книги из ГПНТБ / Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения

Коэффициент контрастности у характеризует способ­ ность фотоматериала передавать с большей или мень­ шей разницей различия яркостей регистрируемого объекта [66, 67]. Коэффициент контрастности опреде­ ляется тангенсом угла наклона линейного участка ха­ рактеристической кривой (рис. 17). Если D 1 и D2 — опти­ ческие плотности, соответствующие экспозициям Н 1 и Н2 и находящиеся в области нормальных почернений, то коэффициент контрастности определяется выражением

исследуемым сигналом, определить экспозицию Н и ин­ тенсивность I . Нужно отметить, что характеристическую кривую следует получать на той же пластинке, на кото­ рой регистрируется исследуемый сигнал. Несколько ху­ же, если использовать другую фотопластинку из той же партии и поддерживать постоянные условия проявления: температура, время и т. п. Это связано с сильной зависи­ мостью характеристик фотоматериала от температуры и времени проявления.

Временные характеристики. Как отмечалось, рабо­ тать фотографическим методом можно, с некоторыми предосторожностями, до сколь угодно коротких времен экспозиций. Однако следует иметь в виду одно обстоя­ тельство. Дляфотоматериалов экспозиция, как пра­ вило, определяется не величиной It, а величиной H = Itp,

70

где р — фактор Шварцшильда, характеризующий откло­ нения от закона в5аимозаместимости [64, 68]. Отклоне­ ния от закона взаимозаместимости характеризуются изоопаками, дающими зависимость величины логарифма экспозиции при постоянной оптической плотности

временем для фотохимического процесса в эмульсии. При

1^9^77-Const

Рис. 19. Изоопака фотоматериала.

временах экспозиции больше ІО-4 сек сказывается вре­ менной характер изменения интенсивности света, при временах, меньших ІО"4 сек, действие излучения практи­

Сложную зависимость экспозиции от времени следует учитывать при работе, т. е. характеристическую кривую следует строить с учетом тех времен, которые будут иметь место при измерительных съемках;

В табл. 12 приведены характеристики некоторых фотопленок и пластинок, находящих применение в прак­ тике измерений.

Техника фотографического метода. Рассмотрим неко­ торые особенности данного метода, в частности, получе­ ние характеристической кривой, процессы проявления и фотометрирования.

Методы получения характеристической кривой, необ­ ходимой для проведения измерений энергетических ха­ рактеристик фотографическим методом, основаны на том, что на фотопластинку или пленку наносят так назы­

71

!) Коэффициент контрастности и широта приведены дли временя экспозиции U,(JD сек.

2)Для астрономических пленок указана граница спектральной чувствительности.

3)Два максимума чувствительности.

4)Для времени экспозиции '-—5 сек.

72

экспозиций [64, 71, 72]. Наиболее часто на практике ис­

источника света с различными временами экспозиций. Времена экспозиций выбираются в отношении 1 : 2 : 4 : 8 и т. д. в соответствии с тем, что почернение, которое получается, зависит от логарифма экспозиции. Естест­ венно, этот метод применим лишь в том случае, когда р — фактор Шварцшильда — близок к единице. По сним­ кам, полученным таким образом, строят зависимость D от lg Я, точнее, D от lg t.

Рис. 20. Оптическая схема с экраном для получения характеристи­ ческой кривой.

2. Делают ряд снимков стандартного источника с по­ стоянным временем экспозиции, но изменяя при этом интенсивность света также в отношении 1 : 2 : 4 : 8 и т. р. Изменение интенсивности света может произво­ диться различными способами, например, с помощью щелей или диафрагм. Следует иметь в виду, что этот метод может в некоторых случаях давать погрешность, связанную с изменением геометрии освещения.

3. Производят снимок с помощью ступенчатого осла­ бителя [68]. Ступенчатый ослабитель представляет собой ряд нейтральных фильтров, образованных напылен­ ными слоями платины, с различным известным пропуска­ нием. В этом случае при одном времени экспозиции по­ лучается ряд полосок, экспонированных с разной, но известной экспозицией. Пропускание ступеней ослабителя делается близким к тому же отношению 1 : 2 : 4 : 8 и т . д . По этому снимку строится кривая, дающая зависимость D от lg Я. При работе следует обращать внимание на равномерность освещения ослабителя.

4. Пользуются следующей оптической схемой (рис. 20) [106]. Однородно освещенный экран 1 проекти-

73

руіот на фотопластинку 4 с помощью объектива 3, имею • щего прямоугольное отверстие. На пути лучей ставится непрозрачный экран 2, загораживающий половину све­ тового пучка. Для точки а' работает весь объектив, для точки Ъ' — меньшая часть объектива, для точки с — половина объектива и т. д. Таким образом на фотопла­ стинке получается равномерное изменение интенсивности света. По такому снимку строится характеристическая кривая. Вся характеристическая кривая получается за одно время экспозиции.

5. Предложен метод получения марок почернени по дифракционной картине на щели 173]. Распределение энергии дифракционной картины в фокальной плоскости

(р — угол дифракции, d — ширина щели. Измерение интен­ сивности дифракционной картины позволяет построить характеристическую кривую, используя одну экспозицию.

Процесс проявления требует специальных мер предо­ сторожности. Дело в том, что проявитель должен равно­ мерно поступать ко всем участкам обрабатываемого фотоматериала. Если проявитель не поступает равно­ мерно, то в отдельных участках фотоматериала, на кото­ рые действовал свет большой интенсивности, проявитель обогащается бромистым калием в результате восстано­ вления бромистого серебра и процесс проявления за­ медляется или даже прекращается совсем [64]. Это может привести к тому, что на зарегистрированной спектраль­ ной линпи появится ложная структура, в центре линии — провал. Эффект такого рода называется явлением Эбергарда. Для устранения этого явления требуется произ­ водить постоянное перемешивание проявителя, например, покачиванием кюветы или с помощью специальных ме­ шалочек. Особенно важно иметь в виду это обстоятельство, если участки, подлежащие в дальнейшем фотометрирова-

нию, расположены в различных участках фотоматериала. Микрофотометрирование (процесс измерения почер­

нений) является одним из этапов при измерениях фото­ графическим методом. Измерение почернений обычно осуществляется с помощью микрофотометра. Слово «микро» использовано потому, что часто приходится из­ мерять почернения маленьких участков поверхности эмульсии. Принципиальная схема микрофотометра при­ ведена на рис. 21, а [68]. Свет от лампочки накаливания 1

74

Рис. 21. а) Оптическая схема микрофотометра, б) Схема регистра­

ции микрофотометра ИФО-451.

пластинки, направляется на фотоэлемент 7 с помощью системы из объектива S, линзы 9 и поворотного зер­ кала 10. Система объектив — линза образует проекционный микроскоп, который изображает измеряемый участок пластинки на экран со щелыо. Щель предназначена для точного выделения измеряемого участка на увели­ ченном изображении фотопластинки. Сигнал с фото­ элемента регистрируется.

В практике находят применение микрофотометры типа МФ-2 [68] для работы с визуальным отсчетом, типа МФ-4, которые кроме визуального отсчета позволяют произво­ дить запись на фотопластинке, и регистрирующие микро­ фотометры типа ИФО-451 [74, 75]. Схема регистрации

75

этого микрофотометра (рис. 21, б) построена по принципу оптического деления сигналов (см. § 2). Рабочий свето­ вой пучок 1—1 проходит оптический клин 3, модулятор 4, матовое стекло 5 и попадает на фотоприемиик 6. Сигнал сравнения 2—2 через модулятор 4 и матовое стекло 5 попадает на тот же фотоприемиик 6. Разностный сигнал через усилитель 7 попадает на реверсивный мотор 8, связанный механически с оптическим клином 3 и пером самописца 9. Микрофотограмма записывается на бумаж­ ном бланке.

Микрофотометр имеет несколько шкал, в соответствии с этим могут варьироваться методы обработки, т. е. мо­

где d0 — отсчет, соответствующий полностью закрытому фотоэлементу, т. е. нулевой или темновой отсчет на шкале гальванометра, d' — отсчет для измеряемого (фотометрируемого) места на фотопластинке, d — отсчет для иезасвеченного места фотопластинки, соответствующий вуали. Далее, для марок почернений строится характе­ ристическая кривая Я = / (lg Я), по которой по измерен­ ному почернению для исследуемого излучения опреде­ ляется интенсивность или энергия. Некоторое упрощение предыдущей методики заключается в том, что подбирают условия измерения на микрофотометре так, чтобы d=1000 и d0=0. В этом случае почернение определяется простым соотношением

Вместо характеристической кривой можно построить за­ висимость отсчетов гальванометра для фотометрируемого участка lg d' от lg Я. В этом случае, естественно, условия измерений соответствуют тому, что Я =1000 и d0=0. Таким образом, градуировочный график дает зависимость lg d '= /(lg Я), из которой по отсчету для почернения, созданного исследуемым излучением, определяют энергию.

Использование логарифмической шкалы упрощает об­ работку, так как отсчет гальванометра сразу дает lgd'.

76

§6. Измерения в различных спектральных областях

Впредыдущем изложении, касающемся селективных приемников излучения, предполагалось, что измерения проводятся в сравнительно узкой спектральной обла­ сти, столь узкой, что чувствительность приемных устройств практически постоянна в этой области. Если

область исследования достаточно широка по спектру, так что приходится принимать во внимание изменение чувствительности по спектру, следует проводить специаль­ ные градуировки приемников, чтобы можно было произ­ водить сравнение энергии нескольких излучений, распо­ ложенных в различных областях спектра.

Кроме селективности приемника на эти измерения может накладываться различная прозрачность по спектру всевозможных окон, фильтров, спектральных устройств и т. п. Во всех этих случаях, как уже отмечалось, при­ ходится проводить градуировку приемников, а то и всего прибора по спектральной чувствительности с помощью источника света с известным распределением энергии по спектру— эталонного источника [68, 71].

При выполнении градуировки приемника необходимо соблюдать некоторые предосторожности. При градуировке должна по возможности сохраняться та же геометрия освещения, что и при измерениях. Отличия в геометрии могут исказить результаты из-за того, например, что будут работать разные толщины селективных элементов, разные области приемных элементов и т. п. При наличии в регистрирующем устройстве диспергирующих элемен­ тов следует учесть то обстоятельство, что для градуиро­ ванного источника света обычно известна величина энер­ гии, приходящаяся на определенный спектральный интервал, т. е. на интервал длин волн или частот, регистри­ руется же обычно энергия, приходящаяся на определен­ ный геометрический интервал, выделенный диафрагмой или щелыо. Учет соответствующей поправки произво­ дится с помощью учета дисперсии dl/d\ прибора или устройства. При градуировке следует учитывать ряд других факторов, которые могут меняться по спектру, например, увеличение системы, хроматическую аберра­ цию, астигматизм и т. п.

В качестве эталонного источника света может служить абсолютно черное тело [71], которое может быть смодели­ ровано полостью с малым излучающим отверстием,

77

Г л а в а 2

ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ОКГ

В этом разделе будут рассмотрены вопросы измерения длин волн или частот линий излучения ОКГ и вопросы исследования контуров линий излучения, т. е. ширин линий и их формы. В качестве метода измерения длин волн или частот линий будет рассмотрен в первую оче­ редь фотографический метод регистрации спектров. Именно для него в настоящее время наиболее полно разработана методика; кроме того, для ОКГ с импульс­ нымрежимом работы этот метод почти единственно при­ годный. Метод фотоэлектрической регистрации спектраль­ ных характеристик чаще применяется для исследования непрерывного излучения ОКГ или периодических им­ пульсов излучения ОКГ.

§ 1. Стандарты длин воли

Для падежного измерения длин волн или частот спектральных линий необходимы определенные стандарты, по отношению к которым производятся измерения.

В 1907 г. первичным стандартом длины волны была принята длина волны красной линии кадмия, выражен­ ная в единицах международного метра и измеряемая в определенных условиях. По определению длина волны

красной линии кадмия составляет 6438,4696 А в сухом воздухе при 15 °С (по водородному термометру) при давлении 760 мм рт. ст. и при ускорении силы тяжести g-=980,67 см/сек (географическая широта 45°) [75, 76].

Первые измерения стандарта длины волны с высокой точностью были выполнены Майкельсоном в 1892 г., а затем в 1905 г. — Бенуа, Фабри и Перо. Результаты позднейших измерений совпали с этими с точностью, превосходящей 3 • ІО-5 %. Точность принятого в настоя­ щее время значения оценивается как +1-10~5 %. Чтобы

79