1. Вступление
Спектроскопия — разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии — для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии. К существенным преимуществам спектроскопии можно отнести возможность диагностики непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.

Задача спектроскопии - предсказание вида спектра вещества исходя из знаний о его строении, составе и т.д.. Но возможна и обратная задача: известный спектр, но неизвестный состав. И по спектру можно определить, что за вещество (химический состав, агрегатное состояние (твердое тело, жидкость, газ, плазма), если газ, то можно примерно определить давление, для плазмы температуру и степень ионизации, также можно определить количественные характеристики)

Различают: спектр излучения и спектр поглощения
Для сравнения:

А) Спектр излучения
В) Спектр поглощения
_________________________________________________________________
Спектры твердых тел (далее: тт), молекул, газов (ионов) существенно различаются.
Спектр тт непрерывный.
Вот, к примеру, спектр излучения тела разогретого до 6 000 градусов:

Вообще по спектру тт невозможно определять химический состав. Потому что там есть температурная зависимость. Пик интенсивности перемещается от красного к фиолетового диапазона.
Вот спектр излучения тела разогретого до 10 000 градусов:

А вот для тела разогретого до 3 000 градусов:

По этим графикам это очень отчетливо видно.
___________________________________________________________________
Спектр молекул полосатый. Но определить хим. состав вполне можно.
Вот, к примеру, спектр парафина:

Молекула парафина большая и поэтому спектр более напоминает непрерывный. Но, обратите внимание на синий диапазон (фиолетового нет)! Вот те 2 линии принадлежат молекулам радикалов CH и C2.
Вот спектр углекислого газа (СО2):

Это спектр излучения от бутановой горелки:

Линии принадлежат молекулам радикалов CH и C2.
Это спектр принадлежит горящему спирту:

Так же видно линии, которые принадлежат молекулам радикалов CH и C2. Но видно также линии, которые им явно не принадлежат (это натриевые линии). Просто натрий был в фитиле, а фитиль тоже горел. И вот появился спектр натрия.

Я думаю, благодаря фотографиям теперь очевидно, что такое полосатый спектр и чем он отличается от других (к примеру, от линейчатого). Линии полосатого спектра намного шире, чем для линейчатого.
___________________________________________________________________
У атомов и ионов спектр линейчатый (или по-другому: дискретный) (в принципе у очень малых молекул типа: СО2, N2 и т.д. спектр тоже напоминает линейчатый, но при более детальном исследовании видно, что он полосатый)
Вот примеру этому:

Это спектр водорода. На переднем фоне спектр атома, а на заднем (слабее и очень много линий) это спектр молекулы водорода H2.

Это спектр кадмия:

Это спектр рубидия:

Это спектр цинка:

___________________________________________________________________
Вот ещё пару спектров:
Спектр излучения белого светодиода:

Спектр излучения лазерного диода (660 нм):

Спектр излучения DPSS лазера (532 нм):

____________________________________________________________________

2. Спектры
Спектр излучения (или поглощения) для каждого вещества уникален (связано с энергетическими уровнями молекул/атомов/ионов)
Но на спектр влияет также условия, в которых находится вещество. Ну, к примеру, есть колба с неоном. При разряде с слабым током возникает излучение со спектром:

Это спектр излучения атома неона

Но, допустим, мы увеличиваем ток. И уже некоторая часть атомов неона начинает ионизироваться. Но у иона неона спектр другой (ну, добавляются новые линии, некоторые линии, в принципе, могут исчезать или менять интенсивность).

Вот спектр неона, но это уже смесь (атомы неона и ионы неона):

p.s. Вот почему необходимо следить за спектром излучения трубки гелий-неонового лазера! Газовая смесь как бы сама говорит, что ей не нравится! Если слишком большой ток, то появляются новые линии (преимущественно это касается неона), если есть течь у трубки и в трубку попадают посторонние газы, то тоже появляются другие линии («левые»). Если гелия в трубке мало, то это тоже можно увидеть (в современных трубках это основная проблема! У старых может ещё и натечь, что-то), т.к. линии гелия слабеют

Кому интересно, почему для каждого атома/молекулы/иона свой уникальный спектр, могу посоветовать почитать в книгах:
1. Пихтин А.Н. — Оптическая и квантовая электроника, 2001
2. Ельяшевич М.А. — Атомная и молекулярная спектроскопия, 2001
Ну, или спросить у меня )
____________________________________________________________________
И ещё одно. Часто в спектроскопии (да и не только) можно встретить такую запись: ArI или ArII или FeV. Теперь я объясню, что означает такая запись. Ну, к примеру, к вам попала фотография спектра ArII. Запись ArII означает, что этот спектр принадлежит иону аргона с зарядом +1(т.е. без одного электрона)
И так:
ArI — нейтральный атом аргона (заряд равен 0)
ArII — ион аргона (заряд равен +1)
ArIII — ион аргона (заряд равен +2)
ArIV — ион аргона (заряд равен +3)
FeV — ион железа (заряд равен +4)
____________________________________________________________________
Вот спектры атомов в видимом диапазоне:

Здесь не все линии. Нет слабых! Здесь только основные (сильные) линии для видимого диапазона (400 нм -700 нм)
Кому надо со всеми линиями и спектры ионов (или с интенсивностями), то обращайтесь, у меня есть.
____________________________________________________________________
Я думаю, вам это не помешает:
Это спектр, который видит человеческий глаз с длинами волн:

____________________________________________________________________

3. Самодельные дифракционные решетки

Для работы любого спектроскопа есть 2 самые главные вещи:
1. Наличие диспергируещего элемента (далее: дэ)(если в роли дэ играют решетка или призма)
2. Диафрагма на входе в прибор.
Остальные элементы не очень важны, но с ними качество изображения и разрешающую способность увеличится.
В роли дэ может служить призма дифракционная решетка или интерферометр (в нашем случае не рассматриваем). Решетка предпочтительней, потому что у неё большая разрешающая способность(по сравнению с призмой) и её легче сделать (по сравнению с интерферометром). Но, правда, с призмой будет ярче изображение. Можно и призмы дома делать. Но это гораздо тяжелее (есть, правда, один фокус с зеркалом и водой, но такая призма будет очень не удобной).Если делать спектроскоп с интерферометром(обычно Фабри-Перо), то диафрагма на входе не обязательна. Но для начала надо хотябы сделать с решеткой.Потому что у призм разрешающая способность ниже, а итерферометр делать не так уж легко, не говоря работать с ним.
Есть 2 варианта:
1. Самый простой, быстрый и дешевый. Решетка получится довольно неплохого качества. Неплохая разрешающая способность. Нормальная яркость. Профиль прямоугольный (или напоминающий его). Но штрихи в виде дуг. И из-за этого будут некоторые «аномалии» при работе такой решетки.
2. Сложный, долгий (4-5 часов и не учитывая подготовки!) и дорогой (ну, 5-15 $ за решетку). Количество штрихов /мм вы контролируйте. Качество достижимо практически идеальное (но, разумеется, зависит от ваших рук!). Профиль синусоидальный. Штрихи прямые. Нужно специальное приспособление (ну, там: лазер, некоторая оптическая схема)
____________________________________________________________________
Метод №1
Не секрет, что оптические диски могут служить как неплохие дифракционные решетки. При использовании разных типов дисков, мы получаем решетки с разными количествами штрихов /мм.
Вот справочные данные:
625 штрихов/мм — CD(700 МБ)
633 штрихов/мм — CD(800 МБ)
1351 штрихов/мм — DVD
3125 штрихов/мм — Blu ray
____________________________________________________________________
Для CD:
1. Находим ненужную болванку (можно пустую, а можно и записанную) и желательно пустую, и относительно новую. Со старыми будут проблемы!

2. С помощью ножниц разрезаем диск на 2 половинки:

В принципе это уже и есть дифракционной решеткой, работающей на отражение. Но если вам интересно сделать решетку на пропускание, то продолжим дальше. Обратите внимание на края. Там где вы разрезали. Пленка алюминиевая начинает отходить. Для решеток, которые будут работать на отражение это плохо. У меня такое произошло, потому что диск старый (ему 2 года). С новыми такое гораздо реже случается.
3. Берем скотч. Отрезаем кусок скотча и наклеиваем на кусок от диска (на ту часть, где этикетка (картинка)!!!). Наклеивать по всей площади этикетки!

4. Отдираем скотч.
Вот как показано здесь:

Всё нормально, фольга и должна со скотчем остаться!
В результате получим такое:

Если остаются остатки пленки на решетке, то не вздумайте её отдирать скотчем. Если вы наклеите на рабочую поверхность (после того как удалили пленку) скотч, то потом будут следы от него, которые уже не возможно будет удалить! Попробуйте её снять аккуратно ногтем. Или чем-то другим, но оно должно быть достаточно мягким, но чтобы можно было счистить остатки пленки и не острым.

Если вы делаете такую решетку на отражения, то могут возникнуть проблема. Когда вы разрезали диск на 2 части, а диск у вас достаточно старый (хотя такое может произойти и на не качественных новых), то на краях, где вы резали, будет отслаиваться алюминиевая пленка.
Вот как показано здесь:


Проблема заключается в том, что если нечего не делать дальше, то пленка может и дальше отслаиваться.
Решение есть такое:
1. Берем скотч, отрезаем кусок примерно такой же, как указано на фотографии ниже. И очень аккуратно наклеивается на диск (на ту же сторону, что и на фотографии)


2. Отрезаем излишки скотча

3. И та часть скотча, которая выступает за край диска (когда вы отрезали излишки скотча, то надо чтобы некоторая часть потом выступала за края диска) прижимаем к самому диску. В результате должно получиться такое:


Это продлит жизнь таких решеток.

Вот теперь у вас есть решетка, работающая на пропускание с периодом:

1.6 мкм для CD(700 МБ)
1.58 мкм для CD(800 МБ)

____________________________________________________________________
Для DVD:
Здесь сложнее. Просто взять и отрезать кусок от диска не прокатит. Потери слишком большие.
И так:
1. Находим ненужную болванку(можно пустую, а можно и записанную). Я предпочитаю брать пустые болванки компании:

Так как с них получаются очень хорошие решетки. И качество этих болванок очень высокое. А пустые потому что, меньше риск, что алюминиевая пленка начнет отслаиваться. Ну, а вы берите какие хотите. Только если болванка плохого качества, то решетки может не выйти. Читайте дальше почему.
2. С помощью хороших ножниц делаем из одной болванке — две болванки! Отрезать лучше всего посередине!

3. Берем одну половинку и в торец и пытаемся просунуть ноготь (я обычно так и делаю) или остриё ножа. Там в реале 2 диска. Они спрессованные в один. А ногтем или ножиком мы их разделяем и у нас получается 2 половинки диска.

И разделяйте эти слои.


В итоге вы должны получить это:

И не переживайте если увидите это:

Всё нормально.

Но если диск плохого качества, то может начать отслаиваться пленка алюминия. Вот как здесь:

То это уже всё — напрасно убили болванку.

Одна часть, в принципе, уже может работать как решетка на пропускание (теоретически её ещё можно помыть спиртом, только спиртом!но на практике яркость изображения потом падает). На этой половинке вполне вероятно, что и вовсе нет решетки. Но за счет, что там остается фоторезист, который повторяет контура дорожек и происходит дифракция. А вторую надо немного доделать.
4. Мы решили сделать решетку с очень низкими потерями. Для этого там нужна та часть, где осталась алюминиевая пленка с основной частью фоторезиста.
Вот эта половинка диска:

Берем ацетон или спирт. Также берем ватку (ну или что-то другое, только оно должно впитывать растворитель и не растворятся в нем). Макаем ватку в растворитель и протираем поверхность. Это необходимо делать крайне осторожно! И сильно не нажимать! Желательно обеспечить минимально трение. Потому что тогда будет отдираться пленка (хотя, если диск хреновый она и так отойдет)! А это очень хреново. Придется всё заново делать!
Вот, что мы в результате должны получить:

Слева 2 пропускающих решетки. А справа 2 отражающие решетки со снятым фоторезистом. Те темные точки на отражающих решеток, это следы влаги. Они легко устраняются.

Кстати, так можно проверять качество дисков. Но посмертно .
Вот теперь у вас есть решетки на пропускание и отражение с периодом 0.74 мкм!
____________________________________________________________________
Для Blu ray:
Про Blu ray я практически ничего не могу сказать. Я их в живую не видел. И поэтому алгоритма как сделать с них решеток я пока не даю. Мне известно только то, что их можно приспособить для наблюдения спектров и есть основание полагать, что они имеют такую же структуру, как и DVD (2 спрессованных диска). Как попадется она мне в руки, я напишу.
____________________________________________________________________
Метод №2

Не задавали ли вы себе вопрос: что такое голограмма? По сути это дифракционная решетка, но это очень хитрая дифракционная решетка!
Вот фотография, голографическая пластинка с записанной голограммой под электронным микроскопом:

Это лишь малый её участок. Как видно по фотографии такая решетка очень сложна. Но нам не требуется, чтобы штрихи на решетки не описывали какие-то сложные узоры. Нам нужно, чтобы они были прямые! Такое можно сделать. Для начала необходимо вообще познать теорию записи голограмм.

Вот рекомендуемые ссылки:
http://www.holography.ru/techrus.htm
http://lasers.org.ru/laser-effects-shows/71-holographypart1.html
http://lasers.org.ru/laser-effects-shows/72-holographypart2.html

Я не буду касаться технологии записи голограмм. Алгоритм записи голографической решетки такой же, как и для голограммы. Только схема установки другая. Метод Денисюка для записи голографических дифракционных решеток не подходит. Там свой метод.
Вот схема установки для записи голографических дифракционных решеток:

Два когерентных пучка получаются после отражения от зеркала 1 при делении излучения лазера на зеркале 2. Затем отражательные зеркала 3, 4, 7, 5 и 8 формируют два сходящихся пучка, которые расширяются с помощью микрообъективов 6 и 9 и коллимируются объективами 10 и 11. Зеркала 3 и 4 необходимые для того, чтобы были одинаковые оптически длины пути. Но идеально уравнять их не получится и здесь в дело вступает длина когерентности. Конструкция должна быть защищенная от вибраций! Голографические пластинки не должны быть сенсибилизированы для одной длины волны. Необходимо, чтобы они были сенсибилизированы для нескольких длин волн или небыли вовсе не сенсибилизированы (это лучше всего!). Для большой эффективности у используемых фотопластинках толщина эмульсионного слоя должна быть побольше (но в меру). Скажем, хорошо подходят те пластинки, которые предназначены для записи методом Денисюка (там эмульсионный слой достаточно толстый). И разрешающая способность должна быть достаточно высокой. И тут появляются проблемы, для обеспечения максимальной эффективности нужны фазовые голограммы (меняется коэффициент преломления), а не амплитудная (меняется коэффициент поглощения). Нужно использовать пластинки на хромированной желатине (БХЖ) (такие как ПФГ-04(ПФГ-04 — фотопластинки для записи отражающих и пропускающих голограмм на хромированной желатине (БХЖ)). Имеют разрешающую способность более 10 000 лин/мм. Рассчитаны на запись голограмм аргоновым лазером в сине-зеленой области спектра)). Не, ну можно использовать и другие, но решетка не очень получится. Такие пластины можно делать дома. В принципе можно делать и галоидно-серебряные фотопластинки дома, но эти гораздо проще. Хотя и их не совсем просто делать. Для них (голографических фотопластинок на БХЖ) будет оптимально будет использовать лазер на 405 нм.
Вам необходимо изучить, как проявлять пластины ПФГ-04 и им подобные. Для этого зайдите на форум сайта:
http://www.holography.ru
Период будущей решетки можно вычислить по формуле:

P.S. Кстати, есть любопытная информация, что можно улучшить спектр полупроводникового лазера с помощью решетки! И решетки, которые делаются по методу №2 вполне годятся для этого.

В принципе, практически все современные дифракционные решетки производят по голографическому методу. Так дешевле и качественнее, чем нарезные. Профиль у таких решеток синусоидальный. Эффективность, у них, очень высокая.
____________________________________________________________________
Для спектроскопов, работающих в видимой области наилучшая будет решетка на 2 000 — 2 500 штрихов на мм. При очень большом количестве штрихов на мм (ну, скажем 6 000) решетка не сможет работать в видимой области. А с решеткой на 3 000 — 3 500 штрихов на мм будет очень неудобно работать. Но если слишком мало, то будет низкая разрешающая способность решетки. По этому для профессионалов оптимально будет 2 000 — 2 500 штрихов на мм. Но для любителей вполне сойдет 600 — 1 500 штрихов на мм.
____________________________________________________________________

4. Самодельные спектроскопы

Немного теории

Для справки:
Спектроскоп — оптический прибор, предназначенный для наблюдения спектра непосредственно глазом.
Спектрограф — оптический прибор, предназначенный для фиксирования изображения спектра на фото. Роль регистрирующего элемента играет фотопластинка или CCD матрица фотоаппарата.
Монохроматор — оптический прибор, предназначенный для выделения одной длины волны в пределах заданного спектрального диапазона.

Теперь немного теории с решетками.
Допустим, у нас есть решетка, работающая на отражение.
Мы знаем:
1. Под каким углом падает свет на решетку
2. Период решетки (он равен 1/N , где N — количество штрихов на мм)
3. Порядок максимума
4. Угол максимума
Нас будет интересовать длина волны соответствующая этим параметрам.
Это можно вычислить по этой формуле:

n — порядок максимума; может принимать только целые положительные или отрицательные значения, n=0,±1,±2,±3,…
D — период решетки; он равен 1/N , где N — количество штрихов на мм
β — угол падения света на решетку
α — угол максимума (угол между нулевым порядком(n=0) и интересующим порядком)
λ — длина волны

p.s. Могут быть проблемы с кодировкой и греческие символы альфа, лямбда и т.д. могут отображаться не корректно. Если это случилось, то, пожалуйста, сообщите мне

А если решетка работает на пропускание:

только здесь:
d тоже, что и D в формуле выше
ϑm тоже, что и α в формуле выше
ϑ0 тоже, что и β в формуле выше
m тоже, что и n в формуле выше

Давайте рассмотрим простейший случай. Когда свет падает на решетку перпендикулярно. Это означает, что ϑ0 или β (для самой первой формуле) будут равными 0 (обратите внимание, на картинках указано откуда отсчитывается углы!).
Тогда мы получим:

Из выше написанного можно сделать выводы:
1. Вот почему оптимально использовать решетки до 2 000 2 500 штрихов на мм
2. Чем меньшая длина волны, тем слабее отклоняется (с призмой иначе).
3. У решетки параметры линейные. Спектр не искажается (сжимается или расширяется). Потому что зависимость длина волны и угол, на который она отклоняется линейная. А у призмы нет! У призмы зависимость коэффициента преломления от длины волны изменяется нелинейно.
Зависимость коэф. преломления от длины волны (энергии фотона) для кварца:

____________________________________________________________________

Теперь немного практики
Возьмите свою дифракционную решетку (или призму) и попытайтесь увидеть спектр от лампы дневного света.
Вы увидите примерно такое:

Если картинка отличается, то ничего. Смысл здесь другой. Обратите внимание на изображение. Линии размытые. Трудно заметить несколько близко расположенных линий, что это отдельные линии, а не одна. Но не страшно. Нужно просто немного ограничить количество света идущего на наш дэ. Нужно добавить диафрагму (по-другому называют оптический нож, или просто щель). Щель не должна быть круглой, а должна быть прямоугольной. А для того, чтобы не было засветки нужно корпус.
Короче говоря, что-то такое должно быть:
Для решеток работающих на пропускание:

Для решеток работающих на отражение:

1. Изучаемый источник света
2. Диафрагма (щель)
3. Диспергирующий элемент (дэ); в нашем случае решетка.
4. Приемник света

Теперь алгоритм:
1. Ищем хорошую коробку (корпус)
2. Достаем дэ или просто делаем его (в случае решетки)
3. Ищем, в роли чего может выступать диафрагмы. Оно должно быть ровным, не прозрачным (бумага не подходит, оно должно быть из пластика или метала). Хорошо подходят ненужные пластиковые карточки или лезвия.
4. Всё это клеим (скотчем или клеем). Учтите! С решетками надо крайне аккуратно! Их легко поцарапать!

Вот что у меня получилось:
Диафрагма(вид сверху)

Диафрагма(вид снизу)

Теперь посмотрим спектр лампы дневного света:
Решетка на 1351 штрихов/мм:

Это уже другая лампа дневного света:
Решетка на 1351 штрихов/мм:

Решетка на 625 штрихов/мм:

Вот теперь другое дело. Только не повторяйте моей ошибки. Корпус должен быть покрашен черной краской и желательно изнутри. Иначе будет засветка. Особенное внимание уделите передней части.

На счет диафрагмы. Возникает вопрос: какую щель установить? С одной стороны, чем она уже, тем лучше. Разрешающая способность возрастает. Но с другой стороны, меньше света попадает в прибор. А значит, яркость будет меньше. Вот такая проблема. Я рекомендую делать диафрагму регулируемой и настраивать её в зависимости от ситуации. Если нет такой возможности, то устанавливайте её в этих пределах:
1. Для большой яркости источника света: толщина 0.5 — 1 мм (ртутная лампа, натриевая лампа, солнце, и т.д.)
2. Для средней яркости источника света: толщина 1 -1.5 мм (лампа дневного света, лампа накаливания на 30-100 ватт, и т.д.)
3. Для малой яркости источника света: толщина 2 и более мм (трубка гелий-неонового лазера, неоновая лампа, и т.д.)
Диафрагма должна быть вдоль нарезки дорожек! Между диафрагмой и решеткой должно быть не менее 5 см (лучше всего около 10-15 см, почему будет в следующей части).

Это у меня была решетка на пропускание. Для решетки на отражение всё тоже самое. Только нужно вычислить угол её наклона относительно нижней стенки корпуса (на рисунке этот угол помечен как: *)
Если в качестве дэ использовать призму, то надо ещё будет придумать, как её закрепить.

Вот попытка заснять спектр солнца:

Если присмотреться, то видно, что спектр солнца не непрерывный(это спектр поглощения, значит искать темные полосы!). Скоро я заменю на более качественную фотографию. Ну, спектроскоп хоть и игрушечный и фотка получилась не очень (просто солнце тогда не было в прямом поле зрения), но некоторые линии я могу рассмотреть и определить чью они(2 линии водорода, магния, железа, ещё нормально видно 2 линии это скорее всего это гелий)
____________________________________________________________________

p.s. В следующей части точно будет: разрешающая способность, как усовершенствовать свой спектроскоп, оцифровка спектра и анализ на компьютере. И также я может ещё что-то добавлю дополнительно про то, что я уже писал (решетки с Blu ray дисков, голографические диф. решетки, и т.д.). И может быть я расскажу про самодельные интерферометры Майкельсона и Фабри-Перо.
Если есть вопросы, то задавайте.
Меня можно найти здесь:
http://www.lasers.org.ru/forum (Ник: Korol)
Или в крайнем случае здесь:
http://vkontakte.ru/id14028736 (Когда будете добавлять в друзья, то пожалуста сделайте пометку, что вы по поводу статьи по спектроскопии!)
Но лучше будет если через форум.