Серьезное индустриальное воздействие на природную среду привело к тому, что требуется постоянный контроль экологической обстановки для своевременного принятия неотложных мер по сохранению уровня загрязнений окружающей среды в допустимых пределах.
Среди дистанционных методов контроля, являющихся наиболее оперативными и важнейшими, являются - оптические, вследствие их высокой информативности. Они являются единственно возможным инструментом для наблюдения глобальных и долговременных антропогенных изменений состава атмосферы.
Наряду с общими тенденциями развития для всего оптического приборостроения можно отметить некоторые специфические направления в создании спектральных приборов. К таким тенденциям относится дальнейшее совершенствование конструкций классических щелевых дифракционных приборов, а также разработка специализированных спектральных приборов и оптимизация их параметров.
Настоящая работа посвящена исследованию возможности создания оптической системы для малогабаритных спектральных приборов с высокой разрешающей способностью. Приборы с такими характеристиками разрабатываются для оценки состояния окружающей среды и для природно-ресурсных исследований при дистанционных зондированиях Земли из космоса.
Разрешающая способность и линейная дисперсия спектрального прибора влияют как на качественные его характеристики, так и на конструктивные особенности. Поэтому, исследованию этих характеристик посвящено достаточно много работ [2,3]. Из этих работ следует, что повышение разрешающей способности и дисперсии оптических систем достигается введением дополнительных оптических элементов, что приводит к росту габаритных размеров, усложнению кинематических механизмов согласования движений отдельных оптических элементов при сканировании спектра, дополнительным потерям в светосиле и усложнению оптических деталей, что делает их значительно дороже.
В работе [4] предложен способ эффективного повышения линейной дисперсии оптических систем. Для разработки систем малогабаритного монохроматора и повышения практической разрешающей способности в настоящей работе выбран этот способ. Предлагается классическая система спектрального прибора, камерный объектив которого выполнен в виде выпуклого цилиндрического зеркала. Образующая цилиндрическая поверхность этого зеркала расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости дисперсии диспергирующего элемента. Спектральный прибор с таким выполнением камерного объектива (рис.1) может быть использован как прибор с большой разрешающей способностью в полевых условиях и в бортовых системах.
Излучение ртутной лампы через входную щель заполняет дифракционную решетку, которая формирует спектр на поверхности цилиндрического зеркала.
На поверхности зеркала невозможно фиксировать в виде отдельных линии лучей с длиной волны λ+∆λ, λ-∆λ, разрeшенные решеткой. Это связано с реальным пределом разрешения, обусловленным искажениями волнового фронта, проходящего через прибор. Чтобы фиксировать полосы излучения в отдельности, принадлежащие этим лучам, требуется увеличение расстояния между решеткой и зеркалом, что приводит к росту весо- габаритного параметра прибора.
Рис.1. 1 - входная щель; 2 - вогнутая дифракционная решетка; 3 - цилиндрическое зеркало; 4 - выходная щель
Лучи, падающие на сферическую поверхность под разными углами, отражаются, вследствие чего угол между лучами увеличивается, спектр «растягивается» и становится возможным фиксировать в отдельности полосы излучения линий с длинами волны λ+∆λ, λ-∆λ. Поскольку спектральная линия является изображением щели, а спектр - совокупностью этих линий, можно говорить об увеличении угловой дисперсии этих лучей. В дифракционных системах с вогнутой дифракционной решеткой разрешающая способность определяется угловой дисперсией. Поэтому наличие цилиндрического зеркала в классической дифракционной системе с вогнутой решеткой увеличивает разрешающую способность системы.
Для таких систем получено выражение разрешающей способности [5] .
где 
разрешающая способность системы, 
- дисперсия решётки, 
относительное отверстие выходного объектива, D - ширина диафрагмы, f - фокусное расстояние выходного объектива, S´ - и S´´ - расстояние между решеткой и зеркалом, зеркалом и выходной щелью соответственно, r - радиус цилиндрического зеркала, θ - угол между средней линией светового потока (интервала) и нормалью к поверхности спектра.
Из выражения (1) следует, что разрешающую способность системы (при D и A=const) можно повысить увеличением расстояний S´, S´´ и уменьшением радиуса r цилиндрического зеркала. Более эффективным является уменьшение r, так как в этом случае не увеличиваются весо-габаритные параметры прибора, что при создании приборов для дистанционных исследований нежелательно.
Исследованы изменения спектра излучения ртутной лампы ДРШ - 250 в видимой области спектра после отражения от плоского и цилиндрического зеркала, по очередно идентично помещенных на фокальной плоскости дифракционной решетки. Отражённые лучи фиксируются приёмно-регистрирующим устройством. Сканирование спектра осуществляется поворотом дифракционной решетки вокруг оси, проходящей через её вершину. Приемником излучения является ФЭУ-85, спектр регистрируется автоматически одноточечным потенциометром.
В спектре, формированном плоской решеткой и отраженном от плоского зеркала, определяется положение полосы излучений только синей λmax=404-410;435,8nm и зеленой λmax=546,1nm линий. В спектре, формированном вогнутой решеткой и отраженном от цилиндрического зеркала появляется несимметричность полуширины этих полос. С уменьшением диаметра зеркал в отраженном спектре появляются «новые» полосы с хорошо выраженными максимумами (рис.2).
Хорошо изученная [1] зеленая линия ртути возникает в результате перехода 63P2 - 73S1 и насчитывает 14 компонентов, 4 из которых более интенсивные и принадлежат изотопам с четными числами Hg198 , Hg200, Hg202, Hg204. Можно полагать, что наблюдаемые после отражения от цилиндрического зеркала новые полосы излучений принадлежат этим изотопам.
Рис. 2. Спектр ртутных линий, отражённый от цилиндрического зеркала с диаметром d=10nm
Новые полосы излучений, появляющиеся в спектре после отражения от цилиндрического зеркала в синей области, также принадлежат изотопам, так как наличие слабых линий с λmax=434,4nm и 433,9nm в области 435,8nm в литературе имеется.
Результаты вышеизложенных, а также ряда других [5,6] исследований показывают, что использование цилиндрического зеркала в дифракционной оптической системе с вогнутой решеткой, дает возможность использовать высокую разрешающую способность самой решетки. При этом не увеличиваются весо-габаритные параметры системы. С помощью таких систем можно создавать спектральные приборы для дистанционных исследований.
Предложенная оптическая система может быть применена в дисперционных приборах и в других областях оптического диапазона.
Аэрокосмические исследования Земли, физические процессы в верхних слоях атмосферы, астрономические исследования требуют создание новых и усовершенствование существующих спектральных приборов. Эти приборы должны обладать следующими характеристиками: высокая разрешающая способность и светосила, малый весь и габариты, возможность регистрации большого спектрального диапазона. Если учесть еще и отсутствие оптических элементов (фильтры, световоды и т. п.), ослабляющие и искажающие полезный сигнал, простота конструкции, а также возможность изменение ширины полоса пропускания в отдельных каналах, предложенная оптическая система (рис.3) может оказаться полезным, особенно при создании бортовых многоканальных спектральных приборов.
Рис.3. Оптическая система для многоканального бортового спектрометра.
Следует также отметить, что выбирая диспергирующий элемент с высокой разрешающей способностью и цилиндрические зеркала с разными покрытиями, можно создавать малогабаритные спектральные приборы с высокой разрешающей способностью также в других областях оптического диапазона.
Список литературы
- 1. Королев Ф. А., Одинцов В.И. Оптика и спектроскопия 1956. - Т.1. - №1. - с.17.
- 2. Савушкин Н.В., Соколова А.В., Старцев Г.П. ОМП. - 1989. - № 1. - c. 34.
- 3. Скоков И.В. Оптические спектральные приборы М.: «Машиностроение» 1984. - с. 135.
- 4. Дилбазов Т.Г. Авторское свидетельство № 1453187.СССР. БИ 1989. - №3.
- 5. Дилбазов Т.Щ., Йагубзаде Н.Й. Журнал инст. Физики АН Азербайджана «Физика», Баку 2006. - Т.12. - №4. - с.71.
- 6. Yaqubzade N.Y., Abbasova R.B., Süleymanova S.A., Dilbazov T.H. AMAKA xеbеrlеri. - 2006. - № 2. - c.117.