Что такое монохроматор? 

Монохроматор — это оптический компонент, который используется для получения пучка света с очень узкой полосой пропускани — фактически света одного цвета. Способ, которым это достигается, зависит от области применения — наиболее распространенным методом является изгиб нежелательных длин волн в сторону от первоначального пути, чтобы их можно было блокировать.

Этот метод предпочтителен для большинства технических сценариев, поскольку длина волны, которая передается, может быть настроена —это обеспечивает простую и более доступную альтернативу перестраиваемому лазеру.

Конструкции монохроматоров

Монохроматоры Черни-Тернера состоят из плоской дифракционной решетки, двух маленьких щелей и двух вогнутых зеркал. Входящий белый свет проходит через первую щель, коллимируется (пучки света становятся параллельными) первым зеркалом, затем отражается от плоской решетки.

Поверхность дифракционной решетки специально разработана для отражения света разных длин волн под разными углами, что позволяет рассеивать белый свет (в старых моделях для этого использовалась призма). Второе зеркало отражает свет на вторую щель, фокусируя единственную, узкую полосу длин волн на щели, так что другие длины волн не могут пройти через нее.

Монохроматоры Фасти-Эберта состоят из одного сферического зеркала, а не из двух меньших, вместе с плоской решеткой. Две отдельные части большого зеркала используются для коллимации входящего света и фокусировки исходящего света соответственно.

Одно зеркало делает эту конструкцию более дешевой в производстве, чем монохроматоры Черни-Тернера, но приводит к снижению качества изображения из-за аббераций.

Абберации монохроматора

Абберации — это искажения света, излучаемого монохроматором, вызванные физическими характеристиками монохроматора — дефекты поверхностей или неправильно отрегулированные компоненты могут усилить абберации, но искажения редко удается устранить полностью.

Абберации проявляются как потеря разрешения на определенных длинах волн или повышенный шум. Основными типами аббераций, которые регулярно встречаются при работе с монохроматорами, являются:

• Астигматизм — луч с незначительной шириной в двух измерениях, падающий на поверхность под углом к нормали, создаст две фокальные точки в выходящем луче.
• Дефокусировка — лучи, выходящие из монохроматора, фокусируются в точке, удаленной от детектора.
• Сферическая абберация — лучи из центра изогнутой поверхности имеют другую фокусную точку, чем лучи от краев поверхности.
• Кома — лучи искривлены в плоскости дисперсии, что повышает уровень шума на одной стороне спектральной линии.

Спектрометры, спектрографы и другое оптическое оборудование, использующее монохроматоры, должны корректировать эти отклонения для достижения хороших, точных измерений во всем спектре.  Хорошим примером является спектрограф IsoPlane от Princeton Instruments, который разработан для коррекции всех аббераций, присущих конструкции монохроматора.

Применение монохроматоров

Монохроматоры широко используются в спектроскопии и спектрофотометрии. Световой детектор на месте выходной диафрагмы может захватить весь свет за один проход, что позволяет быстро измерить спектральный профиль образца. В качестве альтернативы, детектор, установленный для захвата света, выходящего из выходной щели, в паре с возможностью сканирования, может обеспечить чрезвычайно высокое разрешение. Сканирование длины волны чаще всего достигается путем вращения плоской решетки. Оба эти метода широко распространены во флуоресцентной и абсорбционной спектроскопии.

Кроме спектроскопии монохроматоры могут применяться для измерений во флюоресцентной микроскопии, предоставляя возможность быстро и гибко контролировать условия освещения при наблюдении различных образцов.

Монохроматоры также могут использоваться для получения перестраиваемого узкополосного света в ситуациях, когда перестраиваемый лазер слишком дорог или непрактичен.