XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Монохроматор представляет собой спектральный оптико-механический прибор, предназначением которого является выделение монохроматического излучения [1]. Монохроматическим называется электромагнитное излучение с очень маленьким разбросом частот, а в идеале оно обладает одной частотой (длиной волны). Монохроматор выделяет узкие интервалы длин волн из спектра оптического излучения.

Основа принципа работы монохроматора – дисперсия света.

Монохроматор состоит из следующих основных частей и узлов: входная спектральная щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент (призма или дифракционная решётка), фокусирующий объектив и выходная спектральная щель, которая выделяет излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн. Возможность сканирования спектра (выбора нужного спектрального диапазона) обеспечивается путём поворота диспергирующего элемента [2]. Для обеспечения точности поворот осуществляется с помощью специального передаточного механизма, управление последним в различных моделях может осуществляться вручную (последовательно перебирая необходимые длины волн) или автоматически (с помощью готового или собственного программного обеспечения).

Монохроматор является важнейшим оптическим элементом источников монохроматического излучения [1]. Это касается прежде всего спектрофотометров, где очень важно, чтобы в выходную щель не попал рассеянный свет с длинами волн, которые далеки от участка спектра, необходимого для исследований.

Часто с целью улучшения качества излучения применяются двойные монохроматоры. Это два монохроматора, которые конструктивно объединены так, что выходная щель первого выступает входной щелью другого. Преимущество таких монохроматоров – возможность существенного повышения дисперсии.

В настоящей курсовой работе разработана конструкция двойной монохроматор, содержащий 2 монохроматора, которые обеспечивают сложение дисперсии и вычитание дисперсии. Данная полезная модель относится к двойному монохроматору, предназначенному для спектрального разложения света.

1 Анализ известных технических решений монохроматора

Проведён патентный поиск по классам МПК:

G01J - измерение интенсивности, скорости или спектрального состава, поляризации, фазы или импульсных характеристик инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей; колориметрия; радиационная пирометрия

G01J 3/18 - спектрометрия; спектрофотометрия; монохроматоры; измерение цвета - с помощью дифракционных элементов

G01J 3/12 - спектрометрия; спектрофотометрия; монохроматоры; измерение цвета - получение спектров; монохроматоры

G02F - приборы или устройства для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, оптические функции которых изменяются при изменения оптических свойств среды в этих приборах или устройствах например для переключения, стробирования, модуляции или демодуляции; оборудование или технологические процессы для этих целей; преобразование частоты; нелинейная оптика; оптические логические элементы; оптические аналого-цифровые преобразователи

G02F 1/11 - устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика - основанные на оптико-акустических элементах, например с использованием дифракции звуковых или подобных механических колебаний оптико-акустическое отклонение 1/33

Результаты патентного поиска представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты патентного поиска

Номер патента, чертёж	Описание	Достоинства	Недостатки
RU2546996C1 [3] Двойной акустический монохроматор на одном кристалле	Монохроматор содержит первый поляризатор, акустооптическую ячейку, второй поляризатор и поворотную призму, установленную с возможностью возврата оптического луча во второй поляризатор. Входной луч последовательно проходит через часть первого поляризатора, часть акустооптической ячейки и часть второго поляризатора. Поворотная призма обеспечивает возврат луча в монохроматор таким образом, чтобы луч последовательно проходил через соседнюю часть второго поляризатора, акустооптической ячейки и первого поляризатора. При этом первый поляризатор выполняет функцию выходного поляризатора	Дешевле и проще производство и наладка двойного акустооптического монохроматора, вдвое меньшее энергопотребление монохроматора при том же коэффициенте передачи при сравнимом спектральном контрасте	Наличие значительного уровня сигнала от паразитных окон пропускания
RU2248536C1 [4] Монохроматор для спектрометров	Концевой следящий ролик 11 рычага поворота 10 фокусирующего зеркала 6 постоянно прижат к поверхности лекала 9 параллельной оптической оси системы. В нулевом положении лекала 9 ролик зажат между 2 его стенками и не имеет бокового смещения. При перемещении лекала 9 с помощью механизма продольного перемещения 8 вдоль оптической оси: “зеркало - выходная щель” на некоторую величину Δl, отсчитываемую от начального положения лекала “0”, ролик смещается на величину Δl от “0”. При этом появляется возможность, приложив к рычагу поворота 10 фокусирующего зеркала 6 усилие F, повернуть его на угол α, ограниченный расстоянием между сторонами лекала, образующими угол, определяемый величиной смещения лекала Δl и углом профиля лекала β	Высокая точность измерения расстояния и размера контролируемого объекта, измерение линейной скорости движения при установке его на ТС	Высокая стоимость и необходимость обязательной установки пробы перед монохроматором, приводящая к возникновению мешающего эффекта фотолюминисцен-ции пробы
RU2242779C1 [5] Двойной акустооптический монохроматор	Двойной акустооптический монохроматор содержит два акустооптических фильтра, у которых оптический выход первого оптически связан с оптическим входом второго а, также один из фильтров выполнен с полосой пропускания в 1,35-1,55 раз шире, чем другой	Увеличение спектрального контраста, подавление паразитных окон пропускания АО монохроматора, высокая точность измерения спектра	Недостаточно высокий для некоторых задач спектральный контраст
RU60208U1 [6] Двойной монохроматор	Двойной монохроматор состоит из первого монохроматора, содержащего первую дифракционную решетку, имеющую ось вращения, перпендикулярную плоскости, содержащей падающий и отраженный от решетки световые лучи. Второй монохроматор содержит вторую дифракционную решетку, имеющую ось вращения, перпендикулярную плоскости, содержащей падающий и отраженный от решетки световые лучи. Монохроматоры соединены таким образом, что обеспечивается два основных режима работы двойного монохроматора: режим сложения дисперсии и режим вычитания дисперсии	Реализация алгоритма переключения между режимами сложения и вычитания дисперсии без применения вспомогательных оптических элементов, возможность работы как в режиме сложения дисперсии, так и в режиме вычитания дисперсии	Сложно обеспечить равные по величине, но противоположные по направлению углы поворота дифракционных решеток относительно их начальных положений

Из рассмотренных выбран патент RU60208U1 «Двойной монохроматор» ввиду реализации алгоритма переключения между режимами сложения и вычитания дисперсии без применения вспомогательных оптических элементов и возможности его работы как в режиме сложения дисперсии, так и в режиме вычитания дисперсии [6].

Технический результат состоит в реализации алгоритма переключения между двумя режимами работы двойного монохроматора только путем вращения дифракционных решеток, без использования дополнительных вспомогательных оптических элементов.

Конструктивное исполнение первого монохроматора предусматривает наличие выходной щели. Она предназначена для пропускания во второй монохроматор излучения требуемого порядка дифракции от первой дифракционной решетки и блокировки всех остальных порядков дифракции.

Конструктивное исполнение второго монохроматора также предусматривает наличие выходной щели. Она предназначена для пропускания на выход второго монохроматора требуемого порядка дифракции от второй дифракционной решетки и блокировки всех остальных порядков дифракции. Выходная щель второго монохроматора пропускает лишь узкий спектральный диапазон длин волн, содержащий длину волны λ.

Одноканальный режим счета фотонов определенной длины волны реализуется путем установки ФЭУ за выходной щелью второго монохроматора. Изменение регистрируемой длины волны λ производится за счет одновременного вращения обеих дифракционных решеток. Таким образом последовательно измеряется интенсивность излучения для каждой длины волны I (λ).

Для одновременной регистрации широкого спектра излучения необходимо снять выходную щель второго монохроматора и установить многоканальный детектор, например ПЗС матрицу.

Двойной монохроматор состоит из двух соединенных между собой монохроматоров 2 и 9 (рисунок 1). Оптические элементы обоих монохроматоров заключены в светонепроницаемый корпус. Структура первого и второго монохроматора по существу индентична.

Рисунок 1 – Схема, поясняющая принцип действия двойного монохроматора

Излучение от источника света или исследуемого образца фокусируется на входную щель 3 первого монохроматора 2, находящуюся в фокусе первого вогнутого зеркала 4. Вогнутое зеркало 4 формирует параллельный пучок света, падающий на первую дифракционную решетку 5. Дифракционная решетка 5 имеет ось вращения, перпендикулярную плоскости, содержащей падающий и отраженный от решетки световые лучи. Предпочтительнее использовать голографическую дифракционную решетку по существу с синусоидальным профилем, поскольку в этом случае будет обеспечиваться практически одинаковая эффективность работы двойного монохроматора 1 как в основном режиме сложения дисперсии, так и в режиме вычитания дисперсии. Также можно использовать и нарезную дифракционную решетку по существу с пилообразным профилем, однако в этом случае будет наблюдаться различная эффективность работы двойного монохроматора в основном режиме сложения дисперсии и режиме вычитания дисперсии, так что обеспечение одинаковой эффективности работы в различных режимах работы двойного монохроматора приводит к усложнению устройства переключения режимов работы.

Дифрагировавший на решетке 5 параллельный пучок света вторым 6 фокусируется на выходную щель 8 первого монохроматора 2. Поскольку выходная щель 8 расположена на боковой стороне первого монохроматора 2, для направления сфокусированного излучения на выходную щель 8 используется плоское зеркало 7. Далее, пройдя выходную щель 8 первого монохроматора 2, одновременно являющуюся входной щелью второго монохроматора 9, излучение попадает во второй монохроматор 9.

Отразившись от плоского зеркала 10, излучение направляется на первое вогнутое зеркало 11 второго монохроматора, которое формирует параллельный пучок света, падающий на вторую дифракционную решетку 12. Дифракционная решетка 12 имеет ось вращения, перпендикулярную плоскости, содержащей падающий и отраженный от решетки световые лучи. Во втором монохроматоре 9 также предпочтительно использовать голографическую дифракционную решетку по существу с синусоидальным профилем. Также можно использовать нарезную дифракционную решетку по существу с пилообразным профилем. Дифрагировавший на решетке 12 параллельный пучок света вторым вогнутым зеркалом 13 фокусируется на выходную щель 14 второго монохроматора 9. Выходная щель 14 второго монохроматора 9 пропускает лишь узкий спектральный диапазон длин волн, содержащий длину волны λ.

Для изменения длины волны λ необходимо синхронно вращать дифракционные решетки 5 и 12 с помощью подсоединенных к ним шаговых двигателей, управляемых при помощи компьютера. В одноканальном режиме детектирования за выходной щелью 14 второго монохроматора 9 устанавливается ФЭУ, регистрирующий фотоны на длине волны, определяемой положением дифракционных решеток 5 и 12. В многоканальном режиме выходная щель 8 первого монохроматора 2 должна быть раскрыта и выходная щель 14 второго монохроматора 9 должна отсутствовать. Вместо нее устанавливается многоканальный детектор, например, ПЗС матрица. В таком режиме регистрации нет необходимости синхронно вращать дифракционные решетки, т.к. многоканальным детектором регистрируется широкий спектральный диапазон.

2 Физические процессы, происходящие в устройстве

В основном режиме сложения дисперсии первая дифракционная решетка 5 повернута на угол α₁относительно своего начального положения (рисунок 1), обозначенного пунктиром, которое соответствует углу поворота 0° - положение, в котором дифракционная решетка 5 работает как плоское зеркало, отражая падающее излучение в направлении нулевого порядка дифракции [6]. Вторая дифракционная решетка 12 повернута относительно ее начального положения на угол α₂. При этом углы поворота дифракционных решеток 5 и 12 одинаковы, так что в дальнейшем полагаем α₁=α₂. Таким образом в основном режиме работы сложения дисперсии обе дифракционные решетки повернуты на одинаковые углы относительно их начальных положений, т.е. используются одинаковые порядки дифракции К=+1 или К=-1 обеих дифракционных решеток.

Представленный на рисунке 1 двойной монохроматор 1 переключается из основного режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии с помощью специального устройства переключения, явно не изображенного на данном рисунке. Данное устройство поворачивает вторую дифракционную решетку 12 так, что если, например, используется первый порядок дифракции К=+1 первой дифракционной решетки 5 для определенной длины волны, то при переключении из основного режима сложения дисперсии в режим вычитания дисперсии устройство переключения поворачивает вторую дифракционную решетку 12 на угол α₂'=-α₁относительно ее начального положения, так что используется минус первый порядок дифракции К=-1 второй дифракционной решетки 12.

На рисунке 2 представлена схема двойного монохроматора 1, сконфигурированного таким образом, что основной режим его работы является режим вычитания дисперсии. Двойной монохроматор 1 в основном режиме вычитания дисперсии может работать как пропускающий полосовой фильтр, а также использоваться для спектроскопии с разрешением по времени, т.к. временная задержка, возникающая в первом монохроматоре между различными длинами волн, компенсируется во втором монохроматоре.

Рисунок 2 – Схема, поясняющая принцип действия двойного монохроматора

Принципиальное отличие данной схемы соединения двух монохроматоров от предыдущей схемы, изображенной на рисунке 1 состоит в том, что в этом случае второй монохроматор 9 повернут относительно первого монохроматора 2 на 180°. Все оптически функциональные элементы монохроматоров 2 и 9 в обеих схемах соединения монохроматоров идентичны.

В основном режиме работы вычитания дисперсии первая дифракционная решетка 5 повернута на угол α1относительно своего начального положения (рисунок 2), обозначенного пунктиром, которое соответствует углу поворота 0° - положение, в котором дифракционная решетка 5 работает как плоское зеркало, отражая падающее излучение в направлении нулевого порядка дифракции. Вторая дифракционная решетка 12 повернута относительно ее начального положения на угол α₂. При этом углы поворота дифракционных решеток 5 и 12 одинаковы, так что в дальнейшем полагаем α₁=α₂. Таким образом в основном режиме работы вычитания дисперсии обе дифракционные решетки повернуты на одинаковые углы относительно их начальных положений. В случае схемы, изображенной на рисунке 2 это соответствует ситуации, когда используются разные порядки дифракции, т.е. первый порядок дифракции первой дифракционной решетки 5 и минус первый порядок второй дифракционной решетки 12, или, наоборот, минус первый порядок первой дифракционной решетки 5 и первый порядок второй дифракционной решетки 12.

Как и в первом случае, представленный на рисунке 2 двойной монохроматор переключается из основного режима вычитания дисперсии в режим сложения дисперсии с помощью специального устройства переключения, явно не изображенного на рисунке 2. Данное устройство поворачивает вторую дифракционную решетку 12 так, что если, например, используется первый порядок дифракции К=+1 первой дифракционной решетки 5 для определенной длины волны, то при переключении из основного режима вычитания дисперсии в режим сложения дисперсии устройство переключения поворачивает вторую дифракционную решетку 12 на угол α₂'=-α₁относительно ее начального положения, так что используется первый порядок дифракции К=+1 второй дифракционной решетки 12.

3 Структура и конструкция двойного монохроматора

Двойной монохроматор состоит из 2 монохроматоров, соединённых между собой (приложение А). В каждом монохроматоре установлены: дифракционная решётка 8, зеркало 5, два вогнутых зеркала 6. Дифракционная решётка может вращаться.

Излучение от источника света проходит через входную щель одного их монохроматоров, затем падает на вогнутое зеркало 6. Вогнутое зеркало формирует параллельный пучок света, падающий на дифракционную решетку 8. Дифрагировавший пучок света падает на другое вогнутое зеркало, отражается и падает на плоское зеркало 5, используемое в устройстве для направления пучка света на боковую щель между монохроматорами. Далее пучок света проходит щель между соединёнными монохроматорами и падает на другое плоское зеркало 5, которое направляет пучок на вогнутое зеркало 6. Это зеркало формирует параллельный пучок света, падающий на вторую дифракционную решетку 8. Дифрагировавший на решетке 8 параллельный пучок света вторым вогнутым зеркалом 6 фокусируется на выходную щель второго монохроматора. Выходная щель второго монохроматора пропускает лишь узкий спектральный диапазон длин волн, содержащий длину волны λ. Чтобы выделить другую длину волны, нужно повернуть синхронно дифракционные решётки на некоторый угол, соответствующий требуемой длине волны, с помощью подсоединенных к ним шаговых двигателей, управляемых при помощи компьютера.

Заключение

Монохроматор - спектральный оптико-механический прибор, предназначением которого является выделение монохроматического излучения. Монохроматическое излучение – это такое излучение, которое обладает очень маленьким разбросом частот, в идеале оно обладает лишь одной частой (длиной волны). Монохроматор предназначен для выделения узких интервалов длин волн из всего спектра оптического излучения.

Часто с целью улучшения качества излучения применяются двойные монохроматоры. Это два монохроматора, которые конструктивно объединены так, что выходная щель первого выступает входной щелью другого. Преимущество таких монохроматоров – возможность существенного повышения дисперсии.

В данной курсовой работе разработана конструкция двойного монохроматора, содержащая 2 монохроматора, структура которых индентична. Данный монохроматор обеспечивает как режим сложения дисперсии, так и режим вычитания дисперсии, переключение между которыми осуществляется без применения вспомогательных оптических элементов, таких как линзы или зеркала. Реализовать переключение между двумя режимами работы двойного монохроматора можно только с помощью вращения дифракционных решёток, без использования дополнительных вспомогательных оптических элементов.

Список использованных источников

1 https://ate-m.by/wiki/term/monokhromator/

2 https://ru.wikipedia.org/wiki/Монохроматор

3 Двойной акустический монохроматор на одном кристалле // Патент России № 2546996 2015. / Солдатченков В. С., Шавард Н. А., Калинников Ю. К.[и др.]

4 Монохроматор для спектрофотометров // Патент России № 2248536 2005. / Галль Л.Н., Кретинина А.В., Максимов С.И.

5 Двойной акустооптический монохроматор // Патент России № 2242779 2004. / Пожар В.Э., Пустовойт В.И., Мазур М.М.[и др.]

6 Двойной монохроматор // Патент России № 60208 2007. / Шкуринов А. П.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Конструкция двойного монохроматора

Код для цитирования: Скопировать