ДВОЙНОЙ МОНОХРОМАТОР

Область техники
Двойной монохроматор относится к области оптического приборостроения и находит широкое применение в различных задачах, связанных с анализом спектра излучения, таких как, например, КР-спектроскопия, или рамановская спектроскопия, флуоресцентная спектроскопия.
Уровень техники
К настоящему времени разработано и реализовано достаточно много вариантов построения оптической схемы двойного монохроматора. Характерной особенностью схемы двойного монохроматора является наличие в схеме двух дисперсионных элементов. Как правило, в качестве дисперсионных элементов используются дифракционные решетки.
Известны двойные монохроматоры, в которых обе дифракционные решетки закреплены неподвижно друг относительно друга и вращаются вокруг одной общей оси вращения. Например, в двойном монохроматоре ДФС-24. (см. «Спектрометр ДФС-24. Техническое описание и инструкция по эксплуатации») обе дифракционные решетки закреплены на одном поворотном столике. Аналогичная оптическая схема применена в двойном монохроматоре ДФС-12. В двойном монохроматоре U1000 фирмы Jobin Yvon применена двухуровневая оптическая схема. Дифракционные решетки закреплены на одной общей горизонтальной оси вращения. В двойном монохроматоре MSDD1000 фирмы Solar TII также применена двухуровневая оптическая схема. Дифракционные решетки расположены одна над другой и неподвижно закреплены на вертикальной оси вращения. Недостатком такой схемы является отсутствие у двойного монохроматора режима вычитания дисперсии.
Известны двойные монохроматоры, работающие только в режиме вычитания дисперсии (см, например, двойной монохроматор DM 160 фирмы Solar TII). Недостатком такой схемы является отсутствие режима сложения дисперсии.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является двойной монохроматор МДР-6 (см. «Монохроматор двойной МДР-6. Техническое описание и инструкция по эксплуатации»). В этом монохроматоре реализована возможность работы как в режиме сложения дисперсии, так и в режиме вычитания дисперсии. Переключение между
этими двумя режимами осуществляется путем внесения в схему дополнительно двух откидывающихся зеркал и одной зеркальной щели. Аналогичная схема переключения между режимами работы двойного монохроматора применена в тройном КР спектрометре Т64000 фирмы Jobin Yvon (в этом спектрометре двойной монохроматор образуют первые два каскада). Недостатком такой схемы является необходимость применения вспомогательных оптических элементов для осуществления переключения между режимами сложения и вычитания дисперсии.
С помощью предлагаемого технического решения достигается новый технический результат, заключающийся в реализации алгоритма переключения между режимами сложения и вычитания дисперсии без применения вспомогательных оптических элементов.
Раскрытие полезной модели
Задача предлагаемой полезной модели состоит в представлении двойного монохроматора, имеющего два режима работы: режим сложения дисперсии и режим вычитания дисперсии, переключение между которыми осуществляется без применения вспомогательных оптических элементов, таких как линзы или зеркала.
Технический результат состоит в реализации алгоритма переключения между двумя режимами работы двойного монохроматора только путем вращения дифракционных решеток, без использования дополнительных вспомогательных оптических элементов.
В соответствии с предлагаемой полезной моделью технический результат достигается путем оснащения двойного монохроматора устройством, переключающим режимы его работы посредством вращения одной из дифракционных решеток. Переключение режимов осуществляется как из основного режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии, так и из основного режима вычитания дисперсии в режим сложения дисперсии.
Переключение из основного режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии и из основного режима вычитания дисперсии в режим сложения дисперсии происходит, согласно полезной модели, только соответствующим вращением одной из дифракционных решеток, расположенных, соответственно, в первом или втором монохроматоре. Вращение первой и второй дифракционной решетки вокруг оси, перпендикулярной плоскости, содержащей падающий и отраженный от решетки световые лучи необходимо не только для осуществления переключения режимов работы, но и для осуществления обычной работы двойного монохроматора. Согласно полезной модели, такое устройство переключения не требует применения дополнительных оптических элементов,
таких как зеркала или линзы, расположенных между выходом первого и входом второго монохроматора.
Если двойной монохроматор сконфигурирован таким образом, что основной режим его работы является режим сложения дисперсии, то для переключения режима работы двойного монохроматора в режим вычитания дисперсии предлагается, чтобы устройство переключения вызывало поворот одной из дифракционных решеток так, что в результате использовались положительные порядки дифракции одной дифракционной решетки и отрицательные порядки дифракции другой дифракционной решетки. Если в режиме сложения дисперсии используются, к примеру, положительные порядки дифракции обеих решеток, то можно повернуть первую или вторую дифракционную решетку чтобы использовать отрицательные порядки дифракции первой или второй решетки соответственно.
Наиболее предпочтительное конструктивное исполнение устройства переключения заключается в обеспечении вращения одной из дифракционных решеток таким образом, чтобы для определенной длины волны излучения использовались положительные порядки дифракции одной дифракционной решетки и соответствующие им отрицательные порядки дифракции другой дифракционной решетки, например первый порядок дифракции К=+1 первой дифракционной решетки и минус первый порядок дифракции К=-1 второй дифракционной решетки.
1
2
1
2
1
Для упрощения переключения режимов работы двойного монохроматора, устройство переключения может быть конструктивно исполнено таким образом, чтобы вызывать вращение одной из дифракционных решеток так, чтобы обеспечить равные по величине, но противоположные по направлению углы поворота дифракционных решеток относительно их начальных положений, в которых дифракционные решетки отражают излучение в нулевом порядке дифракции. Если перед переключением режима работы двойного монохроматора первая дифракционная решетка была повернута на угол α относительно ее начального положения, а вторая дифракционная решетка была повернута на угол α=α в том же направлении относительно ее начального положения, то после переключения режима работы двойного монохроматора угол поворота, к примеру, второй дифракционной решетки относительно ее начального положения должен быть α=-α. При этом не существенно, какую именно дифракционную решетку необходимо поворачивать, и какая решетка будет использоваться для получения положительных, а какая для отрицательных порядков дифракции.
Если двойной монохроматор сконфигурирован таким образом, что основной режим его
работы является режим вычитания дисперсии, то для переключения режима работы двойного монохроматора в режим сложения дисперсии предлагается, чтобы устройство переключения вызывало поворот одной из дифракционных решеток таким образом, чтобы одновременно использовались либо положительные, либо отрицательные порядки дифракции обеих дифракционных решеток. Для такого переключения может осуществляться поворот первой или второй дифракционной решетки.
Такое переключение предусматривает, чтобы устройство переключения вызывало поворот одной из дифракционных решеток таким образом, чтобы одновременно использовались одинаковые порядки дифракции для определенной длины волны излучения. Например, чтобы использовались первые порядки дифракции К=+1 или минус первые порядки дифракции К=-1 обеих дифракционных решеток.
1
2
1
Для упрощения переключения режимов работы двойного монохроматора, устройство переключения может быть конструктивно исполнено таким образом, чтобы вызывать вращение обеих дифракционных решеток так, чтобы обеспечить равные по величине, но противоположные по направлению углы поворота дифракционных решеток относительно их начальных положений, в которых дифракционные решетки отражают излучение в нулевом порядке дифракции. Если после переключения режима двойного монохроматора первая дифракционная решетка повернута на угол α относительно ее начального положения, то угол поворота второй дифракционной решетки относительно ее начального положения должен быть α=-α.
В двойном монохроматоре предпочтительно использовать, по меньшей мере, одну голографическую дифракционную решетку. Для достижения лучшего результата предпочтительно, чтобы обе дифракционные решетки были голографические.
Предпочтительно использовать, по меньшей мере, одну голографическую дифракционную решетку по существу с синусоидальным профилем. Преимущество заключается в том, что достигается приблизительно равная эффективность дифракции в режимах сложения и вычитания дисперсии.
В качестве альтернативного варианта в двойном монохроматоре можно использовать, по меньшей мере, одну нарезную дифракционную решетку. Однако, при переключении режимов работы двойного монохроматора из режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии, будет наблюдаться уменьшение эффективности дифракции вследствие несимметричности профиля дифракционной решетки.
При применении, по меньшей мере, одной нарезной дифракционной решетки, для
повышения эффективности работы двойного монохроматора предлагается использовать специальное устройство, поворачивающее дифракционную решетку на 180° вокруг оси, параллельной к нормали дифракционной решетки. При этом сначала происходит переключение двойного монохроматора из режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии путем поворота дифракционной решетки для использования соответствующих порядков дифракции. Затем происходит вращение нарезной дифракционной решетки вокруг оси, параллельной к нормали дифракционной решетки.
Конструктивное исполнение первого монохроматора предусматривает наличие выходной щели. Она предназначена для пропускания во второй монохроматор излучения требуемого порядка дифракции от первой дифракционной решетки и блокировки всех остальных порядков дифракции.
Конструктивное исполнение второго монохроматора также предусматривает наличие выходной щели. Она предназначена для пропускания на выход второго монохроматора требуемого порядка дифракции от второй дифракционной решетки и блокировки всех остальных порядков дифракции. Выходная щель второго монохроматора пропускает лишь узкий спектральный диапазон длин волн, содержащий длину волны λ.
Одноканальный режим счета фотонов определенной длины волны реализуется путем установки ФЭУ за выходной щелью второго монохроматора. Изменение регистрируемой длины волны λ производится за счет одновременного вращения обеих дифракционных решеток. Таким образом последовательно измеряется интенсивность излучения для каждой длины волны I(λ).
Для одновременной регистрации широкого спектра излучения необходимо снять выходную щель второго монохроматора и установить многоканальный детектор, например ПЗС матрицу.
Конструктивное исполнение двойного монохроматора предусматривает наличие, по меньшей мере, двух шаговых двигателей, осуществляющих вращение дифракционных решеток. Эти шаговые двигатели сопряжены с устройством переключения.
Таким образом, данная полезная модель представляет двойной монохроматор, который может переключаться из основного режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии и из основного режима вычитания дисперсии в режим сложения дисперсии без применения дополнительных оптических элементов. Переключение осуществляется за счет поворота одной из дифракционных решеток.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Схематическое представление двойного монохроматора, сконфигурированного для работы в основном режиме сложения дисперсии.
Фиг.2. Схематическое представление двойного монохроматора, сконфигурированного для работы в основном режиме вычитания дисперсии.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 представлена схема двойного монохроматора 1, сконфигурированного таким образом, что основной режим его работы является режим сложения дисперсии. Двойной монохроматор состоит из двух соединенных между собой монохроматоров 2 и 9. Оптические элементы обоих монохроматоров заключены в светонепроницаемый корпус. Структура первого и второго монохроматора по существу идентична.
Излучение от источника света или исследуемого образца фокусируется на входную щель 3 первого монохроматора 2, находящуюся в фокусе первого вогнутого зеркала 4. Вогнутое зеркало 4 формирует параллельный пучок света, падающий на первую дифракционную решетку 5. Дифракционная решетка 5 имеет ось вращения, перпендикулярную плоскости, содержащей падающий и отраженный от решетки световые лучи. Предпочтительнее использовать голографическую дифракционную решетку по существу с синусоидальным профилем, поскольку в этом случае будет обеспечиваться практически одинаковая эффективность работы двойного монохроматора 1 как в основном режиме сложения дисперсии, так и в режиме вычитания дисперсии. Также можно использовать и нарезную дифракционную решетку по существу с пилообразным профилем, однако в этом случае будет наблюдаться различная эффективность работы двойного монохроматора в основном режиме сложения дисперсии и режиме вычитания дисперсии, так что обеспечение одинаковой эффективности работы в различных режимах работы двойного монохроматора приводит к усложнению устройства переключения режимов работы.
Дифрагировавший на решетке 5 параллельный пучок света вторым вогнутым зеркалом 6 фокусируется на выходную щель 8 первого монохроматора 2. Поскольку выходная щель 8 расположена на боковой стороне первого монохроматора 2, для направления сфокусированного излучения на выходную щель 8 используется плоское зеркало 7. Далее, пройдя выходную щель 8 первого монохроматора 2, одновременно являющуюся входной щелью второго монохроматора 9, излучение попадает во второй монохроматор 9.
Отразившись от плоского зеркала 10, излучение направляется на первое вогнутое зеркало 11 второго монохроматора, которое формирует параллельный пучок света, падающий на вторую дифракционную решетку 12. Дифракционная решетка 12 имеет ось вращения, перпендикулярную плоскости, содержащей падающий и отраженный от решетки световые лучи. Во втором монохроматоре 9 также предпочтительно использовать голографическую дифракционную решетку по существу с синусоидальным профилем. Также можно использовать нарезную дифракционную решетку по существу с пилообразным профилем. Дифрагировавший на решетке 12 параллельный пучок света вторым вогнутым зеркалом 13 фокусируется на выходную щель 14 второго монохроматора 9. Выходная щель 14 второго монохроматора 9 пропускает лишь узкий спектральный диапазон длин волн, содержащий длину волны λ.
Для изменения длины волны λ необходимо синхронно вращать дифракционные решетки 5 и 12 с помощью подсоединенных к ним шаговых двигателей, управляемых при помощи компьютера. В одноканальном режиме детектирования за выходной щелью 14 второго монохроматора 9 устанавливается ФЭУ, регистрирующий фотоны на длине волны, определяемой положением дифракционных решеток 5 и 12. В многоканальном режиме выходная щель 8 первого монохроматора 2 должна быть раскрыта и выходная щель 14 второго монохроматора 9 должна отсутствовать. Вместо нее устанавливается многоканальный детектор, например, ПЗС матрица. В таком режиме регистрации нет необходимости синхронно вращать дифракционные решетки, т.к. многоканальным детектором регистрируется широкий спектральный диапазон.
1
2
1
2
В основном режиме сложения дисперсии первая дифракционная решетка 5 повернута на угол α относительно своего начального положения (см. фиг.1), обозначенного пунктиром, которое соответствует углу поворота 0° - положение, в котором дифракционная решетка 5 работает как плоское зеркало, отражая падающее излучение в направлении нулевого порядка дифракции. Вторая дифракционная решетка 12 повернута относительно ее начального положения на угол α. При этом углы поворота дифракционных решеток 5 и 12 одинаковы, так что в дальнейшем полагаем α=α. Таким образом в основном режиме работы сложения дисперсии обе дифракционные решетки повернуты на одинаковые углы относительно их начальных положений, т.е. используются одинаковые порядки дифракции К=+1 или К=-1 обеих дифракционных решеток.
Представленный на фиг.1 двойной монохроматор 1 переключается из основного
2
1
режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии с помощью специального устройства переключения, явно не изображенного на фиг.1. Данное устройство поворачивает вторую дифракционную решетку 12 так, что если, например, используется первый порядок дифракции К=+1 первой дифракционной решетки 5 для определенной длины волны, то при переключении из основного режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии устройство переключения поворачивает вторую дифракционную решетку 12 на угол α'=-αотносительно ее начального положения, так что используется минус первый порядок дифракции К=-1 второй дифракционной решетки 12.
На фиг.2 представлена схема двойного монохроматора 1, сконфигурированного таким образом, что основной режим его работы является режим вычитания дисперсии. Двойной монохроматор 1 в основном режиме вычитания дисперсии может работать как пропускающий полосовой фильтр, а также использоваться для спектроскопии с разрешением по времени, т.к. временная задержка, возникающая в первом монохроматоре между различными длинами волн, компенсируется во втором монохроматоре.
Принципиальное отличие данной схемы соединения двух монохроматоров от предыдущей схемы, изображенной на фиг.1 состоит в том, что в этом случае второй монохроматор 9 повернут относительно первого монохроматора 2 на 180°. Все оптически функциональные элементы монохроматоров 2 и 9 в обеих схемах соединения монохроматоров идентичны.
1
2
1
2
В основном режиме работы вычитания дисперсии первая дифракционная решетка 5 повернута на угол α относительно своего начального положения (см. фиг.2), обозначенного пунктиром, которое соответствует углу поворота 0° - положение, в котором дифракционная решетка 5 работает как плоское зеркало, отражая падающее излучение в направлении нулевого порядка дифракции. Вторая дифракционная решетка 12 повернута относительно ее начального положения на угол α. При этом углы поворота дифракционных решеток 5 и 12 одинаковы, так что в дальнейшем полагаем α=α. Таким образом в основном режиме работы вычитания дисперсии обе дифракционные решетки повернуты на одинаковые углы относительно их начальных положений. В случае схемы, изображенной на фиг.2 это соответствует ситуации, когда используются разные порядки дифракции, т.е. первый порядок дифракции первой дифракционной решетки 5 и минус первый порядок второй дифракционной решетки 12, или наоборот, минус первый порядок первой дифракционной решетки 5 и первый порядок второй дифракционной решетки 12.
Как и в первом случае, представленный на фиг.2 двойной монохроматор 1
2
1
переключается из основного режима вычитания дисперсии в режим сложения дисперсии с помощью специального устройства переключения, явно не изображенного на фиг.2. Данное устройство поворачивает вторую дифракционную решетку 12 так, что если, например, используется первый порядок дифракции К=+1 первой дифракционной решетки 5 для определенной длины волны, то при переключении из основного режима вычитания дисперсии в режим сложения дисперсии устройство переключения поворачивает вторую дифракционную решетку 12 на угол α'=-α относительно ее начального положения, так что используется первый порядок дифракции К=+1 второй дифракционной решетки 12.
Как и в первом случае, предпочтительнее использовать голографическую дифракционную решетку по существу с синусоидальным профилем, поскольку в этом случае будет обеспечиваться практически одинаковая эффективность работы двойного монохроматора 1 как в основном режиме вычитания дисперсии, так и в режиме сложения дисперсии. Также можно использовать и нарезную дифракционную решетку по существу с пилообразным профилем, однако в этом случае будет наблюдаться различная эффективность работы двойного монохроматора в основном режиме вычитания дисперсии и режиме сложения дисперсии, так что для обеспечения одинаковой эффективности работы в различных режимах работы двойного монохроматора необходимо использовать специальное устройство, поворачивающее дифракционную решетку на 180° вокруг оси, параллельной к нормали дифракционной решетки.
Согласно полезной модели в двойном монохроматоре 1 переключение между режимами сложения и вычитания дисперсии происходит посредством поворота одной из дифракционных решеток 5 или 12 с помощью устройства переключения.