Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИЗМЫ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИЗМЫ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИЗМЫ (дисперсионные призмы) - одна из групп призмоптических; служат для пространственного разделения (разложения в спектр)излучений оптич. диапазона на монохроматич. составляющие, различающиесядлинами волн. Разделение лучей на монохроматич. составляющие является результатомзависимости угла отклонения луча, прошедшего через призму (рис. 1), от показателя преломления материалапризмы п, различного для разных длин волн (см. Дисперсия света). Качество призмы характеризуется угл. дисперсией., к-раязависит от материала призмы (величин я и ),преломляющего угла и угла падения i₁ (а следовательно, и от углов преломления на первой и второй гранях призмы):

Рис. 1. Ход лучей в простой трёхгранной призме.

Для изготовления призм используют материалы о большой дисперсией, прозрачныев исследуемой области спектра, с высокой оптич. однородностью и изотропностью. <В зависимости от исследуемой области спектра применяются С. п.: из стекла(чаще всего флинта) - для видимой области; кристаллич. кварца, флюоритаи др.- для УФ-области; фтористого лития, хлористого магния и др.- для ИК-области.

Существует неск. видов наиб. употребительных С. п.

1. Простая трёхгранная призма (рис. 1) используется как самостоят. диспергирующийэлемент в спектральных приборах, а также является осн. составной частьювсех более сложных призменных систем. В спектральном приборе призму устанавливаюттак, чтобы линия пересечения её преломляющих граней (преломляющее ребро)была параллельна входной щели. Двугранный угол ,образованный рабочими гранями призмы, наз. преломляющим углом.

Обычно он равен 60°. Угол отклонения луча после прохождения призмы:. Условие симметричного хода лучей через призму .Угл. протяжённость участка спектра от коротковолновой до длинноволновой границы :

где n_cp = (n₁ + n₂)/2.

При увеличении угла и показателя преломления п угол отклонения луча увеличивается до предельного значения, при к-ром наступает полное внутр. <отражение на второй грани призмы и луч из призмы не выходит. Обычно призмуустанавливают в положение мин. отклонения, что обеспечивает получение макс. <разрешающей способности, отсутствие астигматизма и угл. увеличения. Дляданных и п при симметричном ходе лучей в призме угол отклонения мин. значение принимает при условии:

т. е. для разл. длин волн мин. отклонение происходит при разл. положениипризмы по отношению к падающему пучку лучей.

Разновидностью простой трёхгранной призмы является призма Корню (рис.2, а), представляющая собой соединение на оптическом контакте двухпрямоуг. призм с преломляющим углом 30°, вырезанных из лево- и правовращающегокварца с общим направлением оптич. оси параллельно основаниям призм (см. Оптическаяактивность, Оптически активные вещества). В результате после прохождениялуча через лево- и правовращающие части призмы вращение плоскости поляризации оказывается скомпенсированным и, следовательно,двойное лучепреломление отсутствует, что улучшает качество изображения спектральных линий. <В автоколлимац. приборах (см.Автоколлимация )того же эффекта достигают, <применяя одну половину призмы Корню, большой катет к-рой покрыт отражающимслоем (призму Литтрова, рис. 2, б). Дисперсия такой призмы равнадисперсии одной призмы с , установленной в положение мин. отклонения.

Рис. 2. Спектральные призмы: а - призма Корню; б - призма Литтрова;в - призма Амичи; г - призма Розерфорда - Броу-винга; д - призма Аббе (составная);е - призма Аббе (из целого куска).

2. Призма Розерфорда-Броунинга (рис. 2, г) состоит из трёх частей. Междудвумя одиночными призмами с небольшим преломляющим углом ( ~25°), изготовленными из стекла с малым показателем преломления и малойдисперсией (крон), находится призма с большим преломляющим углом (100°), изготовленная из стекла с большим показателем преломления и с большейдисперсией (флинт). Все три призмы склеены между собой либо соединены наоптич. контакт. Назначения боковых призм - уменьшить потери на отражениеза счёт уменьшения угла падения на первую грань. Призма Розерфорда - Броунингавыгодно отличается от одиночной призмы большей дисперсией (в 1,5-2 раза),а при заданной дисперсии - меньшими потерями на отражение. Но при той жеширине пучка излучения длина хода лучей в этой призме больше, чем в одиночной, <и её применение малоэффективно в УФ-области спектра, где поглощение в тяжёлыхфлинтах заметно возрастает.

3. Призма прямого зрения (призма Амичи) состоит из трёх или более трёхгранныхпризм (рис. 2, в) и обладает тем свойством, что для нек-рой длины волныугол отклонения лучей равен нулю. Ср. призма изготовляется из флинта, двебоковые из крона. При заданных значениях показателей преломления призмn₁ и n₂ для данной длины волны имеет место такоесотношение между углами призм и , прик-ром угол отклонения для всех системы ; благодаря этому в приборах с призмой Амичи оптич. ось не имеет излома. <При этом излучение более коротких длин волн отклоняется в сторону основанияср. призмы, а более длинноволновое - в сторону её вершины. Призма Амичине даёт столь высокой дисперсии, как призма Розерфорда - Броунинга, а из-задлинного хода лучей в призме Амичи поглощается больше лучистой энергии, <чем в одиночной призме. Поэтому призмы прямого зрения получили ограниченноераспространение. Их используют в спектроскопах и спектрографах малой дисперсии, <когда совпадение осей объективов камеры и коллиматора позволяет разместитьдетали прибора в прямой трубе.

4. Призма Аббе (рис. 2, д) - призма постоянного угла отклонения, <состоит из двух 30-градусных прямоуг. призм, приклеенных к катетным гранямравнобедренной прямоуг. призмы, из того же материала (n₁ = n₂).Поэтому равнобедренная прямоуг. призма на дисперсию влияния не оказывает, <выполняет роль зеркала и эквивалентна плоскопараллельной пластинке. Дисперсиясвета в призме Аббе происходит лишь на гранях пояупризм. При условии мин. <отклонения углы входа лучей в призму Аббе и выхода из неё равны по абс. <величине и противоположны по знаку. Поэтому луч, проходящий через призмуАббе в минимуме отклонения, покидает её, образуя независимо от длины волныпрямой угол с лучом, входящим в призму. Вращая призму вокруг нек-рой вертикальнойоси, можно привести к условию мин. отклонения лучи разл. длин волн. Поугл. дисперсии и потерям на отражение эта система эквивалентна одиночнойпризме с преломляющим углом 60°. Чтобы избежать склеивания отд. частей, <призму Аббе иногда делают в виде целого стеклянного блока из одного материала(рис. 2, е). При работе в УФ-области вместо призмы полного внутр. <отражения используют зеркало.

5. Призма Ферри наряду с разложением в спектр пучка лучей обеспечиваети их фокусировку. Это достигается в результате того, что рабочие гранипризмы искривлены и одна из них с нанесённым на неё металлич. покрытиемявляется зеркалом. При радиусе кривизны выходной поверхности R спектррасполагается на окружности радиуса 0,5 R. Однако призма Ферри обладаетзначит. астигматизмом и может применяться только в приборах с малой апертурой.

До 1970-х гг. С. п. широко применялись в спектральных приборах разл. <типов. В 1970-80-х гг. серьёзным конкурентом С. п. стали дифракционныерешётки. Однако С. п. продолжают использоваться в простых спектральныхприборах, предварит. монохроматорах, а также в качестве разделителейпорядков в приборах с решётками. Призмы также с успехом используются вкачестве селекторов в резонаторах твердотельных и жидкостных лазеров.

Лит.: Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, 2 изд.,Л., 1975; Лебедева В. В., Техника оптической спектроскопии, 2 изд., М.,1986; Малышев В. И., Введение в экспериментальную спектроскопию, М., 1979;С к о к о в И. В., Оптические спектральные приборы, М., 1984. Л. Н. <Каперский.