ДИФРАКЦИОННЫЙ МОНОХРОМАТОР

Полезная модель относится к спектральному приборостроению в части, касающейся дифракционных монохроматоров, т.е. монохроматоров, снабженных дифракционными решетками в составе диспергирующих систем, и может быть использована в спектрометрах и спектрофотометрах при выполнении всех видов спектрального анализа.
Известны монохроматоры с плоскими фазовыми отражательными дифракционными решетками, применяемыми в качестве основных узлов диспергирующих систем этих приборов (Тарасов К.И. Спектральные приборы. 2-е изд., доп. и перераб. Л., «Машиностроение», Ленингр. отд., 1977, с.16-19, 61-77, 183-192; Koshkin Yu.S., Mukhin E.E., Razdobarin G.T., Semenov V.V., Shilnikov A.N., Mihailovskij Yu.K., Bakh L.I. Lower order blazed grating spectrometer of large diffraction angle - Review of Scientific Instruments, 1999, vol.70. No 10, p.3844-3846; Монохроматор. Авт. свид, №271836 от 13.06.68. МПК G01J 3/18. Бюл. изобр. №18, 1970; Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л., «Машиностроение», Ленингр. отд., 1975, с.38-39, 52-58,142-143, 168).
Дифракционный монохроматор, входящий в спектрометр (Koshkin Yu.S., Mukhin E.E., Razdobarin G.T., Semenov V.V., Shilnikov A.N., Mihailovskij Yu.K., Bakh L.I. Lower order blazed grating spectrometer of large diffraction angle - Review of Scientific Instruments, 1999, vol.70, No 10, p.3844-3846) включает в себя входную щель, зеркальный или линзовый коллиматорный объектив, дифракционную решетку, поворотный двугранный зеркальный отражатель, вращающийся автономно от решетки при сканировании спектра, и зеркальный или линзовый камерный (фокусирующий) объектив. Этот дифракционный монохроматор, входящий в спектрометр (Koshkin Yu.S., Mukhin E.E., Razdobarin G.T., Semenov V.V., Shilnikov A.N., Mihailovskij Yu.K., Bakh L.I. Lower order blazed grating spectrometer of large diffraction angle - Review of Scientific Instruments, 1999, vol.70. No 10, p.3844-3846) выбран авторами за прототип.
Однако в подобных дифракционных монохроматорах, в том числе и в прототипе, либо неравномерно распределяется энергия в дифракционных спектрах решеток (Koshkin Yu.S., Mukhin E.E., Razdobarin G.T., Semenov V.V., Shilnikov A.N., Mihailovskij Yu.K., Bakh L.I. Lower order blazed grating spectrometer of large diffraction angle - Review of Scientific Instruments, 1999, vol.70. No 10, p.3844-3846), либо при обеспечении максимума коэффициента отражения решетки для выводимых длин волн используется
вертикальная компоновка оптических схем, при которой осевые пучки составляют значительные углы с главным сечением решетки (Монохроматор. Авт. свид. №271836 от 13.06.68. МПК G01J 3/18. Бюл. изобр. №18, 1970). При такой вертикальной компоновке оптических схем, когда входная и выходная щели монохроматора располагаются друг над другом, появляется наклон спектральных линий, изменяющийся при сканировании спектра. Переменный наклон линий является существенным недостатком схем с подобной вертикальной компоновкой, вследствие чего во избежание снижения разрешающей способности приходится одновременно с вращением диспергирующей системы поворачивать и выходную щель прибора до совпадения ее с наклонным изображением входной щели в фокальной плоскости камерного (фокусирующего) объектива (Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп.и перераб. Л., «Машиностроение», Ленингр. отд., 1975, с.38-39, 52-58, 142-143, 168), что снижает эффективность работы прибора.
Задачей полезной модели является создание дифракционного монохроматора, в котором обеспечивается максимальная абсолютная эффективность решетки (Современные тенденции в технике спектроскопии. - Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1982, с.30-32) или, другими словами, имеет место максимальная концентрация энергии излучения для каждой выводимой длины волны исследуемого спектрального диапазона. Кроме того, в этом усовершенствованном монохроматоре при сканировании спектра отсутствует необходимость постоянно ориентировать выходную щель относительно наклонного изображения входной щели в фокальной плоскости камерного (фокусирующего) объектива, что в совокупности обеспечивает повышение эффективности работы предлагаемого монохроматора.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом дифракционном монохроматоре, содержащем последовательно установленные входную щель, коллиматорный объектив, плоскую фазовую отражательную дифракционную решетку, двугранный зеркальный отражатель, камерный объектив и выходную щель для получения максимальной абсолютной эффективности дополнительно перед двугранным зеркальным отражателем установлено жестко связанное с дифракционной решеткой поворотное плоское зеркало, отражающая поверхность которого расположена параллельно рабочим поверхностям ступенек решетки, а двугранный зеркальный отражатель, ребро которого ориентировано параллельно главному сечению решетки (плоскости ее дисперсии), установлен неподвижно. Такое техническое решение предлагаемого дифракционного монохроматора позволяет получить угловое увеличение диспергирующей системы, равное единице, так как в этом приборе осуществляется симметричный ход лучей осевых
пучков через диспергирующую систему (в ее нижней и верхней половине) параллельно главному сечению решетки, а при сканировании спектра выполняется условие зеркального отражения падающего излучения от рабочих поверхностей ступенек решетки, при котором угол отражения светового пучка от поверхностей ступенек равен углу падения на них, вследствие чего обеспечивается максимум концентрации энергии для лучей различных длин волн, выходящих из прибора, т.е. максимальная абсолютная эффективность (Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л., «Машиностроение», Ленингр. отд., 1975, с.38-39, 52-58, 142-143, 168; Современные тенденции в технике спектроскопии. - Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1982, с.30-32).
Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой изображена оптическая схема дифракционного монохроматора: вид сбоку и сверху. Для наглядности на виде сверху ступеньки дифракционной решетки показаны несоразмерно увеличенными по сравнению с другими компонентами схемы.
На фигуре показаны последовательно расположенные:
1 - входная щель;
2 - коллиматорный объектив;
3 - плоская фазовая отражательная дифракционная решетка;
4 - поворотное плоское зеркало, отражающая поверхность которого расположена параллельно рабочим поверхностям ступенек решетки, жестко связанной с данным зеркалом;
5 - неподвижный двугранный зеркальный отражатель, ребро которого ориентировано параллельно главному сечению решетки;
6 - камерный (фокусирующий) объектив;
7 - выходная щель.
Коллиматорный объектив и камерный (фокусирующий) объектив могут быть выполнены линзовыми (например, в виде двухлинзовых склеенных ахроматов), зеркально-линзовыми (в частности, в виде менисковых систем Максутова или систем с афокальным компенсатором) и зеркальными (например, в виде вогнутых сферических зеркал или внеосевых параболоидальных зеркал).
Дифракционная решетка может быть выполнена нарезной (оригинальной) или в виде копии (реплики) (Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. и перераб. Л., «Машиностроение», Ленингр. отд., 1975, с.52-58, 64).
Предлагаемый дифракционный монохроматор работает следующим образом.
Поступающий в монохроматор через входную щель 1 неразложенный свет падает на коллиматорный объектив 2. Входная щель 1 находится в главном фокусе коллиматорного объектива 2, поэтому после прохождения последнего свет параллельным пучком попадает на плоскую фазовую отражательную дифракционную решетку 3. После первичного дифрагирования на нижней половине решетки 3 световые пучки падают на поворотное плоское зеркало 4, отражающая поверхность которого расположена параллельно рабочим поверхностям ступенек решетки 3. Отразившись от плоского зеркала 4, установленного на поворотном столике и жестко закрепленного на нем вместе с решеткой 3, пучки лучей попадают на неподвижный двугранный зеркальный отражатель 5, ребро которого ориентировано параллельно главному сечению решетки 3, что позволяет перенаправить эти пучки лучей к верхней половине диспергирующей системы монохроматора. Здесь после прохождения неподвижного двугранного зеркального отражателя 5 пучки лучей, опять отразившись от поворотного плоского зеркала 4, вновь попадают на дифракционную решетку 3. Дифрагируя вторично на решетке 3, пучки лучей уходят от нее к камерному объективу 6, который фокусирует их в плоскости выходной щели 7, находящейся на фокальной поверхности объектива 6.
Сканирование спектра в предлагаемом монохроматоре осуществляется поворотом дифракционной решетки 3 и жестко с нею связанного плоского зеркала 4 относительно общей оси. При этом отсутствует нежелательный переменный наклон спектральных линий, а их кривизна меняется по спектру незначительно, что позволяет использовать предлагаемый дифракционный монохроматор как в приборах классического типа, так и в многощелевых и растровых спектрометрах, а также в качестве полихроматоров видеоспектральной и гиперспектральной аппаратуры.
На основании вышеизложенного, заявляемая полезная модель за счет совокупности признаков позволяет расширить функциональные возможности дифракционного монохроматора и получить максимальный коэффициент отражения его дифракционной решетки для всех длин волн на выходе прибора, т.е. получить максимальную абсолютную эффективность при выигрыше в монохроматическом потоке, идущем через выходную щель предлагаемого монохроматора.