SU1744513A1 - Spectrograph with cross-dispersion - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптическому спектральному приборостроению. Цель изобретени  - упрощение конструкции. В спектрографе со скрещенной дисперсией вместо использовани  дополнительного диспергирующего элемента выполн ют на рабочей поверхности дифракционной решетки di + tg2 fc cos (p , а рассто ние d2 дополнительные штрихи, Эти штрихи перпендикул рны основным штрихам. Рассто ние di между основными штрихами удовлетвор ют соотношению К/ 2 между дополнительными штрихами - соотношению da Я + . sin2 e/cos y (i + sin e) ), где А- длина волны дифрагированного излучени , к - рабочий пор док спектра, Ј - угол наклона оптической оси падающего на решетку пучка к плоскости, перпендикул рной основным штрихам, р - угол между нор- малью к решетке и проекцией оптической оси падающего на решетку пучка на плоскость, перпендикул рную основным штрихам. В спектрографе дифракционна  решетка совмещает в себе функции основного и дополнительного диспергирующих элементов и таким образом уменьшаетс  число оптических элементов 1 ил. ЈThis invention relates to optical spectral instrumentation. The purpose of the invention is to simplify the design. In a dispersion-crossed spectrograph, instead of using an additional dispersing element, di + tg2 fc cos (p, and d2 are additional strokes on the working surface of the diffraction grating. These strokes are perpendicular to the main strokes. The distance di between the main strokes satisfies the K / 2 between the additional dashes - the ratio da Я +. Sin2 e / cos y (i + sin e)), where A is the wavelength of the diffracted radiation, k is the working order of the spectrum, Ј is the angle of inclination of the optical axis of the beam incident on the grating to the plane Perpendicular to the main bar, p - the angle between the normal to the grating and the projection optical axis of the incident beam on the grating in a plane perpendicular to the main bar. In the spectrograph, the diffraction grating combines the functions of the main and additional dispersing elements and thus reduces the number of optical elements 1 sludge. J

Description

Изобретение относитс  к оптическому спектральному приборостроению и может быть использовано при создании высокоинформативной спектральной аппаратуры.The invention relates to optical spectral instrumentation and can be used to create highly informative spectral instrumentation.

Известны спектрографы с диспергирующей системой, содержащей дифракционную решетку типа эшелле, работающую в высоких пор дках спектра, и дополнительный диспергирующий элемент с направлением дисперсии, перпендикул рным направлению дисперсии эшелле, обеспечивающий пространственное разделение строчек спектров разных пор дков. При этом может одновременно регистрироватьс  одна или несколько строчек спектра. В качестве дополнительного диспергирующего элемента используетс  призма или дифракционна  решетка.Spectrographs with a dispersing system containing an echelle type diffraction grating, operating in high spectral orders, and an additional dispersing element with a dispersion direction perpendicular to the dispersion direction of the echelle, providing spatial separation of spectral rows of different orders are known. In this case, one or several lines of the spectrum can be simultaneously recorded. A prism or diffraction grating is used as an additional dispersing element.

Недостатком оптических систем спектрографов со скрещенной дисперсией  вл етс  их повышенна  сложность, обусловленна  наличием не менее двух последовательно установленных диспергирующих элементов.The disadvantage of optical systems of crossed dispersion spectrographs is their increased complexity, due to the presence of at least two successively installed dispersing elements.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и прин тым за прототип  вл етс  спектрограф СТЭ-1, построенный по схеме скрещенной дисперсии и предназначенный дл  одновременной регистрации нескольких строчек спектра. Спектрограф содержит входную щель, колпимирующий и фокусирующий объективы, дифракционную решетку типа эшелле, дополнительный диспергирующий элемент в виде призмы с направлениVIThe closest to the proposed device and adopted for the prototype is the STE-1 spectrograph, built according to the scheme of the crossed dispersion and intended for simultaneous recording of several lines of the spectrum. The spectrograph contains an entrance slit that intercepts and focuses the objectives, a diffraction grating of the echelle type, an additional dispersing element in the form of a prism with the direction VI

ЈJ

СЛ GJSL GJ

ем дисперсии, перпендикул рным направлению дисперсии эшелле, и многоэлементный фотоприемник в виде фотопластинки и фотопленки.dispersion, perpendicular to the direction of dispersion of the echelle, and multi-element photodetector in the form of photographic plate and film.

Наличие дополнительного диспергирующего элемента приводит к усложнению конструкции спектрографа, а также вызывает дополнительные потери излучени  и аберрационные искажени  изображени .The presence of an additional dispersing element leads to the complication of the design of the spectrograph, and also causes additional radiation losses and aberration distortions of the image.

Цель изобретени  - упрощение конструкции спектрографа.The purpose of the invention is to simplify the design of the spectrograph.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в спектрографе со скрещенной дисперсией, содержащем оптически св занные входную щель, объектив, диспергирующую систему с дифракционной решеткой и двумерный фотоприемник , дифракционна  решетка снабжена дополнительным штрихом, нанесенным на ее рабочую поверхность и перпендикул рным основным штрихам, причем рассто ние ch между основными штрихами удовлетвор ет соотношениюThe goal is achieved by the fact that in a spectrograph with a crossed dispersion containing an optically coupled entrance slit, a lens, a dispersing system with a diffraction grating and a two-dimensional photodetector, the diffraction grating is provided with an additional stroke applied to its working surface and perpendicular to the main strokes, and the distance ch between the main strokes satisfies the relation

сИSI

- + tg2Ј cosV- + tg2Ј cosV

а рассто ние d2 между дополнительными штрихами - соотношениюand the distance d2 between the additional strokes is the ratio

Я У С05Гк + cos2 р sir fc 2 ( 1 + sin к) где Я - длина волны дифрагированного излучени ; I Y С05Гк + cos2 р sir fc 2 (1 + sin к) where I is the wavelength of the diffracted radiation;

к - рабочий пор док спектра дл  длины волны Я ; k is the working order of the spectrum for wavelength I;

е - угол наклона оси оптической оси, соедин ющей объектив и дифракционную решетку, к плоскости, перпендикул рной основным штрихам решетки;e is the angle of inclination of the axis of the optical axis connecting the lens and the diffraction grating to the plane perpendicular to the main grating lines;

р - угол между нормалью к решетке и проекцией оптической оси, соедин ющей объектив и дифракционную решетку, на плоскость, перпендикул рную основным штрихам решетки.p is the angle between the normal to the grating and the projection of the optical axis connecting the lens and the diffraction grating to the plane perpendicular to the main grating lines.

На чертеже показан вариант схемы спектрографа.The drawing shows a variant of the spectrograph scheme.

Спектрограф со скрещенной дисперсией содержит входную щель 1, совмещенный коллиматорно-камерный зеркальный объектив 2, дифракционную решетку 3 и многоканальный двумерный фотоприемник 4.The spectrograph with a crossed dispersion contains an entrance slit 1, a combined collimator-chamber mirror lens 2, a diffraction grating 3 and a multichannel two-dimensional photodetector 4.

Спектрограф со скрещенной дисперсией работает следующим образом.Spectrograph with a crossed dispersion works as follows.

Исследуемое излучение поступает через входную щель 1 на коллиматорную часть объектива 2 и параллельным пучком освещает дифракционную решетку 3, на отражающей стороне которой нанесены основные vi дополнительные штрихи. Дифрагировавшее на решетке излучение поступает на камерную часть объектива 2, который строитеThe radiation under study arrives through the entrance slit 1 to the collimator part of objective 2 and a parallel beam illuminates the diffraction grating 3, on the reflective side of which the main vi additional strokes are applied. The radiation diffracted on the grating enters the chamber part of lens 2, which is being built

00

5five

00

5five

плоскости многоканального фотоприемника 4 р д строчек спектра, соответствующих разным пор дкам спектра, обусловленного действием основных штрихов решетки. Рассто нние между строчками спектра, необходимое дл  их пространственого разделени , будет обусловлено действием дополнительных штрихов решетки.the plane of the multichannel photodetector has 4 rows of spectral lines corresponding to different orders of the spectrum caused by the action of the main grating lines. The distance between the lines of the spectrum, necessary for their spatial separation, will be due to the effect of additional lattice strokes.

Рассто ни  di и d2 соответственно между основными и дополнительными штрихами дифракционной решетки определ ют из обобщенного уравнени  дифракции в случае , когда ось падающего на решетку парал- лельного пучка лучей не лежит ни- в плоскости XOY, перпендикул рной основным штрихам решетки (ось X - нормаль к поверхности решетки, ось Y перпендикул рна основным штрихам решетки, ось Z параллельна основным штрихам решетки), ни в плоскости XOZ, перпендикул рной дополнительным штрихам, (ось Z перпендикул рна дополнительным штрихам, ось Y параллельна дополнительным штрихам), а составл ет с этими плоскост ми соответственно углы у и v.The distances di and d2, respectively, between the main and additional strokes of the diffraction grating are determined from the generalized diffraction equation in the case when the axis of the parallel beam of rays incident on the grating does not lie in the XY plane perpendicular to the main strokes of the grating (the X axis is the normal to the grating surface, the Y axis is perpendicular to the main grating grooves, the Z axis is parallel to the main grating grooves) or in the XOZ plane perpendicular to the additional grooves (the Z axis is perpendicular to the additional strokes, the Y axis is parallel to complementary strokes), and the angles y and v are, respectively, with these planes.

Дл  дифракции на основных штрихах решетки в случае автоколлимации и дифракции на дополнительных штрихах справедливы соответственно соотношени For diffraction on the main grating grooves in the case of autocollimation and diffraction on additional grooves, the relations

30thirty

2sin pi 2sin pi

kЯkЯ

di cos уdi cos y

0)0)

sin Ј+ sin ей -д--(2)sin Ј + sin yd (2)

702 COS V 702 COS V

где - проекци  угла дифракции на плоскость , перпендикул рную основным штрихам (плоскость XOY);where is the projection of the diffraction angle onto a plane perpendicular to the main strokes (XOY plane);

k - рабочий пор док спектра;k is the working order of the spectrum;

Я -длина волны в центре спектрограммы;I am the wavelength in the center of the spectrogram;

Ј - угол наклона оси падающего пучка лучей к плоскости, перпендикул рной основным штрихам решетки;Ј is the angle of inclination of the axis of the incident beam of rays to the plane perpendicular to the main grating lines;

pl - проекци  угла дифракции на плоскость , перпендикул рную дополнительным штрихам (плоскость XOZ).pl is the projection of the diffraction angle onto a plane perpendicular to the additional strokes (XOZ plane).

Очевидно, что значени  и sin #и не могут быть больше единицы, поэтому из соотношений (1) и (2) следуетObviously, the values of and sin # and can not be greater than one, therefore, from relations (1) and (2) it follows

di о iA ..-(3)di o iA ..- (3)

2 cosy2 cozy

d2 d2

(4)(four)

cos у (1 + sin Ј) Использу  аппарат векторной алгебры можно показать, что дл  вычислени  углов у и v справедливы соотношени cos y (1 + sin Ј) Using the apparatus of vector algebra it can be shown that for calculating the angles y and v, the relations

cosy -COSЈ5- (5)cozy -COSЈ5- (5)

V COS Ј + COS ф Sin F.V COS Ј + COS f Sin F.

cosv cosv

cos Јcos Ј

E + COS2 f} Sin2 Ј E + COS2 f} Sin2 Ј

(6)(6)

При подстановке выражений (5) и (6) в (3) и (4) получим соотношени  дл  выбора di и J2 в видеBy substituting expressions (5) and (6) into (3) and (4), we obtain relations for the choice of di and J2 in the form

КЯ 1Л . 22/уQW 1L. 22 / y

di - /1+tg2 cos2di - / 1 + tg2 cos2

d2 2:d2 2:

Я Ј + COS2 y Sin2 ЈI Ј + COS2 y Sin2 Ј

(8)(eight)

( 1 + sin Ј)(1 + sin Ј)

Таким образом, данна  дифракционна  решетка совмещает в себе функции основного и дополнительного диспергирующего элемента спектрографа, что и обеспечивает упрощение его конструкции.Thus, this diffraction grating combines the functions of the main and additional dispersing element of the spectrograph, which simplifies its design.

Предлагаемый спектрограф со скре- щенной дисперсией может найти применение при создании высокоинформативной и простой по конструкции спектральной аппаратуры , предназначенной дл  широкого использовани  при контроле загр знений природной среды.The proposed spectrograph with a curved dispersion can be used to create highly informative and simple in design spectral equipment intended for wide use in monitoring pollution of the natural environment.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Спектрограф со скрещенной дисперсией , содержащий оптически св занные входную щель, объектив, диспергирующую систему с дифракционной решеткой и дв у- мерный фотоприемник, отличающийс A crossed-dispersion spectrograph containing an optically coupled entrance slit, a lens, a diffraction grating dispersing system, and a two-dimensional photodetector differing in 1 Q 1 Q 20 20 25 25 тем, что, с целью упрощени  конструкции, дифракционна  решетка снабжена дополнительными штрихами, нанесенными на ее рабочую поверхность и перпендикул рными основным штрихам, причем рассто ние di между основными штрихами удовлетвор ет соотношениюin order to simplify the design, the diffraction grating is provided with additional strokes applied to its working surface and perpendicular to the primary strokes, with the distance di between the main strokes satisfying the relation di + tgz E cos2 pdi + tgz E cos2 p а рассто ние d2 между дополнительными штрихами - соотношениюand the distance d2 between the additional strokes is the ratio Я Ј + cos2 р sin2 gI Ј + cos2 p sin2 g cos p( 1 + sin e) где Я - средн   длина волны рабочего диапазона спектрографа;cos p (1 + sin e) where I is the average wavelength of the working range of the spectrograph; k - рабочий пор док спектра дл  длины волны Я ;k is the working order of the spectrum for wavelength I; Ј- угол наклона оптической оси, соедин ющий объектив и дифракционную решетку , к плоскости, перпендикул рной основным штрихам решетки;Ј is the angle of inclination of the optical axis connecting the lens and the diffraction grating to the plane perpendicular to the main grating lines; р - угол между норма лью к решетке и проекцией оптической оси, соедин ющей объектив и дифракционную решетку, на плоскость , перпендикул рную основным штрихам решетки.p is the angle between the norm and the lattice and the projection of the optical axis connecting the lens and the diffraction grating to the plane perpendicular to the main grating lines. d2 d2