Лабы КОЭ / Интерференционные фильтры

МИНОБРНАУКИ 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 T_max;

• длина волны максимума пропускания λ_max;

• 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.