
Лабы КОЭ / Интерференционные фильтры
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ФОТ
отчет
по лабораторной работе №2
по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»
Тема: ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ФИЛЬТР
Студенты гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.
_________________ Горбунова А.Н.
Преподаватель _________________ Романович М.М.
Санкт-Петербург
2023
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование спектральных характеристик интерференционных светофильтров и определение их основных параметров.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Узкополосные светофильтры строятся на основе интерферометра Фабри-Перо, схематически их конструкции можно изобразить в следующем виде (рис. 1): зеркало – разделительный слой – зеркало – подложка (З – Р – З – П). В качестве зеркал чаще всего используются тонкие слои одного из двух металлов – серебра для видимой и инфракрасной области и алюминия для ультрафиолетовой области спектра. Разделительный слой формируется из диэлектрического материала, прозрачного в рабочей области спектра. Иногда, для защиты фильтра от воздействия окружающей его среды, его заклеивают между двумя стеклянными пластинами.
Рисунок 1 – Схема узкополосного интерференционного фильтра
На выходе системы получается бесконечная последовательность убывающих по амплитуде лучей, с равной разностью хода между ними, которые 2 интерферируют между собой. Отражение света от двух параллельных плоскостей приводит к образованию локализованных в бесконечности (или фокальной плоскости линзы) интерференционных полос равного наклона (рис.2).
Рисунок 2 – Образование полос равного наклона при многолучевой интерференции в интерферометре Фабри-Перо
Разность хода двух соседних интерферирующих лучей Δ определяется соотношением:
где h − толщина диэлектрического слоя, θ − угол падения света, θ’ − угол преломления, n − показатель преломления диэлектрика, n’ − показатель преломления окружающей среды (предполагается, что n’ = 1).
Максимумы интенсивности в проходящем свете будут расположены там, где Δ составляет целое число длин волн:
При выполнении этого условия система является прозрачной и может служить фильтром с максимумами пропускания при λ = λ0, λ= λ0/2, λ = λ0/3 и т.д., соответственно для m = 1, 2, 3, ...
Фрагмент спектра пропускания интерференционного светофильтра при различных значениях коэффициента отражения R, приведен на рис.3., где λ0=2hncos(θ’).
Рисунок 3 – Фрагмент спектра пропускания интерференционного фильтра
Важными характеристиками светофильтра являются (рис. 4):
величина максимального пропускания Tmax;
длина волны максимума пропускания λmax;
ширина полосы пропускания:
где λ1, λ2 длины волн, на которых пропускание уменьшается в два
раза:
фактор контраста, который даёт отношение максимального и минимального пропусканий:
Ширина полосы пропускания интерференционного светофильтра намного
меньше, чем у обычного абсорбционного фильтра (например, у цветного стекла),
и может составлять до десятых долей нм при пропускании в максимуме в десятки
процентов.
Рисунок 4 – Спектр пропускания интерференционного светофильтра
СХЕМА УСТАНОВКИ
Рисунок 5 – Блок-схема установки
Исследование проходит следующим образом: блок питания на 12 вольт включается в сеть, к блоку питания подключается лампа, свет от лампы падает на коллиматор, с помощью которого собирается в параллельный пучок, после чего свет проходит через диафрагму и попадает на интерференционный фильтр.
Дальше излучение проходит сквозь фильтр и попадает в световод, подключенный к спектрометру, с помощью которого осуществляется регистрация спектра и передача его в цифровом виде на компьютер.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Построение спектров пропускания фильтра при различных углах падения.
Рисунок 6 – Спектры пропускания первого фильтра
Рисунок 7 – Спектры пропускания второго фильтра
2. Определение основных характеристик светофильтра.
Таблица 2 – Основные характеристики первого светофильтра
Угол поворота, град. |
Tmax, % |
λmax, нм |
λ2-λ1, нм |
Tmax/Tmin |
R |
0 |
80,8 |
556 |
7,5 |
26,9 |
0,68 |
5 |
82,2 |
556 |
8 |
27,4 |
0,68 |
10 |
83,2 |
555 |
7,9 |
27,7 |
0,68 |
15 |
79,8 |
553 |
7,7 |
26,6 |
0,68 |
20 |
80,8 |
551 |
7,6 |
40,4 |
0,73 |
25 |
76,8 |
547 |
7,7 |
38,4 |
0,72 |
30 |
77,1 |
540 |
7,3 |
77,1 |
0,80 |
35 |
74,1 |
534 |
7,1 |
74,1 |
0,79 |
40 |
69,7 |
527 |
7,4 |
69,7 |
0,79 |
45 |
65,9 |
521 |
7,9 |
65,9 |
0,78 |
50 |
58,1 |
514 |
9 |
29,0 |
0,69 |
55 |
50,9 |
507 |
10 |
17,0 |
0,61 |
Таблица 2 – Основные характеристики второго светофильтра
Угол поворота, град. |
Tmax, % |
λmax, нм |
λ2-λ1, нм |
Tmax/Tmin |
R |
0 |
73,9 |
494 |
7 |
37,0 |
0,72 |
5 |
75,7 |
494 |
7 |
37,8 |
0,72 |
10 |
74,6 |
493 |
7 |
37,3 |
0,72 |
15 |
74,7 |
491 |
6,7 |
24,9 |
0,67 |
20 |
76,1 |
489 |
6,6 |
25,4 |
0,67 |
25 |
73,2 |
486 |
6,7 |
24,4 |
0,66 |
30 |
71,1 |
481 |
6,7 |
17,8 |
0,62 |
35 |
66,5 |
476 |
6,7 |
16,6 |
0,61 |
40 |
62,9 |
470 |
6,5 |
12,6 |
0,56 |
45 |
57,5 |
464 |
6,4 |
11,5 |
0,54 |
50 |
52,5 |
458 |
6,6 |
8,7 |
0,49 |
55 |
48,1 |
453 |
6,8 |
8,0 |
0,48 |
60 |
41,7 |
446 |
8 |
7,0 |
0,45 |
65 |
31,1 |
440 |
10 |
4,4 |
0,36 |
3. Построение зависимости длины волны максимума пропускания от угла поворота для двух светофильтров.
Рисунок 8 – Зависимость длины волны максимума пропускания от угла падения для первого светофильтра
Рисунок 9 – Зависимость длины волны максимума пропускания от угла падения для второго светофильтра
4. Расчет эффективной оптической толщины фильтров при m=1 для гулов падения 5̊, 10̊ и 30̊ для обоих светофильтров с использованием формулы (1).
Таблица 3 – Расчет оптической толщины фильтров
|
50 |
100 |
300 |
1 светофильтр |
180,65 |
180,55 |
183,21 |
2 светофильтр |
160,72 |
161,18 |
165,27 |
ВЫВОД
В данной лабораторной работе были изучены спектральные характеристики интерференционных светофильтров и определены основные параметры.
Были построены спектры пропускания для двух светофильтров (рис.6 и рис.7). В обоих случаях с уменьшением длины волны увеличивается пропускная способность. Также были построены зависимости длины волны максимума пропускания от угла поворота для двух светофильтров (рис.8 и рис.9). С увеличением угла поворота значение максимальной длины волны уменьшается.
Также были рассчитаны основные параметры светофильтров и оптическая толщина фильтров в зависимости от угла поворота. При увеличении угла поворота оптическая толщина фильтра увеличивается.