Оптические спектральные приборы - Скоков И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим одну из схем спектрометра, основанного на изложенном выше принципе (рис. 164). Прибор построен по принципу двойного авто-коллимационного монохроматора с вычитанием дисперсии. Диафрагма помещена между двумя крышеобразно расположенными плоскими зеркалами; это дает возможность направить выходящий из спектрометра поток через участок маски/ соседний с тем участком, через который излучение введено в прибор.
В описанной схеме используется только поток, прошедший через маску. Если элементы маски изготовить в форме узких спектральных полосок, то можно использовать и другую часть излучения, отраженную от маски. Отношение сигнал/шум спектрометров с преобразованием Адамара увеличивается в g раз по сравнению с классическими, при этом g = (N + 1)/2/Ж
2. ЛАЗЕРНЫЕ ПРИБОРЫ
Изобретение лазеров и их широкое внедрение в практику научных исследований оказали существенное влияние на спектральное приборостроение и технику спектроскопии. Наиболее специфические свойства лазерного излучения — высокая монохроматичность, чрезвычайно большая спектральная плотность, возможность перестройки частоты, высокая мощность излучения, а также большая энергия, выделяемая в малых объемах — существенно повлияли на построение схем спектральных приборов и методы их применения. Поэтому возник раздел спектроскопии, названный лазерной спектроскопией, под которой понимается совокупность аппаратуры и методов исследования, в которых используются перечисленные выше основные специфические свойства лазерного излучения. Спектральные при- • боры, в которых лазеры используются в качестве источников излучения, называются лазерными.
Методы лазерной спектроскопии позволили расширить возможности традиционных методов, а также решить принципиально иовые задачи [11, 18, 25]. Так, используя эти методы, удалось повысить в 106—10® раз предельную чувствительность спектрального анализа атомов и молекул за счет высокой интенсивности излучения, а также обеспечить предел разрешения, определяемый естественным ушире-нием линий исследуемого вещества за счет высокой монохроматичности излучения. Только лазерные спектральные приборы сделали реальным проведение локального спектрального микроанализа, реализуемого за счет высокой направленности и когерентности и злу-
чения, а также дистанционного спектрального анализа, обеспечивающего возбуждение молекулы на значительном удалении от лазера и получение информации об их составе н концентрации за счет большой энергии, заключенной в лазерном импульсе, и высокой направленности излучения.
Можно выделить следующие группы лазерных спектральных приборов: лазеры с перестраиваемой частотой; приборы для эмиссионного» флуоресцентного и адсорбционного анализов; приборы для исследования спектров комбинационного рассеяния; приборы сверхвысокого разрешения для исследования нелинейных процессов, а также приборы для измерения спектральных характеристик лазеров.
Лазерные монохроматоры с перестраиваемой частотой [251. Лазеры на органических красителях (например, на спиртовом растворе родамина) излучают участок сплошного спектра протяженностью от единиц до десятков нанометров. Перестройкой резонаторов можно плавно изменять частоту их излучения в пределах всей полосы генерации. Набором из 8—10 красителей можно перекрыть области спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной. Для возбуждения генерации лазеров на красителях используются либо импульсные лампы, либо другие лазеры.
Спектр генерации органических красителей в резонаторе без специальных селектирующих элементов при любом способе возбуждения обычно составляет 5—20 нм. Для перестройки и сужения спектра генерации вводятся спектрально-селективные элементы, обычно на-
218
зываемые селекторами — светофильтры, интерферометры Фабри— Перо, дифракционные решетки, призмы или призменные системы и т. II.
Принципиальные схемы селекторов приведены на рис. 165 125]. Как правило, введение какого-либо одного элемента сужает ширину линии генерации до 0,05—1 нм без заметного снижения выходной мощности. При этом спектр генерации перестраивается в пределах нескольких десятков нанометров на одном и том же растворе красителя. Комбинации различных селекторов позволяют сузить линию генерации до значений 10~3—10~4 нм, что, однако, приводит к значительным энергетическим потерям.
Ниже приведены формулы для оценки ширины линии генерации перестраиваемых лазерных монохроматоров на красителях, в которых в качестве селекторов используются следующие спектрально-селективные элементы [37 ].
Дифракционная решетка. Угловая дисперсия решетки для автоколлимационной установки D$ = m/(2d cos Р), где m — порядок спектра; d — период решетки; р — угол дифракции [см. формулу (88)]. Если лазер имеет угловую расходимость Ар, то предельная спектральная ширина, реализуемая в этой схеме,
дяр = Ар.
Если расходимость лазерного пучка определяется дифракцией Ар = 1,22XID, где D — внутренний диаметр кюветы с красителем, то в этом случае предельная ширина линии
ДХП ~ 9 44 J d cos ^
D mD •
При уменьшении расходимости пучка в р раз (это достигается, например, установкой в резонаторе систем линз)
