Лабораторна робота №12
«Світлофільтр - ПРОСТЕЙШИЕ монохроматором СВІТЛА»
Мета роботи: Ознайомлення з принципами дії основних типів світлофільтрів. Визначення їх основних параметрів.
Прилади й приналежності: монохроматор УМ-2; ртутна лампа; неоно-вая лампа; лампа розжарювання; джерела живлення; набір абсорбційних світлофільтрів; набір інтерференційних світлофільтрів C1, C2 і СЗ; гоніометричний столик.
Велике значення в оптиці має проблема монохроматізаціі світла, тобто виділення певного інтервалу довжин хвиль. Порівняно вузькі спектральні області випромінювання можна виділити за допомогою монохроматичних світлофільтрів. На відміну від більш складних спектральних приладів - монохроматоров, світлофільтри мають значно більшим перерізом світлового пучка і більшою апертурою.
Світлофільтри змінюють спектральний склад або енергію падаючого на них світлового випромінювання без зміни форми його фронту. Основні характери-стики (параметри) світлофільтрів наступні:
а) Спектральна ширина смуги пропускання # 948; l, що дорівнює ширині спектрального інтервалу, на кордонах якого інтенсивність минулого світла дорівнює поло-вини інтенсивності в максимумі смуги пропускання (Рис.1).
б) Пропущення (прозорість) в максимумі смуги пропускання
де I0 - інтенсивність світла, що падає на світлофільтр, Im - інтенсивність світла, що пройшло через світлофільтр в максимумі смуги пропускання.
в) Довжина хвилі lm. відповідна максимуму смуги пропускання.
г) Залишковий пропусканіеIr. рівне інтенсивності світла, що пропускається світлофільтром в області спектра, віддаленого від Im на відстані багато біль-шем lm. Замість залишкового пропускання часто використовують так званий фактор контрастності світлофільтру
Світлофільтри називаються сірими або нейтральними, якщо їх пропускання в досліджуваному спектральному інтервалі не залежить від довжини хвилі. Фільтри, що не відповідають цій умові, називаються селективними. Селективні світлофільтри призначаються або для відділення широкої області спектра, або для виділення вузької спектральної області. Світлофільтри останнього типу називаються монохроматичними. Вони часто застосовуються замість інших спектральних приладів, так як зазвичай пропускають набагато більший світловий потік, ніж прилади з диспергуючими елементами (призмами, дифракційними гратами і ін.). Однак роздільна здатність світлофільтрів годину-то невелика - в більшості випадків ширина смуги пропускання становить десятки і сотні ангстрем. Кращі вузькосмугові світлофільтри мають ширину смуги пропускання менше 1 ангстрема, однак інтенсивність пропускається ними світла невелика. Тому основне призначення світлофільтрів - груба монохроматизація або неселективне ослаблення випромінювання.
Існують не-скільки типів монохроматичних світлофільтрів.
Застосовуються найбільш широко. Ослаблення світла в них відбувається головним чином в результаті поглинання вещест-вом фільтра. Інтенсивність світла Il0. пройшов через поглинаючий шар світлофільтра, зменшується відповідно до закону Бугера-Ламберта:
де k - коефіцієнт поглинання, l - товщина шару.
Коефіцієнт пропускання (пропускання) абсорбційних фільтрів визначається формулою
де Rl - коефіцієнт відбиття світла від поверхні фільтра. Затриманий фільтром світловий потік повністю перетворюється в тепло, що призводить до їх нагрівання і деякої зміни оптичних властивостей.
В даний час найбільш споживані скляні абсорбційні світлофільтри, які стійкі до світлових і теплових впливів і мають високі оптичні якості. Маючи в своєму розпорядженні один за одним кілька скляних світлофільтрів, можна отримати досить вузькосмугові фільтри для всієї видимої і ближньої ультрафіолетової частини спектра.
Порівняно рідше застосовуються рідинні і газові абсорбція фільтри. Наприклад, для виділення ультрафіолетової області спектра використовують фільтр у вигляді кварцового кювети з насиченими парами брому. Така кювету практично непрозора в області довжин хвиль 400-600нм. Повітря непро-зрачен для області спектра з довжинами хвиль коротше 180Нм завдяки головним чином поглинанню кисню. Тому повітря служить в спектроскопічних дослідженнях природним газовим фільтром.
Відомо, що напівпровідники непрозорі для випромінювання з довжиною хвилі меншою деякого значення l0 і прозорі для більш довгохвильового випромінювання. Положення краю або кордону поглинання визначається зонного струк-турою напівпровідника і відповідає енергії переходу електрона з валент-ної зони в зону провідності. Таким чином, напівпровідник - прекрасний світлофільтр, який різко обмежує спектр з короткохвильового боку. Більшість напівпровідників прозоро лише в інфрачервоній області спек-тра. Деякі скляні фільтри зобов'язані своїми властивостями присутності найдрібніших напівпровідникових кристалів.
До них відносяться тонкі металеві плівки і багатошарові діелектричні покриття. Тонкі металеві плівки наносяться на кварцову або скляну підкладку випаровуванням або ка-тодним розпиленням.
На рис.2 наведені спектральні коефіцієнти відбиття Rl срібла і алюмінію.
Для отримання нейтральних металевих шарів зазвичай використовують платину, паладій і родій, рідше алюміній. Тонкі металеві плівки сереб-ра і лужних металів служать для виділення різних ділянок в ультрафио-Лєтова області спектра (див. Рис.2). Фільтри з металевими плівками ос-лабляют світло головним чином в результаті відображення від поверхні.
в) Селективні відбивні світлофільтри.
До відбивних світлофільтрів належать також багатошарові діелектричні дзеркала. У них відображення випромінювання певних довжин хвиль відбувається в результаті багатопроменевої інтерференції. Цей метод дозволяє створити відбивні системи з дуже високим коефіцієнтом відображення при малих втратах на поглинання, що є суттєвою перевагою в порівнянні з металевими дзеркалами. Необхідність виготовлення зер-кал з малим коефіцієнтом поглинання сильно зросла в зв'язку з розвитком лазерної техніки.
На ріс.З представлена схема, яка пояснює збільшення коефіцієнта від-ражения скляної пластинки з показником заломлення n0 за рахунок нанесення на її поверхню діелектричної плівки з показником заломлення n> n0. Товщина такої плівки визначається з умови:
де n · d - оптична товщина плівки,
l - довжина хвилі, для якої коефіцієнт відображення буде максимальним.
Оптична різниця ходу інтерферуючих хвиль (відбитих від кордонів розділу повітря - плівка і плівка - скло) становить в цьому випадку
тобто відповідає максимуму інтенсивності.
Додаткова різниця ходу хвиль з'являється в зв'язку з тим, що при отраже-ванні хвилі на межі повітря-плівка відбувається втрата напівхвилі, оскільки nвозд Отримати більше значення коефіцієнта відображення (Rl> 30%) таким чином проте не вдається. Для досягнення цієї мети необхідно перейти до багатопроменевої інтерференції, яка здійснюється в багатошарових діелектричних дзеркалах. Такі дзеркала отримують нанесенням на прозору підкладку тонких ді-електричних шарів з однаковою оптичною товщиною (чвертьхвильові шари): але з різними показниками заломлення: між двома шарами діелектрика з високим показником заломлення n1 завадять шар діелектрика з малим показником. В цьому випадку всі відбиті хвилі синфазних і підсилюють один одного в результаті інтерференції. Різниця ходу, яку відбиті промені набувають в кожному з шарів, становить при нормальному падінні: Для деякого інтервалу довжин хвиль в результаті інтерференції всіх взаємодіючих хвиль виходить максимум, ширина якого тим менше, чим більше число интерферирующих пучків. Комбінуючи шари різної товщини, можна отримувати потрібні спектральним-ні криві для коефіцієнта відбиття Rl. Для отримання значень Rl. 99% і більше (такі коефіцієнти необхідні в лазерної техніки) необхідно на-нести 11-13 шарів і більше (рис.36). Такі інтерференційні дзеркала отража-ють в досить вузькій спектральній області, і чим більше коефіцієнт відпрацьовано-вання, тим вже область довжин хвиль, для якої реалізується таке значення Rl. Дія їх засновано на явищі багато-променевої інтерференції. Найпростіші світлофільтри складаються з плоскопараллельной пластинки типу інтерферометра Фабрі-Перо з дуже малим расстоя-ням d між дзеркалами (порядку декількох довжин хвиль або декількох десят-ків довжин хвиль). У даній роботі застосовуються інтерференційні фильт-ри, виготовлені в такий спосіб: на скляну підкладку р (рис.4) ме-тодом електронно-променевого напилення в вакуумі нанесені послідовно діелектричне дзеркало S1 прозорий розділовий шар D і друге діелектричне дзеркало S2. Центральний елемент фільтра D виконаний з SiО2 і має товщину. де - довжина хвилі, відповідна максимуму пропускання фільтра (при нормальному падінні променів), = 1,45 - показник заломлення шару.
Кожне дзеркало вдає із себе одинадцять послідовних шарів ZrO2 - і SiO2 з оптичними товщинами, рівними. Дзеркала S1 і S2 мають коефіцієнти відбиття R близькі до одиниці.
Падаючі на світлофільтр промені випробовують багаторазові відбиття від дзеркальних поверхонь S1 і S2. внаслідок чого виникають промені 1,2,3,4, кото-які, интерферируя між собою, дають в світлі розподіл ін-інтенсивності з різкими смугами пропускання. Цей розподіл залежить від різниці ходу між сусідніми променями, від коефіцієнтів відображення і по-глощенія дзеркал. Якщо промінь падає на світлофільтр під кутом і відчуває в центральному шарі багатократне віддзеркалення, то два послідовно виходять променя матиму різниця ходу (див. Рис. 4):
де r - кут заломлення.
Інтерференція на максимум буде спостерігатися за умови:
з якого випливає, що значення довжини хвилі максимуму пропускання све-тофільтра зменшується зі збільшенням кута заломлення r або кута падіння i.
Таким чином, якщо оптична товщина центрального шару фільтра дорівнює dn то є ряд смуг пропускання, довжини хвиль максимумів яких со-ють відповідно (при нормальному падінні):
Рис.5 схематично представляє смуги пропускання інтерференційного світлофільтру. Фільтри, призначені для виділення першої найбільш довгохвильової смуги пропускання, називаються фільтрами першого порядку. Такі фільтри використовуються в даній роботі. Вони мають оптичні товщини d · n = lт1 і потребують придушенні лише короткохвильових максимумів пропускання з довжиною хвилі lт2. lт3 і т.д.
Зазвичай це легко здійснюється або спеціальними абсорбційними фільтрами, або поглинанням матеріалу підкладки самого фільтра.
Відзначимо, що спектр пропускання інтерференційного фільтра поряд з lт1. lт2 матиме ряд інших смуг різної інтенсивності, пов'язаних зі складним характером інтерференції на багатошаровому покритті фільтра.
У роботі використовуються інтерференційні світлофільтри C1, C2 і С3. Для них значення lт1 рівні 6290, 5670 і 4960 А відповідно.
д) Дисперсійні світлофільтри.
Дія таких фільтрів засноване на дис-персии світла - залежності показника заломлення від довжини хвилі. Вони являють собою кювету, наповнену порошком з прозорого ма-ла. У кювету заливається рідина, залежність показника заломлення кото-рій від довжини хвилі така, що показники заломлення рідини (1) і пор-ка (2) збігаються лише для певної довжини хвилі (рис.6).
Тоді кювету оптично однорідна для променів світла цієї довжини хвилі, але розсіює випромінювання інших довжин хвиль, що лежать по обидва боки від заданої. Щоб смуга пропускання фільтра була вузькою, необхідно щоб нахили кривих дисперсії рідини і порошку розрізнялися якомога більше.