спектральные призмы

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИЗМЫ (дисперсионные призмы) - одна из групп призм оптических; служат для пространственного разделения (разложения в спектр) излучений оптич. диапазона на монохроматич. составляющие, различающиеся длинами волн. Разделение лучей на монохроматич. составляющие является результатом зависимости угла отклонения луча, прошедшего через призму (рис. 1), от показателя преломления материала призмы п, различного для разных длин волн (см. Дисперсия света ).Качество призмы характеризуется угл. дисперсией . , к-рая зависит 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, прозрачные в 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, флюорита и 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. диспергирующий элемент в спектральных приборах, а также является осн. составной частью всех более сложных призменных систем. В спектральном приборе призму устанавливают так, 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 призму устанавливают в положение мин. отклонения, что обеспечивает получение макс. разрешающей способности, отсутствие астигматизма и угл. увеличения. Для данных 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. положении призмы по отношению к падающему пучку лучей.

Разновидностью простой трёхгранной призмы является призма Корню (рис. 2, а), представляющая собой соединение на оптическом контакте двух прямоуг. призм с преломляющим углом 30°, вырезанных из лево- и правовращающего кварца с общим направлением оптич. оси параллельно основаниям призм (см. Оптическая активность, Оптически активные вещества). В результате после прохождения луча 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 отражающим слоем (призму Литтрова, рис. 2, б). Дисперсия такой призмы равна дисперсии 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. Между двумя одиночными призмами с небольшим преломляющим углом ( ~25°), изготовленными из стекла с малым показателем преломления и малой дисперсией (крон), находится призма с большим преломляющим углом (100°), изготовленная из стекла с большим показателем преломления и с большей дисперсией (флинт). Все три призмы склеены между собой либо соединены на оптич. контакт. Назначения боковых призм - уменьшить потери на отражение за счёт уменьшения угла падения на первую грань. Призма Розерфорда - Броунинга выгодно отличается от одиночной призмы большей дисперсией (в 1,5-2 раза), а при заданной дисперсии - меньшими потерями на отражение. Но при той же ширине пучка излучения длина хода лучей в этой призме больше, чем в одиночной, и её применение малоэффективно в УФ-области спектра, где поглощение в тяжёлых флинтах заметно возрастает.

3. Призма прямого зрения (призма Амичи) состоит из трёх или более трёхгранных призм (рис. 2, в) и обладает тем свойством, что для нек-рой длины волны угол отклонения лучей равен нулю. Ср. призма изготовляется из флинта, две боковые из крона. При заданных значениях показателей преломления призм n₁ и n₂ для данной длины волны имеет место такое сотношение между углами призм и, при к-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 основания ср. призмы, а более длинноволновое - в сторону её вершины. Призма Амичи не даёт столь высокой дисперсии, как призма Розерфорда - Броунинга, а из-за длинного хода лучей в призме Амичи поглощается больше лучистой энергии, чем в одиночной призме. Поэтому призмы прямого зрения получили ограниченное распространение. Их используют в спектроскопах и спектрографах малой дисперсии, когда совпадение осей объективов камеры и коллиматора позволяет разместить детали прибора в прямой трубе.

4. Призма Аббе (рис. 2, д) - призма постоянного угла отклонения, состоит из двух 30-градусных прямоуг. призм, приклеенных к катетным граням равнобедренной прямоуг. призмы, из того же материала (n₁ = n₂). Поэтому равнобедренная прямоуг. призма на дисперсию влияния не оказывает, выполняет роль зеркала и эквивалентна плоскопараллельной пластинке. Дисперсия света 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 призму Аббе в минимуме отклонения, покидает её, образуя независимо от длины волны прямой угол с лучом, входящим в призму. Вращая призму вокруг нек-рой вертикальной оси, можно привести к условию мин. отклонения лучи разл. длин волн. По угл. дисперсии и потерям на отражение эта система эквивалентна одиночной призме 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 обеспечивает и их фокусировку. Это достигается в результате того, что рабочие грани призмы искривлены и одна из них с нанесённым на неё металлич. покрытием является зеркалом. При радиусе кривизны выходной поверхности R спектр располагается на окружности радиуса 0,5 R. Однако призма Ферри обладает значит. 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 дифракционные решётки. Однако С. п. продолжают использоваться в простых спектральных приборах, предварит. монохроматорах, а также в качестве разделителей порядков в приборах с решётками. Призмы также с успехом используются в качестве 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.

   <<      Предметный указатель      >>