И назначение отдельных узлов.

Спектральный прибор состоит из трех основных частей: осветительной, диспергирующей и приемно-регистрирующей.

Осветительная частьвключает источник излучения и фокусирующую оптику, при помощи которой освещается узкая входная щель прибора.

Спектральная часть состоит из входной щели, диспергирующей и фокусирующей систем (рис.2).

Входная щель (3 на рис.2) является вторичным источником немонохроматического света или “предметом” по отношению ко всей последующей оптической части прибора. Изображение щели, разложенное диспергирующей системой по длинам волн и сфокусированное на выходе прибора и представляет собой наблюдаемый спектр источника излучения.

Рис. 2. Оптическая схема призменного спектрального прибора:

1 - источник света – исследуемое вещество; 2 - конденсорная линза; 3 - узкая входная щель; 4 - коллимирующий объектив; 5 - призма – диспергирующий элемент; 6 - фокусирующий объектив; 7 - фокальная плоскость – плоскость формирования спектра излучения.

В принципе спектральный прибор можно построить и без входной щели, используя в качестве предмета непосредственно источник излучения. Но все реальные источники имеют значительные размеры и после разложения в спектр их монохроматические изображения частично наложатся друг на друга и их невозможно будет различить. Чтобы избежать этого, на пути лучей ставится узкая щель и ее монохроматические изображения получаются в виде резких линий. Именно форме изображения щели в свете той или иной длины волны обязано появление термина “спектральная линия”.

Однако уменьшать ширину щели разумно лишь до определенного предела, обусловленного дифракцией, ниже которого дальнейшее ее сужение уже приводит не к уменьшению ширины спектральных линий, а, наоборот, к увеличению. Этот предел называется нормальной шириной щели и равен

(2)

где D - диаметр пучка света, падающего на призму, а затем на фокусирующий объектив

При любой ширине щели дифракционными явлениями на ней можно пренебречь и рассматривать ход лучей в приборе по законам геометрической оптики.

Часть прибора, включающая щель 3 и первый по ходу лучей объектив 4 на рис.2, называется коллиматором. Его назначение – создать параллельные пучки лучей. Поэтому щель всегда ставится в фокусе объектива, а сам объектив должен быть ахроматическим, т.е. его фокусное расстояние не должно зависеть от длины волны.

Для получения максимальной интенсивности спектра объектив коллиматора должен быть полностью заполнен светом. Это достигается специальным выбором условий освещения щели.

Источник света с большой равномерной излучающей поверхностью можно расположить непосредственно перед щелью. Если угловая ширина источника (рис.2), не меньше углового размера коллимирующего объектива, то коллиматор заполнен светом. При этом никакая осветительная система не может увеличить световой поток, приходящий в прибор. Из условия (рис.2) следует, что источник диаметром d должен располагаться от щели (2) на расстоянии

(3)

Если источник света мал или по техническим причинам его нельзя расположить близко к щели, чтобы выполнялось условие (3), пользуются линзовыми осветительными системами, формирующими изображение источника на входной щели спектрального прибора, как показано на рис. 2. В этом случае в условии (3) d – диаметр апертуры конденсорной линзы, l – расстояние от линзы до входной щели.

Диспергирующая система предназначена для пространственного разделения пучков света различных длин волн. В качестве диспергирующих элементов используются призмы, дифракционные решетки, а также интерферометр Фабри-Перо и другие приборы. Рассмотрим ход лучей в призменном спектральном приборе (рис.2). Пусть источник 1 излучает свет только двух длин волн и .

Лучи другой длины волны также выйдут из призмы параллельным пучком, но в другом направлении, под углом , т.к. (рис. 2 и 3). Так призма осуществляет пространственное разделение световых пучков различных длин волн. Объектив камеры 6 собирает параллельные пучки света, выходящие из призмы, в своей фокальной плоскости 7.

Рис. 3. Ход лучей света двух разных длин волн и через призму.

Так как лучи различных длин волн имеют после призмы различные направления, то в фокальной плоскости объектива камеры получается ряд параллельных, различно окрашенных изображений щели, образующих систему спектральных линий – спектр излучения источника (рис. 4, а).

Рис. 4. Система спектральных линий излучения ртути (а) и соответствующее распределение интенсивности света в спектре (б)