Лабораторная работа № 11

_____________________________________________________________________________________________

Изучение спектров поглощения интерференционных светофильтров с помощью спектрофотометра

1. Цель работы.

Изучение устройства и основных характеристик светофильтров. Ознакомление с устройством и работой спектральных приборов. Определение ширины пропускания интерференционных светофильтров.

2. Основные характеристики светофильтров.

Светофильтрами, или просто фильтрами, называются устройства, меняющие спектральный состав или энергию падающей на них световой волны, не меняя (или почти не меняя) формы ее фронта.

Основная характеристика фильтра – его пропускание (прозрачность):

Т=Ф/Ф_о, (11.1)

где Ф и Ф_о – прошедший через фильтр и падающий на него световой поток. Наряду с этим фильтр часто характеризуется оптической плотностью D. По определению

. (11.2)

Если не учитывать многократных отражений в системе фильтров, то оптическая плотность нескольких последовательно расположенных фильтров равна сумме их плотностей. Фильтры называют серыми или нейтральными, если их оптическая плотность в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины волны. Фильтры, не удовлетворяющие этому условию, называются селективными.

Селективные фильтры предназначаются либо для отделения широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области. Фильтры последнего типа называются узкополосными, иногда их условно называют монохроматическими.

Для изменения спектральных свойств излучения или спектральной чувствительности приемников служат так называемые корректирующие фильтры. С их помощью можно, например, с достаточной точностью приблизить спектр лампы накаливания к сплошному спектру солнца или спектральную чувствительность фотоэлемента привести в соответствие со спектральной чувствительностью глаза.

Узкополосные фильтры часто применяются вместо других спектральных приборов. Их преимущество заключается в возможности непосредственно измерять распределение спектральной яркости по площади источника. Наряду с этим светофильтры обычно пропускают гораздо больший световой поток, чем приборы с диспергирующими элементами.

Однако разрешающая способность светофильтров невелика – в большинстве случаев ширина пропускаемого участка спектра составляет десятки и сотни ангстрем. Лучшие узкополосные фильтры имеют ширину полосы пропускания меньше 1Å, однако количество пропускаемого ими света невелико. Поэтому основное назначение светофильтров – грубая монохроматизация либо неселективное ослабление излучения.

Важнейшей оптической характеристикой светофильтра является спектральная кривая пропускания или оптической плотности ( либо ).

Для всех фильтров, кроме корректирующих, желательно, чтобы области пропускания были ограничены как можно более резко и чтобы вне их Т было равно нулю. К сожалению, у большинства фильтров пропускание относительно медленно меняется по спектру, а некоторая часть излучения часто проходит и вне основной полосы пропускания.

3. Устройство интерференционного светофильтра.

Примером интерференционного светофильтра может служить эталон Фабри-Перо.

Эталон Фабр-Перо, иначе называемый интерферометром Фабри-Перо, сейчас является главным прибором, применяемым для получения высокого разрешения в спектре. Его действие основано на прохождении света между двумя плоскопараллельными светоделительными поверхностями. Эталон может быть выполнен в виде плоскопараллельной стеклянной или кварцевой пластинки, на обе поверхности которой нанесены светоделительные отражающие слои (рис.11.1, б), либо в виде двух плоских полупрозрачных зеркал, расположенных параллельно друг другу и разделенных воздушным промежутком (рис. 11.1, а).

П ри прохождении пучка света через эталон Фабри-Перо в результате многократных отражений от полупрозрачных поверхностей образуется ряд параллельных световых пучков. Разность хода между соседними пучками может быть вычислена из геометрических соображений. Она равна

(11.3)

для случая, когда зеркала нанесены на двух поверхностях плоскопараллельной пластинки, и

(11.4)

для эталона с воздушным промежутком. В обоих случаях ( – угол, под которым световые пучки отражаются от зеркал.

В настоящее время эталон Фабри-Перо почти полностью вытеснил из спектроскопической практики другие типы приборов высокого разрешения. Его конструкции достаточно разнообразны и достигли высокой степени совершенства, а способы применения и области использования непрерывно расширяются.