Оптические спектральные приборы - Скоков И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Краткий исторический очерк развития спектральных приборов. Впервые разложение сложного излучения в спектр осуществил И. Ньютон в конце XVII столетия с помощью призмы, которая была освещена пучком солнечных лучей через узкое отверстие. В начале XIX в. Волластон, заменив круглое отверстие на узкую щель, обнаружил в спектре солнца черные линии и полосы. Более тщательные, а главное, количественные спектральные исследования солнечного спектра провел в двадцатых годах XIX в. Фраунгофер с помощью первых сравнительно грубых (60 и 300 штрихов на миллиметр) дифракционных решеток, представляющих собой прозрачную пластину, на одной из поверхностей которой были нанесены параллельные штрихи. Им была создана теория решетки и проведены измерения длины волны ряда спектральных линий.
Значительной вехой в истории спектрального приборостроения следует считать создание Кирхгофом и Бунзеном (1859 г.) первого спектроскопа. Он состоял из коллиматора (объектив, в фокальной плоскости которого установлена щель), жидкостной (из сероводорода) призмы и зрительной трубы. В качестве источника излучения использовалась горелка Бунзеиа. Наиболее важным результатом опытов Кирхгофа и Бунзена является экспериментальное подтверждение однозначной связи между спектром вещества и его химическим составдм. Кирхгоф первый установил, что спектр поглощения каждого элемента совпадает с его спектром излучения.
Дальнейшее развитие спектрального приборостроения шло по пути разработки новых и усовершенствования Существующих диспергирующих элементов. Весьма важным было значительное усовершенствование технологий изготовления плоских дифракционных решеток и создание Боуландом вогнутой дифракционной решетки,
4
совмещающей в себе диспергирующий и фокусирующий элементы.
Однако возникающие научные проблемы обусловили необходимость реализации в спектральных приборах более высокой разрешающей способности. Эту задачу удалось решить, используя спектральные приборы на основе интерференции. Один из таких приборов — ступенчатую решетку, или эшелон, — предложил А. Май-кельсон. Эшелон представляет собой ряд прозрачных стеклянных пластин одинаковой толщины, сложенных уступами (наподобие лесенки).
В эшелоне удалось достичь весьма большой разрешающей способности, но техника эксперимента усложнилась вследствие высокой чувствительности эшелона к температурным изменениям и малой ширины спектрального диапазона, свободного от переналожения спектральных линий.
Созданный к тому времени Майкельсоном двухлучевой интерферометр не мог обеспечить большую разрешающую способность, чем эшелон. Плодотворной оказалась идея использования многолучевой интерференции. В 1894 г. Фабри и Перо предложили прибор, названный эталоном, представляющий собой две прозрачные параллельные пластины. В результате того, что обращенные друг к другу поверхности пластин были покрыты полупрозрачным слоем серебра, в эталоне образовывалось большое число интерферирующих лучей, что давало возможность реализовать чрезвычайно высокую разрешающую способность, однако при очень малом интервале, свободном от спектрального переналожения.
Важным этапом в развитии диспергирующих элементов было создание Р. Вудом отражательных дифракционных решеток с определенным, наперед заданным профилем штриха. Такая решетка, получившая название эшелетта, дает возможность концентрировать световую энергию в выбранном порядке спектра. Эшелетты и эталоны Фабри—Перо в настоящее время являются одними из наиболее распространенных типов диспергирующих элементов спектральных приборов. .
Параллельно с разработкой диспергирующих элементов совершенствовались оптические системы спектральных приборов. Наряду с визуальным наблюдением для регистрации спектра было предложено применять фотографическую пластинку, а затем — фотоэлементы и фотоумножители. Это дало возможность получать объективную информацию об исследуемых объектах, которая могла быть использована при последующих анализах спектрограмм, повысить чувствительность и точность измерений, регистрировать изменение спектральных характеристик излучения во времени. Фотоэлектрические методы создали предпосылки для автоматизации измерения и сопряжения спектральных приборов с вычислительными машинами.
В целом до начала тридцатых годов нашего столетия спектральные приборы использовались для спектроскопических исследований в научных лабораториях. Спектральный анализ носил качественный характер, хотя был накоплен обширный материал по анализу спек-
тров и был выполнен целый ряд фундаментальных работ по изучению тонкой структуры атомов и молекул. С тридцатых годов начинается новый этап в развитии спектрального приборостроения. Он характеризуется началом количественного спектрального анализа, в основу которого положена связь между концентрацией исследуемого элемента с наблюдаемой интенсивностью его спектральных линий. В нашей стране был разработан целый ряд приборов, пригодных для спектрального анализа не только в лабораторных, но и в промышленных условиях.
Существенно удалось расширить область применения спектральных приборов, повысить точность и чувствительность анализа и увеличить рабочий спектральный диапазон за счет использования зеркальной оптики и новых оптических материалов.
