Дифракционные решетки. Самодельный спектроскоп или как определить спектр источника света?

Для исследования спектральных свойств (регистрации спектра) различных источников света применяются спектральные приборы - спектроскопы, спектрографы и спектрометры. Спектроскоп (англ. spectroscope) предназначен для визуального наблюдения спектров, спектрограф (англ. spectrograph) - для фотографирования спектров, спектрометр (англ. spectrometer) - для определения положения отдельных спектральных линий или регистрации спектра в виде кривой.
Вот как эти термины трактуются в "Словаре иностранных слов" , изданном в Москве в 1954 году:

Как же сделать спектроскоп своими руками?

Дифракционные решетки - естественные и искусственные

Одним из способов наблюдения спектрального состава света является использование дифракционной решетки, представляющей собой поверхность, на которую нанесено большое число регулярно (через шаг решетки $b$) расположенных штрихов/щелей/выступов. На дифракционной решетке наблюдается явление дифракции на щели (дифракция Фраунгофера) - отклонения от законов геометрической оптики.

Впервые дифракционную решетку применил Джеймс Грегори (James Gregory), использовавший в качестве решётки птичье перо. Он пропускал через перо солнечный свет и увидел его разложение на составлящие цвета. Также цвета крыльев многих бабочек обусловлены явлением дифракции.

Искусственную дифракционную решетку площадью 0,5 кв. дюйма впервые создал изобретатель из Филадельфии Дэвид Риттенхаус (David Rittenhouse) в 1875 году - из 50 натянутых волосков (шаг решетки составил 250 мкм), причем он смог наблюдать спектры шестого порядка.

Дэвид Риттенхаус

А вот как описаны проявления дифракции в быту в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:

На аукционе ebay продаются дифракционные голографические решетки с шагом 1, 2 и 1,88 мкм:

DVD как дифракционная решетка

Но дифракционную решетку можно сделать и самому из ... DVD-диска!

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

Я разделил их с помощью ножа:

В DVD-R-диске слои имеют четкую границу между ними и достаточно легко отделяются друг от друга, в отличие от CD-R-диска:

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 диска DVD+R фрагмент, получив импровизированную прозрачную дифракционную решетку:

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):

5 - пятно нулевого порядка;
6 - пятна первого порядка

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).
Для случая падения луча света под прямым углом формула преобразуется к виду:
$k \lambda = b sin \theta$, что для пятна первого порядка дает выражение $\lambda = b sin \theta$.

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

На расстоянии в 43 см от решетки до экрана расстояние от центрального до крайнего пятна составляет 38,5 см, что соответствует углу 42°.
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 (длина световой волны красного лазера больше, чем зеленого).

Приложив этот фрагмент дифракционной решетки вплотную к камере смартфона, я получил спектрограф:

Вот как выглядит на снимке камеры смартфона спектр излучения лампы дневного света:

Искривление линий спектра обусловлено кривизной бороздок на поверхности оптического слоя DVD-диска.

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

Наблюдавшиеся мной спектры источников света

Вот так выглядят спектры различных источников, которые я получил с помощью вырезанного фрагмента оптического слоя DVD+R-диска:

спектр солнечного света

спектр, как и следовало ожидать, непрерывен во всей видимой области (от фиолетового до красного цветов):

спектр солнечного света, отраженного от Луны:

спектр пламени спички

непрерывный спектр

спектры ламп накаливания

спектр тоже непрерывен, как и спектр солнечного света:

спектры ламп дневного света (люминесцентных ламп)

лампа дневного света:

при вращении импровизированной дифракционной решетки спектр превращается в полоску, на которой выделяются две линии - в фиолетовой и зеленой области спектра:

это линии излучения ртути - фиолетовая с длиной волны 435,8 нм и зеленая с длиной волны 546,1 нм

спектры КЛЛ (компактных люминесцентных ламп)

спектр дискретен (отчетливо видны несколько повторяющихся контуров спирального корпуса лампы):

при повороте фрагмента оптического слоя и смартфона контура превращаются в полоски:

Колба изнутри покрыта люминофорами, которые под действием ультрафиолетового излучения от разряда в лампе излучают видимый свет (каждый люминофор - в своей полосе спектра, применяются обычно три или четыре люминофора).

Вот как выглядит спектр излучения КЛЛ с цветовой температурой 4000 K в крупном масштабе:

1 - синяя линия
2 - полоса свечения в синей области спектра
3 - голубая линия
4 - зеленая линия
5 - оранжевая линия
6 - красная линия
 

Сравнительная таблица спектров КЛЛ с различной цветовой температурой:

Цветовая температура	Спектр
2700 K (warm white)
4000 K (cool white)
6000 K (day white)

спектры светодиодов

спектр "белого" светодиода:

спектр светодиодной лампы:

Сравнительная таблица спектров светодиодных ламп с различной цветовой температурой:

Цветовая температура	Спектр
2700 K (warm white)
4000 K (cool white)
6000 K (day white)

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

спектр неоновой лампы

спектры ламп уличных фонарей

Для уличного освещения применяются светильники с лампами:
ДРЛ - дуговая ртутная лампа с люминофорным покрытием ("Д" - дуговая, "Р" - ртутная, "Л" - люминофорная) (ртутная лампа высокого давления, РЛВД) (англ. HPL-N, HQL) - излучает белый свет, требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)
ДРВ - дуговая ртутная лампа с вольфрамовой нитью внутри ("Д" - дуговая, "Р" - ртутная, "В" - вольфрамовая), чем отличается от ДРЛ (наличие вольфрамовой нити приводит к возникновению бареттерного эффекта, что стабилизирует ток лампы) - излучает тепло-белый свет (цветопередача лучше, чем у ДРЛ)

Выглядят лампы ДРВ и ДРЛ вот так:

А вот вид фонаря с такой лампой:

В лампах ДРЛ и ДРВ разряд излучает зеленый и ультрафиолетовый свет, а люминофор, которым покрыта колба, излучает под действием ультрафиолета красный свет. Сочетание этих цветов дает белый цвет.

ДНаТ - дуговая натриевая трубчатая лампа ("Д" - дуговая, "На" -натриевая, "Т" - трубчатая) (натриевая лампа высокого давления (НЛВД)) (англ. HPS) - излучает желтый свет (но в отличие от ДРЛ не имеет пика в красной и ультрафиолетовой областях спектра)

Выглядят лампы ДНаТ так:

Вот такая лампа смонтирована в одном из уличных фонарей:

Сейчас такие лампыы чаще всего используются для уличного освещения.

А вот как выглядит ее спектр:

Спектр этой лампы дискретный, с явным преобладанием красно-желто-зеленой области спектра

Вот так выглядит полученный мной спектр такой лампы в крупном масштабе:

1 - синяя линия
2 - синяя линия
3 - голубая линия около 470 нм
4 - голубая линия около 495 нм
5 - зеленая линия около 570 нм
6 - желтая линия с полосой поглощения около 595 нм
7 - красная линия (около 630 нм)

Полученная картина спектра обладает хорошей линейностью:

А вот спектры еще некоторых таких ламп:

Как видно, здесь наблюдается такая же структура спектра.

ДРИ - металогалогенная (МГЛ) лампа - ("Д" - дуговая, "Р" - ртутная, "И" - с излучающими добавками), в ртутные пары добавляется галогенид металла - излучает холодно-белый свет (хорошая цветопередача, но существенный пик в синей области спектра), требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)

Выглядят лампы ДРИ так:

спектр искрового разряда

Вот как выглядит спектр искрового разряда в разряднике моей катушки Тесла:

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

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

 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:

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):

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.

На аукционе ebay продается вот такой Diffraction Grating Spectroscope Kit:

Перья птиц как дифракционные решетки

Перо птицы имеет настолько тонкую структуру, что может выступать в роли дифракционной решетки.

Структура птичьего пера показана в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:

s - стержень; a - бородки; st - бородочки

Переплетение бородочек и образует дифракционную решетку.

Перо №1

Я извлек перо из перьевой подушки.

Вот так выглядит структура этого перышка под моим микроскопом из веб-камеры (видны стержень, несущий опахало из бородок (лучей первого порядка) и бородочек (лучей второго порядка)):

Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $\lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:

На расстоянии в 60 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 1 см, что соответствует углу $\theta$ 0,95°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = {\lambda \over {sin \theta}}$ составляет 32 мкм.

Перо №2

Второе перо мы нашли в саду:

Вот структура пера под моим микроскопом из веб-камеры (1 - светлая область, 2 - темная область):

Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $\lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:

1 - пятно от луча лазера без дифракции;
2 - дифракционная картина

На расстоянии в 19 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 0,7 см, что соответствует углу $\theta$ 2,1°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = {\lambda \over {sin \theta}}$ составляет 15 мкм.

Радуга

Радуга - сложное оптическое явление, в котором проявляются эффекты как дисперcии, так и дифракции.
Часто наблюдаются основная (1) и вторичная (2) радуги:

Явление радуги объясняетcя совместным действием преломления и дифракции на беспорядочно расположенных шарообразных капельках воды.

Интересные ссылки

http://www.pl.euhou.net/docupload/files/Excersises/WorldAroundUs/Diffraction/Diffraction_on_bird_feather1.doc - описание опытов с дифракцией на птичьих перьях
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