Лабы по КОЭ / INTERFERENTsIONNYJ_SVETOFIL_TR
.pdf
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР
Целью работы является исследование спектральных характеристик интерференционных светофильтров и определение их основных параметров
1.1 Основные сведения о интерференционных светофильтрах
Узкополосные светофильтры находят свое применение в различных отраслях науки и техники: в медицинских приборах, принцип действия которых основан на анализе структуры биологического материала на заданной длине волны; в экологических устройствах, оценивающих состав атмосферы по пропусканию одной или нескольких длин волн, в пищевой промышленности, когда анализ качества продукции основывается на анализе спектра отраженного излучения; в точном приборостроении; в фотолитографии; в приборах наблюдения; и т.д.
Узкополосные светофильтры строятся на основе интерферометра ФабриПеро, 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
1
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 |
определяется |
|
= ( ) − ’ ( ) = 2 2 − 2( ) = 2( ’), |
(1) |
|
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 составляет целое число длин волн: |
|
|
2( ’) = ( = 1,2,3, … ). |
|
(2) |
При выполнении условия (2) система являетсяλ λ прозрачнойλ λ λ λи может служить фильтром с максимумами пропускания при = 0, = 0/2, = 0/3 и т.д., соответственно для m = 1, 2, 3, ...
2
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 |
|
|
|
Чем выше коэффициент отражения зеркал, тем селективнее фильтр, т.е. |
|||
|
пропускание быстрее падает с отступлением длины волны света от 0 |
0 |
|
|
его0/3 и т.д. |
λ |
, λ |
/2, |
|
λ |
Фильтр, |
предназначенный для выделения первой, наиболее |
||
длинноволновой полосы пропускания, называется фильтром первого порядка (m = 1). Подборомλ h можно совместить максимум с требуемым значением длины
максимумов пропускания с длинами волн λ0/2, λ0/3 и т.д. Обычно это легко осуществляется либо специальными абсорбционными фильтрами, либо
волны 0. При этом возникает необходимость в подавлении коротковолновых
поглощением материала подложки самого фильтра. Оставшийся максимум при достаточно высокойотражательнойспособности R зеркальныхслоевможетбыть очень узок. λ
Фильтр второго порядка (m = 2), выделяющий длину волны 0/2, нуждаетсяλ в подавлении одной полосыλ пропусканияλ с длинноволновой стороны ( 0) и коротковолновых полос ( 0/3, 0/4 и т.д.). Можно создать фильтры и более высоких порядков.
Таким образом, комбинация интерферометра Фабри-Перо с очень маленькой оптической толщиной между отражающими поверхностями и
3
фильтра, выделяющего широкую область спектра, обладает избирательной пропускающей способностью. Такая оптическая система называется интерференционным светофильтром.
Важными характеристиками светофильтра являются (рис. 4):
•величина максимального пропускания Tmax;
•длина волны максимума пропускания λmax;
• |
ширина полосы пропускания: |
2 |
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
, |
(3) |
||
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
1 |
2 |
длины волн, на |
которых пропускание уменьшается в два |
|
|||
λ |
, λ |
δλ = λ |
−λ |
|
|
|||
раза: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T=Tmax/2 |
|
(4) |
||
•фактор контраста, который даёт отношение максимального и минимального пропусканий:
Tmax / Tmin =(1+R)2 / (1-R)2, |
(5) |
где R – коэффициент отражения.
Ширина полосы пропускания интерференционного светофильтра намного меньше, чем уобычного абсорбционного фильтра (например, у цветного стекла), иможетсоставлятьдодесятыхдолейнмприпропусканиивмаксимумевдесятки процентов.
Рисунок 4 – Спектр пропускания интерференционного светофильтра
4
Длину волны максимума пропускания λmax можно перемещать в сторону меньших значений повернув интерференционный фильтр, увеличивающим угол падения θ (см. рис.1 и соотношение (1)). Но, область такой перестройки ограничена, так как коэффициент отражения R также зависит от угла падения и, в общем случае, максимален для угла θ, на который был рассчитан фильтр.
5
1.2 Описание установки
Блок-схема лабораторной установки приведена ниже:
Блок |
|
|
Держатель |
|
питания |
Лампа |
Коллиматор Диафрагма |
||
светофильтров |
||||
лампы |
|
|
ПК 
Спектрометр
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.
6
1.3 Порядок выполнения работы
При выполнении лабораторной работы необходимо сделать «протокол исследований» по образцу:
Таблица 1 – Экспериментальные данные:
№ |
Угол |
λmax, нм |
Название файла |
светофильтра |
падения |
|
|
|
света, θ |
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
1 |
5 |
|
|
|
|
|
|
1 |
… |
|
|
|
|
|
|
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
2 |
5 |
|
|
|
|
|
|
2 |
… |
|
|
|
|
|
|
Выполнили:
гр. 0000
Ф.И.О.
Выполнение лабораторной работы необходимо осуществлять по следующему алгоритму:
1) включить компьютер, убедиться, что спектрометр подключен к компьютеру, запустить программу SpectraSuite. Интерфейс программы представлен на рис. 6;
7
Рисунок 6 – Интерфейс программы SpectraSuite
2)соедините лампу с блоком питания, блок питания подключите к сети. Нажмите кнопу «Выход» на блоке питания. Установите максимальное питание лампы (напряжение питания не более 12 В);
3)установить держатель фильтров таким образом, чтобы световой луч проходил через пустое окно;
4)при необходимости отрегулировать положение оптической оси лампы, коллиматора, диафрагмы, держателя фильтров и световода;
5)убедиться, что регистрируемый спектр выводится на экран (рис. 7);
8
Рисунок 7 – Окно программы
6)подберите оптимальное время интеграции (~ 280 мс), чтобы на графике отсутствовало переполнение, усреднение просмотров установите равным 3;
7)зарегистрируйте спектр лампы. Для этого в окне программы нажмите на изображение желтой лампы;
8)уберите фоновый шум (обычно выглядит как относительно ровный спектр (с учетом помех) во всем измеряемом диапазоне длин волн). Для этого выключите питание лампы, нажав кнопу «Выход» на блоке питания, в окне программы нажмите на изображение черной лампы;
9)перейдите в режим измерения пропускания. Для этого в окне программы нажмите на изображение Т (Transmission Measurement);
10)включите питание лампы, нажав кнопу «Выход» на блоке питания, и убедитесь, что пропускание близко к 100% (рис. 8);
9
Рисунок 8 – Окно программы после градуировки лампы
11) с помощью винта, регулирующего положение фильтров, (рис. 9) установите один из светофильтров на оптической оси, сориентируйте светофильтр так, чтобы свет падал на него нормально (угол падения равен 00, стрелка указывает на 1800). С помощью кнопки ручной установки масштабов подобрать оптимальный диапазон длин волн, при котором хорошо наблюдается главный максимум;
10