Минобрнауки россии Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет»

Физический факультет

Кафедра нанотехнологии

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №2

«Абсорбционные светофильтры из цветного стекла»

По дисциплине:

«Спектроскопия наноматериалов»

студента 4 к. 9 гр.

Терещенко А.А.

Преподаватель:

Торгашев В.И.

1. Цель работы.

Цель работы − познакомиться с методами определения оптических характеристик светопоглощающих материалов на примере абсорбционных светофильтров из цветного стекла.

− Освоить принципы экспериментальных измерений спектров пропускания

и поглощения света конденсированных систем на автоматизированном спектрофотометре СФ-56. Провести измерения спектров пропускания конкретных светофильтров на спектрофотометре СФ-56.

− Получить навыки первичной обработки результатов измерений, определить параметры светофильтров.

− Закрепить теоретический материал по методам фильтрации электромагнитного излучения в видимой области спектра.

2. Теоретическая часть

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ТЕОРИИ ФИЛЬТРАЦИИ

Назначение и характеристики фильтров оптического излучения

В экспериментальной работе часто возникает необходимость отфильтровать (выделить) из широкого спектра излучения некоторый участок небольшой ширины (полосу) или устранить (отрезать) определённую часть спектра, мешающую в измерениях. Для этих целей используют фильтры — входные или выходные устройства оптических систем, как простейшие, так и весьма сложные.

По виду спектральной характеристики фильтры разделяются на полосовые и отрезающие (рисунок 1).

а)

б)

нм

нм

Рис. 1− Спектральные характеристики полосового (а) и отрезающего (б) фильтров.

Параметрами полосового фильтра являются прозрачность в максимуме Т_max, рабочая длина волны ₀ ширина полосы  на половине максимальной прозрачности, прозрачность Т_ф за пределами полосы (фон) и контрастность, выражаемая отношением Т_max/Т_ф. Величина  = ₀/, представляющая собой добротность фильтра, в простейших случаях составляет от 10 до 100.

Во многих случаях фильтрующие устройства должны обеспечивать передвижение (сканирование) выделяемого участка  относительно спектра.

Для отрезающих фильтров кроме длины волны перехода от прозрачности к непрозрачности важной величиной является крутизна спектральной характеристики. Отрезающие фильтры широко используют для устранения мешающего коротковолнового излучения, а также в комбинации с другими фильтрами, например интерференционными.

Фильтры, предназначенные для ослабления излучения, а не для его монохроматизации, характеризуют оптической плотностью D = –lgT.

По принципу действия фильтрующие устройства делятся на две группы. В первой группе представлены поглощающие (абсорбционные) светофильтры. Поглощение излучения может приводить к нежелательному нагреву и к фотохимическим и механическим превращениям, поэтому поглощающие фильтры следует оберегать от излишнего облучения. Действие фильтров второй группы основано на пространственном перераспределении излучения за счет отражения, рассеяния, интерференции, дифракции, дисперсии. Характеристики этих фильтров в большинстве критичны к направленности светового потока. Для обеспечения хороших параметров такие фильтры располагают по возможности в параллельном пучке лучей.

Светофильтры на основе явления поглощения

Благодаря простоте изготовления и удобству использования поглощающие светофильтры широко распространены. Обычно это окрашенные стёкла, пластины, плёнки, растворы и т.п. Если источник излучения имеет спектр с небольшим числом линий, абсорбционные фильтры могут выделить одну из них. Например, существует стандартный набор стеклянно-желатиновых светофильтров, с помощью которых можно выделять отдельные линии ртутного спектра. Имеются также наборы цветных стекол, которые могут быть использованы в качестве светофильтров. Цветные стекла обозначаются в соответствии со спектральной областью прозрачности: ультрафиолетовые – УФС, фиолетовые – ФС, синие -СС, сине-зелёные – СЗС, зелёные – ЗС, желто-зелёные – ЖЗС, жёлтые – ЖС, оранжевые – ОС, красные – КС, инфракрасные – ИКС, пурпурные – ПС, нейтральные – НС, тёмные – ТС и белые – БС. Белые светофильтры, изготовленные из увиолевых стекол различных сортов, прозрачны в ультрафиолетовой области спектра. Кривые прозрачности многих цветных стекол приведены в рисунок 2

 нм

Рис. 2− Прозрачность теплозащитных жидкостных фильтров:

вода, d = 1 см (1); 2,5%-й раствор хлористой меди, d =2 см (2).

В качестве теплозащитных фильтров, устраняющих ИК излучение, можно использовать стеклянные светофильтры СЗС. ИК излучение хорошо поглощается водой и некоторыми растворами. Особенно удобно использовать в теплозащитном фильтре проточную воду, что обеспечивает также требуемый теплоотвод. Жидкостные поглощающие фильтры удобны тем, что могут быть изготовлены непосредственно в лабораториях из подходящих химических соединений.

Для исключения видимого излучения и пропускания инфракрасного используют стёкла ИКС, окрашенные солями висмута, кадмия и сурьмы. Граница прозрачности таких фильтров (  3 мкм) определяется пропусканием стекла. В более далекой ИК области прозрачные стёкла, отличающиеся от обычных силикатных стекол отсутствием кремния или кислорода, поликристаллические керамики, а также полупроводники и кристаллы.

Метод остаточных лучей

Пользуясь резкой зависимостью коэффициента отражения от длины волны для диэлектрических поверхностей в области "металлического" отражения, можно выделять длинноволновое излучение из сплошного спектра путем отражений от диэлектрика (рисунок 3).

Рис. 3 − Отражение от поверхности некоторых диэлектриков

Лучи, остающиеся от сплошного спектра при многократных отражениях, называют остаточными. Мощность выделенного излучения зависит от максимальной величины отражения и от числа отражений:

Р_ост = P_пaдR₀^m, (1)

где Рост − мощность выделенного излучения;

Рпад − мощность падающего на образец излучения;

R0 − максимальная величина отражения;

m − число отражений.

Контрастность, определяемая как отношение коэффициентов отражения в максимуме R₀ и в области прозрачности кристалла R_фон, с ростом числа отражений увеличивается как (R₀/R_фон)^m.

Метод остаточных лучей часто используют для предварительной монохроматизации излучения в ИК спектрометрах при работе в длинноволновой области спектра.

Использование отражения от матированных зеркал

Фильтрами, отрезающими коротковолновое излучение и выделяющими длинноволновое, могут служить шероховатые поверхности (матированные зеркала). Излучение с длинами волн, превышающими размер d шероховатостей (штриха решётки или ячейки сетки), отражается зеркально. Более коротковолновое излучение рассеивается и легко может быть устранено диафрагмами. Матированные зеркала представляют собой стеклянную подложку, обработанную абразивами с определенным размером зерен, обычно порядка от 2 до 20 мкм, и покрытую тонким слоем металла. Излучение с длинами волн, превосходящими размер зерна, отражается зеркально, остальное рассеивается диффузно.

В качестве ячеек фильтра можно использовать отражающие уголки, линейные размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны выделяемого излучения. В соответствии со свойством уголков отражать излучение обратно такой фильтр ненужное коротковолновое излучение направляет назад в источник, а не рассеивает, как матированное зеркало или дифракционная решётка. Уголковый отрезающий фильтр имеет очень крутую спектральную характеристику, коротковолновый фон его не превышает 5%.

Такие фильтры используют в длинноволновой области спектра ( > 25 мкм), где имеются затруднения с другими видами светофильтров. Особенно ценны эти фильтры в области спектра  > 200 мкм, где непригодны методы, основанные на явлениях дисперсии. Как и в случае других рассеивающих фильтров, величина фона в выделяемом излучении зависит от расположения фильтра в оптической системе прибора. Фон оказывается наименьшим, если фильтр находится в параллельном пучке лучей.

Прогресс в физических исследованиях требует совершенствования методов монохроматизации излучения. При этом обычно стоит задача создания фильтров с заданной шириной и формой полосы пропускания, с большой прозрачностью и наиболее простых по своему устройству и технологии изготовления.

Высокие требования предъявляются к фильтрам, используемым при работе с мощным лазерным излучением. Здесь необходимы особые качества фильтров — узкая полоса, высокая контрастность, высокая лучевая прочность. В свою очередь развитие лазерной техники стимулирует создание новых видов фильтров, в частности с управляемой полосой.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ПОГЛОЩЕНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА

Превращения, которые свет испытывает при взаимодействии с конкретным веществом, будем называть «оптическими свойствами этого вещества». Изменения, которые претерпевает свет, определяются как макроскопическими (например, характером поверхности) так и микроскопическими свойствами субстанции (например, ее электронной структурой). Оптические свойства вещества связаны с другими характеристиками материала и это часто позволяет судить о характере поведения образца, например, в тех случаях, когда прямые методики технически недоступны. Наиболее важными оптическими свойствами следует считать поглощение (пропускание) и отражение. Эти явления описывают путем введения в рассмотрение соответствующих оптических коэффициентов.

Поглощением (абсорбцией) − света называется явление потери энергии световой волны при прохождении её через вещество вследствие возбуждения колебаний квазичастиц среды. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, посылаемых индуцированными диполями, частично же она может переходить и в другие формы энергии. Если на поверхность вещества падает параллельный пучок света (плоская волна) с интенсивностью I, то описываемые процессы должны вести к уменьшению I по мере проникновения волны в вещество. Явление поглощения света объясняется на основе как классической, так и квантовой теории.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ.

Под действием электрического поля световой волны с круговой частотой  отрицательно заряженные электроны атомов и молекул смещаются относительно положительно заряженных ядер, совершая гармоническое колебательное движение с частотой, равной частоте действующего поля. Колеблющийся электрон, превращаясь в источник, сам излучает вторичные волны. В результате интерференции падающей волны с вторичной волной в среде возникает волна с амплитудой, отличной от амплитуды вынуждающего поля. Так как интенсивность есть величина, прямо пропорциональная квадрату амплитуды, то соответственно изменится и интенсивность излучения, распространяющегося в среде; другими словами, не вся поглощенная атомами и молекулами среды энергия возвращается в виде излучения – произойдет поглощение. Поглощенная энергия может превратиться в другие виды энергии. В частности, в результате столкновения атомов и молекул поглощенная энергия может превратиться в энергию хаотического движения – тепловую.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ.

Согласно квантовым представлениям, атомы и молекулы обладают дискретным энергетическим спектром (основное и возбужденные состояния). При распространении света через среду часть энергии тратится на возбуждение системы, а часть (вместе с возвращенной долей энергии за счет переходов из возбужденных состояний в основное) выходит из среды. В результате таких взаимодействий интенсивность вышедшего из среды луча оказывается меньше интенсивности света, падающего на среду.

Опыт показывает, что интенсивность плоской волны изменяется согласно закону:

I=I₀e^-L, (2)

где I₀, I – интенсивность плоской монохроматической волны

падающего и прошедшего через слой вещества излучения

соответственно;

L – толщина слоя;

 – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны 

света, химической природы и состояния вещества и не

зависящий от интенсивности света. Численное значение

коэффициента поглощения  показывает толщину слоя L,

равную 1/, после прохождения которого интенсивность

плоской волны уменьшается в е = 2,72 раза.

Формула (2) называется законом Бугера. Физический смысл этого закона заключается в том, что коэффициент поглощения не зависит от интенсивности света, а следовательно, и от толщины поглощающего слоя. Коэффициент поглощения α различается для разных веществ. Для одноатомных газов и паров металлов, представляющих собой собрание атомов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, т.е. практически изолированных, коэффициент поглощения везде очень мал 0 и только в узких спектральных областях от 10^-12 до 10^-11 м наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти области резкой абсорбции атомов соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов. В случае газов, молекулы которых построены из нескольких атомов, обнаруживаются также собственные частоты, соответствующие колебаниям атомов внутри молекулы. Так как массы атомов в десятки тысяч раз больше массы электрона, то эти молекулярные частоты обладают гораздо большими периодами, т.е. соответствуют инфракрасной области спектра.

Направляя на вещество излучение, имеющее сплошной спектр, и анализируя спектральный состав прошедшего через вещество излучения, т.е. изучая спектр поглощения (спектр абсорбции), проводят структурный анализ вещества. Такой метод исследования носит название абсорбционной атомной и молекулярной спектроскопии.

Качественное представление о зависимости коэффициента поглощения от длины волны можно получить, сфотографировав сплошной спектр какого-нибудь источника через слой поглощающего вещества. Чем больше коэффициент поглощения для данной длины волны, тем отчётливее обнаружится ослабление соответствующих участков спектра. Как правило, спектры поглощения многоатомных газов представляют ряд более или менее сложных полос, а одноатомные газы (пары металлов) характеризуются резкими линиями поглощения, ширина которых нередко измеряется сотыми долями ангстрема. По мере повышения давления газов спектры поглощения их становятся все более и более расплывчатыми и при высоких давлениях приближаются к спектрам поглощения жидкостей. Эти наблюдения показывают, что расширение узких полос поглощения есть результат взаимодействия атомов друг с другом.

Коэффициент поглощения диэлектриков невелик (порядка 10^-3–10^-7 м^-1) из-за малой концентрации свободных электронов, однако в условиях резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах возникает сплошной спектр поглощения. Наоборот, для металлов (из-за высокой концентрации свободных электронов) световая энергия быстро переходит во внутреннюю и коэффициент поглощения достигает больших величин.

Коэффициент поглощения  зависит от длины волны, поэтому поглощающие вещества окрашены. Например, стекло, слабо поглощающее красные лучи и сильно поглощающее синие и зелёные лучи, при освещении белым светом будет казаться красным, а при освещении синим или зелёным светом – чёрным из-за сильного поглощения. Среду, не поглощающую свет всех длин волн в интервале видимого света, будем называть абсолютно прозрачной. Это явление используется в светофильтрах, которые в зависимости от химического состава пропускают свет только определенных длин волн. Таким образом, чем больше коэффициент поглощения  для данной длины волны , тем отчётливее обнаружится ослабление соответствующих участков спектра поглощения.