Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Типы профиля штрихов.

Известны отражательные дифракционные решетки, представляющие собой совокупность узких параллельных зеркальных полосок, разделенных малыми промежутками с одной рабочей гранью. Большинство известных решеток имеют штрихи ступенчатого профиля, оптимальные с точки зрения получения наивысшей концентрации в одной заданной спектральной области. Технически до сих пор удавалось получать достаточно правильную форму только одной грани штриха. Амплитудные прозрачные решетки, концентрирующие излучение вблизи нулевого порядка, применяются редко, в основном в измерительных целях, в вакуумной УФ- и рентгеновской областях спектра. У голографических решеток штрихи, как правило, имеют симметричный профиль, приблизительно описываемый синусоидой. Для обычных отражательных решеток рабочей гранью является пологая (у решеток типа "эшелле" - крутая).

При падении излучения на решетку часть энергии отражается от нее, как от зеркала, без спектрального разложения, создавая так называемый нулевой порядок. Остальная часть энергии распределяется между спектрами различных порядков. Распределение зависит от формы канавок, образуемых резцом на поверхности заготовки решетки. Решетка - эшелле, имеющая треугольный профиль штрихов, состоит из одинаковых зеркальных площадок шириной b, плоскости которых параллельны друг другу и образуют угол с общей касательной плоскостью всех зеркальных элементов.

Рис. 5.1 Типы профиля штрихов

6. Параметры решётки.

Одним из основных параметров решетки явля­ется угол “блеска”, которым определяется об­ласть максимальной дифракционной эффективности. Этот угол между по­верхностью решетки и рабочей гранью ее штри­хов, помимо ограничений при изготовлении резца, существенно зависит от технологических особенностей формирования штрихов, обуслов­ленных релаксацией слоя алюминия. Этот угол соответствует зеркальному отражению от грани штриха. Если под углом блеска наблюдают спектры 5-10 порядков, то такую решётку называют эшелеттой.

Одна из важнейших характеристик дифракционной решетки является ее разрешающая способность, характеризующая возможность разделения с помощью данной решетки двух близких спектральных линий с длинами волн λ и λ + Δλ. Спектральной разрешающей способностью R называется отношение длины волны λ к минимальному возможному значению Δλ, то есть:

Разрешающая способность спектральных приборов, и, в частности, дифракционной решетки, также как и предельное разрешение оптических инструментов, создающих изображение объектов (телескоп, микроскоп) определяется волновой природой света. Принято считать, что две близкие линии в спектре m-го порядка различимы, если главный максимум для длины волны λ + Δλ отстоит от главного максимума для длины волны λ не менее, чем на полуширину главного максимума, т. е. на δθ = λ / Nd. По существу, это критерий Релея, примененный к спектральному прибору. Из формулы решетки следует:

где Δθ – угловое расстояние между двумя главными максимумами в спектре m-го порядка для двух близких спектральных линий с разницей длин волн Δλ. Для простоты здесь предполагается, что углы дифракции малы (cos θ ≈ 1). Приравнивая Δθ и δθ, получаем оценку разрешающей силы решетки:

Таким образом, предельное разрешение дифракционной решетки зависит только от порядка спектра m и от числа периодов решетки N.

Другой важной характеристикой дифракционной решётки является дисперсия. Дисперсия определяет угловое или линейное расстояние между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на единицу (например, на 1 Å).

Угловой дисперсией называется величина

где dj— угловое расстояние между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на dl.

Чтобы найти угловую дисперсию дифракционной решетки, продифференцируем условие главного максимума слева по j а справа по l. Опуская знак минус, получим:

Отсюда

В пределах небольших углов поэтому можно положить

Из полученного выражения следует, что угловая дисперсия обратно пропорциональна периоду решетки d. Чем выше порядок спектра m, тем больше дисперсия.

Линейной дисперсией называют величину

где d l — линейное расстояние на экране или на фотопластинке между спектральными линиями, отличающимися по длине волны на dl.

Ещё одной характеристикой решёток является пространственная частота. Она представляет собой физическую величину, показывающую сколько периодов регулярной пространственной структуры (штрихов решётки) приходится на 1 мм.

7. Применение дифракционных решёток.

В спектральных приборах высокого класса вместо призм применяются дифракционные решетки. Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50 – 100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки.

Дифракционные решетки, применяемые для работы в различных областях спектра, отличаются частотой и профилем штрихов, размерами, формой, материалом поверхности и др. Для ультрафиолетовой и видимой областей наиболее типичны дифракционные решётки, имеющие от 300 до 1200 штрихов на 1 мм. Дифракционная решётка для вакуумной ультрафиолетовой области изготавливаются преимущественно на стеклянных поверхностях. В этой области незаменимы дифракционная решётка, изготовленные на вогнутых (в большинстве случаев - сферических) поверхностях, обладающих способностью фокусировать спектр. В инфракрасной области применяются дифракционная решётки, называемые эшелеттами.

Кроме спектральных приборов, дифракционная решётка применяются также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные дифракционные решётке), поляризаторов и фильтров инфракрасного излучения, делителей пучков в интерферометрах и для других целей. С помощью дифракционной решетки можно производить очень точные измерения длины волны. Если период d решетки известен, то определение длины сводится к измерению угла θm, соответствующего направлению на выбранную линию в спектре m-го порядка. На практике обычно используются спектры 1-го или 2-го порядков.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Включить лазер;

2. Снять защитный кожух с дифракционной решётки;

3. С учетом правила знаков для углов измерить:

1.

2.

3.

3.1. угол дифракции нулевого порядка, поворотом столика совместив нулевой порядок с апертурой источника излучения (ψ=φ);

3.2. Аналогично п.3.1 углы дифракции остальных порядков;

4. Вернуть поворотный столик в исходное положение

5. Закрыть дифракционную решётку защитным кожухом

6. Выключить лазер

7. Определить угол блеска исходя из проведенных измерений;

8. Используя формулу (4) рассчитать период дифракционной решётки и пространственную частоту для каждого порядка дифракции и усреднить данные (длина волны лазера используемого в работе 532нм);

9. Используя формулу (2) рассчитать ширину штриха и расстояние между штрихами;