Дисциплина:

Физические основы оптоэлектроники

Лабораторная работа № 7.1

Градуировка монохроматора УМ-2

Количество часов на выполнение – 4 часа.

1. ОБОРУДОВАНИЕ:

1. Монохроматор УМ-2 с набором принадлежностей.

2. Ртутная лампа с блоком питания.

3. Неоновая лампа с балластным сопротивлением.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Научиться работать с монохроматором УМ-2 при проведении спектральных исследований.

Проводить градуировку спектрального барабана монохроматора УМ-2 по ртутному и неоновому спектрам. Определять дисперсию монохроматора.

Проводить обработку результатов измерения методом наименьших квадратов.

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.1 Описание монохроматора УМ-2

Монохроматор УМ-2 предназначен для проведения спектральных исследований источников светового излучения, проведения качественного спектрального анализа и изучения спектральных зависимостей коэффициентов отражения, прозрачности и поглощения различных сред. Спектральный диапазон монохроматора УМ-2 составляет от 400 до 1000 нм.

Монохроматор состоит из двух труб и призменного блока, размещенных на двух оптических рельсах. Трубы монохроматора УМ-2 расположены под углом 90°, а оптические оси входной и выходной труб монохроматора идут параллельно рельсам.

Оптическая схема монохроматора приведена на рис. 3.1. Источник светового излучения 1 с помощью конденсора 2 и теплового фильтра фокусируется на входную щель монохроматора 6.

Во входной трубе монохроматора УМ-2 расположены: входная щель 6 и объектив коллиматора 7. Коллиматор, в фокусе которого находится входная щель, формирует параллельный световой поток и направляет его на диспергирующую призму Корню 8.

Разложенное в спектр призмой 8 световое излучение под углом 90° к падающему на призму световому потоку выходит из призмы и попадает в зрительную трубу монохроматора. Пройдя объектив зрительной трубы 9, световой поток фокусируется, в зависимости от установленной на выходе зрительной трубы приставки, либо на выходной щели, либо в плоскости указателя сменного окуляра спектроскопа.

Вращая с помощью спектрального барабана (диапазон отметок на котором составляет от 0 до 3500°) поворотную призму Корню на выходной щели фокусируется тот или иной спектральный интервал. В зависимости от ширины щели из монохроматора будет выходить тот или иной диапазон длин волн (центр спектрального диапазона определяется значением, установленным на барабане, а его ширина – шириной раскрытия выходной щели).

В качестве источника светового излучения в монохроматоре можно использовать лампу накаливания, ртутную лампу высокого давления СВДШ-250, установленную в специальном кожухе с кварцевым защитным стеклом, и неоновую лампу. Осветители питаются от блока питания монохроматора через соответствующие разъемы.

3.2 Юстировка осветителя монохроматора.

Установить осветитель на рельс непосредственно перед входной щелью. Вращая регулировочные элементы на держателе осветителя добиться равномерного освещения щели.

О тодвинуть осветитель и закрепить его в положении, в котором впоследствии будут проводиться работы с монохроматором. Установить конденсорную линзу между осветителем и щелью так, чтобы тело свечения источника света в осветителе было сфокусировано на входную щель монохроматора. Если изображение тела свечения при фокусировке сместилось в сторону от центра входной щели, то регулировочными элементами на держателе линзы добиться возвращения изображения тела свечения в центр входной щели.

Установите на входной щели требуемую ширину щели, а с помощью выдвижного ограничителя щели («ласточкин хвост») установите необходимую высоту щели и/или ее форму (мелкая одиночная, тройная или переменной высоты).

3.3 Градуировка монохроматора с помощью ртутной лампы.

3.3.1. Спектр ртутной лампы.

С хематическое изображение спектра ртутной лампы приведено на рисунке 3.2, а соответствующие значения длин волн приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Спектральные линии неона и ртути

Спектральные линии неона						Спектральные линии ртути
Длина волны, Å	Интенсивность	Энергия возбуждения, эВ	Длина волны, Å	Интенсивность	Энергия возбуждения, эВ	№ линии на рисунке 3.2	Длина волны λ, нм	Интенсивность I, отн. ед.
7535.77	300	20.02	5804.45	500	20.71	1	404.656	180
7488.87	500	20.03	5764.42	700	20.7	2	407.783	12
7245.17	1000	18.38	5748.3	500	20.71	3	410.805	4
7173.94	1000	18.57	5719.23	500	20.8	4	433.922	30
7032.41	1000	18.38	5656.66	500	20.8	5	434.749	40
7024.05	500	18.61	5562.77	500	20.8	6	435.833	400
6929.47	1000	18.63	5400.56	2000	18.96	7	489.027	3
6678.28	500	18.7	5343.28	600	20.7	8	491.607	10
6598.95	1000	18.72	5341.09	1000	20.7	9	499.150	3
6506.53	1000	18.57	5330.78	600	20.7	10	502.564	4
6402.25	2000	18.55	5145.01	500	21.11	11	512.063	4
6382.99	1000	18.61	5144.94	500	21.11	14	535.405	6
6334.43	1000	18.57	5037.75	500	21.01	15	546.073	320
6328.17	300	20.66	5005.16	500	21.11	16	567.586	16
6266.49	1000	18.69	4957.03	1000	21.11	17	578.966	100
6217.28	1000	18.61	4892.09	500	21.14	18	580.378	14
6163.59	1000	18.72	4884.91	1000	21.11	21	614.950	100
6143.06	1000	18.63	4837.32	500	20.94	22	623.440	3
6074.34	1000	18.71	4827.34	1000	20.95	24	690.746	25
6030	1000	18.72	4752.73	1000	21.18	25	708.190	25
5975.53	600	18.69	4715.34	1500	21.18
5974.63	500	20.71	4712.06	1000	21.18
5965.47	500	20.8	4710.06	1000	21.01
5944.83	500	18.7	4708.85	1200	21.01
5881.89	1000	18.72	4704.39	1500	21.01
5852.49	2000	18.96	4537.75	1000	21.11
5820.15	500	20.7	4422.52	300	21.18

В таблице приведены длины волн, соответствующие номерам линий, приведенным на рисунке 3.2 для ртути, а также относительные интенсивности соответствующих линий. Для спектральных линий неона указаны энергии возбуждения линий, а также относительные интенсивности спектральных линий. Слабые по интенсивности линии в таблице отсутствуют, хотя в некоторых случаях и могут наблюдаться визуально в спектроскопе.

При градуировке монохроматора с помощью линий ртутного спектра необходимо поставить в соответствие длины волн соответствующих линий, выходящих из выходной щели монохроматора или совпадающих с указателем сменного окуляра, со значениями шкалы барабана монохроматора. Для этого центр спектральной линии совмещают с острием указателя так, как показано на рис. 3.3, и считывают соответствующие показания с отсчетного барабана монохроматора.

Д ля призменных монохроматоров, благодаря известной зависимости показателя преломления стекла в видимой части спектра от длины волны, соотношение между углом θ поворота призмы (или величины ему пропорциональной – показания шкалы барабана монохроматора) и длиной волны λ на выходе монохроматора дается соотношением Гартмана:

1. где θ₀, λ₀, a и k – параметры градуировочной зависимости. Поскольку параметр k мало отличается от единицы, то для практических целей используют следующее соотношение:

, (3.1)

где θ₀, λ₀ и a – параметры, определяемые в ходе градуировки монохроматора.

Градуировка барабана монохроматора производится следующим образом. На выходе монохроматора УМ-2, собранного для работы в режиме спектрометра, последовательно устанавливаются спектральные линии ртутной (или неоновой) лампы так, чтобы центр линии совпадал с указателем сменного окуляра. Измеряются значения угла θ (показания барабана монохроматора, связанного с вращением призмы Корню) для соответствующих длин волн ртутных(неоновых) линий.

Полученные значения обрабатываются методом наименьших квадратов с целью получения численных значений параметров θ₀, λ₀ и a соотношения (3.1).