Дифракционные решетки. Мой самодельный спектроскоп или как определить спектр источника света?

Для исследования спектральных свойств различных источников света я решил построить DVD-спектроскоп. Как же сделать спектроскоп своими руками?

Спектроскоп (англ. spectroscope) предназначен для визуального наблюдения спектров, спектрограф (англ. spectrograph) - для фотографирования спектров.

DVD как дифракционная решетка

Диск DVD+R (DVD+RW) состоит из двух слоев: оптического (2) и отражающего (1).
слои DVD

Я разделил их с помощью ножа:
разделение слоев DVD

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 фрагмент:
дифракционная решетка из DVD

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):
дифракция лазера

5 - пятно нулевого порядка;
6 - пятна первого порядка

Вот как это выглядит в реальности (я использовал "зеленую" лазерную указку с длиной волны 532 нм):
дифракция лазерной указки

На расстоянии в 43 см от решетки до экрана расстояние от центрального до крайнего пятна составляет 38,5 см, что соответствует углу 42°.

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).

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.

Впервые дифракционную решетку для наблюдения спектра белого света применил Йозеф Фраунгофер (Joseph Fraunhofer).

Также поднеся этот фрагмент дифракционной решетки вплотную к камере смартфона, я увидел спектр излучения лампы дневного света:
спектр лампы дневного света

Искривление линий спектра обусловлено кривизной бороздок на поверхности оптического слоя DVD-диска.
Если наклонить решетку и смартфон, то можно видеть отдельные линии спектра:
линии спектра

Вращая импровизированную дифракционную решетку, можно выбрать оптимальный вид и положение спектра.

Вот так выглядит спектр лампы накаливания, который я получил с помощью вырезанного фрагмента оптического слоя DVD+R-диска:
спектр лампы накаливания

А вот так - солнечного света:
спектр солнечного света

Спектр КЛЛ (компактной люминесцентной лампы) дискретен (отчетливо видны три повторяющихся контура спирального корпуса лампы):
спектр КЛЛ

При наблюдении через красные очки видна только красная часть спектра:
наблюдение спектра лампы

Спектр белого участка LCD-монитора выглядит так:
спектр монитора

Вот такой вид имеет спектр "белого" светодиода:
спектр белого светодиода
Отчетливо видна повышенная яркость синего цвета (так как внутри находится именно "синий" светодиод).

Спектр светодиодной ламп выглядит так:
спектр светодиодной лампы

А вот спектр расположенных рядом на плате ноутбука индикаторных светодиодов белого и оранжевого цвета:
спектр светодиодов

Спектр неоновой лампы тоже дискретен:
спектр неоновой лампы

Очень интересен спектр ламп уличных фонарей:
спектр уличного фонаря
спектр уличного светильника

Для уличного освещения применяются светильники с лампами:
ДРЛ - дуговая ртутная лампа с люминофорным покрытием, высокого давления - излучает белый свет
ДРВ - дуговая ртутная вольфрамовая лампа
ДНаТ - дуговая натриевая трубчатая лампа - излучает желтый свет с преобладанием красного
ДРИ - металогалогенная лампа - излучает холодно-белый свет

Иногда можно увидеть и спектр второго порядка, например, для солнечного света:
спектр второго порядка

Также интерес представляет прохождение света через полупрозрачную среду, например, цветной целлофан.

На аукционе ebay продаются дифракционные голографические решетки с шагом 1, 2 и 1,88 мкм:
дифракционная решетка
и вот такой Diffraction Grating Spectroscope Kit:
набор для спектроскопа

 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:

спектроскоп
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):

самодельный спектроскоп

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.

Мой DVD-спектроскоп

Я решил построить спектроскоп, работающий на пропускание.

Опыты с DVD-спектроскопом

Интересные ссылки

http://astro.u-strasbg.fr/~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

Яндекс.Метрика