Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

itmo48

.pdf
Скачиваний:
64
Добавлен:
14.04.2015
Размер:
1.13 Mб
Скачать

Министерство общего и профессионального образования РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра оптико-электронных приборов и систем

ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Санкт-Петербург

2000

Ишанин Г. Г., Мальцева Н.К., Мусяков В. Л. Источники и приемники излучения / Методические указания к лабораторным работам. - СПб: ИТМО, 2000. - 124 с.

Одобрено на заседании кафедры ОЭПиС 16 ноября 2000 г., протокол № 3.

Утверждено к печати УМК по изданию учебной литературы

"__"____________2000 г., протокол №__.

Методические указания предназначены для студентов инженер- но-физического факультета, факультетов оптико-информационных систем и технологий, точной механики и технологий и вечернего и заочного обучения.

©Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)

2000

2

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем издание вошли исправленные и дополненные описания лабораторных работ по курсу "Источники и приемники излучения", содержащиеся в учебных пособиях "Ишанин Г.Г., Мусяков В.Л. Лабораторные работы "Источники лучистой энергии и распространение излучения в оптических средах". - Л.: ЛИТМО, 1978", "Ишанин Г.Г., Мусяков В.Л. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Приемники лучистой энергии". - Л.: ЛИТМО, 1979", а также в учебном пособии "Андреев А.Л., Мусяков В.Л., Стрелков А.Р., Ярышев С.Н. Источники и приемники излучения / Методические указания к лабораторным работам. - СПб: ИТМО, 1998." Описания лабораторных работ, составленные А.Л. Андреевым, А.Р. Стрелковым и С.Н. Ярышевым, отмечены знаком "*".

Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с соответствующим разделом курса лекций и основными теоретическими положениями, а также с методикой проведения работы.

Содержание отчета о проделанной работе, контрольные вопросы и литература для подготовки приведены после описания каждой работы. Краткое описание используемой аппаратуры, правила оформления отчета и методика расчета погрешности измерения приведены в приложениях.

Каждый студент оформляет отчет индивидуально.

3

Лабораторная работа "ИЗУЧЕНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДЫ (СВЕТОФИЛЬТРЫ)"

Цели работы

изучить спектральные характеристики светофильтров;

ознакомиться с принципами действия различных светофильтров;

изучить устройство спектрофотометра;

определить спектральные характеристики светофильтров.

Краткие теоретические сведения

Оптические фильтры широко используются в квантовой электронике, астрофизических исследованиях, пирометрии, военном деле, химии, биологии и медицине. Они являются неотъемлемой частью любого оптического прибора, начиная с фотоаппарата и кончая многоканальным спектрофотометром.

По физическому принципу действия фильтры можно разделить на отражающие, поглощающие (абсорбционные), интерференционные, дифракционные, рассеивающие (дисперсионные).

В общем случае оптический фильтр (светофильтр) - это уст-

ройство, которое в результате взаимодействия с излучением изменяет его спектральный состав.

Спектральные свойства фильтра описываются функцией f(λ), то есть зависимостью коэффициента отражения ρ или коэффициента пропускания τ от длины волны λ. Эта зависимость называется спек-

тральной характеристикой фильтра.

По типу спектральной характеристики фильтры разделяются на

полосовые и отрезающие с длинноволновой или коротковолновой границей.

Спектральные характеристики полосовых фильтров описываются следующими параметрами (рис. 1):

1)длиной волны λ0 = λmax , соответствующей максимальному коэффициенту пропускания (отражения) фильтра;

2)величиной максимального коэффициента пропускания

(отражения) fmax (в процентах);

4

f

Δλ0,5

0,5fmax

 

 

fmax

 

 

Δλ0,1

 

 

 

λ0=λmax

λ

 

0,1fmax

 

 

Рис. 1. Спектральная характеристика полосового фильтра

3) полушириной полосы пропускания (отражения) Δλ0,5 = δ ,

то есть шириной спектрального интервала, на границах которого коэффициент пропускания (отражения) равен половине максимального (в долях λ0);

4)шириной полосы пропускания (отражения) Δλ0,1 на уров-

не 0,1fmax ;

5)контрастностью η(λ) = fmax / fλ ;

6)величиной относительного интегрального фона, то есть

отношением пропущенного (отраженного) потока вне полосы пропускания (отражения) ко всему потоку, пропущенному (отраженному) фильтром;

7) коэффициентом добротности, равным отношению потока,

пропускаемого (отражаемого) фильтром в спектральном интервале, соответствующем Δλ0,5 , к потоку с постоянным спектральным распределением, падающему на фильтр в этом интервале:

D = f (λ)dλ / λ0,5 .

λ0,5

Спектральные характеристики отрезающих фильтров описываются следующими параметрами (рис. 2):

1) максимальным коэффициентом пропускания (отраже-

ния) fmax ;

2) средним коэффициентом пропускания (отражения) fср в

заданном диапазоне длин волн λкλд , где λк ≥ λf=60% , а λд задается техническим заданием;

5

3) длиной волны λгр , определяющей положение границы пропускания (отражения), для которой коэффициент пропускания (отражения) фильтра составляет 10% от максимального (fλгр = 0,1fmax);

f

0,5fmax

 

0,9fmax

fср

 

 

 

fmax

 

 

 

 

fф

λ0,5

 

 

λ

0,1fmax

 

 

λгр

 

λ0,9

 

 

Рис. 2. Спектральная характеристика отрезающего фильтра

4) величиной коэффициента пропускания (отражения) fф в нерабочем диапазоне спектра (указывается в области λ < 0,85λгр

или λ > 1,15λгр ;

5)интегральным фоном;

6)крутизной χ коротковолнового или длинноволнового фронта кривой пропускания (отражения):

χ = λгр / λ0,9 .

По величине полуширины полосы пропускания полосовые фильтры делятся на узкополосные (δ ≤ 0,01λ0) и широкополос-

ные (δ > 0,01λ0).

Интегральный коэффициент пропускания (отражения) фильтра для данного источника излучения определяется формулой:

f = Ф / Ф0 =

Mλe f (λ)dλ

,

0

 

 

 

 

Mλedλ

 

 

 

0

 

где Ф - пропущенный или отраженный поток; Ф0 - падающий поток; Мλе - спектральная плотность энергетической светимости источника.

Отражающие фильтры. Отражающие фильтры могут быть ос-

нованы на методе остаточных лучей, многократном отражении от диэлектрических зеркал, полном внутреннем отражении (ПВО).

6

Метод остаточных лучей базируется на последовательном избирательном отражении в области аномальной дисперсии от нескольких кристаллических пластинок.

В области прозрачности коэффициент отражения для нормально падающего на пластинку излучения мал и равен

ρ0 = [(n - 1) / (n + 1)]2 ,

где n - показатель преломления пластинки. В области сильного поглощения коэффициент отражения сильно возрастает и зависит от коэффициента экстинкции κ:

ρmax = [(n - 1)2 + κ2] / [(n + 1)2 + κ2] .

Отношение величин потоков отраженного излучения в этих областях после N-кратного отражения составит:

ФN = Фотн (ρmax / ρ0) ,

где Фотн - отношение потоков после одного отражения. После достаточно большого числа отражений остается лишь спектральная область, прилежащая к максимуму отражения. Достоинством метода является возможность получения больших интенсивностей в области фильтрации. К недостаткам относятся малая контрастность, громоздкость и трудность выделения любой заданной области (положение максимума отражения определяется материалом пластинок). Используемые материалы: окислы (кварц, ZnO, сапфир, TiO2), фториды, хлориды, бромиды, йодиды (рис. 3).

ρ

1 2 3 4 5

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

λ, мкм

0

50 100 150 200 250 300

Рис. 3. Спектры отражения:

1 - ZnO; 2 - BaF3; 3 - TiCl: 4 - CsBr; 5 - CsJ

При незначительном поглощении в тонких диэлектрических пленках, составляющих интерференционные фильтры, спектральный

7

состав отраженного излучения является дополнительным к пропущенному, что позволяет получить отражающие фильтры. Положение полосы отражения определяется формулой:

λ = λ0 / (2m + 1) ; m = 0, 1,… ,

где λ0 - длина волны, для которой оптическая толщина чередующихся слоев с высоким и низким n равна λ0/4. Достоинствами фильтров с многократным отражением от диэлектрических зеркал являются высокая контрастность и возможность изготовления зеркал на непрозрачных подложках.

При полном внутреннем отражении (на гипотенузной грани прямоугольной призмы) энергии падающей и отраженной волны равны. Однако в менее плотной среде за гранью призмы мгновенное электромагнитное поле отлично от нуля. Часть излучения проникает в эту среду на расстояние, примерно равное длине волны излучения, а затем возвращается обратно. Фильтр поэтому представляет собой две прямоугольные призмы, сложенные гипотенузными гранями так, чтобы между ними оставалась воздушная прослойка. Излучение с длиной волны, большей воздушного промежутка, проходит через призмы и зазор, а коротковолновое излучение отражается от гипотенузной грани (рис. 4).

 

 

 

λ1

λ2

λ1, λ2, λ3

 

 

 

λ2, λ3

 

 

 

 

 

 

 

λ3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l1

l2

Рис. 4. Полосовой фильтр ПВО:

λ1 < λ2 <λ3 ; λ1 < l1 < λ2 ; λ2 < l2 < λ3

Достоинствами этих фильтров являются высокое пропускание и малый фон, а недостатками - малая крутизна (рис. 5).

Поглощающие фильтры. В поглощающих (абсорбционных) фильтрах начальная спектральная плотность потока излучения Фλ0 после прохождения слоя толщиной l согласно закону Бугера-Ламберта убывает экспоненциально:

8

Фλ = Фλ0 е-а'(λ) l ,

где a'(λ) - спектральный натуральный показатель поглощения; a'(λ) = = 4πκ /λ .

ρ , τ

ρ

1 , 0

0 , 8

0 , 6

0 , 4 τ

0 , 2

l / λ

0

0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8

Рис. 5. Коэффициенты отражения и пропускания фильтра ПВО

Спектральный натуральный показатель поглощения не зависит от величины падающего потока (при не очень больших потоках) и зависит от длины волны. При малых концентрациях поглощающих центров коэффициент поглощения одной частицы не зависит от их концентрации N (закон Беера - для растворов, газов и паров). Тогда

а'(λ) = a'0(λ) N ,

где a'0(λ) - спектральный натуральный молярный показатель поглощения (если N - в молях на литр), а закон поглощения (Бугера- Ламберта-Беера)

Фλ = Фλ0 ea'0 (λ) Nl .

Спектральная характеристика абсорбционного фильтра описы-

вается спектральным коэффициентом пропускания

τ(λ) = Фλ / Фλ0 = е-а'(λ)l = ea'0 (λ) Nl

или оптической плотностью

D(λ) = lg [1 / τ(λ)] = lg (Фλ0 / Фλ) = а(λ) = a0(λ) N ,

где а(λ) и a0(λ) - спектральный и спектральный молярный показатели поглощения (десятичные); а(λ) = 0,4343 а'(λ); a0(λ) = 0,4343 a'0(λ) . По физическому смыслу а(λ) и [a0(λ) N] - оптическая плотность слоя единичной толщины.

Оптическая плотность поглощающей смеси) или нескольких слоев равна

DΣ(λ) = D1(λ) + … + Dn(λ) ,

а суммарный коэффициент пропускания

τΣ(λ) = τ1(λ)…τn(λ) .

9

Такой метод расчета неприменим для атмосферы, где наблюдается взаимное влияние компонентов.

Поглощающие фильтры по агрегатному состоянию делятся на твердые, жидкостные и газовые. Жидкостные и газовые применя-

ются очень редко. Кристаллические твердые фильтры из германия,

кремния, окислов и щелочно-галоидных соединений являются длинноволновыми отрезающими фильтрами (рис. 6).

τ

1 2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

λ, мкм

0

2 4 6 8 10 12

Рис. 6. Границы прозрачности фторидов: 1 - LiF (l = 5 мм); 2 - SrF2 (l = 10 мм)

Всвоем большинстве кристаллические фильтры гигроскопичны

инепрочны. Крутизна фронта кривой пропускания у кристаллических фильтров невелика. Положение границы пропускания определяется собственными частотами колебаний кристаллической решетки (чем выше частота, тем в более коротковолновой области лежит граница) и зависит от температуры (рис. 7).

τ

 

 

 

 

1

 

2

 

1,0

 

 

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

 

 

0,6

 

 

 

 

 

 

 

0,4

 

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

λ, мкм

1

3

5

7

9

11

13

15

Рис. 7. Границы прозрачности BaF2: 1 - 1273 К; 2 - 290 К

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]