Оптические спектральные приборы - Скоков И.В.
Скачать (прямая ссылка):
Схема лазерного спектрометра, основанного на методе насыщения, приведена на рис. 172. Для обнаружения увеличения интенсивности зондирующего пучка (просветление газа) за счет поглощения он модулируется по амплитуде модулятором, частота которого синхронизирована с частотой импульсного лазера.
Поскольку в молекулярных газах полоса частот резонанса мо* жет быть очень малой (104—105 Гц), то в линии, состоящей из нескольких компонентов, резонансный прэвал будет наблюдаться в каждой из них. Это дает возможность разрешать тонкую структуру линий, скрытую допплеровским уширением.
Лазерные приборы для исследования спектральных характера стик излучения. Источником исследуемого излучения в рассматриваемых приборах являются лазеры различных типов. В общем случае излучение лазера неоднородно по спектральному составу и представляет собой суперпозицию спектров поперечных типов колебаний (мод), которые присутствуют в излучении. Расстояние по частоте между спектральными линиями Av — cI2h для плоскопараллельного резонатора и Av = c/ih — для конфокального. Возможен и одномодовой режим, когда генерируется одна спектральная линия.
На практике необходимо знать различные характеристики спектра излучения лазеров — ширину и форму отдельной линии спектра, общий диапазон, занимаемый излучением (ширину спектра), расстояние между отдельными линиями излучения, длину волны излучения, а также ее стабильность и воспроизводимость. Характерной особенностью излучения лазеров является высокая монохроматичность, т. е. узкая ширина линий генерации. Ориентировочная ширина спектра, выраженная в длинах волн, составляет для газовых лазеров 10~4—10~3 нм, для твердотельных — 10“2—10~3 нм. За счет спе-
226
Рис. 173. Схема лазерных спектральных приборов для измерения длины волиы излучения:
а — спектрограф с плоскопараллельным интерферометром Фабри —*
Перо:
у —эталонный источник; 2, 7 —
объективы; 3 — светофильтр;
4 — полупрозрачное зеркало;
5 — барокамера; 6 — зеркала
интерферометра; 8 — фотопри-
ечпик; .9, 10 — оптическая снсте-
Mi для расширения лазерного пучка; И -- лазер; б — спектрометр со сферическим ИФП: 1 — лазер;
2 — поляроид; 3,4— оптическая система для расширения лазерного пучка; 5 — светофильтр; 6, 7 —
зеркала интерферометра; 8 — объектив; 9 — диафрагма; 10 — фотоприемник; 11 — усилитель; 12 — фазовый детектор; 13 — осциллограф; 14 — генератор опорных сигналов
циальных мер ширину спектра газовых лазеров можно получить ~ 10~8—
— 10~7 нм [25]. Вследствие этого для целого ряда измерений параметров излучения лазеров разрешающая способность спектральных приборов с призмами и дифракционными решетками.
Приборы для исследования спектрального состава и измерения длины волиы излучения. Ни один из имеющихся в настоящее время приемников энергии излучения не обладает достаточно малой постоянной времени, позволяющей регистрировать сигнал с оптической частотой (1012—1015 Гц). Так, лучшие образцы фотоэлектронных умножителей имеют частотную характеристику до 3-109 Гц. Поэтому в тех случаях, когда необходимо определять абсолютное значение частоты, измеряют длину волны X, а затем вычисляют частоту электромагнитных колебаний v в соответствии с соотношением X0v0 — с, где Х0 и v0 — соответственно длина волны и частота колебаний в вакууме; с — скорость света.
Для обеспечения высокой точности измерения длины волны используют сравнение излучения лазера и эталона — стабильного и воспроизводимого источника света. Обычно — это излучение паров изотопов металлов — кадмия (Cd114), криптона (Кг88) и ртути (Hg198).
Схема прибора с ИФП, предназначенного для измерения длины волны, показана на рис. 173, а. Свет от эталонного источника 1 коллимируется объективом 2 и проходит через интерферометр 6, установленный для повышения стабильности интерференционной картины в барокамеру 5. Одновременно на интерферометр падает излучение от исследуемого лазера //; для полного заполнения действующего отверстия ИФП пучок расширяется телескопической системой 9—10.
Для определения длины волны используют ряд методов, известных в практике метрологических измерений [21, 29], наиболее рас-
227
пространен следующий. Толщина ИФП калибруется с помощью ;!! эталонного источника, т. е. оптическую толщину ИФП измеряют | в длинах волн эталонного источника Я0. Учитывая соотношение I тХ0 = 2nh cos е, по известной толщине интерферометра nh можно :1| определить неизвестную длину волны L.. ,j|j
Практически длину волны Хх определяют путем измерения диа-метра интерференционных колец, а по результатам измерений вы- !:f числяют дробную часть Ат порядка интерференции т. Эти измере- ; ния проводятся при е = 0, т. е. в центральном пятне. Обычно ве- : j
личина т известна (с точностью ~10"5), а дробную часть порядка Ат |
определяют с точностью 10~7. Расстояние между зеркалами ИФП в длинах воли эталонного источника также известно с точностью ' | —10-7. Длину волны К вычисляют по формуле
« 2 nh
* т -¦ Ат ’ . „/sEiS:!!!
при этом погрешность измерений определяется погрешностью, с которой можно измерить оптическую толщину интерферометра пйг Спектральный состав излучения может быть исследован с помощыоШй:^ прибора на основе сканирующего сферического ИФП 129], показанного на рис. 173,6. Одно из зеркал интерферометра 7 укреплено на пьезоэлектрической втулке (или пластинке). При подаче напряжения на обкладки втулки происходит ее деформация, а следовательно, и перемещение зеркала, приводящее к изменению толщины ::| интерферометра. Очевидно соотношение
