WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
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 инженерно-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.

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

Спектральные свойства фильтра описываются функцией f(), то есть зависимостью коэффициента отражения или коэффициента пропускания от длины волны. Эта зависимость называется спектральной 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 0 = max, соответствующей максимальному коэффициенту пропускания (отражения) фильтра;

2) величиной максимального коэффициента пропускания (отражения) fmax (в процентах);

f 0,0,5fmax fmax 0, 0=max 0,1fmax Рис. 1. Спектральная характеристика полосового фильтра 3) полушириной полосы пропускания (отражения) 0,5 =, то есть шириной спектрального интервала, на границах которого коэффициент пропускания (отражения) равен половине максимального (в долях 0);

4) шириной полосы пропускания (отражения) 0,1 на уровне 0,1fmax ;

5) контрастностью () = fmax / f ;

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 0,5, к потоку с постоянным спектральным распределением, падающему на фильтр в этом интервале:

D = f ()d / 0,5.

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

1) максимальным коэффициентом пропускания (отражения) fmax ;

2) средним коэффициентом пропускания (отражения) fср в заданном диапазоне длин волн к…д, где к f=60%, а д задается техническим заданием;

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

f 0,9fmax 0,5fmax fср fmax 0,5 0,1fmax fф гр 0,Рис. 2. Спектральная характеристика отрезающего фильтра 4) величиной коэффициента пропускания (отражения) fф в нерабочем диапазоне спектра (указывается в области < 0,85гр или > 1,15гр ;

5) интегральным фоном;

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

= гр / 0,9.

По величине полуширины полосы пропускания полосовые фильтры делятся на узкополосные ( 0,010) и широкополосные ( > 0,010).



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

e M f ()d f = Ф / Ф0 =, e M d где Ф - пропущенный или отраженный поток; Ф0 - падающий поток;

Ме - спектральная плотность энергетической светимости источника.

Отражающие фильтры. Отражающие фильтры могут быть основаны на методе остаточных лучей, многократном отражении от диэлектрических зеркал, полном внутреннем отражении (ПВО).

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 0 = [(n - 1) / (n + 1)]2, где n - показатель преломления пластинки. В области сильного поглощения коэффициент отражения сильно возрастает и зависит от коэффициента экстинкции :

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

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

ФN = Фотн (max / 0), 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).

1 2 3 4 1,0,0,0,0,, мкм 50 100 150 200 250 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 состав отраженного излучения является дополнительным к пропущенному, что позволяет получить отражающие фильтры. Положение полосы отражения определяется формулой:

= 0 / (2m + 1) ; m = 0, 1,…, где 0 - длина волны, для которой оптическая толщина чередующихся слоев с высоким и низким n равна 0/4. 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).

2, 3 1, 2, l1 lРис. 4. Полосовой фильтр ПВО:

1 < 2 <3 ; 1 < l1 < 2 ; 2 < l2 < 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 Фпосле прохождения слоя толщиной l согласно закону Бугера-Ламберта убывает экспоненциально:

Ф = Ф0 е-а'() l, где a'() - спектральный натуральный показатель поглощения; a'() = = 4 /.

, 1, 0, 0, 0, 0, l / 0, 2 0, 4 0, 6 0, 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'() = a'0() N, где a'0() - спектральный натуральный молярный показатель поглощения (если N - в молях на литр), а закон поглощения (БугераЛамберта-Беера) Ф = Ф0 e-a' ( ) Nl.

Спектральная характеристика абсорбционного фильтра описывается спектральным коэффициентом пропускания () = Ф / Ф0 = е-а'()l = e-a' ( ) Nl или оптической плотностью D() = lg [1 / ()] = lg (Ф0 / Ф) = а() = a0() N, где а() и a0() - спектральный и спектральный молярный показатели поглощения (десятичные); а() = 0,4343 а'(); a0() = 0,4343 a'0(). По физическому смыслу а() и [a0() N] - оптическая плотность слоя единичной толщины.

Оптическая плотность поглощающей смеси) или нескольких слоев равна D() = D1() + … + Dn(), а суммарный коэффициент пропускания () = 1()…n().

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 применяются очень редко. Кристаллические твердые фильтры из германия, кремния, окислов и щелочно-галоидных соединений являются длинноволновыми отрезающими фильтрами (рис. 6).

1,0,0,0,0,, мкм 2 4 6 8 10 Рис. 6. Границы прозрачности фторидов:

1 - LiF (l = 5 мм); 2 - SrF2 (l = 10 мм) В своем большинстве кристаллические фильтры гигроскопичны и непрочны. 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).





1 1,0,0,0,0,, мкм 1 3 5 7 9 11 13 Рис. 7. Границы прозрачности BaF2:

1 - 1273 К; 2 - 290 К Стеклянные фильтры менее хрупки и гигроскопичны, более технологичны и стойки к воздействию агрессивных сред, чем кристаллические. В стекло вводятся красители в молекулярном (окислы и соли хрома, никеля, железа и т. п.) или коллоидном (соединения меди, золота, кадмия) состоянии. Силикатные стеклянные фильтры являются длинноволновыми отрезающими в средней и коротковолновыми в дальней инфракрасных областях (рис. 8).

1, 0, 0, 0, 0,, м к м 1 3 Рис. 8. Пропускание стекла К-Кроме кристаллов и стекла могут применяться также оптическая керамика (иртраны CaF2, MgF2, ZnS, ZnSe, MgO) и пластмассы (полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат).

Интерференционные фильтры. В качестве интерференционых используются многослойные диэлектрические фильтры. Интерференционные явления при прохождении излучения через ряд подобранных пленок приводят к изменению его коэффициентов пропускания для различных длин волн.

Интерференционный фильтр состоит из нескольких компонентов, каждый из которых содержит совокупность тонких пленок и называется "системой". Системы делятся на основные (формирующие полосу пропускания) и дополнительные (для устранения вторичных полос пропускания основной системы). Материалами служат фториды, сульфиды, селениды, окислы (SiF2, SiO, CeO2, ZnS, Sb2O3 и др.). Интерференционные фильтры с оптической толщиной слоев, равной 0/4, называют четвертьволновыми. По спектральным характеристикам они делятся на узкополосные и отрезающие.

1,0, кп фк фк дп max = Рис. 9. Спектральная характеристика элементарного узкополосного интерференционного фильтра Элементарный узкополосный фильтр (рис. 9) характеризуется следующими параметрами (кроме общих, рассмотренных ранее):

1) величиной коэффициента пропускания ф в нерабочих областях спектра (фон) для < 0,850,5к и > 1,150,5д, где 0,5к и 0,5д - длины волн на коротко- и длинноволновой границах рабочей полосы, при которых коэффициент пропускания составляет 0,5max ;

2) длинами волн кп и дп, соответствующими 10% пропускания на вторичных коротко- и длинноволновой полосах пропускания.

Составной узкополосный и полосовой фильтр характеризуется следующими параметрами (кроме указанных для элементарного узкополосного фильтра):

1) длиной волны ср, соответствующей центру полосы пропускания:

ср = (0,5к + 0,5д) / 2 ;

2) средней величиной коэффициента пропускания в рабочей области.

Отрезающий фильтр характеризуется (кроме общих параметров):

1) крутизной коротковолнового фронта кривой пропускания:

К = гр / = 0,6 ;

2) длиной волны кп, соответствующей 10% пропускания на фронте вторичной коротковолновой полосы.

Простейший интерференционный фильтр состоит из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытого с обеих сторон полупро зрачным металлическим слоем, и аналогичен интерферометру ФабриПеро. В результате интерференции максимальное пропускание соответствует длине волны, для которой оптическая толщина диэлектрика кратна половине длины волны:

= 0 / {(1 - 0)2[1 + 40 sin2 (/2) / (1- 0)2 ]}, где = 4nl n2 - sin2 / + 0 ; 0 - фазовый сдвиг при отражении на полупрозрачном слое; 0 и 0 - коэффициенты пропускания и отражения полупрозрачных слоев; l - толщина подложки; n - показатель преломления подложки; - угол падения лучей.

Для получения высокой добротности используются многослойные фильтры с чередованием слоев с низким и высоким показателем преломления, обозначающиеся следующим образом: О - элементарный отрезающий; N.O - отрезающий из N элементарных фильтров типа О; Уk - элементарный узкополосный с оптической толщиной подложки k/2, где k - целое число (k = 1 не указывается); N0(УkL-…- УkL) - узкополосный из N фильтров типа Уk с L слоев в каждом (при одинаковых элементарных фильтрах система обозначается NУk); П1, П2, П3 - полосовые фильтры с различным чередованием слоев. Пример обозначения: 2.О(13.11)-16-31 - отрезающий фильтр из двух 13- и 11-слойных элементарных, изготовленный из германия и моноокиси кремния. Слои наносятся на подложку из раствора или испарением в вакууме.

При работе фильтров в сходящихся или наклонных пучках происходит изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего гр, max и ср смещаются в коротковолновую область, пропускание уменьшается, полуширина полосы увеличивается.

Составные фильтры конструктивно состоят из элементарного на отдельной подложке и отрезающего коротковолнового (пропускание в длинноволновой области устраняется поглощающей подложкой, селективным приемником оптического излучения, методом остаточных лучей).

При негерметичной конструкции производится установка защитной пластины и подложек покрытиями внутрь через тонкие прокладки в металлическую оправу с прижимным кольцом.

При герметичной конструкции наружные подложки устанавливаются в оправу на эпоксидном клее К-300-61.

Дисперсионные фильтры. Действие дисперсионных фильтров основано на том, что если при дисперсии dn/d 0 разность показателей преломления среды и неоднородностей в ней n равна 0 для некоторой = 0, то рассеяние носит резко селективный характер.

Это означает, что система "кристаллический порошок - жидкость" или "кристаллический порошок - воздух" прозрачна для длины волны, при которой показатели преломления кристалла и жидкости или кристалла и воздуха совпадают.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.