Rövid elmélet
Laboratóriumi munka №12
"LIGHT SZŰRŐK - A SIMPLE LIGHT MONOCHROMATORS"
A munka célja: Ismerkedés a főbb fényszűrő típusok működésének elveivel. Alapvető paraméterek meghatározása.
Eszközök és tartozékok: UM-2 monokromátor; higanylámpa; neon lámpa; izzólámpa; tápegységek; abszorpciós szűrőkészlet; C1, C2 és C3 interferencia szűrőkészlet; goniometrikus asztal.
Az optikában nagy jelentőségű a fény monochromatizálásának problémája, vagyis egy bizonyos hullámhossz intervallum elosztása. A sugárzás viszonylag keskeny spektrális területei megkülönböztethetők monokromatikus fényszűrők segítségével. Ellentétben a kifinomultabb spektrális eszközökkel - monokromátorokkal, a fényszűrőknek sokkal nagyobb keresztmetszete van a fénysugárnak és egy nagyobb nyílásnak.
A fényszűrők megváltoztatják a rájuk ható fénysugárzás spektrális összetételét vagy energiáját, anélkül, hogy megváltoztatnák az elülső rész alakját. A fényszűrők fő jellemzői (paraméterei) a következők:
a) Spektrális sávszélesség # 948; l, egyenlő a spektrális intervallum szélességével, amelynek határainál az átvitt fény intenzitása megegyezik az átviteli sáv maximális intenzitásának felével (1.
b) Átvitel (átláthatóság) az átjáró maximális sávján
ahol I0 a fényszűrőn fellépő fény intenzitása, Im a fényszűrőn áthaladó fény intenzitása az áthaladó sáv legmagasabb értékén.
c) hullámhossz lm. amely megfelel az átjáró sáv maximális értékének.
d) A maradék áteresztés Ir. egyenlő a fényszűrő által a spektrum területén lévő fény intenzitásával, amely messze van Im-etől sokkal nagyobb, mint az lm. A maradék átvitel helyett az úgynevezett fényszűrő kontraszt tényező
A fényszűrőket szürke vagy semlegesnek nevezzük, ha az átvitel a vizsgált spektrális intervallumban nem függ a hullámhossztól. Azok a szűrők, amelyek nem felelnek meg ennek a feltételnek, szelektívnek nevezik. A szelektív szűrők széles spektrumú régiók elkülönítésére vagy szűk spektrális tartomány elkülönítésére szolgálnak. Az utóbbi típusú szűrőket monokromatikus szűrőknek nevezik. Gyakran használják más spektrális eszközök helyett, mivel általában sokkal nagyobb fényáramot adnak át, mint a diszpergáló elemekkel (prizmák, diffrakciós rácsok stb.) Rendelkező eszközök. A fényszűrők felbontóképessége azonban gyakran kicsi - a legtöbb esetben a sávszélesség tíz és több száz angström. A legjobb keskeny sávú szűrők sávszélessége kisebb, mint 1 Angstrom, de az általuk sugárzott fény intenzitása alacsony. Ezért a fényszűrők fő célja durva monokromatizálás vagy a sugárzás nem szelektív attenuálása.
Több típusú monokromatikus fényszűrő van.
Ezek a legelterjedtebbek. A fénycsillapítás elsősorban a szűrő anyagának felszívódása következtében alakul ki. A fény intenzitása Il0. a fényszűrő abszorbeáló rétegén keresztül halad, a Bouguer-Lambert-törvénynek megfelelően csökken:
ahol k az abszorpciós együttható, l a réteg vastagsága.
Az abszorpciós szűrők átvitelét (átvitelét) a képlet határozza meg
ahol R1 a fény szűrési felületi reflexiós tényezője. A szűrt fényáramot teljesen hővé alakítják, ami melegítésükhöz és az optikai tulajdonságok megváltozásához vezet.
Jelenleg a leggyakrabban használt üvegfelszívó szűrők, amelyek ellenállnak a fénynek és a hőhatásnak, és nagy optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Az üvegszűrők egymás után történő elhelyezésekor meglehetősen keskeny sávú szűrőket kaphat a spektrum teljes látható és közel ultraibolya részéhez.
Összehasonlításképpen kevésbé gyakran használt folyadék- és gázfelszívó szűrők. Például a spektrum ultraibolya régiójának izolálására szűrőt használunk telített brómgőzzel rendelkező kvarc küvetta formájában. Az ilyen sejt gyakorlatilag áttetsző a 400-600 nm hullámhossz tartományban. A levegőt a 180 nm-nél rövidebb hullámhosszú spektrális régió esetében nem figyelték meg, főként az oxigén felszívódásának köszönhetően. Ezért a levegő spektroszkópiás vizsgálatokban földgázszűrőként szolgál.
Ismeretes, hogy a félvezetők átlátszatlanok a hullámhossznál kisebb sugárzásnál, mint egy bizonyos 10 érték, és hosszabb hullámhosszú sugárzás esetén átlátszóak. Az él vagy az abszorpciós határ helyzetét a félvezető sávszerkezete határozza meg, és megfelel az elektronátmenetnek a valenciasávból a vezetékhez. Így a félvezető kiváló fényszűrő, amely a spektrumot élesen korlátozza a rövid hullámú oldalról. A legtöbb félvezető csak a spektrum infravörös tartományában átlátszó. Egyes üvegszűrők saját tulajdonságaikat a legkisebb félvezető kristályok jelenlétéhez kötik.
Ezek közé tartoznak a vékony fémfilmek és többrétegű dielektromos bevonatok. A vékony fémfilmeket kvarc vagy üveg szubsztrátumra visszük fel párolgással vagy katódos permetezéssel.
A 2. ábra az ezüst és az alumínium R 1 spektrális reflexiós koefficienseit mutatja.
Semleges fémrétegek előállításához platinát, palládiumot és ródiumot használnak, és ritkábban alumíniumot használnak. Az ezüst és alkálifémek vékony fémfilmjei különböző rétegeket izolálnak a spektrum ultraibolya régiójában (lásd 2. ábra). A fémfilmekkel ellátott szűrők elsősorban a fénytől tükröződnek.
c) szelektív fényvisszaverő fényszűrők.
A fényvisszaverő szűrők tartalmaznak többrétegű dielektromos tükröket is. Ezeknél a hullámhosszú sugárzás tükrözi a többsugaras interferencia következtében. Ez a módszer lehetővé teszi a fényvisszaverő rendszerek létrehozását, amelyek nagyon nagy visszaverődési együtthatóval rendelkeznek kis abszorpciós veszteségek esetén, ami jelentős előnyt jelent a fémes tükröknél. A kis abszorpciós együtthatójú gabonák gyártásának szükségessége nagymértékben növekedett a lézertechnológia fejlődésével összefüggésben.
A 3a. Ábra egy üvegtábla visszaverődési együtthatójának növekedését magyarázza, amelynek reflexiós indexe n0 a dielektromos fólia felületén n> n0 törésmutatóval rendelkező lerakódás következtében. Az ilyen film vastagságát az alábbi feltételekből határozzák meg:
ahol n · d a film optikai vastagsága,
l a hullámhossz, amelyre a reflexiós együttható a maximális.
Ebben az esetben a beavatkozó hullámok (a levegő-film felület és a film-üveg visszaverődése) közötti optikai útvonalkülönbség van
azaz megfelel a maximális intenzitásnak.
További különbség a hullámok folyamán azzal a ténnyel kapcsolatban, hogy amikor a hullám a légfilm határán tükröződik, a félhullám elvész, mivel n A visszaverődési együttható (Rl> 30%) nagy értékei azonban így meghiúsulnak. E cél elérése érdekében többszörös sugarú interferenciára kell átállni, ami többrétegű dielektromos tükrökben valósul meg. Az ilyen tükröket ugyanolyan optikai vastagságú (negyedhullámú rétegek) vékony dielektromos rétegek alkalmazásával nyerik át egy átlátszó hordozóra: de különböző törésmutatóval: az n1 nagy törésmutatójú dielektrikum két rétegei között egy kis indexű dielektromos réteg akadályozott. Ebben az esetben az összes visszavert hullám fázisban van és egymásnak erősítik az interferencia következtében. A különbség abban az ösvényben, amelyet a tükrözött sugarak az egyes rétegekben szereznek, rendes előfordulási gyakoriság: Bizonyos hullámhosszú intervallum esetén az összes kölcsönható hullám interferenciájának következtében maximális értéket kapunk, amelynek szélessége kisebb, mint a zavaró gerendák száma. A különböző vastagságú rétegek kombinálásával az Rl reflexiós tényezőhöz szükséges spektrális görbéket kaphatjuk. Az R 1 értékek megszerzéséhez. 99% vagy több (ilyen koefficiensek szükségesek a lézertechnológiában) 11-13 réteg vagy annál többet kell hozzáadni (36. Az ilyen interferencia tükrök egy meglehetősen keskeny spektrális tartományban tükröződnek, és minél nagyobb a reflexiós koefficiens, annál keskenyebb a hullámhossz-régió, amelyre az R1 ilyen értéke valósul meg. Tevékenységük a többsugaras interferencia jelenségén alapul. Egyszerű szűrők állnak párhuzamos lemez típusú Fabry-Perot interferométer egy nagyon kis-niem távolságok közötti d tükrök (nagyságrendileg több hullámhosszon vagy több tíz-nek hullámhossz). Ebben a dolgozatban alkalmazni interferenciális mappa-ry gyártott az alábbiak szerint: az üveg hordozó P (4.ábra) Tod Me-elektron-nyaláb vákuumban bepároljuk egymás után alkalmazott dielektrikum tükör S1 átlátszó elválasztó réteg D és egy második dielektromos tükör S2. A D szűrő központi eleme SiO2-ból készül, vastagsága pedig. ahol a hullámhossz a szűrő maximális átvitele (a sugarak normális előfordulása esetén), = 1,45 a réteg törésmutatója.
Minden tükör 11 egymást követő réteg ZrO2 - és SiO2 optikai vastagsággal egyenlő. Az S1 és S2 tükrök R tükröződési együtthatókkal rendelkeznek, közel az egységhez.
A fényszűrőn fellépő sugarak több tükröződést tesznek ki az S1 és S2 tükörfelületekről. aminek következtében vannak olyan 1,2,3,4 sugarak, amelyek egymásba ütközés esetén intenzív eloszlást adnak az átvitt fényben éles átviteli sávokkal. Ez az eloszlás függ a szomszédos sugarak, a reflexiós együtthatók és a tükrök felszívódása közötti különbségtől. Ha a fénysugár egy szögben esik a fényszűrőn, és a központi rétegben több reflexiót tapasztal, akkor két egymást követő sugárnak van egy útvonalkülönbsége (lásd a 4. ábrát):
ahol r a fénytörési szög.
A maximális interferenciát a következő feltételek mellett kell figyelembe venni:
amiből az következik, hogy a fényszűrő átvitelének maximális hullámhosszának értékét csökkenti az r refrakciós szög vagy az előfordulási szög megnövelésével i.
Így, ha az optikai vastagsága a középső réteg a szűrő ezután DN számos sávszélességét vágja amelynek maxima hullámhosszak CO-stavlyayut rendre (normál beesési szög)
Az 5. ábra vázlatosan mutatja be az interferencia szűrő passzusait. Az első leghosszabb hullámhosszúságú átjáró elkülönítésére tervezett szűrőket elsőrendű szűrőknek nevezik. Az ilyen szűrők ebben a munkában használatosak. Az optikai vastagságuk d · n = lt1, és csak rövid hullámhosszú átviteli maxima elnyomására van szükség, lt2 hullámhosszúsággal. l3 stb.
Ez általában egyszerűen speciális abszorpciós szűrőkkel vagy magának a szűrő szubsztrátumanyagának felszívódásával valósítható meg.
Megjegyezzük, hogy az interferencia szűrő átviteli spektruma az Iml. Az lm2-nek számos más, különböző intenzitású sávja lesz, amely a szűrő többrétegű bevonásával való interferencia komplex természetéhez kapcsolódik.
A C1, C2 és C3 interferencia szűrőket használják. Számukra az lm1 értéke 6290, 5670 és 4960 A.
e) Diszperziós szűrők.
Az ilyen szűrők hatása a fény diszpergálásán alapul - a törésmutató függvénye a hullámhosszon. Ez egy áttetsző porral töltött küvetta. A küvettát folyadékkal töltött, a törésmutató függését Koto raj hullámhosszon, hogy a törésmutatója a folyadék (1) és powdergramm Single (2) egybeesik csak bizonyos hullámhosszúságú (ábra6).
Ezután a sejt optikailag homogén a hullámhossz fényében, de eloszlik más hullámhosszú sugárzás, amely az adott hullámhossz mindkét oldalán fekszik. Annak érdekében, hogy a szűrő átmeneti sávja keskeny legyen, szükséges, hogy a folyadék és a por diszperziós görbéinek lejtői a lehető legnagyobb mértékben eltérjenek.