Сделай Сам Свою Работу на 5

Порядок выполнения работы





Лабораторная работа №18

Светофильтры - простейшие монохроматоры света

Принадлежности:

Монохроматор УМ-2; ртутная лампа; неоновая лампа; лампа накаливания; источники питания; набор абсорбционных светофильтров; набор интерференционных светофильтров С1, С2 и СЗ; гониометрический столик.

Цель работы:

Ознакомление с принципами действия основных типов светофильтров-абсорбционных, отражательных, интерференционных и дисперсионных, экспериментальное определение их основных параметров.

Вопросы, ответы на которые необходимо знать для выполнения работы:

1.Что называется оптическим светофильтром?

2. Какие оптические явления лежат в основе конструкции светофильтров?

3. Что называется полосой пропускания светофильтра?

4. Как экспериментально определить полосу пропускания светофильтра?


Введение в теорию

Большое значение в оптике имеет проблема монохроматизапии света, то есть выделение определенного интервала длин волн. Сравнительно узкие спек-тральные области излучения можно выделить с помощью монохроматических светофильтров. В отличие от более сложных спектральных приборов-монохроматоров светофильтры обладают значительно большим сечением светового пучка и большей апертурой.



 
 

Светофильтрами, или просто фильтрами, называются устройства, меняющие спектральный состав или энергию падающего на них светового излучения без изменения формы его фронта. Основные характеристики (параметры) светофильтров следующие:

Рис.1

1. Длина волны lmax, соответствующая максимуму полосы пропускания (рис.1).

2. Пропускание (прозрачность) в максимуме полосы пропускания

T=

где I0 - интенсивность света, падающего на светофильтр,

Im - интенсивность света, прошедшего через светофильтр в максимуме полосы пропускания.

3. Спектральная ширина полосы пропускания dl, равная ширине спектрального интервала, на границах которого интенсивность прошедшего света равна половине интенсивности в максимуме полосы пропускания.

4. Остаточное пропускание Ir, равное интенсивности света, пропускаемого светофильтром в области спектра, отстоящего от Im на расстоянии много большем lm. Вместо остаточной пропускаемости часто используют так называемый фактор контрастности светофильтра



С=

Светофильтры называются серыми или нейтральными, если их пропускание в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины волны. Фильтры, не удовлетворяющие этому условию, называются селективными. Селективные светофильтры предназначаются либо для отделения широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области. Светофильтры последнего типа называются монохроматическими. Они часто применяются вместо других спектральных приборов, так как обычно пропускают гораздо больший световой поток, чем приборы с диспергирующими элементами (призмами, дифракционными решетками и др.). Однако разрешающая способность светофильтров часто невелика - в большинстве случаев ширина полосы пропускания составляет десятки и сотни ангстрем. Лучшие узкополосные светофильтры имеют ширину полосы пропускания меньше 1 ангстрема, однако интенсивность пропускаемого ими света невелика. Поэтому основное назначение светофильтров - грубая монохроматизация или неселективное ослабление излучения. Существуют несколько типов монохроматических светофильтров.

Абсорбционные светофильтры. Применяются наиболее широко. Ослабление света в них происходит главным образом в результате поглощения веществом фильтра. Интенсивность света Il0, прошедшего через поглощающий слой светофильтра, уменьшается в соответствии с законом Бугера-Ламберта:

Il= Il0×exp(- k×l),

где k - коэффициент поглощения,

l - толщина слоя.

Коэффициент пропускания (пропускание) абсорбционных фильтров определяется формулой



Tl=(1-R )exp(- k×l),

где Rl - коэффициент отражения света от поверхности фильтра.

Задержанный фильтром световой поток полностью преобразуется в тепло, что приводит к их нагреванию и некоторому изменению оптических свойств.

В настоящее время наиболее употребительны стеклянные абсорбционные светофильтры, которые устойчивы к световым и тепловым воздействиям и имеют высокие оптические качества. Располагая друг за другом несколько стеклянных светофильтров, можно получить довольно узкополосные фильтры для всей видимой и ближней ультрафиолетовой части спектра.

Сравнительно реже применяются жидкостные и газовые абсорбционные фильтры. Например, для выделения ультрафиолетовой области спектра используют фильтр в виде кварцевой кюветы с насыщенными парами брома. Такая кювета практически непрозрачна в области длин волн 4000-6000A. Воздух непрозрачен для области спектра с длинами волн короче 1800А благодаря главным образом поглощению кислорода. Поэтому воздух служит в спектроскопических исследованиях естественным газовым фильтром.

Известно, что полупроводники непрозрачны для излучения с длиной волны меньшей некоторого значения l0 и прозрачны для более длинноволнового излучения. Положение края или границы поглощения определяется зонной структурой полупроводника и соответствует энергии перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, полупроводник - прекрасный светофильтр, резко ограничивающий спектр с коротковолновой стороны. Большинство полупроводников прозрачно лишь в инфракрасной области спектра. Некоторые стеклянные фильтры обязаны своими свойствами присутствию мельчайших полупроводниковых кристаллов.

Отражательные светофильтры. К ним относятся тонкие металлические пленки и многослойные диэлектрические покрытия. Тонкие металлические пленки наносятся на кварцевую или стеклянную подложку испарением или катодным распылением.

На рис.2 приведены спектральные коэффициенты отражения Rl серебра и алюминия.

 
 

Рис.2

Для получения нейтральных металлических слоев обычно используют платину, палладий и родий, реже алюминий. Тонкие металлические пленки серебра и щелочных металлов служат для выделения разных участков в ультрафиолетовой области спектра (см.рис.2). Фильтры с металлическими пленками ослабляют свет главным образом в результате отражения от поверхности.

К отражательным светофильтрам принадлежат также многослойные диэлектрические зеркала. В них отражение излучения определенных длин волн происходит в результате многолучевой интерференции. Этот метод позволяет создать отражательные системы с очень высоким коэффициентом отражения при малых потерях на поглощение, что является существенным преимуществом по сравнению с металлическими зеркалами. Необходимость изготовления зеркал с малым коэффициентом поглощения сильно возросла в связи с развитием лазерной техники.

На рис.3а представлена схема, поясняющая увеличение коэффициента отражения стеклянной пластинки с показателем преломления n0 за счет нанесения на ее поверхность диэлектрической пленки с показателем преломления n>n0. Толщина такой пленки определяется из условия:

n ×d= ,

где n×d - оптическая толщина пленки,

l - длина волны, для которой коэффициент отражения будет максимальным.


Оптическая разность хода интерферирующих волн (отраженных от границ раздета воздух - пленка и пленка - стекло) составляет в этом случае

,

т.е. соответствует максимуму интенсивности. Дополнительная разность хода

Рис.3

появляется в связи с тем, что при отражении волны на границе воздух-пленка происходит потеря полуволны, поскольку nвозд<n. При этом проходящие волны ослабляют друг друга.

Получить большие значения коэффициента отражения (Rl>30%) таким образом однако не удается. Для достижения этой цели необходимо перейти к многолучевой интерференции, которая осуществляется в многослойных диэлектрических зеркалах.

Селективные отражательные светофильтры - это многослойные диэлектрические зеркала, которые получаются нанесением на прозрачную подложку тонких диэлектрических слоев с одинаковой оптической толщиной (четвертьволновые слои):

n1d1=n2d2= ,

но с разными показателями преломления: между двумя слоями диэлектрика с высоким показателем преломления n1 помещают слой диэлектрика с малым показателем >n2 (n1>n0). В этом случае все отраженные волны синфазны и усиливают друг друга в результате интерференции. Разность хода, которую отраженные лучи приобретают в каждом из слоев, составляет при нормальном падении:

2n1d1=2n2d2=

Для некоторого интервала длин волн в результате интерференции всех взаимодействующих волн получается максимум, ширина которого тем меньше, чем больше число интерферирующих пучков. Комбинируя слои различной толщины, можно получать нужные спектральные кривые для коэффициента отражения Rl. Для получения значений Rl ~ 99% и более (такие коэффициенты необходимы в лазерной технике) необходимо нанести 11-13 слоев и более (рис.3б). Такие интерференционные зеркала отражают в довольно узкой спектральной области, и чем больше коэффициент отражения, тем уже область длин волн, для которой реализуется такое значение Rl.

Интерференционные светофильтры. Действие их основано на явлении многолучевой интерференции. Простейшие светофильтры состоят из плоскопараллельной пластинки типа интерферометра Фабри-Перо с очень малым расстоянием d между зеркалами (порядка нескольких длин волн или нескольких десятков длин волн). В настоящей работе применяются интерференционные фильтры, изготовленные следующим образом: на стеклянную подложку р (рис.4) методом электронно-лучевого напыления в вакууме нанесены последовательно диэлектрическое зеркало S1, прозрачный

Рис.4

разделительный слой D и второе диэлектрическое зеркало S2. Центральный элемент фильтра D выполнен из SiO2 и имеет толщину d= , где lm-длина волны, соответствующая максимуму пропускания фильтра (при нормальном падении лучей), n = 1.45 - показатель преломления слоя. Каждое зеркало представляет из себя одиннадцать последовательных слоев ZrO2 и SiO2 с оптическими толщинами равными . Зеркала S1 и S2 имеют коэффициенты отражения R близкие к единице.

 
 

Падающие на светофильтр лучи испытывают многократные отражения от зеркальных поверхностей S1 и S2, вследствие чего возникают лучи 1,2,3,4, которые, интерферируя между собой, дают в проходящем свете распределение интенсивности с резкими полосами пропускания. Это распределение зависит от разности хода между соседними лучами, от коэффициентов отражения и поглощения зеркал. Если луч падает на светофильтр под углом и испытывает в центральном слое многократное отражение, то два последовательно выходящих луча будут иметь разность хода (см. рис. 4):

(1)

где r - угол преломления.

Интерференция на максимум будет наблюдаться при условии:

(2)

из которого следует, что значение длины волны lm максимума пропускания све-тофильтра уменьшается с увеличением угла преломления r или угла падения i.

Таким образом, если оптическая толщина центрального слоя фильтра равна d×n, то имеется ряд полос пропускания, длины волн максимумов которых составляют соответственно (при нормальном падении):

lm1= , lm2= ,…,

 
 

Рис.5 схематически представляет полосы пропускания интерференционного светофильтра. Фильтры, предназначенные для выделения первой наиболее длинноволновой полосы пропускания, называются фильтрами первого порядка. Такие фильтры используются в данной работе. Они имеют оптические толщины d×n=lm1 и нуждаются в подавлении лишь коротковолновых макси-мумов пропускания с длиной волны lm2, lm3 и т.д.

Обычно это легко осуществляется либо специальными абсорбционными фильтрами, либо поглощением материала подложки самого фильтра.

Отметим, что спектр пропускания интерференционного фильтра наряду с lm1, lm2 будет иметь ряд других полос различной интенсивности, связанных со сложным характером интерференции на многослойном покрытии фильтра.

В работе используются интерференционные светофильтры С1, С2 и СЗ. Для них значения lm1 равны 6290, 5670 и 4960 А соответственно.

Дисперсионные светофильтры. Действие таких фильтров основано на дисперсии света - зависимости показателя преломления от длины волны. Они представляют собой кювету, наполненную порошком из прозрачного материала. В кювету заливается жидкость, зависимость показателя прелом-ления которой от длины волны такова, что показатели преломления жидкости (1) и порошка (2) совпадают лишь для определенной длины волны (рис.6).

 

 

Рис.6

 
 

Тогда кювета оптически однородна для лучей света этой длины волны, но рассеивает излучение других длин волн, лежащих по обе стороны от заданной. Чтобы полоса пропускания фильтра была узкой, необходимо чтобы наклоны кривых дисперсии жидкости и порошка различались как можно больше.

Экспериментальная часть

Описание прибора УМ-2

 
 

Для измерения длин волн спектральных линий в работе используют стеклянно-призменный монохроматор-спектрометр УМ-2, предназначенный для спектральных исследований в диапазоне от 0,38 до 1,00 мкм. В состав прибора входят составные части (рис.7).

1. Входная щель 1, снабженная микрометрическим винтом 9, который поз-воляет открывать щель на нужную ширину. Обычная рабочая ширина щели равна 0,02 - 0,03 мм.

2. Коллиматорный объектив 2, снабженный микрометрическим винтом 8. Винт позволяет смещать объектив относительно щели при фокусировке спектральных линий различных цветов.

3. Сложная спектральная призма 3, установленная на поворотном столике 6. Призма 3 состоит их трех склеенных призм Р1, Р2, Р3. Первые две призмы Р1 и Р2 с преломляющими углами 300 изготовлены из тяжелого флинта, обладаю-щего большой дисперсией. Промежуточная призма Р3 сделана из крона. Лучи отражаются от ее гипотенузной грани и поворачиваются на 900 . Благодаря такому устройству дисперсии призм Р1 и Р2 складываются.

4. Поворотный столик 6 вращается вокруг вертикальной оси при помощи микрометрического винта 7 с отсчетным барабаном. На барабан нанесена винтовая дорожка с градусными делениями. При вращении барабана призма поворачивается, и в центре поля зрения появляются различные участки спектра.

5. Зрительная труба, состоящая из объектива 4 и окуляра 5. Объектив 4 дает изображение входной щели 1 в своей фокальной плоскости. В этой плоскости расположен указатель 10. Изображение рассматривается через окуляр 5. В случае надобности окуляр может быть заменен выходной щелью, пропус-кающей одну из линий спектра. В этом случае прибор служит монохроматором. В данной работе выходная щель не применяется.

6. Массивный корпус II, предохраняющий прибор от загрязнений и повреж-дений.

7. Оптическая скамья, на которой могут перемещаться рейтер с источником света Л и конденсором К, служащим для концентрации света на входной щели. Источник света рекомендуется располагать на расстоянии 40-50 см от щели, а конденсор на расстоянии 13-15 см от источника. В этом случае проходящий через входную щель световой пучок хорошо заполняет конденсор и призму.

8. Пульт управления, служащий для питания источников света и осветитель-ной системы спектрометра. На пульте имеются гнезда для включения осветителей (3,5В), неоновой лампы и лампы накаливания. Тумблеры, располо-женные на основании спектрометра позволяют включать лампочки осветителей шкал и указателя спектральных линий. Яркость освещения указателя регули-руется реостатом.

Спектрометр УМ-2 относится к числу точных приборов. Он требует бережного и аккуратного обращения.

При подготовке прибора к наблюдениям особое внимание следует обращать на тщательную фокусировку, с тем чтобы указатель 10 и спектральные линии имели четкие и ясные границы. Фокусировка производится в следующем порядке: перемещая окуляр следует получить резкое изображение острия указа-теля 10. Осветив входную щель прибора ртутной лампой, нужно найти спект-ральные линии ртути и получить их ясное изображение при помощи микромет-рического винта 8.

Для отсчета положения спектральной линии ее центр совмещают с острием указателя. Отсчет производится по делениям барабана. Для уменьшения ошибки ширину входной щели делают по возможности малой (0,02-0,03 мм по шкале микрометрического винта). Глаз лучше замечает слабые линии в движении, поэтому при наблюдении полезно слегка поворачивать барабан в обе стороны от среднего положения.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Градуировка спектрометра.

Для градуировки спектрометра применяются ртутная и неоновая лампы, таблицы спектральных линий которых имеются в работе. Красная линия ртути в излучении ртутной лампы очень слаба, и поэтому для градуировки прибора в красной части спектра следует пользоваться неоновой лампой, спектр которой богат красными линиями различных оттенков.

Градуировочную кривую следует строить в крупном масштабе на листе миллиметровой бумаги. По оси Х откладываются градусные деления барабана, а по оси У - длины волн соответствующих линий. Иногда при построении графика некоторые экспериментальные точки оказываются смещенными от плавной кривой. Чаще всего такие "выбросы" свидетельствуют о неправильной расшифровке наблюдаемой картины спектральных линий (главным образом для неона). В этом случае необходимо более внимательно сопоставить картину с таблицей и внести в график необходимые исправления. Графическую зави-симость можно экстраполировать и интерполировать на всю видимую область длин волн.

Задание 2. Определение ширины спектров пропускания абсорбционных светофильтров.

Установить лампу накаливания со светофильтром перед входной щелью монохроматора. Вращая барабан привести в поле зрения окуляра пропускаемый светофильтром участок спектра. Поочередно совместить начало и конец участка пропускаемого спектра с указателем в окуляре. Сделать соответствующие отсчеты по барабану. Пользуясь градуировочным графиком найти интервалы длин волн, пропускаемых светофильтром. Проделать то же самое с двумя другими абсорбционными светофильтрами.

Задание 3. Определение максимума полосы пропускания интерференцион-ных светофильтров.

Устанавливая поочередно перед входной щелью монохроматора перпендикулярно падающему лучу интерференционные светофильтры, снять отсчеты по барабану для максимума полосы пропускания каждого светофильтра. По градуировочному графику найти соответствующие lmax и сравнить с данными в описании значениями.

Задание 4. Изучение зависимости lmax от угла падения луча света.

Зависимость lmax от угла падения светового пучка на интерференцион-ный светофильтр можно получить, используя выражения (1) и (2):

lmax= (3)

Это задание лучше выполнять с фильтром С1. Вращая подвижную часть ГС (гониометрического столика) и наблюдая за отраженным бликом, необходимо зафиксировать такое положение светофильтра, когда он расположен перпен-дикулярно к падающему лучу; поворачивая ГС относительно этого положения, можно визуально наблюдать смещение lmax в фиолетовую область спектра.

Задание 5. Определение показателя преломления n диэлектрика, из которого изготовлен центральный слой интерференционного светофильтра.

На держателе укрепляется светофильтр С3 перпендикулярно падающему лучу, что легко контролируется по блику отраженного света. Затем на ГС помещается фильтр С2, который также первоначально устанавливается перпен-дикулярно падающему лучу. Отсчитывается показание j1. Далее поворотом гониометра достигается такое положение, когда максимумы пропускания фильтров С2 и С3 совпадают между собой. Снимается показание j2. Для начального и конечного положения светофильтра С2 можно записать:

lmax2×m=2dn (4)

lmax3×m=2d (5)

где i=|j2-j1|, lmax2 и lmax3 соответствуют максимумам пропускания второго и третьего светофильтров.

Решая систему уравнений (4) и (5) получим:

n=lmax2 ×

Аналогичные измерения нужно провести для другой пары интерференцион-ных светофильтров С2 и С1.

Литература

1. Ландсберг Г.С. Оптика. М., Наука, 1976.

2. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. М., Наука, 1971.

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.