FP_Opt_i_at_f_2

где коэффициент отражения ρ определяется по формуле Френеля:

Обычно коэффициент отражения ρ условно принимается за постоянную для стекла каждой марки величину, зависящую только от показателя преломления этого стекла в видимой области спектра nD . Фактически показатель преломления непостоянен и зависит от длины волны проходящего света. Наиболее значительно показатель преломления отличается от nD в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Это вносит погрешность в определении коэффициента отражения и поправки на отражение от поверхностей стекла. Наибольшей эта погрешность будет в тех случаях, когда рабочая область светофильтра находится за пределами видимого спектра, а величина показателя поглощения мала, т.е. сравнима с величиной коэффициента отражения.

Таблица 2. Коэффициенты поглощения для разных категорий оптического стекла

2.Приборы и оборудование

Лабораторная установка состоит их следующих узлов:

• монохроматор МУМ-01,

111

•узел светодиодного излучателя,

•кюветное отделение,

•фотоприемный узел,

•блок обработки сигнала,

•мультиметр.

Вузле излучателя установлен специальный светодиод белого света, излучающий в диапазоне 400 - 700 нм (распределение спектра излучения

соответствует графикам сигнала U0 , приведенным в приложении). Узел излучателя закреплен непосредственно перед входной щелью монохроматора на его корпусе. За входной щелью установлен объектив, формирующий параллельный пучок, проходящий кюветное отделение и попадающий на фотодиод фотоприемного узла. Электрический сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего излучения, регистрируется с помощью мультиметра. Для повышения соотношения сигнал/шум и устранения влияния постоянных засветок питание светодиода осуществляется модулированным током частотой ~20 кГц, а сигнал с фотоприемника обрабатывается с помощью синхронного детектора.

В качестве объектов для исследования прилагаются светофильтры из цветного оптического стекла.

Оптическая схема монохроматора приведена на рисунке:

112

Принцип действия данного монохроматора основан на использовании в качестве фокусирующего диспергирующего элемента дифракционной решетки. Излучение от светодиода 1 через конденсор 2 попадает на входную щель 3 и посредством зеркала 4 попадает на дифракционную решетку 5. Дифракционная решетка имеет переменный шаг нарезки и криволинейные штрихи, что даѐт возможность значительно скомпенсировать расфокусировку

идругие аберрации. Зеркало 6 позволяет направлять дифрагированное решеткой излучение на выходную щель 7 или 8.

Щели на выходе и входе монохроматора сменные, постоянной ширины. В настоящей работе на входе и выходе монохроматора могут быть установлены щели шириной 0,5 или 1,0 мм.

Сканирование спектра осуществляется поворотом решетки 5 вокруг оси 0 на угол φ в пределах от φ0=6°54' до φκ=28°44'. Это осуществляется с помощью системы зубчатых передач, которая связана с ручкой на передней стенке прибора

имеханическим счетчиком, непосредственно отсчитывающим длины волн в диапазоне 200 ÷ 800 нм с точностью ±0,2 нм.

Исследуемый образец помещают в тубус с закрывающейся крышкой.

3. Порядок выполнения работы

113

Порядок проведения измерений:

1. Включите источник питания и вольтметр. Установите на мультиметре предел измерений 20 В.

2.Установите щели 0.25 мм перед источником и приемником излучения.

3.Подождите не менее 5 минут для стабилизации теплового режима приемника излучения.

4.Произведите калибровку оптической системы. Для этого следует при пустом тубусе кюветного отделения снять зависимость показаний мультиметра

(U0) от длины волны λ в диапазоне длин волн от 370 нм до 830 нм с шагом 5 нм. При необходимости переключайте пределы измерения мультиметра (20В, 2В, 200мВ).

5. Поместите в тубус кюветного отделения поочередно красный, желтый, зеленый светофильтры и снять соответствующие зависимости показаний мультиметра (U1) от λ для каждого светофильтра в том же диапазоне длин волн (длину волны рекомендуется устанавливать с тем же шагом, что и в п. 4).

6.Выключите источник питания и мультиметр.

•Если измеренное вольтметром напряжение составляют менее 0.1В, рекомендуется установить щели 1мм или снять щель перед источником излучения.

•При больших световых потоках возможна перегрузка приемника излучения. При этом включается красный мигающий индикатор перегрузки и раздается звуковой сигнал. В этом случае рекомендуется уменьшить мощность источника излучения, переведя переключатель на блоке обработки сигнала в положение 0.

•Приемник излучения и блок обработки сигнала чувствительны к

воздействию сильного переменного электромагнитного поля, поэтому не рекомендуется располагать РМС поблизости от радиопередающих устройств (в частности, мобильных телефонов) - это может вызвать ошибки в измерениях.

7. Постройте графики зависимости коэффициента пропускания светофильтра от длины волны излучения Ι (λ):

114

T = U1/ U0 .

8.По виду спектральной характеристики определите типы фильтров.

–для полосовых фильтров определить основные параметры:

Imax/ I0, λ0 , δλ, θ,

–для отрезающих фильтров определить λο, К.

9.Сделайте соответствующие физические выводы, охарактеризуйте цвет фильтра по полученной для него спектральной характеристике.

Вкачестве дополнительного задания предлагается рассчитать и построить графики зависимости коэффициента поглощения и оптической плотности от длины волны. Для упрощения расчетов потери на отражение на входной и выходной гранях светофильтра предлагается принять равными ~3% и не зависящими от длины волны. Толщину светофильтра принять равной 2 мм.

Контрольные вопросы

1.Что такое абсорбция света? Закон Бугера. Коэффициент поглощения.

2.Характеристики фильтров оптического излучения.

3.Объясните устройство монохроматора.

4.Опишите порядок выполнения лабораторной работы.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб пособие для втузов. – М:

Высш. Шк., 1989. – 608 с.

2.Савельев И.В. Курс общей физики, т.2.- М.: «Наука» 1978, с.

3.Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособ. для вузов.- 15-е изд., стереотип. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560 с.

115

ПРИЛОЖНИЕ 3

Спектр пропускания зеленого светофильтра

длина волны, нм

117

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

118

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.30

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ СВЕТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - ознакомление с дифракционными картинами различных типов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Рис. 1

Рассмотрим дифракцию плоской монохроматической волны от щели. Щелью будем называть прямоугольное отверстие, ширина которого во много раз меньше его длины. Обозначим ширину щели а (рис. 1).

Световая волна длиной λ падает нормально к плоскости щели. За щелью установлена собирательная линза L, в фокальной плоскости которой находится экран Э. Параллельный пучок лучей, пройдя через щель, дифрагирует под разными углами вправо и влево от первоначального направления. Линза собирает параллельные пучки дифрагированных лучей в соответствующих точках экрана Э. Тип дифракции, при котором рассматривается дифракционная картина, образованная параллельными лучами, получил название дифракции в параллельных лучах, или дифракции Фраунгофера.

Расчет дает формулу распределения интенсивности света на экране Э в зависимости от угла дифракции φ в виде:

119

где I0 - интенсивность света в середине дифракционной картины (в направлении φ=0); I - интенсивность света в точке, положение которой определяется данным значением угла φ. При значении угла дифракции φ, удовлетворяющего условию

где k= ± 1, 2, 3, ..., интенсивность света равна нулю. Последнее условие и количественные соотношения можно получить при решении задачи о дифракции на щели методом графического сложения амплитуд.

Рис. 2

Разобьем открытую часть волновой поверхности на ряд узких параллельных полосок равной ширины. Каждую из этих полосок можно рассматривать как источник волн одинаковой амплитуды и фазы. Выражая амплитуды каждой полоски векторами равной длины, найдем результирующую амплитуду, пользуясь графическим методом сложения амплитуд. Результаты при разных углах дифракции φ представлены на рис. 2.

При φ=0 (рис. 2,а), т.е. в фокусе линзы L, амплитуда колебаний A0 будет максимальной.

В направлении, при котором крайние полоски отличаются по фазе на π ( =λ/2), результирующая амплитуда равна 2A0/π (рис. 2,б), так как последняя равна диаметру полуокружности, длина которой A0.

120