Lucrări de laborator №12
"FILTRE LUMINOASE - MONOCHROMATOARE SIMPLERE DE LUMINĂ"
Scopul lucrării: Cunoașterea principiilor acțiunii principalelor tipuri de filtre luminoase. Determinarea parametrilor lor de bază.
Dispozitive și accesorii: monochromator UM-2; lampă de mercur; o lampă de neon; lampă incandescentă; surse de alimentare; un set de filtre de absorbție; un set de filtre de interferență C1, C2 și C3; masa goniometrică.
O mare importanță în optică este problema monocromatizării luminii, adică alocarea unui anumit interval de lungime de undă. Comparativ regiuni spectrale înguste de radiație se pot distinge cu ajutorul filtrelor de lumină monocromatice. Spre deosebire de dispozitivele spectrale mai sofisticate - monocromatoarele, filtrele de lumină au o secțiune transversală mult mai mare a fasciculului luminos și o deschidere mai mare.
Filtrele de lumină modifică compoziția spectrală sau energia incidentului de radiație luminoasă pe ele, fără a schimba forma frontului său. Principalele caracteristici (parametrii) filtrelor luminoase sunt după cum urmează:
a) lățimea de bandă spectrală L, egală cu lărgimea intervalului spectral, la limitele căruia intensitatea luminii transmise este egală cu jumătate din intensitatea la maximul benzii de transmisie (figura 1).
b) Transmisia (transparența) la maximul benzii de trecere
unde I0 este intensitatea luminii care intră pe filtrul de lumină, Im este intensitatea luminii transmise prin filtrul de lumină la maximul benzii de trecere.
c) Lungimea de undă lm. corespunzătoare maximului benzii de trecere.
d) Transmitere reziduală Ir. egală cu intensitatea luminii transmise de filtrul de lumină în regiunea spectrului, care este departe de Im la o distanță mult mai mare decât lm. În loc de transmisie reziduală, așa-numitul factor de contrast al filtrului de lumină
Filtrele de lumină sunt numite gri sau neutre dacă transmisia lor în intervalul spectral investigat nu depinde de lungimea de undă. Filtrele care nu satisfac această condiție sunt numite selective. Filtrele selective sunt concepute fie pentru a separa o regiune spectrală largă, fie pentru a izola o regiune spectrală îngustă. Filtrele din acest tip sunt denumite filtre monocromatice. Acestea sunt adesea utilizate în locul altor dispozitive spectrale, deoarece acestea trec de obicei un flux luminos mult mai mare decât dispozitivele cu elemente de dispersie (prisme, grilaje de difracție, etc.). Cu toate acestea, puterea de rezolvare a filtrelor de lumină este adesea mică - în majoritatea cazurilor lățimea de bandă este de zeci și sute de angstromuri. Cele mai bune filtre cu bandă îngustă au o lățime de bandă mai mică de 1 Angstrom, dar intensitatea luminii transmise de acestea este scăzută. Prin urmare, scopul principal al filtrelor luminoase este monocromatizarea grosieră sau atenuarea neselectivă a radiației.
Există mai multe tipuri de filtre de lumină monocromatice.
Acestea sunt aplicate pe scară largă. Atenuarea la lumină în ele apare în principal ca urmare a absorbției substanței filtrului. Intensitatea luminii este Il0. trecând prin stratul absorbant al filtrului de lumină, scade în conformitate cu legea Bouguer-Lambert:
unde k este coeficientul de absorbție, l este grosimea stratului.
Transmisia (transmisia) filtrelor de absorbție este determinată de formula
unde Rl este coeficientul de reflexie al luminii de pe suprafața filtrului. Fluxul luminos filtrat este complet transformat în căldură, ceea ce duce la încălzirea și schimbarea proprietăților optice.
În prezent, cele mai utilizate sunt filtrele de absorbție a sticlei care sunt rezistente la efectele luminoase și termice și au calități optice ridicate. Prin plasarea mai multor filtre de sticlă unul după altul, este posibil să se obțină filtre de bandă îngustă pentru întreaga parte vizibilă și aproape ultravioletă a spectrului.
Filtre de absorbție a lichidelor și gazelor comparativ mai puțin frecvent utilizate. De exemplu, pentru a izola regiunea ultraviolet a spectrului, se utilizează un filtru sub forma unei cuve de cuarț cu vapori de brom saturat. O astfel de celulă este practic opacă în domeniul lungimii de undă de 400-600 nm. Aerul nu este observat pentru regiunea spectrală cu lungimi de undă mai mici de 180 nm datorită în principal absorbției de oxigen. Prin urmare, aerul servește în studii spectroscopice cu un filtru de gaze naturale.
Se știe că semiconductorii sunt opacibili pentru radiații cu o lungime de undă mai mică decât o anumită valoare de 10 și sunt transparenți pentru radiații cu lungime de undă mai lungă. Poziția muchiei sau limita de absorbție este determinată de structura benzii semiconductorului și corespunde energiei tranziției electronice de la banda de valență la banda de conducție. Astfel, un semiconductor este un filtru excelent de lumină, limitând brusc spectrul din partea de unde scurtă. Majoritatea semiconductorilor sunt transparente numai în regiunea infraroșie a spectrului. Unele filtre de sticlă datorează proprietățile lor prezenței celor mai mici cristale semiconductoare.
Acestea includ filme subțiri și straturi dielectrice multistrat. Filmele metalice subțiri sunt aplicate pe un substrat de cuarț sau sticlă prin evaporare sau prin pulverizare cu catod.
Figura 2 prezintă coeficienții de reflexie spectrală de argint și aluminiu R1.
Pentru producția de straturi de metal neutru, se utilizează platină, paladiu și rodiu și, mai rar, aluminiu. Filmele metalice subțiri de argint și metale alcaline servesc la izolarea diferitelor regiuni în regiunea ultraviolet a spectrului (vezi figura 2). Filtrele cu folii metalice sunt în principal reflectate de la suprafață.
c) Filtre de lumină reflexie selectivă.
Filtrele reflexive includ, de asemenea, oglinzi dielectrice multistrat. În ele, reflectarea radiațiilor de anumite lungimi de undă are loc ca urmare a interferențelor cu mai multe fascicule. Această metodă permite crearea unor sisteme reflectorizante cu un coeficient de reflexie foarte ridicat la pierderi reduse de absorbție, ceea ce reprezintă un avantaj semnificativ față de oglinzile metalice. Necesitatea fabricării boabelor cu un coeficient de absorbție redus a crescut considerabil în legătură cu dezvoltarea tehnologiei laser.
Figura 3a prezintă o diagramă care explică creșterea coeficientului de reflexie a unei plăci de sticlă cu un indice de refracție n0 datorită depunerii pe suprafața sa a unui film dielectric cu un indice de refracție n> n0. Grosimea unui astfel de film este determinată de condiția:
unde n · d este grosimea optică a filmului,
l este lungimea de undă pentru care coeficientul de reflexie este maximul.
Diferența optică a căii între undele interferente (reflectată de interfața film-film și de sticla de film) este în acest caz
și anume corespunde intensității maxime.
O diferență suplimentară în cursul undelor apare în legătură cu faptul că atunci când un val este reflectat la limita filmului aer, jumătatea valului este pierdută, deoarece n Pentru a obține valori mari ale coeficientului de reflexie (Rl> 30%), acest mod nu reușește totuși. Pentru a atinge acest obiectiv, este necesar să treceți la interferențe cu mai multe fascicule, care se realizează în oglinzi dielectrice multistrat. Astfel de oglinzi se obțin prin aplicarea straturilor dielectrice subțiri pe un substrat transparent cu aceeași grosime optică (straturi de un sfert de undă): dar cu indici de refracție diferiți: între cele două straturi ale unui dielectric cu un indice de refracție mare n1, un strat dielectric cu un indice mic este obstrucționat. În acest caz, toate undele reflectate sunt în fază și se amplifică reciproc ca urmare a interferențelor. Diferența în calea pe care o au razele reflectate în fiecare dintre straturi este la incidența normală: Pentru un anumit interval de lungimi de undă, ca rezultat al interferenței tuturor undelor interacționante, se obține un maxim, a cărui lățime scade cu cât numărul fasciculelor de interferență este mai mare. Prin combinarea straturilor de grosimi diferite, se pot obține curbele spectrale necesare pentru coeficientul de reflexie R1. Pentru a obține valorile lui R1. 99% sau mai mult (astfel de coeficienți sunt necesari în tehnologia laser) este necesar să se adauge 11-13 straturi sau mai mult (figura 36). Astfel de oglinzi de interferență se reflectă într-o regiune spectrală destul de îngustă, iar cu cât coeficientul de reflexie este mai mare, cu atât mai restrânsă este regiunea lungimii de undă pentru care se realizează o astfel de valoare a lui Rl. Acțiunea lor se bazează pe fenomenul interferențelor cu mai multe fascicule. Filtrele simple constau tip placă paralelă Fabry-Perot interferometer cu o foarte mică-niem distanțe d între oglinzi (de ordinul mai multor lungimi de undă sau mai multe lungimi de undă ing-zeci). În această lucrare aplicăm interferențiale dosar-riu fabricat după cum urmează: pe substrat de sticlă P (Fig.4) Tod evaporare-fascicul de electroni Me în vid secvențial aplicat dielectric oglindă S1 transparent strat separator D și un al doilea S2 oglindă dielectric. Elementul central al filtrului D este fabricat din SiO2 și are o grosime. unde lungimea de undă corespunde transmisiei maxime a filtrului (cu incidența normală a razelor), = 1,45 este indicele de refracție al stratului.
Fiecare oglindă este unsprezece straturi consecutive de ZrO2 - și SiO2 cu grosimi optice egale cu. Oglinzile S1 și S2 au coeficienții de reflexie R aproape de unitate.
Razele care apar pe filtrul de lumină suferă multiple reflexii de pe suprafețele oglindă S1 și S2. în rezultatul căruia există raze 1,2,3,4, care interferează unul cu celălalt, dau în lumina transmisă o distribuție a intensității cu benzi de transmisie ascuțite. Această distribuție depinde de diferența de drum dintre razele vecine, de coeficienții de reflexie și de absorbția oglinzilor. Dacă fasciculul cade pe un filtru de lumină sub un unghi și are mai multe reflexii în stratul central, atunci două raze succesive vor avea o diferență de traiectorie (a se vedea figura 4):
unde r este unghiul de refracție.
Interferența la un maxim se va observa cu condiția:
din care rezultă că valoarea lungimii de undă a maximului transmisiei filtrului de lumină scade cu un unghi de refracție r sau un unghi de incidență în creștere i.
Astfel, dacă grosimea optică a stratului central al filtrului este dn, atunci există o serie de benzi de transmisie ale căror lungimi de undă de maximă sunt corespunzătoare (la incidență normală):
Figura 5 reprezintă schematic pasajele filtrului de interferență. Filtrele concepute pentru a izola prima bandă lungă de undă cu cea mai lungă undă sunt numite filtre de ordinul întâi. Astfel de filtre sunt folosite în această lucrare. Ele au grosimi optice dn = lt1 și necesită suprimarea doar a maximelor de transmisie cu lungime de undă scurtă cu o lungime de undă de lt2. l3, etc.
De obicei, acest lucru se realizează cu ușurință fie prin filtre speciale de absorbție, fie prin absorbția materialului substrat al filtrului însuși.
Observăm că spectrul de transmitere al filtrului de interferență, alături de Iml. lm2 va avea un număr de alte benzi de intensitate diferită, legate de natura complexă a interferenței pe acoperirea multistrat a filtrului.
Sunt utilizate filtrele de interferență C1, C2 și C3. Pentru ei, valorile lm1 sunt 6290, 5670 și 4960 A, respectiv.
e) Filtre de dispersie.
Efectul unor astfel de filtre se bazează pe dispersia luminii - dependența indexului de refracție de lungimea de undă. Ele sunt o cuvă plină cu o pulbere de material transparent. Un lichid este turnat în celulă, dependența indicelui de refracție pe lungimea de undă este astfel încât indicii de refracție ai lichidului (1) și pulberii (2) să coincidă numai pentru o anumită lungime de undă (figura 6).
Apoi, celula este omogenă optic pentru razele de lumină ale acestei lungimi de undă, dar disipează radiația altor lungimi de undă situate pe ambele părți ale lungimii de undă date. Pentru ca banda de trecere a filtrului să fie îngustă, este necesar ca versanții curbelor de dispersie ale lichidului și pudrei să difere cât mai mult posibil.
Articole similare
-
Apariția teoriei statului și a dreptului ca știință - stadopedie
-
Imagini de sex feminin în romanul oblomov scurtă caracteristică, literatură lume a literaturii ruse
Trimiteți-le prietenilor: