Специальные виды призм (системы призм)

Простейшая призма треугольного сечения редко может удовлетворить требованиям построения удобного и качественного прибора. Поэтому обычно в СП используются комбинации призм, позволяющие получить нужный закон дисперсии, более удобную форму фокальной поверхности и т.д.

Диспергирующие системы, состоящие из нескольких склеенных призм, применяются обычно для получения большей угловой дисперсии и (или) для получения желаемого угла отклонения лучей. Склеиваемые призмы изготовляются из различных сортов оптического стекла (с разными n и ∂ n /∂λ) и пригодны, как правило, лишь в видимой области спектра. В ультрафиолетовой и инфракрасной областях применение склеенных призм затруднительно, так как, во-первых, известные клеи здесь недостаточно прозрачны, а во-вторых, в этих областях обычно используются кристаллы с существенно различными коэффициентами теплового расширения. В этих случаях приходится применять последовательность призм, разделенных воздушным промежутком. Иногда применяются призмы с неплоскими поверхностями, комбинации призмы и зеркала и др.

Призма Резерфорда состоит из двух одинаковых призм с небольшим преломляющим углом.

Между ними находится третья призма, с большим преломляющим углом А и изготовленная из тяжелого флинта. Склеенная призма Резерфорда отличается от одиночной значительно большей дисперсией, а при заданной дисперсии – меньшими потерями на отражение. Крайние призмы имеют малый коэффициент преломления и хотя они несколько уменьшают суммарную дисперсию, но позволяют сделать А большим, так как уменьшают угол падения. Основной недостаток определяется тем, что при той же ширине падающего пучка длина хода лучей в склеенной призме больше, чем в одиночной. Поэтому применение призмы Резерфорда становится малоэффективным в фиолетовой части спектра, где поглощение тяжелых флинтов уже заметно.

Рис. 2.1.7. Некоторые типы практически используемых призм.

а) Призма Резерфорда,

б) Призма прямого зрения, призма Амичи,

в) Призма постоянного угла отклонения, призма Аббе.

Призма прямого зрения Амичи. В ней для некоторой длины волны угол отклонения лучей равен нулю, так что можно сделать СП в трубе –оптические оси коллиматорного и камерного объективов совпадают. Она, как и призма Резерфорда, состоит из трех склеенных призм, крон–флинт–крон. Преломляющий угол и показатель преломления средней призмы больше, чем у боковых. Призма Амичи не дает столь высокой дисперсии, как призма Резерфорда, и оптическая длина пути в ней больше, т.е. больше потери на поглощение. Поэтому она не нашла широкого распространения и применяется лишь в компактных спектрографах и спектроскопах.

Призма Аббе также состоит из трех склеенных призм – двух пря- моугольных полупризм с преломляющим углом 30^о и прямоугольной призмы полного внутреннего отражения, отклоняющей лучи на 90^о. Пространственное разложение спектра в этой системе происходит лишь на гранях полупризм.

Потери из-за поглощения в призме Аббе, конечно, больше, чем в одиночной призме ввиду большей длины хода лучей. Поэтому для увеличения пропускания в фиолетовой части спектра призма внутреннего отражения изготовляется из стекла с малым показателем преломления (из легкого крона), а диспергирующие полупризмы – из стекла с большой дисперсией (из тяжелого флинта). Постоянство угла отклонения удобно в монохроматорах, в которых сканирование спектра осуществляется просто поворотом призмы, а коллиматоры остаются неподвижны.

Рис. 2.1.8 Схема постоянного угла Рис. 2.1.9 Призма Литтрова (а)

отклонения, схема Водсворта. и призма Корню (б).

Призма Литтрова очень удобна и используется часто. Во многих промышленных приборах с двойной монохроматизацией применяется комбинация призменного и дифракционного монохроматоров. Второй обеспечивает высокое спектральное разрешение, а первый – предварительную монохроматизацию и одновременно исключает такую неприятность, как наложение порядков дифракции. От него не требуется высокого разрешения, но желательно высокое качество изображения. Призма Литтрова проста и этим требованиям соответствует.

. Призма Корню (рис. 2.1.9 б) состоит из двух прямоугольных полупризм с преломляющим углом около 30^о, вырезанных так, чтобы луч, идущий параллельно основанию (в условиях минимума отклонения для совокупности обеих призм), распространялся вдоль оптической оси кристалла. Они сделаны одна из право-, а другая из левовращающего кварца, в результате чего вращения плоскости поляризации не происходит. Однако для лучей, распространяющихся под углом к оси, вращение плоскости поляризации не скомпенсировано и они испытывают двойное лучепреломление, что может сказаться на качестве спектра.

Призма Литтрова, изготовленная из кристаллического кварца – удачная модификация призмы Корню. Для центрального луча здесь автоматически компенсируется вращение плоскости поляризации.

Призменные монохроматоры основаны на использовании явления дисперсии. Дисперсия света (разложение) происходит при преломлении света на поверхности раздела двух сред и определяется зависимостью относительного показателя «n» преломления от длины волны «λ».

В спектральных приборах используется нормальная дисперсия, когда показатель преломления уменьшается с ростом длины волны λ.

Диспергирующим элементом призменных спектральных приборов является одна или несколько призм. В результате преломления света на гранях призмы происходит отклонение луча света на некоторый угол θ от первоначального направления. Угол отклонения зависит от показателя преломления вещества призмы и поэтому является функцией длины волны, т.е.

Источник излучения «J» через осветительную систему «Л» освещает узкую входную щель прибора «S» Фокусирующая оптика, состоящая из двух объективов «О₁»(коллиматорный объектив) и «О₂»(камерный объектив) с параллельным ходом лучей между ними в фокальной плоскости «Р» дает изображение щели «S». Разные направления лучей для различных длин волн осуществляются диспергирующей системой «Д». Совместно с диспергирующей системой фокусирующая система дает прерывную или непрерывную последовательность монохроматических изображений входной щели, называемую спектром. Характер спектра зависит от типа источника излучения.

Монохроматоры служат для выделения одной спектральной линии, или участка сплошного излучения. Область спектра, для которой предназначены монохроматоры, определяет выбор материала для оптики.

Для видимой области спектра наибольшее распространение получил универсальный монохроматор УМ–2 со стеклянной оптикой.

1. – источник света

2 – осветительная система

3 – входная щель

4, 6 – объективы

5 – призма постоянного угла

отклонения

7 – окулярная насадка или

выходная щель

Для улучшения чистоты выделенного участка спектра производится повторное пропускание одноволнового света с примесью рассеянного света – сквозь второй монохроматор, образуется так называемый двойной монохроматор. В них используются в основном те же оптические схемы, что и в обычных. Существуют двойные монохроматоры с однократным и двойным разложением света.

В монохроматоре с однократным разложением света призмы неподвижны. Выделение одноволнового света производится перемещением средней щели «S» Действие призм (в смысле разложения) обратное. Вторая половина монохроматора только устраняет рассеянный свет без дополнительного разложения.

Есть монохроматоры с двойным разложением, в которых в плоскости щели спектр расширяется в 2 раза.

Здесь обе дисперсионные системы работают в одном направлении, за счет чего линейная дисперсия увеличивается в 2 раза. Изменение длины волны производится одновременным поворотом обоих призм прибора.

Схема призменного монохроматора с зеркальной оптикой марки ЗМР-3

Фокусирующей оптикой служит параболическое алюминированное зеркало с f = 270мм. Рабочая область 0,22 – 2,5 мкм.