Волны - Крауфорд Ф.
Скачать (прямая ссылка):
6.33. Новый метод инфракрасной спектроскопии-, модуляционная
спектроскопия. В 1967 г. в технике инфракрасной астроно;ши произошла
революция. Новый метод повышал разрешение по частоте в 100 раз и в 60 000
раз уменьшал время, необходимое для частотного анализа света. В этом
методе остроумно использованы основные идеи метода субчастот,
рассмотренные в задаче 6.32.
Частотный спектр звезды, испускающей видимый свет, может быть получен с
помощью дифракционной решетки, за которой на соответствующем расстоянии
расположена фотопластинка. На ней сразу получается весь спектр, так как
волны, в зависимости от длины, дифрагируют в разных направлениях и
попадают на разные части фотопластинки. Почернение фотопластинки при
данном угле дифракции определяет интенсивность компоненты с данной длиной
волны.
Для инфракрасного света (длины волн порядка 10-4 см) нет соответствующих
фотоматериалов, однако дифракционная решетка может быть использована и
для этих волн. Вместо фотопластинки здесь можно взять фотоумножитель с
передвижной щелью. Положение щели определяет угол дифракции и, таким
образом, определяет длину волны. Выходной ток фотоумножителя определяет
интенсивность. Если мы хотим иметь полный частотный спектр инфракрасного
излучения, то должны при одном положении щели, подождав достаточное время
(процесс должен установиться), определить интенсивность излучения данной
длины волны, затем, переместив щель на расстояние, равное ширине щели,
сделать то же самое для нового положения щели и т. д. Для получения
полного спектра в частотном диапазоне v1=v2 с шагом Дм необходимо сделать
(v2-vj/Av отдельных замеров интенсивности. Для диапазона длин волн от 1
до 3 мкм (1 мкм= 10~4 см) имеем диапазон волновых чисел от 1-104 см-1 до
(1/3)• 104 см-1, что дает ЯТ1-?i21== =(2/3). 104 см-1. Типичная
разрешающая способность системы с фотоумножите-
296
лем равна A(?i_1)=A(v/c);sO,l см-1. Таким образом, для получения полного
спектра излучения нам понадобится (2/3)- 105к60000 независи.мых
измерений. Так как каждое измерение может занимать одну ночь, все
измерения могут длиться несколько сотен лет!
Конечно, имея 60 ООО фотоумножителей, можно сразу промерить (за одну
ночь) весь спектр, но так, очевидно, никто не делает. Если же на один
фотоумножитель падают сразу г.се дифрагировавшие лучи, то напряжение на
его выходе будет пропорционально общей интенсивности излучения,
усредненной по всему спектру, и мы не сможем определить интенсивность,
соответствующую той или иной длине.
Это можно сравнить со случаем, когда все телефонные разговоры межд) Нью-
Йорком и Сан-Франциском передавались бы гю одному каналу н не были бы
разделены друг от друга. Задача разделения отдельных телефонных
разговоров в одном канале была решена с помощью "маркировки" каждого
разговора своей собственной "субнесущей" (см. задачу 6.32). Конечно, если
бы существовал способ "маркировки" каждой отдельной инфракрасной волны с
помощью какой-либо субнесущей частоты, позволяющий промаркировать все
длины волн в излучении, то задача была бы решена. Все инфракрасное
излучение можно было бы сфок\ сн-ровать на одном фотоумножителе. К его
выходному току молено было бы применить анализ Фурье для выделения
отдельных субпесущих полос. Интенсивность каждой субнесущей частоты
соответствовала бы интенсивности определенной длины волны инфракрасного
излучения.
а) Придумайте способ маркировки субнссущей частоты каждой длины волны
излучения, используя механический прерыватель, состоящий из вращающегося
колеса с отверстиями пли щелями, которые пропускают падающее излучение.
Вашей основной задачей будет придумать, как сделать так, чтобы частота
прерывания зависела от длины волны инфракрасного излучения.
В новом методе инфракрасной спектроскопии используется следующий кпа-
енвый способ. Не применяется ни дифракционная решетка, ни механический
прерыватель. Вместо этого используется интерферометр Майксльсона с одним
пот-вижныы зеркалом. (Этог тип интерферометра показан на прилагаемом
расчгке.)
Свет от звезды падает (например) в направлении х на полупосеребренную
стеклянную пластинку, наклоненную под углом 45° к падающему пучку и
расщепляющую его на два пучка. Часть падающего пучка отражается от
пластинки в направлении У, а часть проходит в направлении ля Зеркала
отражают падающие на них пучки света, и отраженные пучки вновь попадают
на полупрозрачную пластинку, причем пучок, распространяющийся в
направлении -у, частично проходит и частично отражается в направлении -х\
аналогично, пучок, распространяющийся в направлении -х, частично проходит
и частично отражается в направлении -у. Фотоумножитель регистрирует лучи,
идущие в направлении -у. (Лучи, отраженные н проходящие в направлении -х,
не рассматриваются.) Для данной длины
297
волны Я ток фотоумножителя будет максимальным или минимальным в
зависимости от относительной фазы двух пучков в направлении -у.
Относительная фаза двух пучков будет зависеть от приобретенной в
