ЛАБЫ / ЛР10
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерная школа новых производственных технологий Обеспечивающее подразделение: Отделение материаловедения Направление подготовки: 12.03.02 Оптотехника ООП: Оптико-электронные приборы и системы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10 Измерение спектров излучения
дисциплина «Источники и приёмники оптического излучения»
Выполнил:
студент группы |
_________________ |
Проверил: |
|
|
доцент, к.ф.-м.н. ОМ, ИШНПТ |
_________________ |
Валиев Д.Т. |
Томск
Цели работы:
1.Измерить спектры излучения источников света, указанных преподавателем. Результаты измерений внести в таблицы.
2.Построить графики измеренных спектров излучения ламп.
3.Рассчитать и указать на графике спектральную ширину щели, при которой измерялись спектры.
Методика измерений
В настоящей работе для измерения спектральных характеристик приёмников света используется установка, собранная на базе малогабаритного универсального монохроматора типа МУМ. Установка состоит из собственно монохроматора, источника излучения и сменных приёмников излучения со своими блоками питания и регистрации. Схема установки при различных режимах измерений представлена на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Оптическая схема монохроматора МУМ Монохроматор МУМ изготовлен по автоколлимационной оптической
схеме (рис.1) с применением вогнутой дифракционной решётки, которая выполняет роль диспергирующего и фокусирующего элемента. Решётка выполнена с переменным шагом нарезки и криволинейными штрихами, что даёт возможность значительно компенсировать расфокусировку и другие аберрации. Излучение от источника попадает на входную щель 2 и посредством зеркала 4 заполняет вогнутую дифракционную решётку 1. Дифрагированное решёткой излучение направляется в выходную щель 3 (при введённом зеркале 4') или в выходную щель 3' (при выведенном зеркале 4'). В монохроматоре устанавливаются нерегулируемые щели равной ширины с авых = 0,05, 0,25, 1,0 или 3,0 мм. Рабочий диапазон длин волн 200-800 нм, величина обратной линейной дисперсии dλ/dl = 3,5 нм/мм.
2
Монохроматор 7 установлен на рельс 1. Со стороны входной щели 10 на рельс установлен источник излучения 12 на рейтере. Необходимое расстояние от источника света до входной щели можно получить, передвигая рейтер вдоль рельса. На торцевой стенке монохроматора расположена рукоятка 9 с цифровым механическим счётчиком 8, вмонтированным в корпус монохроматора, с помощью которого осуществляется непосредственный отсчёт длин волн с точностью 0,2 нм. На лицевой панели корпуса блока питания 13 имеются: тумблер "СЕТЬ" и сигнальная лампа, расположенная над этим тумблером; тумблер "НАКАЛ-НЕДОКАЛ", обеспечивающий работу источника излучения в 2-х режимах; гнезда для подключения микроамперметра; тумблер включения фотоэлемента.
Блок приёмника излучения 6 состоит из фотоэлемента Ф-25, усилителя и систем регулирования сигнала. На боковую стенку корпуса блока выведены: рукоятка изменения диафрагмы входного окна 5, рукоятка установки нуля темнового тока 4, переключатель диапазонов чувствительности измерительной системы 3. Положение I переключателя соответствует максимальной чувствительности системы для измерения самых слабых потоков излучений. При положении П переключателя чувствительность системы снижается в 2 раза, при положении Ш - в 7 раз, и при положении IV в 100 раз по отношению к максимальной. Регистрация интенсивности излучения в относительных единицах осуществляется по шкале амперметра 14.
Рис. 2. Схема установки для измерения спектров излучения:
1 - рельс; 2 - рейтер; 3 - переключатель диапазонов чувствительности измерительной системы; 4 - рукоятка установки нуля темнового тока; 5 - рукоятка
изменения диафрагмы; 6 - блок приемника излучения; 7 - корпус монохроматора МУМ; 8 - счетчик длин волн; 9 - рукоятка изменения выделяемой длины волны; 10 - сменная входная щель; 11 - конденсор освещения входной щели; 12 - лампа в защитном кожухе; 13 - блок питания; 14 - измерительный прибор .
3
ХОД РАБОТЫ
1. Люминесцентная лампа
Люминесцентные лампы (ЛЛ) представляют собой разрядные ИС низкого давления, в которых УФ излучение ртутного разряда преобразует люминофором в более длинноволновое излучение [1].
Принцип действия ЛЛ основан на использовании фотолюминесценции люминофором под воздействием резонансного УФ-излучения разряда в парах ртути при низком давлении (5-10 Па), которое соответствует температуре жидкой фазы ртути (35-40ОС). Добавка инертного газа к парам ртути облегчает зажигание дугового разряда, уменьшает распыление катодов, увеличивает градиент электрического потенциала в столбе разряда и существенно повышает выход излучения резонансных линий ртути.
Существуют ЛЛ с разрядом в инертных газах - безртутные ЛЛ, которые имеют три важных преимущества: они не токсичны, работоспособны при низких температурах и пригодны для люминофоров, возбуждающихся коротковолновым УФ-излучением с квантовым выходом больше 1.
Рис. 3. Спектр излучения ЛЛ ЛЛ низкого давления представляет собой стеклянную трубку-колбу, на
внутреннюю поверхность которой наносится люминофор. В оба конца трубки впаяны, электроды. После откачки и обезгаживания лампа заполняется аргоном с добавлением небольшого количества ртути [2].
Расчёт относительной спектральной плотности излучения проводился по формуле:
4
|
dλ |
|
φ(λ) = |
iфλ ∙ γ(λ)max ∙ τ(λ)max ∙ ( dl )λmax |
; |
dλ |
||
|
iфλmax ∙ γ(λ) ∙ τ(λ) ∙ ( dl )λ |
|
а) |
|
б) |
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Излучения ЛЛ: а) спектр излучения; б) спектральная плотность Расчёт спектральной ширины щели:
Для всех ламп авых = 0,25:dλ
∆λ = авых ∙ ( dl )λ = 0,25 ∙ 3,5 = 0,875 мм
Люминесцентная лампа имеет линейчатый спектр, что характерно для газоразрядных источников излучения. Максимум интенсивности приходится на длину волны λ = 545 нм. В данной лампе в качестве наполняемого инертного газа используется - аргон. Это можно понять сравнив спектр излучения лампы со спектром излучения аргона.
2. Лампа накаливания
Лампа накаливания (ЛН) - искусственный источник света, в котором свет испускается телом накала, нагреваемым электрическим током до высокой температуры.
5
Устройство ЛН показано на рис. 3.4. Главной частью ЛН является тело накала. Оно может представлять собой нить, спираль, биспираль, триспираль, иметь разнообразные размеры и форму. Тело накала изготавливается из вольфрамовой проволоки.
Рис. 6. Спектр излучения ЛН Главным недостатком ЛН являются низкая световая отдача (8-20 лм/Вт
для ЛН общего назначения), невысокая продолжительность горения (не более 2000 ч), неприемлемая цветопередача и недостаточная механическая прочность
[1].
Расчёт относительной спектральной плотности излучения проводился по
формуле: |
dλ |
|
|
|
|
φ(λ) = |
iфλ ∙ γ(λ)max ∙ τ(λ)max ∙ ( dl )λmax |
; |
dλ |
||
|
iфλmax ∙ γ(λ) ∙ τ(λ) ∙ ( dl )λ |
|
а) |
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 7. Излучения ЛН: а) спектр излучения; б) спектральная плотность Расчёт спектральной ширины щели:
Для всех ламп авых = 0,25:dλ
∆λ = авых ∙ ( dl )λ = 0,25 ∙ 3,5 = 0,875 мм
6
Лампа накаливания имеет сплошной спектр, что характерно для тепловых источников света.
3. Светодиодная лампа
Светодиодная лампа (СЛ) - устройство, изготовленное на основе группы ярких, сверхъярких или мощных светодиодов, размещённых в колбе, создающей направленный или рассеивающий поток излучения, как правило снабжённое цоколем и предназначенное для освещения или светосигнализации
[3].
Рис. 8. Спектр излучения СЛ
Всветодиодах используется принцип генерации света при прохождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материалов.
Вполупроводниках электрический ток в одну сторону (в проводящем направлении) течёт при приложении даже небольшого напряжения, свободно преодолевая порог. Электроны при преодолении «энергетического порога» выделяют определённую энергию. Обычно эта энергия выделяется в виде тепла, но при определённых условиях может превращаться и в свет. [4]
Расчёт относительной спектральной плотности излучения проводился по
формуле: |
dλ |
|
|
|
|
φ(λ) = |
iфλ ∙ γ(λ)max ∙ τ(λ)max ∙ ( dl )λmax |
; |
dλ |
||
|
iфλmax ∙ γ(λ) ∙ τ(λ) ∙ ( dl )λ |
|
7
а) |
|
б) |
|
|
|
|
|
|
Рис. 9. Излучения СЛ: а) спектр излучения; б) спектральная плотность Расчёт спектральной ширины щели:
Для всех ламп авых = 0,25:dλ
∆λ = авых ∙ ( dl )λ = 0,25 ∙ 3,5 = 0,875 мм
Светодиодная лампа имеет непрерывный спектр, но имеет небольшой «провал» в зелёном диапазоне спектра. Его «заполнение» способствует повышению индекса цветопередачи источника света на основе светодиодов [5]. Белый свет излучения светодиодов получается за счёт применения синего излучения кристаллов и преобразованной части этого излучения с помощью люминофора, имеющего максимум излучения в жёлтой области спектра [4].
Сравнение теоретической спектральной плотности излучения с экспериментальной
|
|
|
|
в) |
|
|
б) |
|
|
а) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 10. Спектральная плотность излучения для: а) ЛЛ; б) ЛН; в) СЛ, где чёрный - теоретический спектр; красный - экспериментальный
8
Получившаяся разница в спектральных плотностях излучения связана со спектральной шириной щели. Чем уже спектральная ширина щели - тем лучше разрешение. [6]
Вывод: проведены измерения спектров излучения, найдена относительная спектральная плотность лампы накаливания и газоразрядной лампы, построены графики зависимостей относительной спектральной плотности от длины волны. Спектры были построены с учётом относительной спектральной чувствительности приёмника излучения Ф-25, и с
учётом обратной линейной дисперсии монохроматора МУМ.
9
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Айзенберг Ю.Б. Справочная книга по светотехнике. [Электронный ресурс]. -
Электрон. текстовые данные. URL: https://studylib.ru/doc/6389029/yu.b.- ajzenberg---spravochnaya-kniga-po-svetotehnike---m.-zn...
2.Девятых Э.В. Дадонов В.Ф. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ. ЛЮМИНОФОРЫ И ЛЮМИНОФОРНЫЕ ПОКРЫТИЯ. [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые данные. URL: https://www.elec.ru/files/2019/09/26/Lyuminestsentnye_lampy.PDF
3.Юшин А.М. Совеременные светодиоды. Справочник. [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые данные. URL: https://djvu.online/file/kzu473i2E2nXA?ysclid=m27gyk7833193801517
4.Варфоломеев Л.П. Элементарная светотехника. [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые данные. URL: https://www.elec.ru/files/2014/07/25/LT_Svetotehnika_2014.pdf
5.Никифоров С.Г. Система параметров светодиодов. Электрические, фотометрические, спектральные (колориметрические) и энергетические характеристики. [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые данные. URL: https://portal.tpu.ru/SHARED/e/ELP/teaching/Tab1/2011_5_16(система%20парамет ров%20свето.pdf
6.Асеев В.А., Бабкина А.Н., Миронов Л.Ю., Нурыев Р.К. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ФОТОНИКИ. [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые данные. URL: https://books.ifmo.ru/file/pdf/2978.pdf
10