Дифракционные решетки. Самодельный спектроскоп или как определить спектр источника света?
Для исследования спектральных свойств (регистрации спектра) различных источников света применяются спектральные приборы — спектроскопы, спектрографы и спектрометры. Спектроскоп (англ. spectroscope) предназначен для визуального наблюдения спектров, спектрограф (англ. spectrograph) — для фотографирования спектров, спектрометр (англ. spectrometer) — для определения положения отдельных спектральных линий или регистрации спектра в виде кривой.
Вот как эти термины трактуются в «Словаре иностранных слов» , изданном в Москве в 1954 году:
Как же сделать спектроскоп своими руками?
Дифракционные решетки — естественные и искусственные
Одним из способов наблюдения спектрального состава света является использование дифракционной решетки, представляющей собой поверхность, на которую нанесено большое число регулярно (через шаг решетки $b$) расположенных штрихов/щелей/выступов. На дифракционной решетке наблюдается явление дифракции на щели (дифракция Фраунгофера) — отклонения от законов геометрической оптики.
Впервые дифракционную решетку применил Джеймс Грегори (James Gregory), использовавший в качестве решётки птичье перо. Он пропускал через перо солнечный свет и увидел его разложение на составлящие цвета. Также цвета крыльев многих бабочек обусловлены явлением дифракции.
Искусственную дифракционную решетку площадью 0,5 кв. дюйма впервые создал изобретатель из Филадельфии Дэвид Риттенхаус (David Rittenhouse) в 1875 году — из 50 натянутых волосков (шаг решетки составил 250 мкм), причем он смог наблюдать спектры шестого порядка.
Дэвид Риттенхаус
А вот как описаны проявления дифракции в быту в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:
На аукционе ebay продаются дифракционные голографические решетки с шагом 1, 2 и 1,88 мкм:
DVD как дифракционная решетка
Но дифракционную решетку можно сделать и самому из . DVD-диска!
Диск DVD+R (DVD+RW) состоит из двух слоев: оптического (2) и отражающего (1).
Я разделил их с помощью ножа:
В DVD-R-диске слои имеют четкую границу между ними и достаточно легко отделяются друг от друга, в отличие от CD-R-диска:
В качестве дифракционной решетки (англ. diffraction grating) можно использовать как оптический (на пропускание — прозрачная решетка, англ. transmission grating), так и отражающий (на отражение — отражательная решетка, англ. reflective grating) слои.
Постоянная такой решетки (шаг между штрихами) для DVD-диска составляет 0,74 мкм (для CD-диска — 1,6 мкм).
Я вырезал из оптического слоя диска DVD+R фрагмент, получив импровизированную прозрачную дифракционную решетку:
Наблюдать дифракцию можно, направив на этот фрагмент (3) луч (2) от лазерной указки(1). При этом на экране появляются не одно, а три пятна — максимума (4,5,6):
5 — пятно нулевого порядка;
6 — пятна первого порядка
При падении на решетку луча с длиной волны $\lambda$ под углом $i$ к нормали решетки максимумы получаются под углами $\theta$, определяемыми соотношением:
$k \lambda = b (sin i + sin \theta)$ , где $k$ — порядок спектра, $b$ — постоянная решетки (шаг между штрихами).
Для случая падения луча света под прямым углом формула преобразуется к виду:
$k \lambda = b sin \theta$, что для пятна первого порядка дает выражение $\lambda = b sin \theta$.
Вот как это выглядит в реальности (я использовал «зеленую» лазерную указку с длиной волны 532 нм):
На расстоянии в 43 см от решетки до экрана расстояние от центрального до крайнего пятна составляет 38,5 см, что соответствует углу 42°.
Проверка дает угол, равный 46°. Это практически совпадает с экспериментальным результатом!
Дифракционные пятна от излучения красного лазера удалены от центрального пятна на большее расстояние, что согласуется с вышеприведенной формулой (длина световой волны красного лазера больше, чем зеленого).
Приложив этот фрагмент дифракционной решетки вплотную к камере смартфона, я получил спектрограф:
Вот как выглядит на снимке камеры смартфона спектр излучения лампы дневного света:
Искривление линий спектра обусловлено кривизной бороздок на поверхности оптического слоя DVD-диска.
Вращая импровизированную дифракционную решетку, можно выбрать оптимальный вид и положение спектра.
Наблюдавшиеся мной спектры источников света
Вот так выглядят спектры различных источников, которые я получил с помощью вырезанного фрагмента оптического слоя DVD+R-диска:
спектр солнечного света
спектр, как и следовало ожидать, непрерывен во всей видимой области (от фиолетового до красного цветов):
спектр солнечного света, отраженного от Луны:
спектр пламени спички
непрерывный спектр
спектры ламп накаливания
спектр тоже непрерывен, как и спектр солнечного света:
спектры ламп дневного света (люминесцентных ламп)
лампа дневного света:
при вращении импровизированной дифракционной решетки спектр превращается в полоску, на которой выделяются две линии — в фиолетовой и зеленой области спектра:
это линии излучения ртути — фиолетовая с длиной волны 435,8 нм и зеленая с длиной волны 546,1 нм
спектры КЛЛ (компактных люминесцентных ламп)
спектр дискретен (отчетливо видны несколько повторяющихся контуров спирального корпуса лампы):
при повороте фрагмента оптического слоя и смартфона контура превращаются в полоски:
Колба изнутри покрыта люминофорами, которые под действием ультрафиолетового излучения от разряда в лампе излучают видимый свет (каждый люминофор — в своей полосе спектра, применяются обычно три или четыре люминофора).
Вот как выглядит спектр излучения КЛЛ с цветовой температурой 4000 K в крупном масштабе:
1 — синяя линия
2 — полоса свечения в синей области спектра
3 — голубая линия
4 — зеленая линия
5 — оранжевая линия
6 — красная линия
Сравнительная таблица спектров КЛЛ с различной цветовой температурой:
| Цветовая температура | Спектр |
| 2700 K (warm white) |  |
| 4000 K (cool white) |   |
| 6000 K (day white) |
спектр «белого» светодиода:
спектр светодиодной лампы:
Сравнительная таблица спектров светодиодных ламп с различной цветовой температурой:
| Цветовая температура | Спектр |
| 2700 K (warm white) |  |
| 4000 K (cool white) |  |
| 6000 K (day white) |
спектр расположенных рядом на плате ноутбука индикаторных светодиодов белого и оранжевого цвета:
спектр неоновой лампы
спектры ламп уличных фонарей
Для уличного освещения применяются светильники с лампами:
ДРЛ — дуговая ртутная лампа с люминофорным покрытием («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «Л» — люминофорная) (ртутная лампа высокого давления, РЛВД) (англ. HPL-N, HQL) — излучает белый свет, требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)
ДРВ — дуговая ртутная лампа с вольфрамовой нитью внутри («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «В» — вольфрамовая), чем отличается от ДРЛ (наличие вольфрамовой нити приводит к возникновению бареттерного эффекта, что стабилизирует ток лампы) — излучает тепло-белый свет (цветопередача лучше, чем у ДРЛ)
Выглядят лампы ДРВ и ДРЛ вот так:
А вот вид фонаря с такой лампой:
В лампах ДРЛ и ДРВ разряд излучает зеленый и ультрафиолетовый свет, а люминофор, которым покрыта колба, излучает под действием ультрафиолета красный свет. Сочетание этих цветов дает белый цвет.
ДНаТ — дуговая натриевая трубчатая лампа («Д» — дуговая, «На» -натриевая, «Т» — трубчатая) (натриевая лампа высокого давления (НЛВД)) (англ. HPS) — излучает желтый свет (но в отличие от ДРЛ не имеет пика в красной и ультрафиолетовой областях спектра)
Выглядят лампы ДНаТ так:
Вот такая лампа смонтирована в одном из уличных фонарей:
Сейчас такие лампыы чаще всего используются для уличного освещения.
А вот как выглядит ее спектр:
Спектр этой лампы дискретный, с явным преобладанием красно-желто-зеленой области спектра
Вот так выглядит полученный мной спектр такой лампы в крупном масштабе:
1 — синяя линия
2 — синяя линия
3 — голубая линия около 470 нм
4 — голубая линия около 495 нм
5 — зеленая линия около 570 нм
6 — желтая линия с полосой поглощения около 595 нм
7 — красная линия (около 630 нм)
Полученная картина спектра обладает хорошей линейностью:
А вот спектры еще некоторых таких ламп:
Как видно, здесь наблюдается такая же структура спектра.
ДРИ — металогалогенная (МГЛ) лампа — («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «И» — с излучающими добавками), в ртутные пары добавляется галогенид металла — излучает холодно-белый свет (хорошая цветопередача, но существенный пик в синей области спектра), требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)
Выглядят лампы ДРИ так:
спектр искрового разряда
Вот как выглядит спектр искрового разряда в разряднике моей катушки Тесла:
Иногда можно увидеть и спектр второго порядка, например, для солнечного света:
Также интерес представляет прохождение света через полупрозрачную среду, например, цветной целлофан.
Конструкция DVD-спектроскопа
Для расщепления спектра света используют либо призму (в старых спектроскопах), либо дифракционную решетку (в новых).
Вот так выглядит конструкция спектроскопа, работающего на пропускание:
1 — корпус
2 — щеки щели
3 — щель
4 — прозрачная дифракционная решетка
5 — смотровое отверстие
А вот так устроен спектроскоп, работающий на отражение (англ. reflection spectroscope):
1 — корпус
2 — щеки щели
3 — щель
4 — отражающая дифракционная решетка
5 — смотровое отверстие
В качестве корпуса рекомендуется использовать почтовую коробку (среднего или малого размера), коробку из-под обуви, упаковка из-под овсянки.
Для щек щели рекомендуется использовать либо визитные карточки, либо половинки лезвия. Чем шире щель, тем более расплывчатым будет спектр, чем уже — тем меньше будет яркость спектра. Рекомендуется ширина 0,2 мм.
Для светоизоляции корпуса рекомендуется использовать алюминиевую фольгу или ленту.
На аукционе ebay продается вот такой Diffraction Grating Spectroscope Kit:
Перья птиц как дифракционные решетки
Перо птицы имеет настолько тонкую структуру, что может выступать в роли дифракционной решетки.
Структура птичьего пера показана в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:
s — стержень; a — бородки; st — бородочки
Переплетение бородочек и образует дифракционную решетку.
Я извлек перо из перьевой подушки.
Вот так выглядит структура этого перышка под моим микроскопом из веб-камеры (видны стержень, несущий опахало из бородок (лучей первого порядка) и бородочек (лучей второго порядка)):
Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $\lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:
На расстоянии в 60 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 1 см, что соответствует углу $\theta$ 0,95°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = <\lambda \over
Второе перо мы нашли в саду:
Вот структура пера под моим микроскопом из веб-камеры (1 — светлая область, 2 — темная область):
Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $\lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:
1 — пятно от луча лазера без дифракции;
2 — дифракционная картина
На расстоянии в 19 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 0,7 см, что соответствует углу $\theta$ 2,1°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = <\lambda \over
Радуга
Радуга — сложное оптическое явление, в котором проявляются эффекты как дисперcии, так и дифракции.
Часто наблюдаются основная (1) и вторичная (2) радуги:
Явление радуги объясняетcя совместным действием преломления и дифракции на беспорядочно расположенных шарообразных капельках воды.
Интересные ссылки
koppen/spectro/mk4e.html — описание построения работающего на пропускание CD-спектроскопа
http://www.inpharmix.com/jps/CD_spectro.html — описание построения спектрографов из дисков и ПВХ-труб
журнал «Юный техник» №5 за 2011 год — описана конструкция спектроскопа, работающего на отражение
Продолжение следует
Источник
