Дифракционные решетки. Их виды, способы изготовления. Неплоские решетки

В зависимости от назначения и формы поверхности дифракционные решетки, применяемые в спектральных приборах, подразделяются на плоские отражательные, вогнутые (сферические и тороидальные) отражательные, эшелетты, плоские прозрачные, поляризаторы, измерительные и другие).

В 1882 г. Роуланд предложил совместить фокусирующие свойства вогнутого зеркала с диспергирующими свойствами нарезанной на его поверхности дифракционной решетки. Такие решетки получили название вогнутых и широко сейчас применяются. Вогнутая решетка позволяет до предела упростить схему спектрального прибора за счет исключения специальной фокусирующей оптики.

Плоские и вогнутые отражательные решетки применяются в спектральных приборах для рентгеновской, вакуумной ультрафиолетовой, ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра. Решетки изготовляются на слоях металла, нанесенного испарением в вакууме на подложку из стекла, или кварцевого стекла, непосредственно на подложках из стекла марки или путем копирования на подложках из стекла.

Тороидальные решетки имеют количество штрихов на 1 мм 300, 600, 200, 1800, 2400; изготовляются с заштрихованной поверхностью 50 ' 40 мм (размер решетки 60' 50' 10 мм).

Эшеллеты применяются в спектральных приборах для ИК области спектра (имеют треугольный профиль); изготовляются на металлических подложках из алюминиевого сплава или путем копирования на подложках из стекла марки.

Плоские прозрачные решетки подразделяются на амплитудные, у которых штрихи имеют прозрачные и непрозрачные (из слоя алюминия) участки, и фазовые, которые являются прозрачными копиями плоских отражательных решеток Фазовые решетки имеют число штрихов на 1мм 50, 100, 150, 200, 300,600 и обеспечивают в первом порядке в видимой и ближней ИК областях спектра качество спектральных линий.

Решетки-поляризаторы применяются для поляризации проходящего инфракрасного излучения. Решетки изготовляются на прозрачных в инфракрасной области спектра подложках.

Измерительные решетки предназначены для измерения линейных перемещений по методу интерференционных полос.

Изготовление решеток. Современные решетки, как правило, изготавливаются путем нарезки алмазным резцом мягкой металлической поверхности. Основанием для решетки служат обычно стеклянные заготовки, отполированные с высокой точностью. На заготовку наносится испарением слой хрома, поверх него слой алюминия, по которому и ведется нарезка. Необходимый профиль штриха и наклон его отражающих граней достигается соответствующим углом заточки и установки режущего алмаза.

Решетки для видимой области имеют от 100 до 2400 штр/ мм; наиболее употребительны 300, 600 и 1200 штр мм.

Размер заштрихованной площади обычно не превышает 150 х 100мм ² (100 мм - высота штриха). Для специальных целей делают решетки и больших размеров. Заготовки для вогнутых решеток имеют радиусы кривизны от 0,5 до 12 м; наиболее употребительны г = 1, 2, 3, 6 м.

В последние годы в связи с успехами лазерной техники и голографии открылись возможности голографического изготовления дифракционных решеток. Такая решетка представляет собой зарегистрированную на светочувствительном материале интерференционную картину, образованную двумя когерентными пучками света.

Меняя форму интерферирующих волновых фронтов, голографической решетке можно придавать любые фокусирующие свойства, например, получать плоские решетки, аналогичные по действию вогнутой, но лишенные астигматизма.

Эффективность голографических дифракционных решеток может достигать 90%.

Реплики. До недавнего времени распространение дифракционных решеток ограничивалось сложностью делительных машин, создание которых было доступно лишь немногим странам. Высокая стоимость и малая производительность этих машин определяет и большую стоимость дифракционных решеток. Положение существенно изменилось после того, как были усовершенствованы методы получения копий дифракционных решеток (реплик).

Интересно отметить, что качество реплик иногда оказывается даже выше качества оригинальной решетки. Это объясняется тем, что пластмасса плохо передает мелкие дефекты штриха и последний на реплике получается "глаже", чем он был на оригинальной решетке. После изготовления реплики покрывают отражающим слоем.

Реплики вогнутых решеток получают либо специально нарезанных выпуклых матриц, либо в два приема - с вогнутой решетки получают выпуклую копию, а с последней - вогнутые, применяемые в спектральных приборах.

13. Принцип действия и оптические схемы дифракционных монохроматоров.

Дифракция света – явление, связанное с волновой природой света и возникающее при любом ограничении волновой поверхности диафрагмами. В спектральных приборах используется явление дифракции параллельного пучка лучей от большого количества одинаковых узких щелей – дифракционных решеток.

φ – угол дифракции.

Связь углов дифракции с длиной волны определяется соотношением

λ - длина волны,

m – порядок дифракционного спектра,

d – постоянная решетки.

Решетка, как и призма выполняет роль разделителя длин волн.

Существуют решетки следующих типов: 300 штрихов на 1 мм; 600 штрихов на 1 мм; 1200 штрихов на 1 мм; 2400 штрихов на 1 мм.

В зависимости от назначения и формы поверхности дифракционной решетки, применяемые в спектральных приборах, подразделяются на плоские отражательные, вогнутые (сферические и тороидальные) отражательные, эшелетты, плоские прозрачные, поляризаторы и др.

Так как изготовление дифракционных решеток это сложный, дорогой процесс, то в последнее время все чаще стали пользоваться репликами.

Реплики – это копии дифракционный решеток. После изготовления реплики покрываются отражающим слоем.

Схема дифракционного монохроматора построенного по схеме Эберта (длиннофокусный).

S₁ – входная щель

S₂ – выходная щель

Сферическое зеркало является объективом коллиматора и камеры.

Входная щель S₁ выделяет узкий пучок света. Коллиматорное зеркало конический пучок преобразует в плоскопараллельный.

Дифракционная решетка разлагает белый свет в спектр. Камерное зеркало фокусирует монохроматическое излучение на выходную щель. Приемником является ФЭУ.

Схема дифракционного монохроматора по схеме Черни-Турнера (короткофокусный). МДР-2.

f - фокусное расстояние – 0,75 м.

Комплектуется тремя решетками 300, 600, 1200 штрихов/мм.

14. Измерение спектральных коэффициентов отражения, пропускания, измерение распределения мощности излучения по спектру

1. Измерение распределения мощности излучения по спектру. Установка для этих измерений состоит из монохроматора и приемника излучения, чаще всего фотоумножителя. Выбор типа ФЭУ определяется областью спектра, для которой он предназначен. Для работы в видимой области применяют ФЭУ с многощелочными или висмут-серебряно-цезневым катодом (ФЭУ-27, ФЭУ-51, ФЭУ-79), в УФ области используют ФЭУ с сурьмяно-цезиевым катодом и увиолевым или кварцевым окном (ФЭУ-18, ФЭУ-39, ФЭУ-71). В близкой ИФК-области чувствительным является кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод (ФЭУ-28, ФЭУ-62).

Положение ФЭУ за выходной щелью выбирается так, чтобы фотокатод полностью перехватывал выходящее из монохроматора излучение, и чтобы большая часть фотокатода была освещена. Чтобы исключить потери излучения в оптике монохроматора, измерение мощности излучения по спектру исследуемого источника делаются путем сличения их с помощью измерения образцового источника для одной и той же длины волны «λ».

Наилучшим образцовым источником измерения в видимой области спектра являются светоизмерительные лампы накаливания для измерения силы света, у которых предварительно измерено распределение мощности излучения в спектре или известна цветовая температура, позволяющая рассчитать это распределение.

Входную щель прибора удобно освещать при помощи белой пластины из MgO или BaSO4.

Измерения проводят по всему спектру в разных длинах волн, например через 10мм, сначала с исследуемым источником излучения, затем с образцовым. Желательно при измерениях каждого источника не менять ширину щелей.

2. Измерение спектральных коэффициентов пропускания «» производится на такой же установке что и измерение относительного распределения мощности излучения по спектру. Тело накала низковольтной ленточной лампы с помощью конденсора проектируется на входную щель монохроматора, при этом вся щель должна быть заполнена изображением тела накала. Вначале замеряется ток приемника излучения без светофильтра, затем со светофильтром, у которого измеряется спектральный коэффициент пропускания. Отношение найденных фототоков дает спектральный коэффициент пропускания светофильтра – . При таких измерениях приемник излучения должен обладать линейностью характеристики i = f(E).

Для измерения спектральных коэффициентов отражения - , к вышеописанной установке добавляется небольшой светомерный шар, внутри окрашенный белой матовой краской, например MgO или BaSO4. В нижней части шара имеется небольшое отверстие, куда поочередно прикладываются образцовая пластинка из MgO с известным спектральным коэффициентом отражения - и исследуемый образец. Выделенные монохроматором однородные потоки излучения, с помощью линзы «Л₂» и призмы полного внутреннего отражения «П» направляются в шар на поверхность исследуемого материала «М».

Установленный в шаре экран «Э» защищает фотоэлемент ФЭ от попадания прямых отраженных исследуемой поверхностью потоков излучения. Произведя два измерения для излучений с длинной волны «λ» находим :

= , где n_x и n_о отклонения гальванометра G, измеряющего соответственные фототоки.

15. Измерение цвета. Фотоэлектрический колориметр.

Цвет является трехмерной величиной. С количественной стороны цвет принято характеризовать яркостью, с качественной – цветностью. В системе XYZ цветность излучения полностью характеризуется относительными координатами цветности:

; ; , где σ = X+Y+Z – сумма координат цвета.

Координаты цвета определяются:

(1)

Фотоэлектрические колориметры действуют по принципу непосредственного измерения координат цвета. Для этого необходимо иметь три приемника со спектральными чувствительностями, соответствующими функциям

В качестве таких приемников в фотоэлектрических колориметрах используются фотоэлементы и ФЭУ с исправляющими светофильтрами. При этом может быть использован один фотоприемник, перед которым последовательно вводятся три комбинации светофильтров или три одновременно работающих приемника со светофильтрами.

Приемники излучения должны быть чувствительными во всей области видимого спектра, должны иметь прямую пропорциональную зависимость фототока от освещенности, малое утомление и низкий температурный коэффициент. При этих условиях величины фототоков приемников будут соответственно равны:

(2)

,

где – величины фототоков;

) – функция спектральной плотности потока излучения; – коэффициенты спектрального пропускания коррегирующих светофильтров;

– относительная спектральная чувствительность приемников излучения.

Если используется один приемник, то ; .

Из сопоставления выражений (1) и (2) видно, что значения координат цвета измеряемого излучения будут пропорциональны величинам фототоков приемников фотоэлектрического колориметра при выполнении следующих условий:

Конструкция ФЭК:

1 – диск со светофильтрами для измерения координат цвета X, Y, Z;

2 – диск со светофильтрами для измерения цветовой температуры;

3 – приемник излучения (селеновый фотоэлемент);

4 – гальванометр;

5 – исследуемый источник излучения.

В приемной головке колориметра расположен селеновый фотоэлемент, перед которым поочередно могут быть установлены исправляющие светофильтры. Светофильтры расположены в диске, вращаемом с помощью рукоятки.

-диск со светофильтрами

При измерении цвета излучения путем поворота диска перед фотоэлементом поочередно вводятся светофильтры по индексам x, y, z и записываются фототоки . По полученным трем значениям фототоков, используя градуированные уравнения, определяют координаты цвета излучения.

ТКА-ВД.Спектроколориметр Наиболее распространенный и доступный в России прибор, выпускаемый НТК ТКА (Санкт-Петербург). Выпускается в двух модификациях (01 и 02) по яркости и по освещенности соответственно.

1. Назначение

Предназначен для измерения относительного спектрального распределения источников оптического излучения и нахождения колометриических характеристик: координат цветности x, y, u, v, координат цвета X,Y,Z, коррелированной цветовой температуры Тц.

В зависимости от модификации прибор отображает яркость (ТКА-ВД/01) или освещённость (ТКА-ВД/02) измеренного источника оптического излучения. Оптическая схема прибора представляет собой полихроматор на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой.

Оптическая схема

спектроколориметра "ТКА - ВД"

На схеме изображены: 1. Дифракционная решетка;

2. Входная щель;

3. Фотодиодная линейка;

Принцип действия прибора основан на измерении спектра излучения протяженного источника оптического излучения в видимой области 380...750 нм (61 точка) с последующей математической обработкой результатов измерения с помощью микропроцессорного устройства. Прибор отображает информацию двумя способами: вывод информации на встроенный ЖКИ; вывод информации на RS-232C порт. Данные передаются только с прибора на ПК. Для приема данных необходимо использовать программу "Спектроколориметр" под ОС MS Windows 95/98/Me/2000/XP.

2. Основные технические данные и характеристики:

2.1. Диапазоны измерения:

освещенности, лк....................................................................10 - 50 000

яркости, кд/м2......................................................................... 10 - 20 000

цветовой температуры, К...................................................... 1600 - 16 000

оптическое разрешение......................................................... 6,3 нм

обратная линейная дисперсия.............................................. 49 нм/мм

2.2. Предел допустимого значения основной относительной погрешности измерения:

освещенности, % (не более).............................................................±10,0

яркости, % (не более).......................................................................±10,0

2.3. Пределы допустимого значения абсолютной погрешности измерения координат цветности x, y, (не более)............................................................±0,005

3. Прибор Программное обеспечение "Спектроколориметр"

Работа под ОС MS Windows 95/98/Me/2000/XP (только RS-232C).

Автосканирование подключения прибора к ПК.

Контроль ошибок получения данных.

Экспорт данных в MS Excel и файлы TXT, BMP.

Результаты измерений на диграммах x, y (МКО-31) и u, v (МКО-60).

16. Измерение инфракрасного излучения.

Инфракрасное излучение делится по свойствам на три области: близкую (0,76мкм - 10мкм), среднюю (10-100) и далекую, более100мкм.

Большинство известных оптических материалов и сред (флюорит, каменная соль, сильвин, бромистый калий) становятся непрозрачными для ИФК - излучений, начиная с 24 мкм, излучение свыше 24 мкм разложить в спектр можно только спектральными приборами с дифракционной решеткой.

Кроме приемов спектрального разложения известен метод выделения однородных ИФК - излучений названный Рубенсом метод «остаточных лучей», который позволил продвинуться в область ИФК с до 100 - 110мкм.

«Метод остаточных лучей» возник из измерений дисперсии различных веществ. Было обнаружено, что некоторые вещества кристаллического строения (каменная соль, сильвин и др.) вблизи собственных частот колебаний атомов обладают избирательным поглощением и избирательным отражением, напоминающим явление зеркального отражения света от поверхностей металлов.

Вследствие подобного явления для определенных участков спектра ИФК - излучений проявляется очень высокая отражательная способность, которая быстро спадает для близлежащих по спектру излучений. Это свойство дает возможность, посредством многократных отражений от поверхностей материалов кристаллических пород, выделять из спектра однородные излучения с определенной длинной волны.

«Метод кварцевых линз» дает возможность выделить ИФК-излучения в области 50мкм. Данный метод основан на свойстве восстановления прозрачности кварца в области излучений спектра от =50мкм и более. В связи со значительной разницей показателей преломления кварца для излучения близкой части ИФК излучений и излучений с длинной волны 50мкм с помощью простой оптической схемы с несколькими кварцевыми линзами можно выделить на приемник только длинноволновые ифк – излучения.

От мощного источника «Н» через отверстие в непрозрачной диафрагме Д₁ излучения поступают на кварцевую линзу Л₁. Между источником и линзой Л₁ располагается кварцевая пластинка К, которая задерживает ИФК излучения с от 4 до 40 мкм. Излучения различных длин волн в толще кварца линзы Л₁ претерпевают различное преломление. В отверстие диафрагмы Д₂ к линзе Л₂ пройдут только длинноволновые излучения, а коротковолновые задерживаются непрозрачной диафрагмой Д₂. В главной фокальной плоскости линзы Л₂ располагается приемник излучения. Чтобы прекратить доступ к приемнику, распространяющихся вдоль оси ифк и видимых излучений, на центральных участках линз Л₁ и Л₂ располагаются непрозрачные экраны Д₃ и Д₄.

17. Градуировка спектральных приборов по длинам волн.

Все спектральные приборы должны быть предварительно проградуированы для определения длины волны исследуемого значения.

Некоторые приборы имеют указатели длин волн спектра в зависимости от положения призмы или зрительной трубы непосредственно в тех или иных единицах длины. Другие приборы этого не имеют, а снабжены лишь условными делениями и указателями для отметки положения призмы или трубы. Первые приборы нуждаются в проверке своей шкалы время от времен, особенно после тряски, переноски. Вторые требуют градуировки и проверки в некоторых точках. Градуировка выполняется в возможно большем числе точек. Для этой цели пользуются хорошо изученными спектрами: Fe, Hg, Cu, Ag, Zn, Ne, Cd…

Известные длины волн линий называют нормалями. Нормали разделяются по нормали 1,2 и 3 порядка. В качестве нормали 1 порядка принята красная линия Cd, длина волны которой при 15°С и 750мм давления сухого воздуха равна 6438, 4696А (Фабри, Перо, Бенуа). Красная Cd линия выбрана вследствие большой однородности и резкости.

Нормалями 2 порядка служат определенные линии в спектре железа, для красной части, где спектр железа беден линиями, служат нормалями некоторые линии неона.

Нормалями 3 порядка служат некоторые линии в спектре и других инертных газов.

В лабораторной практике чаще всего градуировки производят по спектральным линиям излучения ртути, неона, натрия и др.

От ртутной линиями пользуются линиями: 690,7; 579,1; 577,0; 546,1; 491,6; 435,8; (434,0); (434,8); 410,7; 407,8; 404,7нм.

В результате градуировки получаются данные для построения градуировочного графика , где n – деления шкалы отсчета или деления на измерительном барабане монохроматора. Пользуясь этим графиком, можно приближенно определять длины волн неизвестных спектральных линий.

18. ГОНИОФОТОМЕТРЫ и их разновидности

Гониофотометр (распределительный фотометр) – это поворотное устройство, обеспечивающее возможность измерения силы света источника излучения или осветительного прибора в разных направлениях пространства. Кривая силы света (КСС) является одной из наиболее важных характеристик любого источника света, на основе которой, создаются файлы, используемые в компьютерных светотехнических программах моделирования освещения. Размеры гониофотометров варьируются от нескольких до 10 метров. Это связано в первую очередь с большим фотометрическим расстоянием между источником света и прибором в различных измерениях, необходимого для выполнения закона квадрата расстояний.

В разных конструкциях гониофотометров используются следующие принципы:

– источник света неподвижно крепится к прибору, а вокруг него вращается приемная система с фотоприемником, которая производит снятие показаний;

– источник света вращается вокруг неподвижного фотоприемника;

– источник света и фотоприемник находятся в неподвижном положении, вокруг которых вращается система зеркал. Световой поток, вследствие многократного отражения от зеркал, попадает на фотоприемник и регистрируется.

В настоящее время изготовлено около десятка моделей подобных гониофотометров, отличающихся друг от друга габаритами, разрешающей способностью, различным программным обеспечением и т. д.

Гониофотометры изготавливают в основном зарубежные фирмы, такие как LMT, Techno Team, Optronic, Lisun Group, Pro-Lite и другие, т.е. те фирмы, которые уже давно занимаются изготовлением различных приборов и устройств, эффективно используемые в фотометрических исследованиях.

Компания LMT выпускает гониофотометры двух типов:

1) Гониофотометры для приборов, используемых для общего освещения – GO-DS 1600/2000, GO-V 1900 и GO-FI 2000

2) Гониофотометры для осветительных приборов, используемых в автомобилях – GO-H 1300 и GO-H 800.

Зеркальный гониофотометр GO-DS 2000 предназначен для испытания образцов максимального размера 2 м, весом до 50 кг, зеркало которого имеет эллиптическую форму размером 2000 мм х 2800 мм, а GO-DS 1600 предназначен для испытания образцов максимального размера 1,6 м и весом – 50 кг, зеркало которого эллиптической формы размером 1500 мм х 2200 мм.

В настоящее время разработан новый зеркальный высокоскоростной гониофотометр серии 6400Т. Для его эксплуатации необходимо помещение размерами 8 м х 5,4 м, с высотой около 5,5 м. Диапазон измерений на расстоянии 8 м, составляет примерно до 10 млн. кандел.

Гониофотометр GO-H 1300 предназначен для измерений КСС различных образцов с максимальными размерами 1300 мм х 600 мм весом не более 50 кг. Данная установка имеет датчики угла, а точность составляет 0,1°.

Компания Optronik имеет пять стандартных систем гониофотометров, которые могут сочетаться с различными измерительными приборами. А именно:

1) SMS-10μ − компактный гониометр предназначен для измерения малых размеров таких, как светодиоды, светоотражающие материалы, волоконно-оптических кабелей стекла или сигналы поворота. Максимальный размеры измеряемых образцов составляет 300 мм х 250 мм весом до 5 кг. Скорость измерений до 20° в с;

2) SMS-10М − длясредних объектов с максимальными размерами 500 мм х 550 мм весом до 15 кг.

3) SMS-10C − гониофотометр для измерений автомобильных фар, светофоров, автобусов и т.д. Максимальные размеры измеряемых образцов 1200 мм х 500 мм весом до 50 кг, скорость измерений до 50° в с.

4) SMS-10h − гониофотометр, предназначенный для измерения больших источников с максимальными размерами1600 мм х 600 мм и весом до 80 кг. Угловое разрешение 0,01°.

5) SMS-10 − гониофотометр для измерений больших светильников и образцов с максимальными размерами 2000 мм х 2000 мм и весом до 150 кг. Скорость измерений составляет до 10° в с.

Для измерений КСС новых источников света, таких как светодиоды и небольших светодиодных модулей, можно использовать гониофотометр Ledgon или же гониофотометр МСУ-1200, выпускаемый компанией Lisun-Group. Данные приборы имеют вид небольшой коробочки (рис. 2 и рис. 3).

Рисунок 2 - Гониофотометр МСУ-1200 Рисунок 3 – Гониофотометр LEDGON

Компания PRO-LITE выпускает несколько гониофотометров SIG серии. Гониофотометры данной серии используются для выполнения точных КСС, а также измерений яркости и цвета под различными углами от источников света (ламп, светодиодов). Фирма выпускает гониофотометры: SIG-300, SIG-310, SIG-400, SIG-500. SIG-300 предназначены для общего измерения малых источников света, прибор SIG-310 – для измерения больших источников света, а SIG-400 оптимизирован для измерения светодиодов. SIG-500 – для измерения таких источников света, которые должны быть измерены в горизонтальной ориентации.