Министерство общего и профессионального образования РФ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОП...
86 downloads
353 Views
1MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
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.
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 устройство, 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 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 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 λ
λ0=λmax
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 уровне 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 / Δλ
0,5
.
Δλ0 , 5
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 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
0,9fmax
0,5fmax
λгр
fmax
λ
λ0,5
fф
fср
0,1fmax 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 широкополосные (δ > 0,01λ0). Интегральный коэффициент пропускания (отражения) фильтра для данного источника излучения определяется формулой: ∞
f = Ф / Ф0 =
∫ Mλ 0
e
f ( λ ) dλ
,
∞
∫ M λ dλ e
0
где Ф - пропущенный или отраженный поток; Ф0 - падающий поток; Мλе - 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).
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 0
λ, мкм
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). λ2
λ1 λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
l1
λ3
l2
Рис. 4. Полосовой фильтр ПВО: λ1 < λ2