Изучение светофильтров

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Проблема монохроматизации света, т.е. выделение определённого спектрального интервала длин волн, имеет большое практическое значение. Одним из способов монохроматизации света является применение различного рода монохроматоров. При решении большинства задач практической спектроскопии сравнительно узкие спектральные области излучения можно выделить с помощью монохроматических светофильтров.

Светофильтрами, или просто фильтрами называют устройства, меняющие спектральный состав или энергию падающей на них световой энергии без изменения формы её фронта. Основные характеристики (параметры) светофильтров следующие.

1. Пропускание (прозрачность) в максимуме полосы пропускания

, (1)

где J₀ – интенсивность света, падающего на светофильтр; J – интенсивность света, прошедшего через светофильтр в максимуме полосы пропускания (рис. 1).

Рис. 1. Контур полосы пропускания светофильтра

Наряду с этой величиной светофильтр характеризуется оптической плотностью D. По определению:

. (2)

Если не учитывать многократных отражений в системе фильтров, то оптическая плотность нескольких последовательно расположенных светофильтров равна сумме их плотностей:

. (3)

2. Длина волны l_max, соответствующая максимуму полосы пропускания

3. Спектральная ширина полосы пропускания 2dl, равная ширине спектрального интервала, на границах которого интенсивность прошедшего света равна половине интенсивности в максимуме полосы пропускания

. (4)

4. Крылья полосы пропускания - остаточная пропускаемость в области спектра, отстоящего от J_max на расстояние, много большее, чем J_max. Вместо остаточной пропускаемости часто пользуются фактором контрастности светофильтра:

. (5)

5. Апертура светофильтра - угловая ширина светового пучка 2db, при которой монохроматичность светофильтра ещё не ухудшается.

Светофильтры называются серыми или нейтральными, если их оптическая плотность в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины волны. Фильтры, не удовлетворяющие этому условию, определяются как селективные. Селективные светофильтры предназначаются либо для отделения широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области. Светофильтры последнего типа называются узкополосными, или монохроматическими. Достаточно серыми в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра являются тонкие плёнки алюминия и платины, полученные путём напыления металла на стеклянную или кварцевую подложку. Следует отметить, что даже самые лучшие серые фильтры обладают некоторой селективностью.

Для измерения спектральных свойств излучения или спектральной чувствительности приёмников служат так называемые корректирующие светофильтры. С их помощью, например, можно приблизить спектр лампы накаливания к сплошному спектру солнца или спектральную чувствительность фотоэлемента привести в соответствие со спектральной чувствительностью глаза. Узкополосные, монохрома-тические светофильтры часто применяются вместо других спектральных приборов. Их преимущество заключается в возможности непосредственно измерять распределение спектральной яркости по площади источника. Наряду с этим светофильтры обычно пропускают гораздо больший поток, чем приборы с диспергирующими элементами (призмами, дифракционными решётками и т.д.). Однако разрешающая способность светофильтра невелика; в большинстве случаев ширина полосы пропускания составляет единицы и десятки нм. Лучшие узкополосные, монохроматические светофильтры имеют полосы пропускания менее 0,1 нм, однако количество пропускаемого ими света невелико. Поэтому основное назначение светофильтров при спектральных исследованиях - грубая монохроматизация или неселективное ослабление излучения.

Существуют различные типы монохроматических светофильтров. Наиболее широко применяются абсорбционные светофильтры. Ослабление света происходит главным образом в результате поглощения веществом фильтра. Частичное ослабление света обусловлено также отражением от поверхности фильтра. Эти потери относительно невелики. Невелики и те потери, которые связаны с рассеянием света в объёме поглощаемого тела и на его поверхности светофильтра. Световой поток (интенсивность), прошедший через поглощающий слой, ослабляется в соответствии с законом Бугера – Ламберта:

, (6)

где К(l) - коэффициент поглощения, l - толщина слоя. Закон Бугера –Ламберта можно считать применимым практически всегда, за исключением очень больших световых потоков большой интенсивности, создаваемых лазерами.

С учетом отражения коэффициент пропускания абсорбционных светофильтров определяется формулой

, (7)

где r(l) - коэффициент отражения света на поверхности фильтра.

Обычно в таблицах, характеризующих светофильтры, приводятся значения оптической плотности D для рабочей толщины фильтра без учёта потерь на отражение. Пропускание плоскопараллельного абсорбционного светофильтра зависит от угла падения, и относительное изменение пропускания такого фильтра описывается выражением:

. (8)

Следует иметь в виду, что задержанный абсорбционным фильтром световой поток полностью преобразуется в тепло и фильтры сильно нагреваются. Это приводит к некоторому изменению оптических характеристик светофильтров.

В настоящее время наиболее употребительны стеклянные абсорбционные светофильтры. Нашей промышленностью выпускается набор цветных стёкол размером 80 ´ 80 и 40 ´ 40 мм², состоящий из 117 паспортизированных образцов. Стеклянные светофильтры обладают по сравнению с другими рядом преимуществ, к которым в первую очередь следует отнести устойчивость к световым и тепловым воздействиям, а также однородность и высокое оптическое качество. Ассортимент цветных стёкол почти во всех случаях позволяет решать задачу предварительной монохроматизации или отсечения нежелательной части спектра. Располагая друг за другом несколько стеклянных светофильтров, можно получить довольно узкополосные фильтры для всей видимой и ближней ультрафиолетовой части спектра.

Сравнительно реже применяются жидкостные и газовые абсорбционные фильтры. Светофильтры подобного типа используются преимущественно для ультрафиолетовой области, так как стеклянные светофильтры для этой области разработаны слабо. Известно применение для выделения ультрафиолетовой области спектра кварцевой кюветы с насыщенными парами брома. Такая кювета практически прозрачна в области 400-600 нм. Воздух служит естественным газовым фильтром, действующим во всех спектроскопических исследованиях с невакуумной аппаратурой. Воздух непрозрачен для области спектра с длиной волны короче 180 нм благодаря поглощению кислорода.

Для оптических свойств полупроводников наиболее типично существование резкого края поглощения l₀ (рис. 2). Они непрозрачны для излучения с длиной волны менее l₀ и прозрачны для более длинноволнового излучения. Положение края поглощения определяется зонной структурой полупроводника и соответствует энергии перехода из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, полупроводник - прекрасный светофильтр. Он резко ограничивает спектр с коротковолновой стороны. Следует отметить, что только у немногих полупроводников край поглощения лежит в видимой области спектра. Большинство полупроводников прозрачно лишь в инфракрасной области. Стеклянные фильтры типа ЖС, ОС, КС обязаны своими свойствами присутствию мельчайших полупроводниковых кристаллов GdS - GdSe.

Светофильтры из желатиновых и других окрашенных плёнок из органики применяются сравнительно редко. Недостатки таких светофильтров - малая механическая прочность, низкая термическая устойчивость и необратимое выцветание. Следует отметить, что спектральные характеристики абсорбционных светофильтров изменяются под действием нагревания и облучения.

Рис. 2. Спектральное пропускание полупроводникового фильтра

при двух различных температурах

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить калориметр КФК-2МП в сеть и прогреть прибор в течение 15 мин. (Тумблер включения находится у прибора на задней панели).

2. Установить длину волны, на которой требуется произвести измерение, ручкой ”Светофильтры” переключателя, находящегося слева.

ВНИМАНИЕ! При измерении на длинах волн 315 - 540 нм, ручка переключения ”фотоприемник”, находящаяся справа должна быть в соответствующем положении 315 - 540. При измерении на длинах волн 590 - 750 нм, - соответственно в положении 590 - 980. (Светофильтры 870 нм и 980 нм в данном приборе не установлены).

3. Нажать клавишу ”Пуск” микропроцессора.

4. Открыть крышку кюветного отделения (при этом автоматически закрывается входная диафрагма фотоприемника) и нажать клавишу Ш(0). При этом автоматически устанавливается темновой ток фотоприемника.

5. Закрыть крышку кюветного отделения и нажать последовательно клавиши: К(1), t(2). На индикаторе после этого должно установиться после этого значение 100%. Если это значение установилось с большим отклонением, необходимо повторить пп. 3, 4, 5 после небольшой (3 - 5 сек.) паузы.

6. Открыть крышку кюветного отделения, установить в кюветное отделение исследуемый образец (светофильтр), закрыть крышку. Нажать клавишу t(2) и снять показания. При каждом следующем нажатии клавиши t(2) происходит новое измерение коэффициента пропускания. Произвести несколько измерений и вычислить среднее значение.

7. Убрать образец (светофильтр) из кюветного отделения. Установить следующую длину волны (п. 2). Повторить пп. 3 - 6.

Произвести измерения для всех длин волн и построить график зависимости коэффициента пропускания исследуемого образца (светофильтра) от длины волны l.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Перечислите способы получения монохроматического излучения.

2. Каковы оптические характеристики светофильтров?

3. Принцип работы абсорбционного светофильтра.

4. Принцип действия экспериментальной установки по измерению прозрачности светофильтров.

5. Каков принцип действия интерференционного светофильтра?

Дата добавления: 2014-10-23