 зерналу 4, и смежной с ней решеткой 11,2 рекомендуется выбрать равным

BL/C, (1)

где С - поперечный размер коллиматора 10 в плоскости дисперсии) ;

L - длина коллиматора. Интервалы К, К-,. ., , К между второй и третьей решетками 11.2 и 11.3 третьей и четвертой и любыми другими смежными решетками llj 11 следует выбирать из условия

ИтЧ

в

KVI .fi + -i-)

Из условий (.1 и 2) видно, что для сокращения числа решеток при выбранном отношении В/А длину L коллиматора 10 желательно выбрать как можно более близкой к расстоянию t между дифракционной решеткой 3 и призмой 7. Для выполнения этого требования интервалы Ку между решетками коллиматора на участке 13 коллиматора 10, расположенном между о.бъективом 2 и дифракционной решеткой 3 (фиг.З), т.е. вдоль отрезка , оптической оси мрнохроматора на расстоянии L C/tg- f от дифракционной решетки, следует выбрать из условия

)-4iV-

Ки

f) nt

А + в

где - угол, образованный отрезками , и Oj04 оптической оси .монохроматора между объективом 2 и дифракционной решеткой 3 и между дифракционной решеткой и плоким зеркалом 4 (или призмой 5) . ., Выбор конкретных значений К, Kj и L, удовлетворяющих условиям (l-j и (3 ), производится методом последовательных приближений. Общее число решеток приближенно определяем из выражения I .

.In

i П t Г-J-:;г+ 1.

L In 2

Грани 14-16 коллиматора 10 (фиг.2} являются рабочими, т.е. слузкат для ввода и вывода излучения.

При работе монохроматора немрнохроматический поток излучения, прошедший через входную спектр.альную щель 1, падает на нижнюю часть объектива 2 (фиг,1) и коллимируется им. Расходимость ко,л л ими ро ванного пучка в вертикальной плоскости определяется высотой щели h и равна д1Э

h

Расходимостью в горизонталь

ной плоскости пренебрегаем. Коллимированное излучение падает на

грань 14 решеточного коллиматора 10. Благодаря выполнению условия (3 ) все лучи, прошедшие через первую из встретившихся на их пути решетку коллиматора, проходят черюз 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. Потрк излуче(2) ния в узких спектральных интервалах вблизи длин волны Д, 2 /L , 3 /1, для которых сумма углов падения на дифракционную решеткуЗ и дифракции равна , проходит вдоль продольной оси коллиматора на преломляющую призму 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 преломляющер npHSNoa 7, т.е. к снижению уровня рассеянного излучения.Излучение, прошедшее через коллиматор 10, дважды диспергируется при прямом и обратном прохождении через преломляющуй призму 7. При этом происходит пространственное разделение пучков излучения, соответствующих различным порядкам дифракции. Положение плоского зеркала 4 выбирается таким образом, чтобы излучение в одном из выделенных спектральных интервалов, например, вблизи Д, , возвращалось в коллиматор 10 и прохо(Дило через него с минимальными потеря.ми. Про.зрачность тг коллиматора на длине волны в этом случае определяется выраикением

5 I

/L L

I - -

Х

B(A + Bj

. L

(I - 0,5-).

(5) f. А

I

где Sjj - ширина входной щели.

Из выражения Л5 видно, что для повышения прозрачности коллиматора целесообразно минимизировать значение В. Поскольку реально Д«в, А S gy вторым и третьим членами в выражении С5) можно пренебречь. Сле-. довательно, при А/В 4 прозрачность коллиматора 11 может быть доведена примерно до. 80%. Угол коллимации , все рассеянное излучение, распространяющееся вне этого угла, благодаря выполнению (1 и 2) , поглощается штрихами 12 решеток 11 и внутренниьш стенками коллимато; ра 10. При L. 527 мм А -8 мм oi-K -Х О, 76-10 рад, т.е. наличие коллиматора способствует резкому снижению величины мешающего излучения.

Благкэдаря выполнению указанных соотношений между расстояниями от дифракционной решетки 3 до оптических элементов 2,7 и 1зазмерами дифрационной 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 иэлучения. Поток, вторично диспергированный решеткой 3, вновь попадает на участок 13 коллиматора 10. Вследствие выполнения условия (3 ) монохроматический поток с длиной волны Д проходит без потерь вдоль линии через эту часть 13 коллиматора 10, которая расположена между дифракционой решеткой 3 и объективом 2. Возможность коллимирования потоков излучения, идущих в двух направлениях (вдоль отрезков , и 0,,04 оптической осимонохроматора), позволяет максимально приблизить длину L коллиматора 10 к длине отрезка т.е. обеспечить наименьшее значекие о1.(. .

Уменьшение значения за счет кшнимизации значения А нецелесообразно, так как это приведет к падению разрешающей способности, определяемой в данном случае величиной Л/А. При выбранных параметрах монохроматора, т.е. при А 8 мм, разрешающая способность сохраняет . вполне приемлемое значение (, около 6-10 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 - эле-, ментами 10, 3 (верхняя половина, 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 предлагаемый монохромато при высокой дисперсии характеризуется очень 1низким уровнем мешающего излучения.

Следует отметить, что достижение существенного технического эф-фекта - повышение пороговой чувствительности за счет снижения уровня мешающего излучения - достигнуто при минимальном усложнении известного монохроматора с двукратной дисперсией, а именно за счет введения твоего 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 образому чтобы излучение, дважды прошедшее через нее, попадало на дополнитель: ное зеркало и вновь воз ргицалось на призму и далее в коллиматор 10.

Возможны также варианты реализации монохроматора с раздельными коллима орным и фокусирующим зеркальными объективами, с выполнением этих объективов в виде линз и т.д.

Формула изобретения

- фокусное расстояние объекгдетива f

Т) я г - соответственно размеры объектива и экрана в направлении, перпендикулярном плоскости дисперсии;, h - высота спектральных щелей

m - расстояние между спектральными щелями .Е - расстояние от объектива до

дифракционной решетки. 2. Монохроматор по п. 1, отличающийся тем, что между коллиматором и плоским зеркалом дополнительно установлена диспергирующая призма, решетки решеточного коллиматора выполнены с равной шириной А 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, С - длина и поперечный размер решеточного коллиматора, при этом интервалы между любыми другими смежными решетками выбраны из условия Kj, К у, (1 + В/А), а интервалы К между смежными решетками на участке коллиматора, расположенном между объективом и дифракционной решеткой - из условия

Ки

А + В

-tgfj.

int

А + В tg tf

- угол, образованный отрезкагдеми оптической оси мэнохроматора между объективом и дифракционной решеткой и между дифракционной решеткой и плоским зеркалом. Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе

с. 202-206,

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

фиг,.1

Фиг. 5