монохроматическое излучение

МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (от греч. monos - один и chroma, род. падеж chrOmatos - цвет) - эл--магн. излучение одной определённой и строго постоянной частоты. Происхождение термина "М. и." связано с тем, что различие в частоте световых волн воспринимается человеком как различие в цвете. Однако по своей природе электромагнитные волны видимого диапазона, лежащие в интервале 0,4 - 0,7 мкм, не отличаются от эл--магн. волн др. диапазонов (ИК-, УФ-, рентгеновского и т. д.), по отношению к к-рым также используют термин "монохроматический" (одноцветный), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают.

Теория эл--магн. излучения, основанная на Максвелла уравнениях, описывает любое M. и. как гармония, колебание, происходящее с неизменной амплитудой и частотой в течение бесконечно долгого времени. Плоская монохроматич. волна эл--магн. излучения служит примером полностью когерентного поля (см. Когерентность ),параметры к-рого неизменны в любой точке пространства и известен закон их изменения во времени. Однако процессы излучения всегда ограничены во времени, а потому понятие M. и. является идеализацией. Реальное естеств. излучение обычно представляет собой сумму нек-рого числа монохроматич. волн со случайными амплитудами, частотами, фазами, поляризацией и направлением распространения. Чем уже интервал, к-рому принадлежат частоты наблюдаемого излучения, тем оно монохроматичнее. Так, излучение, соответствующее отд. линиям спектров испускания свободных атомов (напр., атомов разреженного газа), очень близко к M. и. (см. Атомные спектры; )каждая из таких линий соответствует переходу атома из состояния т с большей энергией в состояние n с меньшей энергией. Если бы энергии этих состояний имели строго фиксиров. значения и , атом излучал бы M. и. частоты v_тп = ( )/h. Однако в состояниях с большей энергией атом может находиться лишь малое время Dt (обычно 10^-8 с - т. н.

время жизни на энергетич. уровне), и, согласно неопределённостей соотношению для энергии и времени жизни квантового состояния (D·Dt >= h), энергия, напр., состояния т может иметь любое значение между + + D и . Поэтому излучение каждой линии спектра соответствует интервалу частот Dv_mn = D/h= = 1/Dt (подробнее см. в ст. Ширина спектральной линии).

T. к. идеальным M. и. не может быть по самой своей природе, то обычно монохроматическим считается излучение с узким спектральным интервалом, к-рый можно приближённо характеризовать одной частотой (или длиной волны).

Приборы, с помощью к-рых из реального излучения выделяют узкие спектральные интервалы, наз. моно-хроматорами. Чрезвычайно высокая монохроматичность характерна для излучения нек-рых типов лазеров (ширина спектрального интервала излучения достигает величины 10^-7 нм, что значительно уже, чем ширина линий атомных спектров).

Лит.: Борн M., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., M., 1973; Калитеевский H. И., Волновая оптика, 2 изд., M., 1978. Л. H. Канарский.

MOHOXPOMATOP - спектральный оптич. прибор для выделения узких участков спектра оптич. излучения. M. состоит (рис. 1) из входной щели 1, освещаемой источником излучения, коллиматора 2, диспергирующего элемента 3, фокусирующего объектива 4 и выходной щели 5. Диспергирующий элемент пространственно разделяет лучи разных длин волн l, направляя их под разными углами f, и в фокальной плоскости объектива 4 образуется спектр - совокупность изображений входной щели в лучах всех длин волн, испускаемых источником. Нужный участок спектра совмещают с выходной щелью поворотом диспергирующего элемента; изменяя ширину щели 5, изменяют спектральную ширину dl выделенного участка.

Рис. 1. Общая схема монохроматора: 1 - входная щель, освещаемая источником излучения; 2 - входной коллиматор; 3 - испергирующий элемент; 4 - фокусирующий объектив выходного коллиматора; 5 - выходная щель.

Диспергирующими элементами M. служат дисперсионные призмы и дифракц. решётки. Их угл. дисперсия D = Df/Dl вместе с фокусным расстоянием f объектива 4 определяют линейную дисперсию Dl/Df = Df (Df - угл. разность направлений лучей, длины волн к-рых отличаются на Dl; Dl - расстояние в плоскости выходной щели, разделяющее эти лучи). Призмы дешевле решёток в изготовлении и обладают большой дисперсией в УФ-области. Однако их дисперсия существенно уменьшается с ростом l и для разных областей спектра нужны призмы из разных материалов. Решётки свободны от этих недостатков, имеют постоянную высокую дисперсию во всём оптич. диапазоне и при заданном пределе разрешения позволяют построить M. с существенно большим выходящим световым потоком, чем призменный M.

Осн. характеристиками M., определяющими выбор параметров его оптич. системы, являются: лучистый поток Ф'_l, проходящий через выходную щель; предел разрешения dl*, т. е. наим. разность длин волн, ещё различимая в выходном излучении M., либо его разрешающая способность r, определяемая, как и для любого др. спектрального прибора, отношением l/dl*, а также относительное отверстие объектива коллиматора А₀. Разрешающая способность r, ширина выделяемого спектрального интервала dl и спектральное распределение энергии излучения, прошедшего через выходную щель, определяются аппаратной функцией M., к-рую можно представить как распределение потока лучистой энергии по ширине изображения входной щели (в плоскости выходной щели), если та освещается монохроматическим излучением.

Световой поток, выходящий из M., F'_l = т_lF_l = т_lВ_lSWdl, где т_l - коэф. пропускания M.; F_l - световой поток, попадающий в M.; В_l - спектральная яркость входной щели; S - площадь выходной щели; W - телесный угол лучей фокусирующего объектива, сходящихся на выходной щели. Произведение SW = S₀W₀ (индексы ₀ относятся к входной щели) при прохождении светового потока через прибор остаётся постоянным (если световые пучки не срезаются к--л. диафрагмами) и наз. геом. фактором прибора. T. к. W = pd²/4f² = pA²/4, где f, d и А - фокусное расстояние, диаметр и действующее относительное отверстие фокусирующего объектива, a S = hb (h - высота, b - ширина выходной щели), то При определении оптим. условий работы M. существен характер спектра источника света - линейчатый или сплошной, - к-рым освещается входная щель. В первом случае выходящий поток пропорционален ширине выходной щели, во втором случае - квадрату ширины щели b², а также квадрату пропускаемого спектрального диапазона (dl)²; при заданном dl выходящий поток пропорционален линейной дисперсии M.

Объективы M. (коллиматорный и фокусирующий) могут быть линзовыми или зеркальными. Зеркальные объективы пригодны в более широком спектральном диапазоне, чем линзовые, и, в отличие от последних, не требуют перефокусировки при переходе от одного выделяемого участка спектра к другому, что особенно удобно для ИК- и УФ-областей спектра.

Рис. 2. Автоколлимационная схема: 1 - зеркало, вращением которого осуществляется сканирование спектра.

Рис. 3. z-образная симметричная схема: 1- дифракционная решётка; 2 - сферическое зеркало.

Из большого кол-ва существующих оптич. схем M. можно выделить, помимо традиционных (рис. 1), автоколлимационные (рис. 2), z-образные (рис. 3), схемы с расположением щелей одна над другой либо просто с одной щелью, у к-рой верх. часть служит входной, а нижняя - выходной щелью, и пр. В тех случаях, когда особенно важно избежать попадания в выходную щель M. рассеянного света с длинами волн, далёкими от выделяемого участка спектра (напр., в спектрофото-метрии), применяют т. н. двойные M., представляющие собой два M., расположенных так, что свет, выходящий из первого M., попадает во второй и выходная щель первого служит входной щелью второго (рис. 4). В зависимости от взаимного расположения диспергирующих элементов в каждом из этих M. различают двойные M. со сложением и с вычитанием дисперсий. Приборы со сложением дисперсий позволяют не только во много раз снизить уровень рассеянного света на выходе, но и увеличить разрешающую способность M., а при заданном разрешении - повысить выходящий световой поток (т. е. расширить щели). Двойные M. с вычитанием дисперсий позволяют снизить уровень рассеянного света без увеличения разрешающей способности. В них на выходную щель приходит свет такого же спектрального состава, с каким он вышел из ср. щели. Такие M. менее светосильны, чем M. со сложением дисперсий, однако они позволяют проводить сканирование спектра перемещением ср. щели в плоскости дисперсии прибора, что очень удобно конструктивно для спектрофотометров, особенно скоростных. В ряде случаев, когда необходимо одновременное выделение неск. недалёких узких спектральных интервалов, применяют простые M. с несколькими выходными щелями, т. н. полихроматоры.

Рис. 4. Двойной монохроматор: 1 - средняя щель; 2 и 3 -дифракционные решётки, вращающиеся на общем основании; 4-9 - зеркала.

Лит.: Лабораторные оптические приборы, под ред. Л. А. Новицкого, 2 изд., M., 1979; Тарасов К. И., Спектральные приборы, 2 изд., Л., 1977; Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, 2 изд., Л., 1975. А. П. Гагарин.

   <<      Предметный указатель      >>