спектрометр

История

Первый прообраз спектрометра — стеклянная призма, которую использовал Исаак Ньютон в 1666 году для разложения солнечного света. Позже Джозеф фон Фраунгофер добавил дифракционную решётку и увидел тёмные линии в спектре Солнца.

Как работает

Свет проходит через узкую щель и попадает на элемент, разделяющий его по длинам волн — это может быть призма (преломляет сильнее фиолетовый) или дифракционная решётка (отражает разные цвета под разными углами). Детектор записывает, сколько света пришло на каждый микроскопический участок. Так строится спектр — график яркости в зависимости от длины волны.

История

Первый прообраз спектрометра — стеклянная призма, которую использовал Исаак Ньютон в 1666 году для разложения солнечного света. Позже Джозеф фон Фраунгофер добавил дифракционную решётку и увидел тёмные линии в спектре Солнца.

Как работает

Свет проходит через узкую щель и попадает на элемент, разделяющий его по длинам волн — это может быть призма (преломляет сильнее фиолетовый) или дифракционная решётка (отражает разные цвета под разными углами). Детектор записывает, сколько света пришло на каждый микроскопический участок. Так строится спектр — график яркости в зависимости от длины волны.

История

История спектрометра началась с опытов Исаака Ньютона в 1666 году, который разложил солнечный свет призмой. Термин «спектр» ввёл Ньютон, назвав цветную полосу «привидением» (spectrum). В 1814 году Джозеф фон Фраунгофер, заменив призму дифракционной решёткой собственного изготовления, обнаружил тёмные линии в солнечном спектре (фраунгоферовы линии) и измерил их длины волн. Это положило начало астроспектроскопии. В 1859 году Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен создали первый спектроскоп с газовой горелкой и призмой, связав спектральные линии с химическими элементами. В XX веке развитие электроники привело к фотоэлектрической регистрации. Сегодня космические обсерватории оснащены спектрометрами, работающими от рентгеновского до инфракрасного диапазона (например, прибор STIS на телескопе Хаббл).

Как работает

Принцип оптического спектрометра: исследуемое излучение через входную щель попадает на коллиматор, который формирует параллельный пучок. Далее пучок падает на диспергирующий элемент — например, отражательную дифракционную решётку с нанесёнными рисками. Согласно условию дифракции d(sin α ± sin β) = mλ, где d — период решётки, α и β — углы падения и дифракции, m — порядок, свет разных длин волн отклоняется на разные углы. Затем фокусирующее зеркало строит изображения щели в монохроматическом свете на детекторе (ПЗС-линейке или матрице). Интенсивность сигнала с каждого пикселя пропорциональна потоку фотонов с соответствующей длины волны. Калибровка преобразует номер пикселя в длину волны. Альтернативный тип — Фурье-спектрометр: используется интерферометр Майкельсона, где измеряется интерферограмма (зависимость интенсивности от разности хода), а спектр восстанавливается Фурье-преобразованием. Достоинство — высокое разрешение и светосила.

Открытые проблемы и интересные факты

Уменьшение размеров спектрометров до чип-формата (микроспектрометры) с сохранением высокого разрешения для портативных устройств.; Подавление шумов и увеличение динамического диапазона для обнаружения экзопланетных атмосфер методом транзитной спектроскопии.; Создание спектрометров для дальнего ультрафиолета и рентгена с угловым разрешением, достаточным для спектроскопии отдельных источников в скоплениях.

💡 Спектрометр на зонде «Кассини» обнаружил водяные гейзеры на Энцеладе, анализируя рассеянный свет; его разрешение позволяло отличить линии водяного пара от примесей аммиака и метана.