Дифракционни решетки. Домашен спектроскоп или как да определите спектъра на светлинен източник?

Спектрални инструменти - спектроскопи, спектрографи и спектрометри - се използват за изследване на спектралните свойства (регистрация на спектъра) на различни източници на светлина. Спектроскопът е предназначен за визуално наблюдение на спектрите, спектрографът е за фотографиране на спектри, спектрометърът е за определяне на позицията на отделни спектрални линии или регистриране на спектъра като крива.
Ето как се тълкуват тези термини в „Речник на чужди думи“, публикуван в Москва през 1954 г .:

Как да направите спектроскоп със собствените си ръце?

Дифракционни решетки - естествени и изкуствени

Един от начините за наблюдение на спектралния състав на светлината е да се използва дифракционна решетка, която е повърхност, върху която се прилагат голям брой редовно (чрез разстоянието между решетката $ b $) подредени жлебове/процепи/издатини. На дифракционната решетка се наблюдава явлението на дифракция в процепа (дифракция на Фраунхофер) - отклонения от законите на геометричната оптика.

За първи път дифракционната решетка беше използвана от Джеймс Грегъри, който използваше птиче перо като решетка. Той прокара слънчева светлина през перото и видя разпадането му в съставните му цветове. Също така, цветовете на крилата на много пеперуди се дължат на явлението дифракция.

Изкуствена дифракционна решетка с площ от 0,5 кв. ин. е създаден за първи път от изобретателя от Филаделфия Дейвид Ритънхаус през 1875 г. - от 50 опънати косъма (разстоянието между решетките е 250 микрона) и той успява да наблюдава спектри от шестия ред.

Дейвид Ритънхаус

И ето как са описани проявите на дифракция в ежедневието в енциклопедичния речник на Брокхаус и Ефрон:

В ebay се продават дифракционни холографски решетки със стъпка 1, 2 и 1,88 микрона:

DVD като дифракционна решетка

Но можете сами да направите дифракционна решетка. DVD диск!

DVD + R (DVD + RW) диск има два слоя: оптичен (2) и отразяващ (1).

Разделям ги с нож:

В DVD-R диск слоевете имат ясна граница помежду си и доста лесно се отделят един от друг, за разлика от CD-R диска:

Като дифракционна решетка можете да използвате както оптични (за предаване - прозрачна решетка), така и отразяващи (за отражение - отразяваща решетка, английска отразяваща решетка) слоеве.

Константата на такава решетка (стъпка между ударите) за DVD е 0,74 μm (за CD - 1,6 μm).

Изрязах фрагмент от оптичния слой на DVD + R диска, получавайки импровизирана прозрачна дифракционна решетка:

Дифракцията може да се наблюдава чрез насочване на лъч (2) от лазерен указател (1) към този фрагмент (3). В този случай на екрана се появяват не едно, а три петна - максимумът (4,5,6):

5 - място с нулев ред;
6 - петна от първа поръчка

Когато лъч с дължина на вълната $ \ lambda $ пада върху решетката под ъгъл $ i $ спрямо нормалата на решетката, максимумите се получават под ъглите $ \ theta $, определени от съотношението:
$ k \ lambda = b (sin i + sin \ theta) $, където $ k $ е редът на спектъра, $ b $ е решетъчната константа (стъпка между ударите).
За случая на падане на лъч от светлина под прав ъгъл, формулата се трансформира в:
$ k \ lambda = b sin \ theta $, което за място от първи ред дава израза $ \ lambda = b sin \ theta $.

Ето как изглежда в действителност (използвах "зелен" лазерен показалец с дължина на вълната 532 nm):

На разстояние 43 cm от решетката до екрана, разстоянието от централното място до най-външното място е 38,5 cm, което съответства на ъгъл от 42 °.
Тестването дава ъгъл от 46 °. Това е практически мачове с експериментален резултат!

Дифракционни петна от радиация червен лазер, отстранен от централното място на по-голямо разстояние, което е в съответствие с горната формула (дължината на вълната на светлината на червения лазер е по-дълга от зелената).

Кривината на спектърните линии се дължи на кривината на каналите на повърхността на оптичния слой на DVD диска.

Чрез завъртане на импровизираната дифракционна решетка можете да изберете оптималния изглед и положение на спектъра.

Спектри на източници на светлина, които наблюдавах

Ето как изглеждат спектрите на различни източници, които получих с помощта на изрязания фрагмент от оптичния слой на DVD + R диск:

спектър на слънчева светлина

спектърът, както бихте очаквали, е непрекъснат в цялата видима област (от виолетово до червено):

спектър на слънчева светлина, отразена от луната:

гама от мачове на пламъка

непрекъснат спектър

спектри на лампи с нажежаема жичка

спектърът също е непрекъснат, подобно на спектъра на слънчевата светлина:

спектри на флуоресцентни лампи (флуоресцентни лампи)

лампа за дневна светлина:

когато импровизираната дифракционна решетка се завърти, спектърът се превръща в лента, на която се открояват две линии - във виолетовата и зелената области на спектъра:

това са емисионните линии на живак - виолетово с дължина на вълната 435,8 nm и зелено с дължина на вълната 546,1 nm

CFL спектри (компактни флуоресцентни лампи)

спектърът е дискретен (ясно се виждат няколко повтарящи се контура на корпуса на спиралната лампа):

Вътрешността на крушката е покрита с фосфори, които под въздействието на ултравиолетовото лъчение от разряда в лампата излъчват видима светлина (всеки фосфор е в свой собствен спектър, обикновено се използват три или четири фосфора).

Ето как изглежда спектърът на CFLs с цветна температура 4000 K в голям мащаб:

1 - синя линия
2 - луминесцентна лента в синята област на спектъра
3 - синя линия
4 - зелена линия
5 - оранжева линия
6 - червена линия

Сравнителна таблица на CFL спектрите с различни цветови температури: