МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра фотоники |
||||||
отчет по лабораторной работе № 1 по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника» Тема: Интерференционный светофильтр
|
||||||
|
||||||
Санкт-Петербург 2024 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР
ЦЕЛЬ: 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 (рисунок 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 интерферируют между собой. Отражение света от двух параллельных плоскостей приводит к образованию локализованных в бесконечности (или фокальной плоскости линзы) интерференционных полос равного наклона (рисунок 2).
Рисунок 2 – Образование полос равного наклона при многолучевой интерференции в интерферометре Фабри-Перо
Таким образом, комбинация интерферометра Фабри-Перо с очень маленькой оптической толщиной между отражающими поверхностями и фильтра, выделяющего широкую область спектра, обладает избирательной пропускающей способностью. Такая оптическая система называется интерференционным светофильтром.
Важные характеристики светофильтра – рисунок 4:
Величина максимального пропускания – Tmax,
Длина волны максимума пропускания – λmax,
Ширина полосы пропускания – соотношение (3):
|
(3) |
где λ1, λ2 – длины волн, на которых пропускание уменьшается в два раза,
Фактор контраста, который дает отношение максимального и минимального пропусканий – соотношение (4):
|
(4) |
где R – коэффициент отражения.
Ширина полосы пропускания интерференционного светофильтра намного меньше, чем у обычного абсорбционного фильтра (например, у цветного стекла), и может составлять до десятых долей нанометров при пропускании в максимуме в десятки процентов.
Рисунок 4 – Спектр пропускания интерференционного светофильтра
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.
Блок-схема лабораторной установки приведена ниже на рисунке 5:
Рисунок 5 – Блок-схема установки
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
По экспериментальным результатам построим спектры пропускания для двух светофильтров на рисунках 6,7. Отдельно вынесем кривые с малым значением максимума зависимости для более точного их распознавания.
Рисунок 6 – График спектральных зависимостей коэффициента пропускания для углов поворота от 0º до 70º для светофильтра №1
Рисунок 7 – График спектральных зависимостей коэффициента пропускания для углов поворота от 0º до 60º для светофильтра №2
По экспериментальным результатам, используя соотношения (3) – (5), проведем расчет значений различных параметров. Полученные данные представим в таблицах 1 и 2. Приведем пример расчета.
Таблица 1 – Расчетные значения основных параметров для светофильтра №1
|
Светофильтр №1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
89,577 |
0,996 |
555,826 |
8,287 |
76,181 |
0,794 |
5 |
56,956 |
1,748 |
553,754 |
8,029 |
42,577 |
0,734 |
10 |
74,376 |
1,83 |
550,645 |
8,033 |
40,643 |
0,729 |
15 |
73,852 |
1,964 |
546,239 |
7,519 |
37,603 |
0,719 |
20 |
74,101 |
1,937 |
540,792 |
7,784 |
38,256 |
0,722 |
25 |
71,927 |
1,831 |
535,342 |
8,048 |
39,283 |
0,725 |
30 |
69,168 |
1,373 |
528,849 |
8,054 |
50,377 |
0,753 |
35 |
66,802 |
1,74 |
522,351 |
8,581 |
38,392 |
0,722 |
40 |
58,807 |
1,365 |
514,025 |
10,413 |
43,082 |
0,736 |
45 |
60,423 |
1,732 |
515,847 |
9,631 |
34,886 |
0,71 |
50 |
44,4 |
2,476 |
501,782 |
15,648 |
17,932 |
0,618 |
55 |
35,84 |
3,153 |
496,827 |
20,882 |
11,366 |
0,542 |
60 |
28,603 |
3,763 |
491,347 |
26,909 |
7,601 |
0,468 |
65 |
15,414 |
2,948 |
467,298 |
57,227 |
5,229 |
0,391 |
70 |
2,712 |
0,129 |
467,298 |
60,876 |
21,023 |
0,642 |
Таблица 2 – Расчетные значения основных параметров для светофильтра №2
|
Светофильтр №2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
70,522 |
1,786 |
494,218 |
7,046 |
39,486 |
0,725 |
5 |
68,716 |
1,515 |
492,13 |
7,047 |
45,357 |
0,741 |
10 |
71,149 |
1,542 |
489,52 |
5,482 |
46,141 |
0,743 |
15 |
68,072 |
1,664 |
485,864 |
7,052 |
40,909 |
0,729 |
20 |
66,267 |
1,669 |
481,422 |
7,056 |
39,705 |
0,726 |
25 |
63,793 |
1,767 |
476,717 |
7061 |
36,102 |
0,715 |
30 |
61,971 |
1,681 |
471,224 |
7,327 |
36,866 |
0,717 |
35 |
58,457 |
0,619 |
465,465 |
7,593 |
94,438 |
0,813 |
40 |
53,218 |
1,425 |
458,392 |
10,221 |
37,346 |
0,719 |
45 |
47,289 |
1,436 |
452,887 |
9,704 |
32,931 |
0,703 |
50 |
39,968 |
2,273 |
446,329 |
11,286 |
17,584 |
0,615 |
55 |
31,761 |
3,617 |
452,65 |
15,236 |
8,781 |
0,495 |
60 |
20,879 |
3,707 |
428,726 |
16,825 |
5,632 |
0,407 |
Пример расчета для угла θ = 25º для светофильтра №2:
По экспериментальным результатам построим график зависимости длины волны максимального пропускания от угла падения света на рисунках 8 и 9 для двух светофильтров.
Рисунок 8 – График зависимости длины волна максимального пропускания от угла падения света для светофильтра №1
Рисунок 9 – График зависимости длины волны максимального пропускания от угла падения света для светофильтра №2
Используя соотношения для углов падения 5º, 10º и 30º вычислим значения толщины обоих светофильтров, получив следующее соотношение. Расчетные данные представим в таблице 3.
Таблица 3 – Расчетные значения эффективной оптической толщины светофильтров
Номер фильтра |
Эффективная оптическая длина светофильтра |
|
||
5 |
10 |
30 |
||
Светофильтр №1 |
h, мкм |
81,208 |
90,847 |
120,957 |
Светофильтр №2 |
76,860 |
81,570 |
105,355 |
|
Пример расчета для обоих светофильтров при угле θ = 10º:
ВЫВОД
В ходе выполнения лабораторной работы удалось исследовать спектральные характеристики интерференционных светофильтров и их основные параметры.
При обработке результатов эксперимента были построены спектры пропускания двух светофильтров. По полученным зависимостям видно, что с увеличением угла падения уменьшается максимум пропускания и смещается в область более коротких длин волн. Были построены зависимости величины максимального пропускания от угла поворота светофильтров для обоих образцов. По ним можно определить, что максимальное значение коэффициента пропускания уменьшается с ростом угла поворота. Удалось получить значения эффективной оптической длины для двух светофильтров.