Минобрнауки россии Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет»
Физический факультет
Кафедра нанотехнологии
ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №3
«Интерференционные светофильтры»
По дисциплине:
«Спектроскопия наноматериалов»
студента 4 к. 9 гр.
Терещенко А.А.
Преподаватель:
Торгашев В.И.
Цель работы.
- Познакомиться с методами определения оптических характеристик свето-поглощающих материалов на примере интерференционных фильтров.
- Освоить принципы экспериментальных измерений спектров пропускания и поглощения света конденсированных систем на автоматизированном спектрофотометре СФ-56. Провести измерения спектров пропускания и отражения конкретных интерференционных фильтров на спектрофотометре СФ-56.
- Получить навыки первичной обработки результатов измерений, определить параметры фильтров.
- Закрепить теоретический материал по методам фильтрации электромагнитного излучения в видимой области спектра
Теоретическая часть
Интерференционные светофильтры, простые и удобные в работе, получили широкое распространение.
Интерференционный светофильтр состоит из двух параллельных частично прозрачных зеркал с заключенным между ними тонким диэлектрическим слоем
рис. 1Интерференционный светофильтр из двух параллельных
зеркал с диэлектрическим слоем между ними
Излучение, проходящее через фильтр, испытывает многократные отражения между зеркальными поверхностями, при каждом отражении частично выходя наружу. На выходе системы образуется бесконечная последовательность убывающих по амплитуде лучей с равной разностью хода между ними, которые интерферируют между собой.
В интерференционных фильтрах можно использовать любые частично прозрачные зеркала — металлические, многослойные диэлектрические, зеркала, основанные на явлении полного внутреннего отражения, для далекой ИК области спектра — сетки. Прозрачность фильтра зависит от потерь в зеркалах — чем меньше потери, тем выше прозрачность.
Рассмотрим интерференционный фильтр первого порядка с семислойными диэлектрическими зеркалами (рисунок 2).
рис. 2 Интерференционный фильтр с семислойными
диэлектрическкими зеркалами
Пусть фильтр рассчитан на пропускание
λ=560нм. Оптическая толщина на разделительного
слоя равна λ/2, а толщины слоев зеркал —
λ/4. приведена кри-вая отражения
семислойного диэлектрического зеркала,
изготовленного из слоев ZnS и криолита
на рисунке 3.
рис. 3 Кривая отражения семислойного диэлектрического
зеркала
Ширина области высокого отражения составляет 0, 25, т. е. для λ= 560 нм занимает область спектра шириной ~ 150 нм. Вторая полоса высокого отражения расположилась бы при λ/3=186 нм (ширина ее в шкале длин волн значительно меньше ширины первой), однако в этой области сильно поглощают слои ZnS. На этом же рисунке пунктиром показаны максимумы прозрачности разделительного слоя λ/2, какими они были бы, если бы коэффициент отражения зеркал фильтра для них был одинаково высок. В действительности образуется только один максимум при λ =560 нм.
Итак, кривая прозрачности фильтра имеет узкий максимум на длине волны 560 нм и широкие "крылья", возникшие там, где мал коэффициент отражения зеркал, т. е. где они прозрачны. Ниже λ = 360 нм данный фильтр непрозрачен из-за поглощения в стеклянной подложке.
Пунктиром показаны кривые прозрачности двух цветных стекол, которые используют вместе с данным интерференционным фильтром для отрезания крыльев. на рисунке 4
рис. 4 Кривые прозрачности двух цветных стѐкол показаны
пунктиром.
рис. 5 Прозрачность готового фильтра
Фильтры более высокого порядка (q > 1) имеют максимумы, расположенные чаще. В этом случае в области высокого отражения зеркал может оказаться несколько максимумов прозрачности, и выделение нужного из них представит некоторые трудности.
Типичные интерференционные светофильтры в видимой области спектра имеют полосу шириной 1-2 нм. Сужение полосы пропускания до 0,1-0,2 нм требует использования в зеркалах фильтра мелкогранулированных слоев с минимальной пористостью и очень малыми световыми потерями. Обычно слои состоят из кристалликов размерами более 5 нм, разделенных порами, вследствие чего положение полосы пропускания изменяется по поверхности на 0,5-2 нм, что препятствует еѐ сужению. При наклоне фильтра относительно направления падающего света длина волны λ смещается в сторону коротких волн, допуская перестройку полосы прозрачности по длинам волн. При этом область высокого отражения смещается в коротковолновую сторону, деформируясь. Величина отражения в области пла-о уменьшается, а в области побочных максимумов — увеличивается. В результате ухудшения отражения зеркал полоса пропускания уширяется. При больших углах наклона, кроме того, происходит раздвоение полосы. Это связано с различием в фазовых сдвигах при отражении для р- и s-компонент поляризованного света. Если полоса прозрачности широкая, раздвоение наступает при углах наклона, больших 30°. В узкополосных светофильтрах оно может наблюдаться и при меньших углах. На практике фильтры низшего порядка можно перестраивать путем наклона примерно на 10 нм. Узкополосные фильтры более высокого порядка допускают перестройку длины волны не более чем на 1-2 нм.