Описание методики и установки исследования характеристик вогнутых дифракционных решёток

В данной работе для исследования характеристик ВДР применяется схема Пашена-Рунге (см. рис. 3.6), в которой на круге Роуланда размещаются щель, решётка и фотодетектор, закреплённые на одной несущей поверхности.

Экспериментальная установка включала стабильный источник света (лампа полого катода) со спектральной щелью на выходе, дифракционную решетку и анализатор МАЭС с блоком многоканального детектора, содержащим 12 фотодиодных линеек по 2580 фотодиодов. Размер регистрирующей ячейки 12.5 мкм. Блок многоканального детектора устанавливался на юстировочном столике с микровинтами. В источнике света использовалась спектральная лампа полого катода ЛТ-6М с линзой для построения изображения катода на спектральной щели и для заполнения всей апертуры решетки. Катод состоял из Cu и Zn, а газом наполнения являлась смесь Ar и Ne. Спектральная щель на выходе источника имела следующие параметры: ширина 15 мкм, высота 2 мм.

По заказу ”ВМК-Оптоэлектроника” на крупнейших предприятиях по изготовлению дифракционных решёток - ГИПО (Казань) и ГОИ (Санкт-Петербург) были рассчитаны и изготовлены серии отражательных ВДР ВМК-1 и ВМК-2 со скомпенсированным астигматизмом. Решетки имеют 2400 штр/мм. Штрихи решёток имеют искривлённую форму, переменный шаг и треугольную форму профиля. Компенсация астигматизма в решётке ВМК-1 осуществляется с помощью как искривления формы штриха, так и изменения расстояния между штрихами; компенсация астигматизма в решётке ВМК-2 осуществляется только с помощью искривления формы штриха. Угол падения 26,5°.

Сравнение характеристик ВДР ВМК-1 и ВМК-2 велось с характеристиками ВДР лучших отечественных спектрометров без компенсации астигматизма: МФС-8, ДФС-51; с компенсацией астигматизма: ДФС-458

Для каждой решетки, согласно ее переднему отрезку и углу падения, выставлялись источник света, юстировочный узел с дифракционной решеткой и блок многоканального детектора на юстировочном столике для поиска поверхности фокусировки. Методика юстировки вогнутой дифракционной решётки приведена в приложении 3. Для решёток с постоянным шагом между штрихами (МФС-8, ДФС-51, ВМК-2) щель и фотодетектор располагается на окружности Роуланда, для решёток с переменным шагом между штрихами (ДФС-458, ВМК-1) щель и фотодетектор располагается не на круге Роуланда, более того, фокальная кривая для последних решёток не является окружностью [2]

Использование стабильного источника света со спектральной щелью на выходе позволило провести сравнение интенсивностей спектральных линий для различных решеток.

Сравнение характеристик вогнутых дифракционных решёток осуществлялось по следующим параметрам [13,14]:

1) Светосила дифракционной решётки

Под светосилой дифракционной решётки понимается интенсивность какой-либо спектральной линии. Интенсивность - это площадь (интеграл) спектральной линии. Сравнения производились по 7 линиям, расположенных во всех частях спектра и примерно равноудалённых друг от друга.

)   Разрешающая способность дифракционной решётки

Контроль данной характеристики осуществлялся по двум параметрам.

а) Под разрешающей способностью дифракционной решётки понимается её способность различать близкорасположенные линии. Для этих целей был выбран мультиплет из следующих близкорасположенных линий: 334.4396нм, 334.502нм, 334.5454нм, 334.557нм, 334.5882нм и 334,594нм. Особенно интересно разделение различными решётками наиболее близких линий 334.5454нм и 334.557нм.

б) Под разрешающей способностью дифракционной решётки понимается ширина какой-либо спектральной линии на полувысоте. Чем уже линия, тем лучше разрешающая способность дифракционной решётки.

В принципе, два вышеописанных способа определения разрешающей способности дифракционной решётки есть почти одно и тоже, но при использовании вместе они являются взаимодополняющими.

    Результаты исследования характеристик вогнутых дифракционных решёток

На рис. 3.7 приведен участок спектра 334 нм - мультиплет из близкорасположенных линий, полученный на разных решетках. Как и следовало ожидать, ВДР МФС-8 и ДФС-458 (1800 штр/мм) разрешают меньшее количество линий, чем ВДР ДФС-51, ВМК-1 и ВМК-2 (2400 штр/мм). На рис. 3.8 показана зависимость ширины спектральных линий от длины волны на полувысоте. Видно, что в области 350 нм разрешение решётки ВМК-2 становится на 10% хуже разрешения решётки ВМК-1, однако, с уменьшением длины волны разрешение ВМК-2 становится даже выше, чем разрешение ДФС-51. На рис. 3.9 показаны зависимости интенсивностей спектральных линий, полученных на исследуемых решетках от длины волны по отношению к МФС-8. На графике видно преимущество в светосиле неклассических решётокДФС-458, ВМК-1 и ВМК-2 по сравнению с классическими решетками ДФС-51 и МФС-8. Это достигается как за счет увеличения заштрихованной области, так и за счет компенсации астигматизма. Также из рисунка следует, что интенсивности линий решётки ВМК-2 в области 200 нм в два раза больше интенсивностей линий решётки ДФС-458, и в 3.5-4 раза больше, чем у решетки ВМК-1, а в области 330нм интенсивности линий решётки ВМК-2 сравнимы с интенсивностями линий решётки ДФС-458, и в 2 раза больше, чем у решётки ВМК-1. Так как измерение астигматизма для этих трёх решеток дало близкие результаты, то меньшая светосила решетки ВМК-1 связана, по-видимому, с низким качеством поверхности штриха.

Можно сделать вывод, что трёхкратное увеличение интенсивности линий решётки ВМК-2 по сравнению с ВМК-1 влечёт за собой лишь 10% ухудшение разрешающей способности в области 330 нм. Это как - бы является платой за хорошую светосилу. Но в области 200 нм решётка ВМК-2 лучшая по всем параметрам Поэтому, наиболее подходящая решётка для спектрометра высокой светосилы и высокой разрешающей способности - решётка ВМК-2.

Рис. 3.7 Участок спектра 334 нм, полученный на разных решетках

Измерение обратной линейной дисперсии дало результаты, представленные в таблице 1

Таблица 1 Обратная линейная дисперсия

Источниками ошибок при измерении интенсивности спектральных линий являются:

- Дрейф + непостоянство интенсивности излучения источника спектра: 5%

Шум темнового сигнала: 0.05(%)

Общая ошибка при измерении интенсивности спектральных линий составляет 5%.

Источниками ошибок при измерении ширин спектральных линий являются:

Неточность выставления ширины входной щели: 5%

Неточность определения ширин спектральной линии на полувысоте: 10%

Общая ошибка при измерении ширин спектральных линий составляет 5%