ДИФРАКЦИОННЫЙ ПОЛИХРОМАТОР СО СКРЕЩЕННОЙ ДИСПЕРСИЕЙ
DIFFRACTIVE POLYCHROMATOR WITH CROSSED DISPERSION

Изобретение относится к области технической физики, более конкретно к области спектрального приборостроения, а именно к дифракционным полихроматорам со скрещенной дисперсией, предназначенным для разложения в спектр анализируемого излучения. В таких полихроматорах спектр фокусируется на многоэлементных матричных приемниках излучения в виде ряда строчек, каждая из которых соответствует своему порядку спектра. Основным диспергирующим элементом является плоская дифракционная решетка-эшелле, имеющая значительный угол блеска и работающая в высоких порядках спектра, налагающихся друг на друга. Она обеспечивает высокую угловую дисперсию и, следовательно, высокую спектральную разрешающую способность. Для разделения налагающихся порядков спектра служит либо призма, либо вторая плоская дифракционная решетка, работающая в первом порядке спектра, с плоскостью дисперсии, перпендикулярной основной (Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов, Л.: Машиностроение. 1975, с. 188). Помимо двух диспергирующих элементов такой полихроматор имеет коллиматорный и камерный объективы (зеркальный, либо линзовый), а также входную щель (диафрагму) и сам матричный приемник излучения. Такое значительное количество оптических деталей ограничивает использование полихроматора в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра из-за низких коэффициентов отражения, а тем более пропускания оптических материалов и покрытий.
http://www.wso-
uv.org
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является полихроматор со скрещенной дисперсией, в котором в качестве разделителя порядков спектра и одновременно камерного объектива использована вогнутая сферическая дифракционная решетка (World Space Observatory UltraViolet (WSO-UV), ). Таким образом, число оптических элементов снижено с четырех до трех, что повысило светопропускание прибора, особенно в ВУФ области спектра. Избежать использования коллиматорного объектива можно, если заменить плоскую решетку-эшелле на вогнутую, работающую в высоких порядках спектра благодаря соответствующему значению угла блеска. Известно, что вогнутая дифракционная решетка при значительных углах дифракции обладает большими аберрациями, в частности астигматизмом. Последний не позволяет разделить строчки различных порядков спектра. Астигматизм вогнутой решетки равен нулю на нормали к ней при наклонном падении параллельного пучка (схема Водсворта; Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов, Л.: Машиностроение, 1975, с. 227) и имеет малое значение вблизи к этой нормали. Суть предлагаемого дифракционного полихроматора со скрещенной дисперсией состоит в том, что основной диспергирующий элемент - вогнутая дифракционная решетка эшелле установлена по схеме Водсворта, но в обратном ходе лучей, а дополнительная вогнутая решетка, разделяющая излучение разных порядков, установлена в прямом ходе лучей схемы Водсворта.
На чертеже дана схема предлагаемого полихроматора со скрещенной дисперсией. Излучение источника света (не показан) через входную щель 1 расходящимся пучком падает на вогнутую дифракционную решетку эшелле 2. Щель 1 расположена на нормали к решетке 2. Решетка 2 дифрагирует излучение разных длин волн в налагающихся друг на друга порядках спектров в достаточно узком диапазоне углов дифракции от β1 до β2 в виде параллельных и квазипараллельных пучков на вогнутую дифракционную решетку 3, плоскость дисперсии которой перпендикулярна плоскости дисперсии решетки 2. Угол падения на решетку 3 и постоянная решетки 3 подобраны таким образом, что в первом порядке спектра дифрагированные решеткой 3 монохроматические пучки света фокусируются на матричный приемник излучения 4, расположенный на нормали к решетке 3. Таким образом, число оптических элементов снижено с трех до двух, что повышает светопропускание прибора.
Для заданного неподвижного положения входной щели (угол падения равен нулю, расстояние от щели до вершины решетки фиксировано) дифрагированный пучок может быть параллельным лишь для одного угла дифракции. Для других углов дифракции параллельность пучков обеспечивается при иных расстояниях от щели до вершины решетки. Для обеспечения параллельности пучков в пределах изменения углов дифракции необходимо использовать решетку с переменным шагом, коэффициент неравномерности которой определен в формуле изобретения. В самом деле, уравнение фокальной кривой вогнутой решетки с переменным шагом в меридиональной плоскости при условии, что угол падения равен нулю, а дифрагированный пучок параллелен, имеет вид:
где ρ=R/r
R - радиус кривизны решетки,
r - расстояние от входной щели до вершины вогнутой решетки,
β - угол дифракции,
Α=μ⋅R,
o
где μ - коэффициент неравномерности шага решетки, связанный с постоянной решетки σ в точке решетки с координатой Y поперек штрихов и постоянной решетки σ в центральной точке решетки соотношением:
o
σ=σ(1+μ⋅Y)
Из уравнения (1) можно получить выражения для ρ1 и ρ2, соответствующих крайним значениям углов дифракции β1 и β2. Приравняв выражения для ρ1 и ρ2, получим уравнение, из которого вытекает формула для коэффициента неравномерности шага решетки:
А=(cosβ2-cosβ1)/(sinβ2-sinβ1)
Для примера рассмотрим выигрыш в светопропускании прибора в области спектра 50-70 нм, где коэффициент отражения золотого покрытия составляет примерно 15%, а вольфрамового - 24%. Исключая зеркальный коллиматорный объектив, получаем увеличение светопропускания в 4-6 раз. Это означает, что космический телескоп, сопряженный с предложенным дифракционным полихроматором при одинаковой проницательной способности, может иметь главное зеркало диаметром в 2-2,5 раза меньше.