Устройство для измерения рассеянного света в спектрах дифракционных решеток

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Со ев Соаетскнк

Соцналнстнчвскни

Рвсттубкнк («)3000777 (б1) Дополнительное н авт, свид-ву (22) Заявлено 14. 08. 81 (21) 332 9206j18-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 28,02.83. Бюллетень №

Дата опубликования описания 28. 02. 83 (51)M Rn з

Государственнмй комитет

СССР но делам изобретений н открытий

Q 01 j 3/18 (53) УДК 535.8 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В. В. Куинджи и С. A. Стрежнев (71) Заявитель (541) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССЕЯННОГО СВЕТр.

В СПЕКТРАХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК

Изобретение относится к технике. измерений спектральных характеристик дифракционных решеток.

Известно устройство для измерения интенсивности рассеянного света, вызванного ошибками деления, в котором непосредственно эа выходной щелью монохроматора установлен дополнительный объектив, а в фокальной плоскости объектива перед фотоприемником — прямоугольная диафрагма, вырезающая в изображении рабочей поверхности решетки только центральную часть и экранирующая светящиеся краевые участки $1).

Данное устройство ограничивает попадание света, рассеянного элементами кожуха прибора,на фотоэлемент. поскольку на него спроектирована только поверхность исследуемой решетки и рассеянный свет может попасть от внутренних элементов кожуха на фотоприемник, только отразившись от поверхности. решетки, а не непосредственно. Уменьшение интенсивности вторичных максимумов происходит в данном случае в результате исключения попадания на фотоприемник свечения от краевых эон решетки.

Недостаток устройства — сравнительно малая эффективность ограничения фона — помехи, переналагающегося с измеряемой составляющей рассеянного света. В связи с тем, что ширина выходной цели сравнительно мала, иэображение решетки имеет отчет" ливо выраженный дифракционный характер. В результате этого значительная часть (5-10%).световой энергии от светящихся краев изображения решетки распространяется в виде вторичных дифракционных максимумов на центральную часть этого изображения и попадает йа фотоприемник. Поэтому интенсивность вторичных максимумов уменьшается в 10-20 раз. Это ограни- чение недостаточно, поскольку интенсивность даже ослабленных вторичных максимумов может на несколько по- рядков превышать интенсивность из-. меряемой составляющей рассеянного .света, что в .результате исключает возможность. измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для обнаружения спектральных линий поглощения или излучения на фоне сплошного спектра содержащее источник измерений, монохроматор, приемник из.-- .учения, а так

1000777 ж модулятор с прямоугольной диафрагмой, устанавливаемой непосредст— пенно перед входной щелью или за выходной щелью с возгложностью колебаний в направлении, перпендикулярном щелям. Колеблющаяся диафрагма переодически перекрывает световой поток, попадающий на фотоприемник, вследствие чего осуществляется амплитудная ъгодуляция фотоэлектрических сигналов.

В результате модуляции можно сопоставить интенсивность спектральной линии и суммарной величины рассеянного света, включающего составляющую, вызванную ошибками деления дифракционной решетки, а также фон- 15 помеху. Это осуществляется путем дифференциального дете ктиров ания переменных фотоэлектрических сигналов I. 2).

Недостатком известного устройст- г0 ва является отсутствие возможности выделения из суммарного фона составляющей рассеянного света, вызванной ошибками деления. Действительно, при периодическом перекрывании све- у. тового пучка, попадающего на фотоприемник, одинаковой модуляции подлежат составляющие рассеянного света как измеряемая, так и соответствующая вторичным дифракционным максимумам и отражению света or кожуха монохроматора. Поэтому разделить соответствующие компоненты перегленного фотоэлектрического сигнала, по существу идентичные, не представляется возможным.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем измерения составляющей рассеянного света, вызываемой ошибками деления решеток.

Поставленная цель достигается 40 тем, что в устройстве для измерения рассеянного света в спектрах дифракционных решеток, содержащем монохроматор с входной и выходной щелями, источник излучения, устанбвленный пе-4$ ред входной щелью монохроматора, дифракционную решетку, размещенную в монохроматоре, приемник излучения, находящийся после выходной щели монохроматора, а также модулятор с пря- 50 моугольной диафрагмой, установленный с возможностью колебаний в нап:равлении, перпендикулярном штрихам дифракционной решетки, модулятор с прямоугольной диафрагмой установлен непосредственно перед исследуемой г ифракционной решеткой, при этом ши— ина диафрагмы равна полуширине дифакционной решетки. Амплитуда колебаний диафрагмы равна 0,25 ширины решетки.

На фйг. 1 дана схема устройства для измерения рассеянного света в спектрах дифракционных решеток„: на фиг. 2 приведена схема измеренйя интенсивности рассеянного света, образованного ошибками деления.

Устройство содержит источник 1 излучения, монохроматор 2, включающий в себя входную щель 3, объектив 4, исследуемую дифракционную решетку 5, выходную щель б и кожух 7. За выходной.щелью б установлен фотоприемник 8. Непосредственно перед исследуемой решеткой 5 расположен модулятор 9 с прямоугольной диафрагмой.

Ширина прямоугольной диафрагмы равна полуширине исследуемой дифракционной решетки. Модулятор с прямоугольной диафрагмой установлен с возможностью колебательных йеремещений от привода

10 с амплитудой равной 0,25 ширины исследуемой дифракционной решетки.

На фиг. 2 приняты обозначения: спектральная линия 11, фон-помеха

12, обусловленный вторичными рифракционными максимумами и светорассеянием от внутренних поверхностей кожуха 7 монохроматора 2; составляющая рассеянного света 13, вызванная случайными ошибками исследуемой дифракционной решетки "духи" 14, образующие в совокупностг рассеянный свет, вызванный ошибками деления.

На фиг. 2 представлены "духи", соот- ., ветствующие двум любым последовательным (К и (К + 1)-й гармоникам в разложении функции случайных ошибок деления дифракционной решетки; результаты интерференции двух смежных

"духов" 15 и 16 при различных положениях прямоугольной диафрагмы 9 и огносительно исследуемой дифракционной решетки 5.,Э

Предлагаемое устройство рмботает следующим образом.

При освещении входной щели 3 излучением от источника 1 монохроматора

2 с исследуемой дифракционной решеткой 5 образует в плоскости выходной щели 6 спектра..ьное изображение. Оно содержит спектральную линию 1! и суммарный фон, включающий в себя фонпомеху 12, обусловленную вторичными дифракционными максимумами и отражением света от внутренних элементов кожуха 7 монохроматора, а также подлежащую измерению составляющую рассеянного света 13, вызванную случайными ошибками деления исследуемой дифракционной решетки 5. Случайные ошибки деления вызывают деформации волнового фронта, образующего спектральное изображение. На решетке шириной 2А эти деформации могут быть представлены суммой гармонических компонент

Е(Х) = Х КЫи (ЖКХ+ фк,)

:где X, — амплиттуда К-ой гармоники„

2 Е Жк

< = — = — пространственная ци клирк А ческая частота следования ошибки по ширине зрачка, 1000777

Р— период ошибки;

Рк — фазовый угол, определяемлй расположением гармоники относительно зрачка.

Каждой гармонике ошибки в спектре исследуемой дифракционной решетки

5 соответствуют "духи" 14 — ложные линии, расположенные симметрично относительно .спектральной линии на расстоянии, пропорциональном Фк . Если рассматривать две любые последовательные гармоники .ошибки (К и К + 1)

I то им с каждой стороны спектральной линии соответствует пара "духов", отстоя.цих один от другого на расстояьии нормальной ширины щели 15

Я

8= д (где Л вЂ” длина волны, и — фокус спектрального прибора. Было установлено, что фаза световых возмущений "духов", соответствующих К и (К + 1) -й гармоникам ошибки, также определяется углами соответственно к и /<+i Интенсивность смежных "духов" примерно равны, "духи" частично переналагаются и интерферируют. Поэтому реэультируюцая интенсивность рассеянного света, образованного переналагакцимися "духами" зависит также и от разности фазовых углов

Qg и Цк+„ (выражение 1) в соответствии с выражением

30 = 0,6- у с05Лк- Рк+1), f2) 6к Щс+ где - К =() < — — 2 — интенсивность К-го и (К + 1) го "духов".

Поскольку разность фазовых углов последовательных гармоник (Як,,,< „ )является случайной величиной для пары смежных "духов", интенсивность рас- 40 сеянного света от точки к точке изменяется в соответствии с выражением (2) по случайному закону. Поэтому спектральный рассеянный свет образует характерные линейчатые структуры, ин-45 тенсивность которых может существенно меняться от одной точки .спектрального иэображения к другой..При перемещении прямоугольной диафрагмы, * имеющей ширину А, равную полуширине решетки, относительно поверхности решетки в направлении ее ширины происходит изменение разности фазовых углов 9„ и 9К+ для двух любых смежных гармоник в разложении функции случайных ошибок деления следующим образом - к- к+ к - (r+y) + 0Чс" - ки"

2Гх б )

= %о- (к+ )о+ д t 60 где р и Ф „> — значения фазовых углов для двух любых последовательных гармоник в исходном положении прямоугольной диафрагмы, когда какой-либо ее край совпадает с со- 65 ответствующим краем исследуемой дифракционной решетки.

Иэ выражения (3) следу.ет, что в случае перемещения прямоугольной диафрагмы на расстояние x = A (размах ее колебаний равен полуширине решетки разность фазовых углов ЬЧ= Фк- %к изменяется íà 27с В соответствии с витим интенсивность рассеянного света в каждой точке спектрального изображения изменяется как результат переналожения и интерференции смежных

"духов".

Согласно формуле (2) изменение интенсивности рассеянного света, вызванного ошибками деления, при модуляции равно его интенсивности о (для каждой точки спектрального изображения). Поэтому сравнение фотоэлектрического сигнала, соответству.ющего измеряемой составляющей рассеянного света с сигналом от спектральной линии можно проводить без введения поправочных коэффициентов.

Использование предлагаемого устройства позволит получить достоверные сведения об относительной величине составлякицей рассеянного света, вызванной ошибками деления вследствие того, что из результатов измерений исключены помехи, обусловленные рассеиванием света элементами, внутренней поверхности кожуха спектрального прибора и вторичными дифракцион. ными максимумами. Это, в свою очередь позволит проводить эффективный конт" роль изготовленных дифракционных решеток по рассеянному. свету, их отбраковку и аттестацию, а также осуществлять диагностику и устранение технологических причин, ведущих к образованию случайных ошибок деления, исходя из уточненных кривых распределения интенсивности рассеянного света по различным зонам спектрального изображения.

Формула изобретения

Устройство для измерения рассеян" ного света в спектрах дифракционных решеток, содержащее монохроматор с входной и выходной целями, источник излучения, установленный перед вход ной щелью монохроматора, дифракцион. ную решетку, размещенную в монохроматоре, приемник излучения, установленный после выходной щели монохроматора, и модулятор с прямоугольной диафрагмой, установленный с воэможностью колебаний в направлений, перпендикулярном штрихам дифракцион ной решетки, о т л и ч а ю щ .е е с я тем, что, с целью повышения точнос- ти измерений, модулятор с прямоугольной диафрагмой установлен непосредс21 000777 фи8. Я

Составитель A. Смирнов

Редактор Л. Пчелинская Техред Т.Иаточка Корректор В. Бутяга

Заказ 1361/40 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 венно перед дифракционной решеткой, при .этом ширина прямоугольной диафрагмы модулятора равна полуширине ис- следуемой дифракционной решетки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 ° Стожарова К.A и др. Установка для измерения светорассеяния голографических дифракционных решеток.

В сб. "Новые разработки в области оптической голографии и их проьыаленное использование", Л., 1979, с. 60 °

2. Авторское свидетелЬство СССР

9 71763, кл. О 01 j 3/18, 1948.