Крутой спектроскоп из игрушки с AliExpress своими руками

Хочу поделиться идеей крутой самоделки, с помощью которой можно чуть глубже разобраться в том, что такое видимый свет и как на самом деле «выглядят» разные источники освещения. В ее основе лежит дешевый (~300 рублей на момент написания статьи) спектроскоп с алиэкспресс.

Подробное описание этой игрушки приведено в блоге Star Hunter. Наша задача — превратить ее в настоящий научный прибор, с помощью которого можно будет не только любоваться спектрами излучения разных источников, но и фиксировать их.

Для этого спектроскоп необходимо соединить с зеркальной камерой (в моем случае это Nikon D3300). Это возможно с использованием вот такого байонетного адаптера, который также можно купить на Али. Адаптеры разные для разных моделей фотоаппаратов. Я привожу ссылку на модель для Nikon, однако у китайцев они есть и для всех остальных моделей тоже.

Для начала немного теории. Спектроскоп — это прибор, который разлагает тонкий пучок света с помощью призмы или дифракционной решетки на несколько составляющих с разной длинной волны (здесь можно узнать о принципах работы спектроскопа поподробнее). Вот как это можно изобразить графически:

Принцип работы оптической системы спектроскопа.
Принцип работы оптической системы спектроскопа.

Тонкая щель отсекает небольшой пучок света. После этого он сжимается линзой коллиматором и проходит сквозь призму. Далее ставится еще одна фокусирующая линза и происходит регистрация полученного спектра.

Это в теории, а вот что нам предлагают братья китайцы на алиэкспресс:

Оптическая схема спектроскопа с алиэкспресс.
Оптическая схема спектроскопа с алиэкспресс.

После защитного стекла (1) стоит зеркальная пластинка (2) с микронной щелью. Далее расположена линза-коллиматор (3) и призма (4). Второй фокусирующей линзы нет, вместо нее еще одна защитная стеклянная пластинка (5).

Китайский спектроскоп с алиэкспресс.
Китайский спектроскоп с Алиэкспресс.

Итак, что нам необходимо сделать. Во-первых, нужно разобрать сам спектроскоп и тщательно промыть оптические детали спиртом. Защитное стекло и его фиксатор на конце трубки нам не понадобятся, их можно выбросить. У купленного на Али байонета для нашей зеркальной фотокамеры необходимо спилить насадку для микроскопа (это легко, т.к. он алюминиевый). Должно получиться вот так:

У купленного на Али байонета необходимо спилить насадку для микроскопа.
У купленного на Али байонета необходимо спилить насадку для микроскопа.

Блок призм в китайском спектроскопе имеет довольно большую щель в месте соприкосновения с корпусом. Ее необходимо заделать, я для этого использовал эпоксидный пластилин. Работать надо аккуратно, скальпелем или тонким лезвием, избегая любого загрязнения рабочей поверхности призмы:

Необходимо заделать щель в месте соприкосновения призмы с корпусом спектроскопа.
Необходимо заделать щель в месте соприкосновения призмы с корпусом спектроскопа.

После этого можно соединять спектроскоп с байонетом. Предварительно необходимо определиться с его положением. На фотоаппаратах Nikon точка фиксатора после закрепления байонета на камере расположена сверху. Для горизонтальной формы получаемых спектров необходимо расположить призму так, чтобы замазанная щель находилась под углом 90 градусов к этой точке. В качестве клея я опять же использовал эпоксидный пластилин, прочность соединения оказалась превосходной:

В качестве клея для соединения спектроскопа с байонетом я использовал эпоксидный пластилин.
В качестве клея для соединения спектроскопа с байонетом я использовал эпоксидный пластилин.

Теперь нам необходимо добавить в оптическую систему спектроскопа фокусирующую линзу. Мне повезло — для этих целей идеально подошла пластиковая линза из китайских VR-очков BoBo VR Z4. На Али такие продаются и отдельно, причем в большом количестве.

Нам необходимо добавить в оптическую систему фокусирующую линзу.
Нам необходимо добавить в оптическую систему фокусирующую линзу.

Действуем исходя из приведенной выше оптической схемы. Выпуклая сторона линзы должна быть обращена к призме, плоская — к мартице фотоаппарата. В моем случае диаметр линзы практически идеально совпал с диаметром байонета. Потребовалась только небольшая обработка краев линзы надфилем (напоминаю, что она сделана из пластика). Для крепления с байонетом использовал остатки эпоксидного пластилина, которые аккуратно разместил по краям байонета. 

Необходимо добавить в оптическую систему спектроскопа фокусирующую линзу.
Необходимо добавить в оптическую систему спектроскопа фокусирующую линзу.

Линзу коллиматора необходимо перевернуть, так как мы изменили оригинальную оптическую систему прибора. Я также чуть расширил щель фиксатора коллиматора со стороны призмы, просверлив отверстие шуруповертом (аккуратно!). Края зачистил скальпелем и тщательно удалил пластиковую пыль и опилки. 

Чуть расширил щель фиксатора коллиматора со стороны призмы для возможности лучшей фокусировки.
Чуть расширил щель фиксатора коллиматора со стороны призмы для возможности лучшей фокусировки.

Все, наш спектроскоп почти готов! Осталось завернуть его в алюминиевый скотч для устранения возможной засветки и установить фокусировку на матрицу фотоаппарата. В качестве источника монохроматического света для калибровки удобно использовать лазер или газоразрядную лампочку-индикатор, какие ставят на выключатели различных удлинителей. Причем последний вариант даже предпочтительней, так как в этом случае мы будем наблюдать сразу несколько спектральных линий. После этого можно окончательно зафиксировать коллиматор алюминиевым скотчем.

Спектроскоп собран и готов к работе!
Спектроскоп собран и готов к работе!

Ну а теперь попробуем посмотреть на что способен наш «малыш» в деле. Возможности у этой игрушки, надо сказать, совсем не детские! Вот спектр зеленой лазерной указки, наблюдаем одну линию — так и должно быть:

Спектр монохроматического света зеленой лазерной указки.
Спектр монохроматического света зеленой лазерной указки.

Теперь попробуем снять спектр атомарного натрия. Для этого достаточно внести на кончике ножа немного поваренной соли в пламя газовой горелки (или обычной плиты). Его свечение при этом приобретет характерный желто-оранжевый оттенок:

Если внести в пламя газовой горелки немного поваренной соли, его свечение приобретет характерный желто-оранжевый оттенок.
Если внести в пламя газовой горелки немного поваренной соли, его свечение приобретет характерный желто-оранжевый оттенок.

Мы повторили знаменитый опыт Кирхгофа. Если присмотреться к спектру повнимательнее — видно две близко расположенные линии. Это так называемый «натриевый дублет» (D1 и D2), пара спектральных линий, впервые описанных немецким физиком  Йозефом Фраунгофером в 1814 году:

Натриевый дублет впервые описанный немецким физиком Йозефом Фраунгофером.
Натриевый дублет, впервые описанный немецким физиком Йозефом Фраунгофером.

Вот как выглядит спектр небольшой газоразрядной индикаторной лампы из обычного удлинителя: 

Спектр газоразрядной индикаторной лампы из обычного сетевого удлинителя.
Спектр газоразрядной индикаторной лампы из обычного сетевого удлинителя.

Спектр лампы высокого давления для уличного освещения из фонаря за окном:

Спектр лампы высокого давления для уличного освещения из фонаря за окном.
Спектр лампы высокого давления для уличного освещения из фонаря за окном.

А вот спектр лампы накаливания сплошной, никаких линий в нем нет:

Спектр лампы накаливания сплошной и не содержит отдельных линий.
Спектр лампы накаливания сплошной и не содержит отдельных линий.

Спектр китайского ультрафиолетового светодиода:

Спектр китайского ультрафиолетового диода.
Спектр китайского ультрафиолетового диода.

И китайского декоративного плазменного шара с Али:

Спектр китайского декоративного плазменного шара с Алиэкспресс.
Спектр китайского декоративного плазменного шара с Алиэкспресс.

И, наконец, спектр нашей главной звезды — Солнца:

Спектр нашей главной звезды — Солнца. Прекрасно видны многочисленные линии поглощения Фраунгофера.
Спектр нашей главной звезды — Солнца. Прекрасно видны многочисленные линии поглощения Фраунгофера.

Таким образом, даже простейшее оптическое устройство, сделанное китайцами, может быть превращено в мощнейший исследовательский прибор. Дерзайте, и да прибудет с вами сила научного знания!

p.s. Сделал анимированный gif-файл, показывающий как меняется спектр излучения разноцветного светодиодного ночника. Получилось весьма захватывающе:

Изменение спектра излучения разноцветного светодиодного ночника.
Изменение спектра излучения разноцветного светодиодного ночника.
 

Comments are closed.