Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
6. К решетке, как точному спектральному прибору, предъявляются очень высокие требования. Надо нанести десятки или сотни тысяч совершенно идентич-ьых штрихов с идеальной периодичностью. Поэтому техника изготовления дифракционных решеток совершенствовалась довольно медленно. Первая дифракционная решетка, по-видимому, была изготовлена в 1785 г. американским астрономом Риттенгаузом. Но ни самим Ричтенгаузом и никем другим она не использовалась для получения и изучения спектров. Решетка была вновь открыта в 1821 г. Фраунгофером, который заложил основы дифракции в параллельных лучах и выполнил первые исследования C помощью дифракционного спектроскопа (в частности, открыл темные линии в спектре солнечного излучения), Фраунгофер построил решетки с числом штрихов от 15 до 130 на сантиметр, наматывая тонкую проволоку на два параллельных винта. До недавнего времени подобные прово- 316
' ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
[ГЛ. IV
лочные решетки применялись в области длинных (инфракрасных) волн. Затем Фраунгофер стал изготовлять более совершенные решетки штриховкой слоя золота на поверхности стекла и, наконец, штриховкой самого стекла алмазным острием. Наилучшие решетки были получены последним методом. Лучшая решетка имела ширину около 12 мм и период 3 ¦ IO"3 мм (3300 штрихов на сантиметр).
После Фраунгофера многие искусные механики уделяли много внимания штриховке решеток. Особо следует отметить астронома-любителя Л. М. Резерфорда, большая часть решеток которого была изготовлена в 1880 г. Его решетки значительно превосходили все предшествующие. Резерфорд ввел в практику отражательные решетки, нанося делительной машиной штрихи на зеркальной поверхности металла. Металл более мягок, чем стекло, и поэтому значительно меньше изнашивает алмазное острие, от постоянства которого так сильно зависит качество решетки.
Но наиболее значительные усовершенствования были сделаны Роулэндом (1848—1901). Он усовершенствовал способы изготовления винтов для делительной машины и первый стал изготовлять вогнутые отражательные решетки, выполняющие одновременно функции решетки и собирающей линзы. Решетки Poy-лэнда имели до 8000 штрихов на сантиметр при ширине до 10 см и превосходном качестве. Они сделали возможным выполнение важнейших спектроскопических исследований в конце XIX и начале XX веков.
Дальнейшие улучшения в машины Роулэнда ввели Андерсон и Вуд, которые после смерти Роулэнда заменили его в его лаборатории. Из этой лаборатории и поныне выходят наиболее совершенные решетки, имеющие до 12 000 штрихов на сантиметр. С таких гравированных решеток получают дешевые копии (реплики) путем изготовления отпечатков на желатине или специальных пластмассах. В СССР налажено производство дифракционных решеток, а также реплик высокого качества. Их параметры были указаны выше.
§ 48. Эшелон Майкельсона и интерференционные спектральные приборы
1. Дифракционная решетка, как уже указывалось, есть спектральный прибор, в котором осуществляется многолучевая интерференция идентичных световых пучков, из которых каждый сдвинут по фазе относительно предыдущего на одну и ту же величину. Ко всем приборам, работающим по этому принципу, применимы общие результаты, изложенные в двух предыдущих параграфах. В частности, их спектральная разрешающая способность выражается формулой Х/8К = Nm, т. е. равна разности хода между крайними интерферирующими лучами, выраженной в длинах волн. Высокая разрешающая способность достигается как увеличением числа интерферирующих пучков N, так и повышением порядка интерференции т. В дифракционных решетках число интерферирующих пучков очень велико (до 200 000 и больше), а порядки интерференции т низкие (не выше 3). В так называемых интерференционных спектральных приборах, наоборот, порядки интерференции т очень высокие (до IO5 и выше), а число интерферирующих пучков сравнительно невелико (20—40). Одним из таких приборов является ступенчатая решетка, или эшелон Майкельсона.
2. Эшелон Майкельсона состоит из нескольких (30—40) пластин из очень однородного стекла, толщина h которых порядка 1—3 см. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
317
Толщина пластин должна быть совершенно одинакова с точностью до сотой длины волны. Поэтому их вырезают из одной и той же плоскопараллельной пластины, постоянство толщины которой контролируется интерференционными методами. Пластины сложены в виде ступенчатой лестницы (рис. 194). Ширина ступеньки а должна быть одной и той же на протяжении всей «лестницы». Получается как бы сплошной кусок однородного стекла, ступенчатая поверхность которого действует как дифракционная решетка. Пусть
t
А
t
в
а
? h
П
7
Рис. 194.
Рис. 195.
на эшелон нормально падает пучок параллельных лучей. Разность хода между вторичными волнами Гюйгенса, исходящими под углом О от соседних ступенек эшелона и приходящими в соответствующую точку фраунгоферовой дифракционной картины, будет (BDF) — — AE = nh + a sin О — h cos О (рис. 195). Положения главных максимумов определяются условием
nh + a sin О — h cos Ф = тк,
