Монохроматор

Монохроматор - оптический прибор для выделения узких интервалов длин волн из широкой области оптического спектра (в диапазоне от инфракрасного, видимого и до ультрафиолетового) электромагнитного излучения.

Принцип действия монохроматора основан на явлении дисперсии света в призме или на дифракционной решётке.

Устройство

Схема работы монохроматора Черны-Тернера.

Монохроматор состоит из следующих основных частей и узлов: входная спектральная щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент (призма или дифракционная решётка), фокусирующий объектив и выходная спектральная щель, которая выделяет излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн. Возможность сканирования спектра (выбора нужного спектрального диапазона) обеспечивается путем поворота диспергирующего элемента вручную либо с помощью специального механизма.

Лучи от источника света фокусируются на входную щель монохроматора. От щели, освещаемой источником излучения, лучи попадают через коллиматор на диспергирующий элемент. Затем, подвергшийся дисперсии световой поток направляется на фокусирующий объектив, который проектирует его на выходную оптическую щель и далее на исследуемый объект. Нужный участок спектра совмещают с выходной щелью поворотом диспергирующего элемента; изменяя ширину щели, меняют спектральную ширину dl (интервал длин волн) выделенного участка.

Диспергирующими элементами в монохроматорах могут быть дисперсионные призмы или дифракционные решётки.

Использование в качестве диспергирующего элемента призмы обходится дешевле, чем использование решёток. Призмы обладают большой дисперсией в ультрафиолетовой области. Однако их дисперсия сильно уменьшается с ростом длины волны; кроме того, для разных областей спектра необходимы призмы из разных материалов. Монохроматоры в которых в качестве диспергирующего элемента используются дифракционные решётки свободны от этих недостатков.

Кроме дисперсии, качество монохроматора определяют его разрешающая способность и светосила. Разрешающая способность монохроматора, как и любого другого спектрального прибора, равна l/(Dl)*, где (Dl)* — наименьшая разность длин волн, ещё различимая в выходном излучении монохроматора. Светосила монохроматора показывает, какая часть лучистой энергии, испускаемой источником в выделенном интервале dl, проходит через монохроматор. Она зависит от геометрических характеристик монохроматора (в частности, размеров щелей и диспергирующего элемента) и от потерь на отражение и поглощение в оптике монохроматора.

Объективы монохроматора (коллиматорный и фокусирующий) могут быть линзовыми или зеркальными. Зеркальные объективы применимы в гораздо более широком спектральном диапазоне, чем линзовые, и, в отличие от последних, не требуют перефокусировки при переходе от одного выделяемого участка спектра к другому. Это особенно удобно в невидимых для глаза областях спектра (ультрафиолетовой и инфракрасной), поэтому в монохроматорах для этих областей применяется преимущественно зеркальная оптика.

Из потока оптического излучения, выделяется призмой или дифракционной решёткой, участок спектра нужной длины волны, с помощью механических поворотных устройств, его направляют в необходимое место (например, на кювету с исследуемым раствором). Для обеспечения точной настройки и регулирования длины волны, поворот (зеркал, призмы, решётки) осуществляется с помощью прецизионного передаточного механизма. Управление последним в различных моделях осуществляться либо вручную (последовательно перебирая необходимые длины волн), либо автоматически (с помощью электропривода под управлением готового или собственного программного обеспечения).

Типы монохроматоров

Оптическая схема монохроматора Эберта-Фасти отличается от схемы Черны-Тернера устройством коллиматора.

Монохроматоры - необходимый оптический элемент в спектрофотометрах, где особенно важно избежать попадания в выходную щель рассеянного света с длинами волн, далёкими от необходимого для исследований участка спектра. Для улучшения качества излучения часто применяют двойные монохроматоры, представляющие собой два монохроматора, конструктивно объединённых таким образом, что выходная щель первого из них служит входной щелью второго. Преимущество двойных монохроматоров состоит также в возможности существенно повысить их дисперсию.

Применение

Монохроматор - является важнейшим источником монохроматического освещения, прежде всего в спектрофотометрах, с помощью которых исследуют спектры поглощения или излучения веществ, позволяя измерять энергию, излучаемую или поглощаемую исследуемыми объектами в различных областях спектра.

Внешние ссылки

• Optical Tutorial - discusses monochromator design in great detail
• Palmer, Christopher, Diffraction Grating Handbook, 6th edition, Newport Corporation (2005). [1]
• Optical systems using plane gratings
• Optical systems using concave gratings

Литература

• Топорец А. С., Монохроматоры, М., 1955
• Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, Л., 1970