Лабораторная работа №12 «светофильтры - простейшие монохроматоры света»

Цель работы: Ознакомление с принципами действия основных типов светофильтров. Определение их основных параметров.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2; ртутная лампа; неоно­вая лампа; лампа накаливания; источники питания; набор абсорбционных светофильтров; набор интерференционных светофильтров C1, C2 и СЗ; гониометрический столик.

Краткая теория

Большое значение в оптике имеет проблема монохроматизации света, то есть выделение определенного интервала длин волн. Сравнительно узкие спектральные 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.

Светофильтры меняют спектральный состав или энергию падающего на них светового излучения без изменения формы его фронта. Основные характери­стики (параметры) светофильтров следующие:

а) Спектральная ширина полосы пропускания δ, равная ширине спектрального интервала, на границах которого интенсивность прошедшего света равна поло­вине интенсивности в максимуме полосы пропускания (Рис.1).

б)Пропускание (прозрачность) в максимуме полосы пропускания

где I₀ - интенсивность света, падающего на светофильтр, I_m - интенсивность света, прошедшего через светофильтр в максимуме полосы пропускания.

в)Длина волны _m , соответствующая максимуму полосы пропускания.

г)Остаточное пропускание I_r, равное интенсивности света, пропускаемого светофильтром в области спектра, отстоящего от I_m на расстоянии много боль­шем _m. Вместо остаточного пропускания часто используют так называемый фактор контрастности светофильтра

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.

а)Абсорбционные светофильтры.

Применяются наиболее широко. Ослабление света в них происходит главным образом в результате поглощения вещест­вом фильтра. Интенсивность света I_0, прошедшего через поглощающий слой светофильтра, уменьшается в соответствии с законом Бугера-Ламберта:

I_ = I_0 · ехр(-k·l),

где k - коэффициент поглощения, l - толщина слоя.

Коэффициент пропускания (пропускание) абсорбционных фильтров определяется формулой

Т_ = (1 - R_ ²) · ехр(-k·l),

где R_ - 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 400-600нм. Воздух непро­зрачен для области спектра с длинами волн короче 180нм 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 ₀ 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.

б)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 R_ серебра и алюминия.

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.

в)Селективные отражательные светофильтры.

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.За 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:

где n·d - оптическая толщина пленки,

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

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

т.е. соответствует максимуму интенсивности.

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

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

Такие зеркала получают нанесением на прозрачную подложку тонких ди­электрических слоев с одинаковой оптической толщиной (четвертьволновые слои):

но с разными показателями преломления: между двумя слоями диэлектрика с высоким показателем преломления n₁ помешают слой диэлектрика с малым по­казателем. 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:

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 R_. Для получения значений R_. ~ 99% и более (такие коэффициенты необходимы в лазерной технике) необходимо на­нести 11-13 слоев и более (рис.36). Такие интерференционные зеркала отража­ют в довольно узкой спектральной области, и чем больше коэффициент отра­жения, тем уже область длин волн, для которой реализуется такое значение R_..

г)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 разделительный слой D и второе диэлектрическое зеркало S₂. Центральный элемент фильтра D выполнен из SiО₂ и имеет толщину , где - длина волны, соответствующая максимуму пропускания фильтра (при нормальном падении лучей), =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 буду 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 максимума пропускания све­тофильтра уменьшается с увеличением угла преломления r или угла падения i.

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

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=_т1 и нуждаются в подавлении лишь коротковолновых максимумов пропускания с длиной волны _т2, _т3 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 _т1, _т2 будет иметь ряд других полос различной интенсивности, связанных со сложным характером интерференции на многослойном покрытии фильтра.

В работе используются интерференционные светофильтры C1, C2 и С3. Для них значения _т1 равны 6290, 5670 и 4960 А соответственно.

д) 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 преломления кото­рой от длины волны такова, что показатели преломления жидкости (1) и порош­ка (2) совпадают лишь для определенной длины волны (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.