Спектрометры высокого разрешения предназначены для детального анализа спектрального состава света или других излучений с максимально возможным разрешением по частоте или длине волны. Основным критерием разрешающей способности спектрометра является способность различать близко расположенные спектральные линии. Разрешающая способность R определяется как отношение длины волны λ к минимальной разнице длин волн Δλ, различимой спектрометром:
$$ R = \frac{\lambda}{\Delta\lambda}. $$
Для фемтосекундной физики ключевым аспектом является способность фиксировать очень узкие спектральные линии при измерении импульсов длительностью от десятков до сотен фемтосекунд, что требует высокой стабильности оптической системы и минимизации дисперсионных искажений.
1. Призма-спектрометры. Принцип действия основан на дисперсии света в материале с длиноволновой зависимостью показателя преломления. Несмотря на простоту конструкции, разрешающая способность ограничена как геометрическими размерами призмы, так и материалом. В фемтосекундных экспериментах призмы часто используют для компенсации групповой дисперсии и предрасположены к анализу широкополосных спектров.
2. Грат-спектрометры (дифракционные решётки). Используют интерференцию света на периодической структуре для пространственного разложения спектра. Разрешающая способность решётки прямо пропорциональна её количеству линий N и порядку дифракции m:
R = mN.
Современные решётки с числом линий до 3600–7200 на мм позволяют достигать разрешения порядка 105–106, что необходимо для исследования спектральных характеристик ультракоротких импульсов.
3. Фурье-спектрометры. Основаны на интерференции в устройстве типа Мишельсона, где спектр восстанавливается по интерферограмме с использованием преобразования Фурье. Преимущество метода — высокая точность измерения частот при сравнительно компактной конструкции и возможность анализа широкого диапазона частот одновременно. Для фемтосекундных импульсов важно контролировать фазовую стабильность интерферометра.
Высокое разрешение требует тщательной проектировки оптической схемы:
Ключевым компонентом спектрометра высокого разрешения является детектор, который должен сочетать высокую чувствительность с малым шумом и высокой скоростью считывания. Основные типы детекторов:
Важной задачей является синхронизация детекторов с фемтосекундным лазером, чтобы измерения фиксировались строго в момент появления импульса, минимизируя влияние джиттера и дрейфа.
Высокое разрешение спектрометров позволяет исследовать:
Эти возможности делают спектрометры высокого разрешения незаменимым инструментом при исследовании динамики электронов и колебаний атомных ядер на фемтосекундных временных масштабах.