Монохроматор

Монохроматор состоит из следующих основных частей и узлов^[1][4]:

1. входная спектральная щель (формирует точечный источник света);
2. коллиматорный объектив (преобразует расходящийся от точечного источника пучок света в параллельный);
3. диспергирующий элемент (призма или дифракционная решётка — пространственно разделяет лучи разных длин волн, направляя их под разными углами);
4. фокусирующий объектив (преобразует параллельный пучок света в сходящийся, в фокальной плоскости объектива образуется спектр);
5. выходная спектральная щель (выделяет излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн)^[5].

За выходной щелью устанавливается детектор. Расположение в фокусной плоскости коллиматора линейки детекторов позволяет регистрировать широкий спектральный диапазон одновременно.

Возможность сканирования спектра (выбора нужного участка спектра) обеспечивается путём поворота диспергирующего элемента. В результате на выходной щели фокусируется излучение необходимой длины волны. Для обеспечения точности поворот осуществляется с помощью специального передаточного механизма.

В качестве объективов обычно используются зеркала, так как линзы несут собственную дисперсию. Кроме того, зеркальные объективы применимы в более широком спектральном диапазоне. Дифракционная решётка также предпочтительнее призмы, так как дисперсия призмы зависит от длины волны падающего света.

Существует большое количество конструкций монохроматоров, основными являются:

• Черни — Тёрнера;
• Фасти — Эберта;
• Пашена — Рунге;
• Игл;
• Уодсворта;
• Литтроу;
• Пфунда.

В ряде конструкций некоторые элементы могут быть объединены. Так, в конструкции Фасти-Эберта одно и то же зеркало является и коллиматорным, и фокусирующим. В конструкции Пфунда объединены входная и выходная щель, причём обе они находятся в самой дифракционной решётке. В данной конструкции также одно зеркало выполняет роль обоих объективов. В конструкциях Пашена-Рунге и Уодсворта используется вогнутая дифракционная решётка, служащая также обоими объективами. В данном случае входная и выходная щели должны располагаться на круге Роуланда.

Также существуют двойные монохроматоры, представляющие собой последовательно сочленённые монохроматоры, в которых излучение из выходной щели первого монохроматора направляется во входную щель второго.

⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ Для успешной сдачи ЕГЭ/ОГЭ по теме «Оптические приборы и дисперсия света» необходимо понимать, что в основе работы монохроматора лежит явление дисперсии света. Знать, что такое дисперсия. Представлять основные пять компонент монохроматора и их назначение:

1. входная щель формирует точечный источник света;
2. коллиматорный объектив преобразует расходящийся от точечного источника свет в параллельный пучок;
3. диспергирующий элемент пространственно разделяет лучи с различными длинами волн;
4. фокусирующий объектив собирает параллельные пучки света разных длин волн в набор точек. При близко расположенных спектральных линиях или сплошном спектре точки будут сливаться, образуя непрерывную картину (радужную полосу);
5. выходная щель выделяет нужный участок получаемого спектра. Таким образом, детектор, расположенный за выходной щелью, выдает значение интенсивности излучения в заданном диапазоне длин волн.

Ключевыми характеристиками монохроматора являются рабочий диапазон длин волн и предел разрешения (наименьшая разность волн, ещё различимая в выходном излучении)^[1].

Рабочий диапазон это спектральный диапазон настройки монохроматора. Он зависит в первую очередь от дисперсии прибора. Дисперсия в свою очередь зависит от фокусного расстояния коллиматора, дисперсии решётки и используемого порядка решётки.

Разрешение монохроматора зависит от дисперсии решётки и ширин щелей. Так же, чем больше фокусное расстояние коллиматора, тем шире получаемый спектр в плоскости выходной щели и, соответственно, меньше спектральный диапазон, попадающий на щель.

Монохроматоры могут использоваться как самостоятельное устройство, так и в составе более сложных приборов, таких как спектрофотометр, спектрофлуориметр и др. Их основное назначение — исследование или контроль оптических характеристик материалов.