itmo48
.pdfМинистерство 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 λк…λд , 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 e−a'0 (λ) Nl .
Спектральная характеристика абсорбционного фильтра описы-
вается спектральным коэффициентом пропускания
τ(λ) = Фλ / Фλ0 = е-а'(λ)l = e−a'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