ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Ограничение световых пучков в оптических системах из "Оптика " Спектральные приборы можно классифицировать по характеру решаемых с их помощью задач. Прибор для фотографической регистрации спектра исследуемого излучения называется спектрографом. Измерения распределения энергии по спектру выполняются с. помощью спектрофотометров. Монохроматор позволяет выделить в спектре падающего излучения для дальнейшего использования некоторый (обычно довольно узкий) интервал и непрерывно перемещать его по спектру. Спектральные приборы различают также по области спектра, для которой они предназначены. [c.314] Фокусирующая оптика спектрального прибора может быть как линзовой, так и зеркальной. В автоколлимационных приборах один и тот же объектив выполняет функции коллиматорного и камерного, а входная щель и ее цветные изображения лежат в одной его фокальной плоскости (рис. 6.30). В приборах с вогнутой отражательной дифракционной решеткой специальная фокусирующая оптика отсутствует. Изображение щели создает сама решетка. [c.316] Относительный вклад каждой из этих причин зависит от конструктивных особенностей прибора. Но любой реальный прибор, регистрируя монохроматическое излучение, дает некоторый контур конечной ширины, описываемый функцией (К). Эта функция определяется свойствами спектрального прибора и называется аппаратной функцией или инструментальным контуром. Каждой длине волны Я, в приборе соответствуют некоторый угол отклонения ф и определенная точка X фокальной плоскости камерного объектива. Поэтому инструментальный контур можно записать также в виде /(ф) или (х). Эта функция дает распределение интенсивности в фокальной плоскости прибора, создаваемое монохроматическим источником. [c.316] Чем уже инструментальный контур, тем меньше искажений вносит спектральный прибор в измеряемый спектр. [c.316] Тогда на интервал (ф, ф+0ф) приходится световой поток 0Ф = =Ф/(ф)(1ф, где Ф — полный световой поток. [c.317] Такой обусловленный дифракцией аппаратный контур показан на рис. 6.31, а. Его ширина на половине высоты определяется корнем уравнения х= sin л (л =1,39) и равна 0,88к/а. [c.317] Здесь е=2(1—/ )/ — ширина аппаратного контура на половине высоты. Вид этого контура показан на рис. 6.31, б. [c.318] Получаемое в монохроматическом свете изображение входной щели из-за дифракции оказывается размытым по краям. Обе причины, т. е. конечная ширина входной щели и дифракция в диспергирующем элементе, дают вклад в ширину результирующего аппаратного контура (6.48). [c.319] Аппаратный контур характеризует те искажения, которые вносит прибор в спектр монохроматического излучения, т. е. при регистрации бесконечно узкой спектральной линии. [c.319] Когда все спектральное распределение исследуемого излучения сосредоточено в интервале, узком по сравнению с шириной инструментального контура Р(ф), наблюдаемый контур /набл(ф) практически совпадает с инструментальным. Напротив, для того чтобы /набл(ф) совпадал с /(ф), т. е. чтобы прибор непосредственно регистрировал спектральное распределение исследуемого излучения, аппаратный контур должен быть много уже деталей этого распределения. [c.320] Цель спектральных измерений состоит в нахождении истинного, не искаженного прибором распределения энергии в спектре исследуемого излучения. Когда инструментальные искажения значительны, нахождение функции /(ф) по известным функциям / аб ,(ф) и Р(ф) сводится к решению интегрального уравнения (6.50). Такая обратная оптическая задача, или задача редукции к идеальному прибору, в принципе разрешима даже при очень широком инструментальном контуре, если только функции / абл(ф) и Р(ф) известны совершенно точно. В действительности они могут быть получены лишь в результате измерений распределения интенсивности в фокальной плоскости прибора. Эти измерения неизбежно содержат ошибки (шумы), что накладывает ограничения на точность, с которой может быть восстановлена функция /(ф). Восстановление /(ф) относится к числу так называемых некорректных математических задач, когда малые ошибки в значениях / абл(ф) могут приводить к очень большим погрешностям при нахождении /(ф). [c.320] Условный критерий, удобный для сравнения разрешающей силы различных спектральных приборов, был предложен Рэлеем для случая, когда инструментальный контур имеет дифракционную форму (6.46). [c.321] Подчеркнем еще раз условный характер критерия Рэлея. Если интенсивность одной из линий существенно больше другой, то провал в наблюдаемом контуре может отсутствовать даже тогда, когда расстояние между ними значительно больше, чем требует критерий Рэлея. С другой стороны, линии, расположенные ближе, могут быть разрешены, если погрешность измерения наблюдаемого распределения интенсивности меньше 20%. Фактически возможность разрешения близких спектральных линий, как уже отмечалось, ограничивается шумами при измерениях линии можно разрешить, если наблюдаемое распределение отличается от распределения для одиночной линии больше чем на ошибку измерения. [c.322] Таким образом, теоретическая разрешающая сила равна произведению ширины а параллельного пучка, выходящего из диспергирующего элемента, и угловой дисперсии 0(,- Эта вспомогательная формула удобна для нахождения обусловленного дифракцией теоретического предела разрешающей способности разных спектральных приборов. [c.322] Один из существенных недостатков призмы состоит в быстром уменьшении разрешающей способности и дисперсии при продвижении в длинноволновую часть спектра. Для тяжелого стекла сорта флинт в синей части спектра dn/dX 3200 см в красной 1170см . При таких значениях разрешающая способность призмы с основанием / = 5 см в синей части составляет 15000, в красной 5000. Для увеличения разрешающей способности можно применить систему из нескольких последовательно расположенных призм, что эквивалентно увеличению I в формуле (6.54). [c.323] Эту формулу можно получить и непосредственно, применяя критерий Рэлея к многолучевой интерференции воли, дифрагировавших от отдельных штрихов. Направление на главный максимум порядка m для длины волны Я,-Ь6Я, определяется из условия, что разность хода Д от соседних штрихов равна В этом же направлении для длины волны к будет расположен минимум, ближайший к главяому максимуму порядка m, если Д=(т- -1/Л )Я, (между двумя главными максимумами расположен N—1 минимум). Поэтому т(Я,4-бЯ,)=(т- -1/Л )Х, откуда /ek=mN. [c.323] Как показывает формула (6.55), разрешающая способность спектрального прибора равна произведению порядка интерференции т на число N интерферирующих световых пучков. Высокая разрешающая сила хороших дифракционных решеток достигается за счет бЬльших значений общего числа штрихов N при низких порядках интерференции (т=, 2, 3). В интерференционных спектральных приборах, наоборот, число пучков сравнительно невелико (Ы 30 для интерферометра Фабри — Перо, N = 2 для интерферометра Майкельсона), а большое разрешение достигается за счет высоких порядков интерференции т. [c.325] Другая возможность увеличения разрешающей способности интерферометра Фабри — Перо заключается в повышении коэффициента отражения зеркал. Однако в реальном приборе такая возможность ограничена несовершенством его поверхностей. Инструментальный контур неидеального интерферометра уширяется из-за наложения смещенных относительно друг друга контуров Эйри, создаваемых разными участками его поверхностей (см. 5.7). При очень высоком коэффициенте отражения контуры от отдельных участков становятся столь узкими, что форма результирующего контура будет целиком определяться дефектами поверхностей. Дальнейшее увеличение / в таких условиях нецелесообразно, так как разрешающая способность не возрастает, а количество пропускаемой световой энергии убывает из-за сужения контуров от отдельных участков и получается лишь ухудшение отношения сигнала к шуму. Картина здесь аналогична той, что получается при сужении входной щели спектрографа, когда ее ширина меньше нормальной разрешающая способность остается прежней, а интенсивность уменьшается. [c.326] При фотоэлектрической регистрации измеряется световой поток через круглую или кольцевую диафрагму, помещенную в плоскости, где фокусируются интерференционные кольца. Из-за конечных размеров диафрагмы получающийся при сканировании инструментальный контур отличается от кривой Эйри (6.47). Сужение диафрагмы до величины, значительно меньшей ширины отдельного максимума теоретического контура (6.47), не дает заметного увеличения разрешающей силы, но резко сокращает попадающий на фотоприемник световой поток, что снижает отношение сигнала к шуму. При компромиссном решении, когда спектральная ширина диафрагмы выбирается равной ширине бЯ. контура Эйри, разрешающая способность в /2 раз меньше теоретического значения тР (6.57). [c.326] Плоская волна характеризуется тем свойством, что ее поверхности постоянной фазы (волновые поверхности) представляют собой неограниченные плоскости, а направление ее распространения и амплитуда везде одинаковы. В общем случае световые волны таким свойством не обладают. Тем не менее часто световую волну можно приближенно рассматривать как плоскую в каждом небольшом участке пространства. Это возможно тогда, когда амплитуда световых колебаний и направление распространения волны почти не изменяются на расстоянии порядка длины волны. Волновые поверхности при этом имеют небольшую кривизну и на небольших участках пространства можно, как и у плоской волны, говорить об определенном направлении распространения, нормальном к волновой поверхности. Для характеристики этого направления вводят понятие лучей, т. е. линий, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением распространения волны. [c.329] Вернуться к основной статье