спектроскопия атомов и молекул -

71
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Подавалова О.П., Лямкина Н.Э.
СПЕКТРОСКОПИЯ
АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
Лабораторный практикум
Красноярск 2007
72
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...........................................................................................................
Лабораторная работа №1. Устройство и принцип действия спектральной установки ...................................................
2
4
Лабораторная работа №2. Изучение дифракционного монохроматора ....
9
Лабораторная работа №3. Изучение призменного монохроматора..........
20
Лабораторная работа №4. Светофильтры-простейшие монохроматоры
света ...................................................................
30
Лабораторная работа №5. Интерферометр фабри–перо .............................
44
Приложение 1. Монохроматор светосильный МДР-12 ..............................
57
Приложение 2. Монохроматор ДМР-4 .........................................................
62
Приложение 3 . Спектрофотометр SPEKOL-20 ...........................................
65
73
Лабораторная работа № 1
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
СПЕКТРАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом работы спектральной установки.
Оборудование: Спектральная установка на базе дифракционного светосильного монохроматора МДР-12 с фотоэлектрической регистрацией спектра.
Общие сведения
1. Принципиальная схема спектрального прибора
Спектральными приборами называются оптические системы, в которых тем или иным способом осуществляется разложение электромагнитного излучения оптического диапазона на монохроматические составляющие.
Спектральные приборы предназначены для проведения исследования
излучения, испускаемого физическими телами или трансформированного в
результате взаимодействия этого излучения с веществом, которое проявляется в поглощении излучения, его отражении, рассеянии или люминесценции.
Структура типового щелевого спектрального прибора представлена на
рис.1.1. и состоит из трех функциональных блоков:
I – осветительная часть;
II – спектральная часть;
III – приемно-регистрирующее устройство.
Оптическая схема спектрального прибора приведена на рис 1.2.
I. Осветительная часть (непосредственно в прибор не входит) – состоит
из источника излучения 1 и оптической системы 2 для освещения щели спектрального прибора. Оптическая система может состоять из одной или нескольких линз и называется конденсором или конденсорной системой.
74
Рисунок 1.1 – Структурная схема спектрального прибора
II. Спектральная часть включает в себя (рис.1.1): входной коллиматор
3, диспергирующую систему 4 и выходной коллиматор 5 (у монохроматоров)
или камеру (у спектрографа).
Входной коллиматор формирует параллельный пучок света для рабочей
области длин волн. Он состоит из объектива О1 и входной щели спектрального прибора S1, играющей роль несамосветящегося источника излучения
(см. рис. 1.2). Щель располагается на оптической оси объектива в его фокальной плоскости. Параллельный пучок, спектрально неразложенного излучения, выходящий из коллиматора, направляется в диспергирующую систему
(ДС).
Рисунок 1.2 – Оптическая схема спектрального прибора
О – объектив конденсора; S1 – щель входного коллиматора; О1 и О2 – объективы коллиматора и камеры; ДС – диспергирующая система; f1 и f2 – фокусные расстояния объективов; φ1 и φ2 – углы отклонения параллельных
пучков с длинами волн λ1 и λ2; F – фокальная плоскость объектива О2.
Диспергирующая система (ДС) преобразует падающий на нее параллельный пучок спектрально неразложенного излучения в совокупность параллельных пучков монохроматических излучений, отклоненных на различные углы  в зависимости от длины волны. В результате действия диспергирующей системы из нее выходит набор параллельных пучков, число которых определяется набором длин волн, входящих в состав исследуемого излучения и попадает далее в камерный объектив О2. Этот объектив фокусирует
отдельные параллельные пучки и образует в его фокальной плоскости F совокупность «изображений» входной щели в свете различных длин волн, называемых спектральными линиями.
Слово «изображение» поставлено в кавычки, т. к. об истинном, в рамках
геометрической оптики, изображении щели можно говорить лишь при широких щелях и монохроматическом излучении.
75
Совокупность этих «изображений» в фокальной плоскости камерного
объектива и составляет спектр исследуемого излучения. Число «изображений» определяется числом монохроматических составляющих в спектре источника, а их интенсивность – спектральной яркостью излучения в каждой
длине волны и параметром спектрального прибора – его светосилой. При источнике сплошного спектра «изображения» отдельных длин волн накладываются друг на друга и образуют в фокальной плоскости непрерывный
спектр.
Для монохроматоров камерный объектив О2 и выходная щель, расположенная в фокусе объектива составляют выходной коллиматор – оптическое
приспособление для получения изображения предметов.
III. Состав приемно-регистрирующего устройства (рис.1.1) зависит от
способа регистрации: а) при визуальном – это окуляр зрительной трубки 6 и
глаз наблюдателя 7; б) при фотографическом – фотопластинка или фотопленка 8; г) при фотоэлектрическом – фотоприемник 9, усилительнорегистрирующая система 10 и индикатор 11.
2. Структурная схема спектральной установки на базе
дифракционного светосильного монохроматора МДР-12
Настоящая работа выполняется с использованием спектральной установки на базе дифракционного светосильного монохроматора с фотоэлектрической регистрацией спектра. На рис. 1.3 приведена структурная схема
спектральной установки.
Рисунок 1.3 – Структурная схема спектральной установки
1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – монохроматор; 4 – фотоприемник;
5–- источник питания фотоприемника; 6 – селективный усилитель;
76
7 – прерыватель; 8 – источник питания прерывателя
Источник света 1 через конденсор 2 освещает входную щель монохроматора 3. Выделенное монохроматором излучение попадает на фотоприемник излучения – фотоэлектронный умножитель 4. Питание фотоумножителя
осуществляется высоковольтным источником питания 5. Фотоумножитель
преобразует падающую на него световую энергию в электрическую. Электрический сигнал поступает на вход селективного усилителя 6.
Для регистрации сигнала применена модуляционная методика. Амплитудная модуляция светового потока осуществляется механическим прерывателем 7, установленным перед входной щелью монохроматора. Питание прерывателя обеспечивается звуковым генератором 8.
Переменный электрический сигнал на частоте модуляции, возникающий
на выходе фотоприемника синхронно с поступившим на его вход модулированным световым потоком, затем усиливается селективным усилителем 6.
3. Основные узлы спектральной установки
3.1. Источники излучения
В качестве источника монохроматического излучения в данной установке применяется гелий-неоновый лазер (Не-Nе лазер), длина волны λ излучения которого равна 632,8нм.
Для получения спектра неона в качестве источника используется газоразрядная неоновая лампа.
3.2. Спектральная часть установки
Спектральная часть данной установки представляет собой монохроматор. В установке используется дифракционный светосильный монохроматор
МДР-12 (см. техническое описание в приложении к лабораторной работе
№ 1).
3.3. Приемно-регистрирующая часть установки
В качестве приемника излучения используется фотоэлемент с внешним
фотоэффектом – фотоумножитель (ФЭУ 100).
Фотоумножителем называются вакуумные фотоэлементы, в которых для
усиления фототока используется явление вторичной эмиссии. На рис. 1.4
приведена принципиальная схема фотоумножителя: внутри кварцевого или
стеклянного баллона 1 находится катод 4, несколько электродов 3, обладающих вторичной эмиссией, и анод 2. На электроды 3 подаются последовательно нарастающие потенциалы, при 9-13 каскадах усиления фототок, составляющий в обычных вакуумных фотоэлементах I ≅ 10-8 А, может быть усилен
в 106 раз.
77
Усиление, детектирование и измерение сигнала переменного тока с фотоумножителя осуществляется с помощью селективного нановольтметра
«Унипан 233» (см. инструкцию по эксплуатации и техническое описание).
Рисунок 1.4 – Принципиальная схема фотоумножителя
3.4. Модуляционная методика регистрации оптического сигнала
Процесс фотоэлектрической регистрации спектров сводится к усилению
и регистрации электрических сигналов, возникающих, в фотоприемниках под
действием падающего излучения.
Минимальная мощность излучения, которая еще может быть надежно
зарегистрирована фотоприемником ограничена главным образом собственными шумами фотоприемника. У приемников с внешним фотоэффектом шумы в основном обусловлены флуктуациями с частотами fш = 5 - 100 Гц областей эмиссии электронов по поверхности катода. Мощность низкочастотных
шумов обратно пропорциональна частоте 1/fш. Хаотически меняющийся шумовой сигнал может быть представлен набором гармонических сигналов с
различной частотой f и различными амплитудой и фазой.
Если на фотоприемник поступает неизменный во времени оптический
сигнал, а на выходе приемника включен усилитель постоянного тока или
широкополосный усилитель с полосой пропускания от f = 0 до f = fш , то на
получаемый полезный сигнал оказывается наложенным весь шум, заключенный в этой полосе. Отношение сигнал-шум и наблюдаемость сигнала при
этом невелики.
Для уменьшения собственного шума и повышения отношения сигнал/шум часто желательно модулировать (периодически прерывать) сигнал,
преобразуя полезный сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока (с
сохранением информации, заключенной в сигнале).
Модуляция может осуществляться несколькими различными способами.
В данной установке осуществляется амплитудная модуляция светового пучка
падающего на фотоприемник с помощью периодического прерывания пучка
флажком, прикрепленным к электромагнитному реле. Питание на модулятор
подается от звукового генератора, частота модуляции fмод ≅ 42 Гц. При этом
78
получают сигналы прямоугольной формы, амплитуда которых равна напряжению сигнала постоянного тока. Прямоугольные импульсы далее усиливаются узкополосной усилительной системой с шириной полосы Δf, включающей в себя частоту модуляции fмод. Тогда усиливается весь полезный (измеряемый) сигнал и лишь та небольшая часть шумов, которая заключена в этой
полосе Δf.
Далее сигнал преобразуется снова в сигнал постоянного тока с помощью
детектора-выпрямителя (преобразование в постоянный ток необходимо, поскольку для всех обычно используемых устройств индикации требуются сигналы постоянного тока).
В данной установке усиление, детектирование и измерение полезного
сигнала осуществляется с помощью селективного нановольтметра («Унипан
233»).
Порядок выполнения работы
1. Установите перед монохроматором газоразрядную неоновую лампу.
Включите блок питания лампы.
2. Получите с помощью конденсора четкое изображение лампы на входной щели
монохроматора.
3. Включите блок питания прерывателя. Установите частоту модуляции
fмод ≅ 42 Гц.
4. Установите на шкале длин волн монохроматора значение длины волны спектральной линии неона (λ = 6266,5 Ǻ).
5. Включите блок питания фотоумножителя (U ~ 1000 В).
6. Переведите тумблер сетевого выключателя селективного нановольтметра в положение «on» и прогрейте прибор в течение 15 – 20 минут.
7. Откройте шторку, закрывающую входную щель монохроматора.
8. Манипулируя ручками широкополосного и узкополосного усиления,
расположенными на передней панели нановольтметра, добейтесь максимального значения сигнала.
9. Выключите установку, производя описанные выше действия в обратном порядке.
Контрольные вопросы
1. Из каких функциональных блоков состоит типовой спектральный
прибор? Какие элементы включает в себя каждый из блоков?
2. Какие функции выполняют диспергирующая система, коллиматор и
камерный объектив?
3.Какова структурная схема данной спектральной установки?
4. Опишите устройство и принцип действия фотоумножителя.
5. В чем суть модуляционной методики регистрации оптического сигнала?
79
Библиографический список
1. Савельев, И. В. Курс общей физики. / И. В. Савельев. – М.: Наука, 1978. – Т. 2.
2. Лебедева,
В. В.
Техника
оптической
спектроскопии
/
В. В. Лебедева – М.: Изд-во МГУ, 1977.
3. Малышев, В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию /
В. И. Малышев. – М.: Наука, 1979.
4. Электричество и оптика. Физический практикум / ред. В. И.
Иверонова. – М.: Наука, 1968.
80
Лабораторная работа №2
ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОГО МОНОХРОМАТОРА
Цель работы: Изучение дифракционного монохроматора МДР-12, определение основных характеристик спектрального прибора, регистрация
спектра неона.
Приборы и оборудование: Спектральная установка на базе дифракционного светосильного монохроматора МДР-12 с фотоэлектрической регистрацией спектра.
Общие сведения
Монохроматор предназначается для выделения монохроматического излучения в широком спектральном диапазоне. В
дифракционных монохроматорах (не предназначенных для вакуумной области спектра) обычно применяются плоские дифракционные решетки и зеркальные объективы и поэтому они могут работать в широкой области спектра, особенно при наличии сменных
решеток с различным числом штрихов на 1мм. Разрешающая способность и светосила приборов с плоскими решетками достигают
наивысших для щелевых приборов величин. Это обусловлено тем, что, во-первых, геометрические размеры плоских дифракционных решеток могут быть весьма велики, а, во-вторых, угловая дисперсия решеток обычно превышает угловую дисперсию призм.
Конструктивное выполнение приборов с высоким разрешением и высокой светосилой различно. Для приборов с большой линейной
дисперсией используется схема Эберта. Коллиматорным и камерным объективами в ней служат различные части одного и того же
вогнутого зеркала.
В короткофокусных светосильных приборах обычно используется схема Черни-Турнера, имеющая раздельные коллиматорные и камерные зеркала.
Вследствие больших углов падения лучей на зеркала в этой схеме наблюдаются значительные искажения в формировании изображений, поэтому в качестве объективов нередко пользуются асферическими, в первую очередь
внеосевыми параболическими зеркалами. В некоторых приборах для улучшения разрешающей способности (в ущерб светосиле) предусматривается
возможность диафрагмирования действующего отверстия. Устройство, оптико-механическая схема и работа монохроматора МДР-12 изложены в техническом описании и инструкции по эксплуатации (см. приложение 1).
1. Основные характеристики оптических систем
спектральных приборов
81
К основным характеристикам оптических систем спектральных приборов, определяющих их свойства, возможности и диапазон работы, относятся:
дисперсия, разрешающая способность и светосила.
Угловая дисперсия Dφ характеризует способность диспергирующего
элемента отклонять лучи различной длины волн на разные углы. Величина
Dϕ определяется соотношением
dϕ
Dϕ =
,
(2.1)
dλ
где dφ – угол между лучами с длинами волн λ и λ + dλ.
Линейная дисперсия Dλ является характеристикой спектрального прибора в целом. Она определяет линейное расстояние dl между изображениями
спектральных линий с длинами волн λ и λ + dλ в фокальной плоскости объектива, установленного после диспергирующей системы
dl
dλ
(2.2)
dl ≈ f 2 dϕ
(2.3)
Dl =
Для фокальной плоскости
где f2 – фокусное расстояние выходного (камерного) объектива
О2 (см. рис. 1.2 в описании лабораторной работы №1) и, следовательно
Dl = f 2
dϕ
= f 2 Dϕ
dλ
(2.4)
На практике принято характеризовать спектральные приборы так называемой обратной линейной дисперсией dλ dl , показывающей какой спектральный интервал в нм (или Ǻ) приходится на один мм длины спектра.
Под разрешающей способностью (или разрешающей силой) понимают
способность различать (или разрешать) две близкие монохроматические линии в спектре, полученном с помощью спектрального прибора.
Количественной характеристикой разрешающей способности является
величина
82
R=
λ
,
δλ
(2.5)
где δλ – минимальная разность длин волн λ и λ + dλ двух близких монохроматических линий одинаковой интенсивности, еще различимых в спектре.
Различают теоретическую и реальную разрешающие способности.
Теоретический предел разрешения обусловлен только волновой природой
света и физическими свойствами диспергирующего элемента. Реальный предел разрешения помимо дифракции и физических особенностей диспергирующего элемента определяется искажениями волнового фронта вносимыми
реальным прибором: поперечными размерами входной и выходной диафрагм, несовершенством изготовления оптических деталей и юстировки отдельных узлов и всего прибора в целом, инерционностью его узлов, абберациями оптических систем (искажением изображения в оптических системах,
вызываемым использованием широких пучков лучей и немонохроматического света).
Для оценки теоретического предела разрешения наиболее часто используют
критерий Рэлея, согласно которому две спектральные линии одинаковой интенсивности находятся на пределе разрешения, если главный максимум дифракционного изображения одной из линий совпадает с минимумом в изображении другой (см. рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Дифракционные изображения двух
монохроматических спектральных линий (1 и 2) в фокальной
83
плоскости прибора с разницей длин волн λ2−λ1 = δλ в случае
выполнения критерия Рэлея и суммарная картина (3)
Рассмотрим связь между разрешающей способностью, дисперсией и
параметрами выходного объектива. Пусть из диспергирующего устройства
выходит параллельный пучок лучей диаметром D и с длинной волны λ. Размеры поперечного сечения световых пучков определяются размерами оптических элементов диспергирующей системы, играющими роль диафрагм.
Условие возникновения дифракционных минимумов имеет вид D sin ϕ = kλ
(2.6)
где φ – угол дифракции, k – порядок дифракции. Из (2.6) следует, что
при k = 0 (и, следовательно, при φ = 0) будет наблюдаться дифракционный
максимум, а при k =1 – первый минимум. Угловое расстояние между центром дифракционного максимума и первым минимумом из (2.6) равно (критерий Рэлея в угловой форме)
dϕ = λ
(2.7)
D
Выражение для теоретической разрешающей способности примет вид λ dϕ
= DDϕ .
δϕ dλ
(2.8)
В (2.8) использовано соотношение для малых углов
δϕ dϕ
=
. Обоδλ dλ
Rтеор =
значим
A=
D2
λ
=
δλ
λ
⎛ dϕ ⎞
δϕ ⎜ ⎟
⎝ dλ ⎠
−1
=
f 2 – относительное отверстие выходного объектива при-
бора, где D2 – диаметр светового отверстия объектива, f2 – фокусное расстояние.
Если D2 < D, то дифракция будет определяться размером D2 и
84
Rтеор = D2 Dϕ =
D2 dl
.
f 2 dλ
(2.9)
В этом случае D2 – величина действующего отверстия.
Действующим отверстием или апертурной диафрагмой (апертурой)
называют диафрагму, наиболее сильно ограничивающую световой пучок в
оптической системе.
Реальный линейный предел разрешения определяется условием разрешения двух аппаратных функций.
R реал =
λ
,
δλапп
(2.10)
где δλапп – ширина аппаратной функции.
Аппаратная функция (инструментальный контур) А(λ) спектрального
прибора характеризует наблюдаемое распределение интенсивности в спектральной линии в фокальной плоскости выходного объектива прибора при
его освещении «идеально» монохроматическим источником излучения. Контуром (формой, профилем) спектральной линии называется распределение
интенсивности излучения по частоте (длине волны) в пределах данной линии. Любой реальный прибор, регистрируя монохроматическое излучение,
дает вместо соответствующего этому излучению бесконечно узкой спектральной линии некоторый контур конечной ширины, описываемый функцией А(λ). Конечная ширина аппаратной функции определяется всеми факторами, вызывающими искажения волнового фронта, обусловленными как
волновой природой света и физическими свойствами диспергирующей системы, так и вносимыми реальным прибором:
•
наблюдаемая спектральная линия представляет собой изображение входной щели, имеющей конечную ширину;
•
дифракционные явления в диспергирующем элементе уширяют
геометрическое изображение щели;
•
аберрации оптической системы и дефекты диспергирующего
элемента также уширяют изображение;
•
система регистрации излучения дополнительно уширяет линию.
На рис. 2.2 приведены частные случаи различных видов аппаратной функции: а)
дифракционной; б) щелевой в случае спектрографа; в) щелевой в случае монохроматора при неравных щелях; г) щелевой в случае монохроматора при равных щелях.
85
Рисунок 2.2 – Различные виды аппаратной функции:
αD – дифракционная ширина спектральной линии;
S1 и S2 – ширины входной и выходной щелей монохроматора
Светосила – величина, позволяющая сравнивать освещенности в плоскости изображений различных оптических систем.
Освещенность спектральной линии E л определяется яркостью Ви источника излучения, коэффициентом пропускания оптической системы спектрального прибора τсп (λ) и квадратом относительного отверстия
⎛D
E л = τ сп (λ )⎜⎜ 2
⎝ f2
2
⎞
⎟⎟ Bи
⎠
(2.11)
Эффективной (или физической) светосилой Рл спектрального прибора
называют величину
⎛D
Е
Pл = л = τ сп (λ )⎜⎜ 2
Ви
⎝ f2
2
⎞
⎟⎟ .
⎠
(2.12)
2. Спектральная щель
Спектральная щель является одним из основных элементов в призменных и дифракционных спектральных приборах, так как образующийся на выходе приборов
спектр представляет собой дискретную или непрерывную совокупность изображений
щели.
Различают геометрическую, дифракционную и спектральную ширину
изображения щели.
86
Если размер (ширина) входной щели S1, то геометрическая ширина
изображения щели (геометрическая ширина спектральной линии) равна
S г = S1
где
f2
f2
Г ,
f1
(2.13)
D1
f1 – линейное, а Г = D – угловое увеличение диспергирую-
щего прибора. Здесь D1 и D – ширина параллельного пучка поступающего и
выходящего из диспергирующей системы, соответственно (см. рис. 2.3).
Спектральная линия при работе с широкой щелью спектрального прибора занимает в фокальной плоскости участок, на котором при очень узкой
щели должны были бы разместиться линии с длинами волн от λ1 до λ2 . В
этом случае Δλ = λ2 - λ1 представляет собой спектральную ширину щели.
Обозначив через Δl расстояние между спектральными линиями с длинами
волн λ1 и λ2 отличающимися между собой на величину Δλ, получим
Рисунок 2.3 – Изменение ширины параллельных пучков
при отражении от дифракционной решетки
Δl = Dl Δλ
(2.14)
Если Δl = Sг, где Sг – геометрическая ширина щели, то
Δλ =
Sг
f S
= 2⋅ 1
Dl
f1 Dl
(2.15)
87
Формулы (2.14) и (2.15) характеризуют зависимость спектральной ширины щели от ее геометрической ширины и параметров прибора.
Для идеального спектрального прибора (при бесконечно узкой входной
щели, освещенной монохроматическим излучением) форма и ширина изображения щели определяется дифракцией на действующем отверстии. Как
правило, апертурной диафрагмой или действующим отверстием спектрального прибора, ограничивающим сечения пучков, участвующих в образовании
изображения щели, служит диспергирующая система (D =D2). В фокальной
плоскости выходного объектива линия будет иметь дифракционную ширину
αD равную
α D = dϕ ⋅ f 2
(2.16)
где dφ – угловая ширина центрального максимума дифракционного
изображения щели согласно критерию Рэлея. Принимая во внимание (2.7),
получим
αD =
λ
D2
f2
(2.17)
Нормальной называется такая ширина входной щели S01, при которой
дифракционная и геометрическая ширины линий равны между собой, то есть
αD =
λ
D2
f 2 = S2 = S1
f 2 D1
f1 D2
(2.18)
Для нормальной ширины щели S01 получаем
S 01 = f 1
λ
D1
(2.19)
Выбор ширины щели существенно влияет на разрешающую способность. В силу линейной пропорциональности между шириной входной щели
и ее геометрическим изображением, в практике спектроскопических измерений, как правило, стремятся к работе с возможно меньшей шириной входной
щели коллиматора. Однако при ширине входной щели S1 = S01 и дальнейшем ее уменьшении (S1 < S01) ширина изображения остается практически по-
88
стоянной (см. рис. 2.4). При этом распределение освещенности в изображении становится все более отличным от распределения яркости на входной
щели, то есть от прямоугольного распределения.
Рисунок 2.4. – Зависимость ширины изображения щели S2
от ширины входной щели S1
Порядок выполнения работы
1. Ознакомьтесь с инструкцией по эксплуатации монохроматора МДР12 (см. приложение 1). Получите у преподавателя допуск к работе на монохроматоре.
2. Оцените величину нормальной ширины входной щели S01, исходя из
паспортных данных монохроматора по формуле (2.17), где D1 /f1 – относительное отверстие (для λ = 6328Å).
3. Установите рабочую ширину входной S1 и выходной S2 щелей монохроматора (по указанию преподавателя) S1, S2 >> S01.
4. Определите ширину инструментального контура (аппаратной функции) прибора. Эта функция дает распределение интенсивности в фокальной плоскости прибора, создаваемое монохроматическим источником. Каждой длине волны λ в приборе соответствует некоторый угол отклонения ϕ и определенная точка х фокальной плоскости камерного объектива. Поэтому инструментальный контур можно записать также в виде А(х). Чем ỳже инструментальный контур, тем меньше искажений вносит спектральный прибор в измеряемый спектр.
Для определения ширины аппаратной функции δλапп соберите (под руководством преподавателя) установку, блок-схема которой приведена на рис.
2.5.
89
Рисунок 2.5 – Блок-схема установки для определения ширины
аппаратной функции:
ФП – фотоприемник (фотоумножитель); РУ – регистрирующее устройство;
Р – рассеиватель; МУ – модулирующее устройство
Получите зависимость распределения интенсивности излучения как
функции длины волны в пределах спектральной линии λ = 6328 Å. Для этого,
изменяя положение спектральной линии λ = 6328 Å относительно выходной
щели путем поворота дифракционной решетки монохроматора рукояткой
ручного сканирования спектра (см. инструкцию по эксплуатации монохроматора), снимите ряд показаний величины фототока Iф по микроамперметру.
Величина фототока соответствует световому потоку, падающему на фотоприемник. Постройте зависимость Iф = f(λ) и определите δλапп как ширину
контура f(λ) = А(λ) на половине высоты его максимума.
5. Вычислите теоретическую и реальную разрешающую способности
монохроматора.
Значение теоретической разрешающей способности спектрального прибора вычислите по формуле (2.9). Оцените значение реальной разрешающей
способности прибора по формуле (2.10), исходя из реального критерия разрешения спектрального прибора: две спектральные линии разрешены, если расстояние между ними приблизительно равно ширине аппаратной функции на
половине высоты её контура.
6. Для ознакомления со спектральным составом излучения неоновой дампы соберите установку (под руководством преподавателя), блок-схема которой приведена на рис. 2.6.
90
Рисунок 2.6 – Блок­схема установки для регистрации спектра неона: L1 – конденсор; L2 – антивиньетирующая линза; ПРУ – приемно-регистрирующее
устройство; МУ – модулирующее устройство
7. Определите длины волн спектральных линий в области Δλ = λ1−λ2 (устанавливаемой преподавателем), а также их интенсивность I в относительных единицах (показания регистрирующего пробора), и занесите их в таблицу. Приведите в таблице величину энергии верхнего (Е2) и нижнего (Е1) уровней перехода, силу осциллятора f12, соответствующую этому переходу. При выполнении задания руководствуйтесь «Спектроскопическими таблицами для низкотемпературной плазмы», приведенными в [2] (см.
список литературы).
I,
λ, Å
относительные
единицы
Е1, эВ
Е2, эВ
f12 . 103
Контрольные вопросы
1. Какова оптическая схема монохроматора МДР-12?
2. Какие функции выполняют: диспергирующий элемент, коллиматор и камерный объектив?
3. Что значит, что критерий Рэлея имеет условный характер?
4. Каковы основные спектральные характеристики дифракционного прибора и количественно определяющие их формулы?
5. Что называется аппаратной функцией (инструментальным контуром)
прибора? Какой вид имеет аппаратная функция спектрографа с широкой
входной щелью, монохроматора при S1 = S2?
6. Как влияет ширина входной щели на разрешающую способность
прибора? Что такое нормальная ширина щели? Объясните, как получена
формула (2.19).
7. Каким параметром решетки определяется наибольшая достигаемая
разрешающая сила для длины волны λ? При каком отношение ширины щели
91
b к периоду решетки d в дифракционной картине будет отсутствовать спектр
третьего порядка?
8. Каким условием определяется наибольший порядок спектра mmax?
Какую максимальную длину волны λmax можно наблюдать в спектре решётки
с периодом d?
9. Можно ли по техническим (паспортным) данным отнести прибор к
светосильным или высокоразрешающим спектральным приборам? Каковы
отличительные особенности спектральных приборов высокой разрешающей
силы и светосильных?
11. Что называют статистическим весом (кратностью вырождения)
уровня?
12. Что характеризуют величины сил осцилляторов?
Библиографический список
1. Савельев, И. В. Курс общей физики. / И. В. Савельев. – М.: Наука,
1978. – Т.2
2. Лебедева, В. В. Техника оптической спектроскопии / В. В. Лебедева
– М.: Изд-во МГУ, 1977.
3. Малышев, В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию /
В. И. Малышев. – М.: Наука, 1979.
4. Электричество и оптика. Физический практикум / ред. В. И. Иверонова. – М.: Наука, 1968.
92
Лабораторная работа № 3
ИЗУЧЕНИЕ ПРИЗМЕННОГО МОНОХРОМАТОРА
Цель работы: изучение призменного монохроматора ДМР-4, регистрация спектра
неона и ртути, определение основных характеристик спектрального прибора.
Приборы и оборудование: монохроматор ДМР-4, ртутная лампа, неоновая лампа, окуляр.
Общие сведения
Призменные спектральные приборы, созданные исторически первыми, и сейчас имеют широкое распространение.
Призменные монохроматоры – спектральные приборы, предназначенные для выделения монохроматического излучения в широком спектральном интервале.
Для улучшения монохроматической селекции излучения (путем уменьшения влияния рассеянного света) используется двойная монохроматизация излучения. Двойной монохроматор представляет собой сочетание двух простых монохроматоров, сопряженных таким образом, что монохроматический пучок,
пропущенный первым прибором, проходит через второй. При
этом выходная щель первого монохроматора служит входной
щелью для второго.
В монохроматоре ДМР-4 используется оптическая схема, при которой дисперсия и разрешающая способность всей
системы равна соответственно сумме дисперсий и разрешающих
способностей обоих составляющих частей прибора.
В качестве диспергирующего элемента в каждом простом монохроматоре, входящих в состав ДМР-4, используется 30градусная автоколлимационная призма Литтрова с зеркальной
задней гранью (рис.3.1). Перестройка по длине волны в монохроматоре ДМР-4 производится одновременным вращением обоих
призм.
В связи с большим количеством преломляющих и отражающих поверхностей пропускание двойных монохроматоров
93
невелико и необходимо более точная юстировка, чем для одинарных монохроматоров. Устройство, оптико-механическая схема и работа ДМР-4 изложены в техническом описании и инструкции по эксплуатации (см. приложение 2).
Рисунок 3.1 – Автоколлимационная призма Литтрова
1. Основные свойства и характеристики призм
Спектральной призмой, или просто призмой, называется многогранник, сделанный
из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией ( dn
dλ ). При прохож-
дении через призму пучок лучей меняет свое направление, причем угол выхода лучей зависит от длины волны света и от угла падения (рис. 3.2).
Рисунок 3.2 – Преломление лучей в призме
94
В разложенном пучке после призмы все лучи одной длины волны должны идти в
одном направлении. Свет с другой длиной волны в этом направлении не должен распространяться. Поэтому необходимо, чтобы падающий на призму световой пучок был строго
параллельным, тогда направление выходящих лучей зависит только от длины волны. Угол
падения i1 выбирают обычно так, чтобы световой пучок внутри призмы был параллелен
основанию. При этом угол падения лучей на призму i1 равен углу выхода лучей из призмы
∠ i1 = ∠ i2 ,
т.е. луч проходит через призму симметрично. Угол отклонения от первоначального
направления для луча любой длины волны в этом случае наименьший, по сравнению с
прохождением этого же луча через призму в другом направлении. Призма устанавливается так, чтобы свет проходил через нее под углом наименьшего отклонения φmin (для луча,
показатель преломления которого n, соответствует середине угловой ширины спектра).
В условиях минимального отклонения угол падения i1, преломляющий угол призмы А, угол отклонения φ и показатель преломления n связаны соотношением
sin i = n sin
A
A+ϕ
= sin
.
2
2
(3.1)
При такой установке призмы достигается лучшее качество спектра.
Дисперсия вещества призм уменьшается с ростом длины волны λ (dn/dλ<0) и наибольшее отклонение в призме испытывают коротковолновые лучи (обозначим угол отклонения для них φ1), наименьшее отклонение – длинноволновые лучи (угол отклонения
φ2). Весь остальной спектр располагается внутри угла Δφ = φ1 - φ2. Угол Δφ определяет угловую ширину спектра.
Так как все лучи не могут одновременно проходить призму под углом наименьшего отклонения, то ее устанавливают так, чтобы луч, который находится в центре
спектра (делит Δφ пополам), проходил призму параллельно основанию. Например, в
кварцевой призме, рассчитанной на область от 200 до 600 нм, с показателем преломления равным для λ1 = 200 нм n1 = 1,6454 и для λ2 = 600 нм n2 = 1,5438 значение
nсредний =
n1 + n2
= 1.5966 соответствует показателю преломления для λ = 257 нм. Это
2
и будет средний луч. Угловая ширина всего спектра от 200 до 257 нм занимает такую
же угловую ширину (~5º), как весь остальной спектр с длинами волн от 257 до 600 нм
(~5º).
95
1.Угловая и линейная дисперсии призмы
Угловой дисперсией спектрального прибора называется способность различно
отклонять лучи разных длин волн так, чтобы они выходили из диспергирующего прибора под различными углами и фокусировались в разных местах на фокальной плоскости объектива камеры.
По определению
Dφ =
dϕ
dλ
Dl =
и
dl
dλ
= f2
dϕ
dλ
(3.2)
угловая и линейная дисперсии спектрального прибора, соответственно. f2 – фокусное расстояние выходного объектива. Через параметры призмы они выражаются
следующим образом. Если призма установлена в условиях наименьшего отклонения
(для среднего луча), то для угловой дисперсии можно записать
dϕ
=
dλ
2 sin
A
2
dn
A dλ
1 − n 2 sin 2
2
или
dϕ
b dn
=
dλ D2 dλ
(3.3)
где b – длина основания призмы, D2 – ширина пучка выходящего из призмы.
Дисперсия увеличивается в коротковолновую сторону в соответствии с быстрым
ростом dn/dλ.
Разрешающая способность спектрального прибора определяется формулой
R=
λ
δλ
(3.4)
Теоретическая разрешающая способность призменного прибора, если призма
установлена под углом соответствующим минимуму угла отклонения φmin для среднего
угла, может быть выражена через параметры призмы следующим образом
R=
dϕ
D2 =
dλ
2 sin
A
2
dn
D2
d
λ
A
1 − n 2 sin 2
2
(3.5)
96
или
R=b
dn
.
dλ
(3.6)
При диафрагмировании пучка величина b должна быть заменена разностью
геометрических путей крайних лучей пучка в призме. Если в приборе имеется N одинаковых призм, это эквивалентно увеличению базы в N раз.
2. Освещение щели спектральных приборов
Для наиболее полного использования разрешающей способности и светосилы –
основных параметров спектральных приборов, необходимо правильно освещать входную щель. Оптимальным является случай, когда световой поток, прошедший через
входную щель, заполняет все действующее отверстие (отверстие объектива коллиматора) прибора. При этом говорят: «Коллиматор заполнен светом». Световой поток, поступающий на входную щель извне, не всегда имеет подходящие пространственные
параметры. Поэтому его преобразуют с помощью оптической системы, состоящей из
линз и зеркал. Система освещения щели носит название конденсора или конденсорной
(лат. «собирающий») системы. При ширине входной щели меньше или порядка нормальной (см. лаб. работу №2) коллиматор всегда заполнен светом, так как из-за дифракции на щели в этом случае угловой размер дифракционного максимума превышает
угловые размеры коллиматора. Рассмотрим некоторые методы освещения щели.
2.1. Освещение щели без конденсора
Простейшим способом является непосредственное освещение щели источником
света без применения конденсорной системы. Он используется для источников с большой равномерно излучающей поверхностью (рис. 3.3).
97
Рисунок 3.3 – Освещение щели без конденсорной линзы
Если угловой размер источника не меньше углового размера коллиматорного
объектива, коллиматор заполнен светом полностью. При этом никакая осветительная
система не может увеличить световой поток, проходящий через входную щель и попадающий в коллиматор. Оптические системы, не имеющие потерь, только трансформируют размеры и освещенность изображения без изменения его яркости. Для заполнения
всего объектива коллиматора светом необходимо поставить источник на таком расстоянии l от щели, чтобы выполнялось условие
d D1
=
,
l
f1
(3.7)
где d – ширина светящейся поверхности источника. Отсюда искомое расстояние
определяется по формуле
l=
d
f1 .
D1
(3.8)
Если приблизить источник света, то часть света будет попадать на стенки спектрального прибора и создавать вредный рассеянный свет. Значительное удаление источника от щели приводит к тому, что оптика прибора только частично заполняется
светом и его возможности используются не полностью.
2.2. Одно- и двухлинзовое освещение щели
98
Если источник света мал, применение конденсоров позволяет полнее использовать светосилу спектрального прибора. Конденсор обычно устанавливается так, чтобы
получить на щели четкое изображение источника света (рис.3.4).
Рисунок 3.4 – Освещение щели с одним конденсором
с фокусным расстоянием
1
1 1
= +
Fкон l f 1
С помощью однолинзовой системы можно также спроецировать источник света
на щель. Расстояние от конденсора до щели определяется условием заполнения светом
коллиматора. Применение одного конденсора позволяет часто увеличить поток излучения, попадающий в прибор, а также использовать для освещения нужный участок источника. К недостаткам этого способа следует отнести неравномерное освещение щели
и трудность одновременного заполнения объектива светом в вертикальном и горизонтальном направлениях.
.3. Виньетирование щели и источника
Если входная щель велика по высоте, может наблюдаться явление виньетирования (от франц. «заставка», «заполнение»). Оно состоит в том, что световые пучки, исходящие из нецентральных частей щели и источника, распределяясь внутри прибора
под углом к оптической оси, могут частично диафрагмироваться действующим отверстием (см. лаб. работу №2). Виньетирование щели проявляется в том, что лучи, прошедшие через верхнюю и нижнюю части щели, не полностью участвуют в образовании
освещенности спектральных линий (рис. 3.5а).
99
Рисунок3.5 – Виньетирование источника (а),
устранение виньетирования с помощью антивиньетирующей линзы (б)
В результате даже при идеально равномерной освещенности щели освещенность
линий в спектре оказывается неравномерной по высоте – концы освещены слабее центральной части. Виньетирование источника приводит к тому, что края источника, световой поток от которых частично диафрагмируется объективом, участвуют в создании
общей освещенности спектральных линий в меньшей степени, чем его центральная
часть.
Виньетирование можно устранить, если перед входной щелью поместить антивиньетирующую линзу, проецирующую изображение источника или конденсора в
плоскость коллиматорного объектива (рис. 3.5б). Эта линза наклоняет косые лучи таким образом, чтобы они прошли через коллиматорный объектив. Систему, состоящую
из конденсорной и антивиньетирующей линз (которую обычно надевают прямо на
щель прибора), называют двухлинзовой системой освещения щели.
Порядок выполнения работы
100
1. Ознакомьтесь с инструкцией по эксплуатации монохроматора ДМР-4
(см. приложение 2). Получите у преподавателя допуск к выполнению лабораторной работы.
2. Установите на оптический рельс осветительный конденсор и ртутную лампу. Включите ртутную лампу (под наблюдением преподавателя).
3. С помощью конденсора получите четкое изображение светящейся
лампы на крышке, закрывающей входную щель, так, чтобы изображение заполнило центральный (белый) кружок, нанесенный на крышке.
4. Снимите крышку с входной щели и откройте полностью (3 – 4 мм)
выходную щель. С помощью измерительного барабана монохроматора выведите в поле зрения окуляра желто-зеленую область спектра ртути. Перемещением окуляра добейтесь четкого видения спектра, затем уменьшите
выходную щель до величины 0,15 – 0,20 мм.
5. Проведите градуировку монохроматора. Цель градуировки монохроматора состоит в том, чтобы найти соответствие между длиной волны λ монохроматического излучения на выходе монохроматора и отсчетом по шкале
измерительного барабана N, вращающего диспергирующие призмы монохроматора. Градуировка прибора проводится по спектру атомов ртути, который содержит мало линий, а линии имеют достаточную интенсивность и характерный легкоузнаваемый вид. На рис. 3.6 приведены характерные спектральные линии используемой ртутной лампы в таком виде, как они наблюдаются через окуляр (для других ртутных ламп возможно другое распределение интенсивностей).
Рисунок 3.6 – Характерный спектр ртути
101
Градуировку удобно начинать с фиолетового конца спектра. Вращая
барабан и наблюдая в окуляр, выведите на выходную щель линию λ = 404,7
нм и по индексу барабана снимите соответствующий отсчет Nбар. Результат
занесите в таблицу. Градуировку провести по всем линиям, для которых указана длина волны (рис. 3.6). Чтобы избежать погрешности, связанной с люфтом барабана, процедуру повторите три раза, каждый раз начиная с фиолетовой линии.
6. Постройте градуировочную кривую <Nбар > = f (λ). Результаты градуировки, приведенные в виде таблицы или градуировочной кривой, являются паспортом прибора.
7. Определите длину волны одной из спектральных линий в спектре
неона (по указанию преподавателя). Для этого ртутную лампу замените на
газоразрядную неоновую. Выведите исследуемую спектральную линию на
выходную щель монохроматора и снимите соответствующий отсчет барабана. Используя полученную градуировочную кривую, определите длину волны этой линии.
8. Рассчитайте, исходя из паспортных данных монохроматора, его теоретическую разрешающую способность в области 0,34 мкм.
Rтеор = (D f ) Dl
,
где Dl – линейная дисперсия, (D f ) – относительное отверстие.
9. Оцените величину S01 нормальной ширины щели монохроматора для
λ = 546,1 нм.
S 01 = ( f D ) λ
10. Изобразите схему энергетических уровней и переходов в спектре
ртути, руководствуясь приведенной ниже таблицей.
№
λ, нм
Переход
1
2
3
690,75
579,06
546,07
73 S1 – 83 P20
61 P10 – 61 D2
63 P20 – 73 S1
102
4
5
6
7
491,61
435,83
407,78
404,65
61 P10
63 P10
63 P10
63 P00
–
–
–
–
8 1 S0
7 3 S1
7 1 S1
7 3 S1
11. Составьте отчет.
Контрольные вопросы
1. Какой способ освещения входной щели монохроматора был использован вами в данной работе?
2. Почему не применяют щели более узкие, чем нормальные?
3. Какова оптическая схема монохроматора ДМР-4?
4. Что называют апертурной диафрагмой (действующим отверстием)
оптической схемы?
5. Каковы основные характеристики призменного спектрального прибора и количественно определяющие их формулы?
6. Как изменяется изображение спектра в фокальной плоскости прибора, если половину призмы или одного из объективов закрыть непрозрачным
экраном?
7. Какие причины могут вызвать уширение наблюдаемой спектральной
линии, при регистрации прибором монохроматического излучения?
8. Чем определяется частота электромагнитного излучения и следовательно положение данной линии в спектре?
9. Как изменяются угловая (линейная) дисперсия и разрешающая способность призменного монохроматора с длиной волны (воспользуйтесь градуировочной кривой <Nбар > = f (λ), имея в виду, что угол поворота призмы θ
и показания волнового барабана N связаны линейной зависимостью)?
\
Библиографический список
1. Зейдель, А. Н. Техника и практика спектроскопии / А. Н. Зейдель,
Г. В. Островская, Ю. И. Островский. – М.: Наука, 1972.
2. Лебедева, В. В. Техника оптической спектроскопии / В. В. Лебедева
– М.: Изд-во МГУ, 1977.
3. Малышев, В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию /
В. И. Малышев. – М.: Наука, 1979.
103
4. Электричество и оптика. Физический практикум / ред. В. И. Иверонова. – М.: Наука, 1968.
5. Физический энциклопедический словарь / ред. А. М. Прохоров. – М.:
Энциклопедия, 1983.
104
Лабораторная работа №4
СВЕТОФИЛЬТРЫПРОСТЕЙШИЕ МОНОХРОМАТОРЫ СВЕТА
Цель работы: Ознакомление с принципом действия светофильтров и
спектрофотометра.
Оборудование: Спектрофотометр SPECOL-20, абсорбционные и интерференционные светофильтры.
Общие сведения
Проблема монохроматизации света, т.е. выделение определенного
спектрального интервала длин волн, имеет большое практическое значение. Одним из способов монохроматизации света является применение
различного рода монохроматоров. При решении ряда задач практической
спектроскопии сравнительно узкие спектральные области излучения можно выделить с помощью монохроматических светофильтров. В отличие от
спектральных приборов-монохроматоров монохроматические светофильтры обладают значительно большим сечением фильтруемого пучка и большей апертурой.
Светофильтрами, или просто фильтрами, называются устройства,
меняющие спектральный состав или энергию падающей на них светового
излучения без изменения формы его фронта. Основные характеристики
(параметры) светофильтров следующие:
1) Пропускание (прозрачность) в максимуме полосы пропускания
Ň=
I (λ )
,
I 0 (λ )
(4.1)
где I0 – интенсивность света, падающего на светофильтр; I – интенсивность света, прошедшего через светофильтр в максимуме полосы пропускания (рис. 4.1). Наряду с этой величиной светофильтр характеризуется оптической плотностью D. По определению:
I
1
D = lg = lg 0 .
(4.2)
T
I
105
Если не учитывать многократных отражений в системе фильтров, то
оптическая плотность нескольких последовательно расположенных фильтров
равна сумме их плотностей:
n
D = ∑ Di
(4.3)
i =1
Рисунок 4.1 – Контур полосы пропускания светофильтра
2) Длина волны λmax, соответствующая максимуму полосы пропускания.
3) Спектральная ширина полосы пропускания δλ, равная ширине спектрального интервала, на границах которого интенсивность прошедшего света
равна половине интенсивности в максимуме полосы пропускания:
1
I (λ ) = I max .
2
(4.4)
4) Крылья полосы пропускания – остаточная пропускаемость Imin в
области спектра, отстоящей от Imax на расстоянии λс, много большем λmax
(λс ≥ 3δλ). Вместо остаточной пропускаемости часто пользуются фактором
контрастности светофильтра С
С=
I max (λ max )
I min (λc ≥ 3δ λ )
(4.5)
106
5) Апертура светофильтра – угловая ширина светового пучка δβ, при
которой монохроматичность светофильтра еще не ухудшается заметно от углового расширения падающего светового пучка.
Светофильтры называются серыми или нейтральными, если их оптическая плотность в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины
волны. Фильтры, не удовлетворяющие этому условию, определяются как селективные. Селективные светофильтры предназначаются либо для отделения
широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области.
Светофильтры последнего типа называются узкополосными, или монохроматическими. Достаточно серыми в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра являются тонкие пленки алюминия и платины, полученные
путем напыления металла на стеклянную или кварцевую подложку. Следует
отметить, что даже самые лучшие серые фильтры обладают некоторой селективностью. Для изменения спектральных свойств излучения или спектральной чувствительности приемников служат, так называемые, корректирующие
светофильтры. С их помощью, например, можно приблизить спектр лампы
накаливания к сплошному спектру солнца или спектральную чувствительность фотоэлемента привести в соответствие со спектральной чувствительностью глаза. Узкополосные, монохроматические светофильтры часто применяются вместо других спектральных приборов. Их преимущество заключается в возможности непосредственно изменять распределение спектральной яркости по площади источника. Наряду с этим светофильтры обычно
пропускают гораздо больший поток, чем приборы с диспергирующими элементами (призмами, дифракционными решетками и т. п.). Однако разрешающая способность светофильтра невелика – в большинстве случаев ширина полосы пропускания составляет десятки и сотни ангстрем. Лучшие узкополосные монохроматические светофильтры имеют ширину полосы пропускания менее 1 Å, однако количество пропускаемого ими света невелико. Поэтому основное назначение светофильтров при спектральных исследованиях
– грубая монохроматизация или селективное ослабление излучения.
Существуют различные типы монохроматических светофильтров.
Абсорбционные светофильтры
Наиболее широко применяются абсорбционные светофильтры. Ослабление света в них происходит главным образом в результате поглощения света веществом фильтра. Частичное ослабление света обусловлено также отражением от поверхностей фильтра. Эти потери относительно невелики. Неве-
107
лики и те потери, которые связаны с рассеянием света в объеме поглощаемого тела и на его поверхности. Световой поток (интенсивность), прошедший
через поглощающий слой, ослабляется в соответствии с законом БугераЛамберта:
I (λ ) = I 0 ⋅ e − K ( λ ) ⋅l ,
(4.6)
где К(λ) – коэффициент поглощения; l – толщина слоя. Закон БугераЛамберта можно считать применимым практически всегда, за исключением
очень больших световых потоков, создаваемых лазерами.
Коэффициент пропускания абсорбционных светофильтров определяется формулой
T ( λ ) = [1 − r ( λ ) ] 2 ⋅ e − K ( λ ) ⋅ l ,
(4.7)
где r – коэффициент отражения света на поверхности фильтра. Обычно
в таблицах, характеризующих светофильтры, приводятся значения оптической плотности D для рабочей толщины фильтра без учета потерь на отражение. Пропускание плоскопараллельного абсорбционного светофильтра зависит от угла падения α и относительное изменение пропускания такого фильтра описывается выражением
dT
sin 2 α
= 1,2 ⋅ D 2 .
T
n
(4.8)
Следует иметь в виду, что задержанный абсорбционным фильтром световой поток полностью преобразуется в тепло и фильтры сильно нагреваются. Это приводит к некоторому изменению оптических характеристик светофильтров.
В настоящее время наиболее употребительны стеклянные абсорбционные светофильтры из цветного оптического стекла. Стеклянные светофильтры обладают по сравнению с другими рядом преимуществ, к которым в первую очередь следует отнести устойчивость к световым и тепловым воздействиям, а также однородность и высокое оптическое качество. Ассортимент
цветных стекол во всех случаях позволяет решать задачу предварительной
монохроматизации или отсечения нежелательной части спектра. Располагая
друг за другом несколько стеклянных светофильтров, можно получить довольно узкополосные фильтры для всей видимой и ближней ультрафиолетовой части спектра.
108
Сравнительно реже применяются жидкостные и газовые абсорбционные фильтры. Светофильтры подобного типа используются преимущественно для ультрафиолетовой области, так как стеклянные светофильтры для
этой области разработаны слабо.
Отражательные светофильтры
К отражательным светофильтрам относятся металлические пленки и
диэлектрические покрытия. Для приготовления нейтральных и селективных
светофильтров используются тонкие металлические пленки. Такие пленки
наносятся на кварцевую или стеклянную подложку испарением в высоком
вакууме или катодным распылением. На рис.4.2 приведены спектральные коэффициенты отражения серебра и алюминия. Для получения нейтральных
металлических слоев обычно используют платину, палладий и родий, реже –
алюминий. Тонкие металлические пленки серебра и щелочных металлов могут служить для выделения разных участков в ультрафиолетовой области
спектра. В отличие от абсорбционных светофильтров, фильтры из металлических пленок ослабляют свет главным образом в результате отражения от
поверхности. Многослойные диэлектрические зеркала тоже принадлежат к
отражательным светофильтрам. Для многолучевой интерферометрии важно
иметь отражатели (зеркала) с очень высоким коэффициентом отражения, заметным коэффициентом пропускания и как можно меньшим коэффициентом
поглощения. Необходимость изготовления таких зеркал за последние годы
сильно возросла в связи с бурным развитием лазерной техники. Металлические зеркала в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к работе с интерферометрами и лазерами. Методы многолучевой
интерферометрии позволяют создать отражательные системы с большим отражением при очень малых потерях на поглощение.
109
а)
б)
Рисунок 4.2 – Спектральные коэффициенты отражения:
а – серебра и алюминия; б – многослойного диэлектрического зеркала
На рис.4.3 приведена схема, поясняющая увеличение отражения диэлектрической пленкой с оптической толщиной λ/4. На поверхность стеклянной или кварцевой подложки, показатель преломления которой равен n0, наносится слой диэлектрика толщиной
nt =
λ
4
.
(4.9)
Показатель преломления n этого диэлектрического слоя должен быть
больше n0 (n > n0). В этом случае волны, отраженные от передней и задней
поверхности слоя, находятся в одинаковой фазе – «потеря полуволны», т.е.
изменение фазы на π происходит только на передней поверхности пленки и
обе волны усиливают друг друга, т.к. оптическая разность хода между ними
составляет
λ
4
+
λ
4
+
λ
2
=λ.
(4.10)
Общая разность фаз соседних интерферирующих волн 2π. Следо‐
вательно, все лучи интерферируют на усиление. Проходящие световые волны в этом случае, наоборот, интерферируют на ослабление. Однако добиться высших коэффициентов отражения (Rλ >30%) таким образом, 110
практически невозможно. Эффект значительно усилится, если перейти от интерференции двух лучей к многолучевой интерферометрии. Тогда интерференционные максимумы окажутся более острыми, и их интен‐
сивность резко возрастет. а)
б)
Рисунок 4.3 – Схемы, поясняющие увеличение отражения:
а – диэлектрическая пленка с оптической толщиной nt = λ/4 (n>n0);
б – многослойное отражательное диэлектрическое покрытие (n1>n2,;
n1>n0)
Селективные отражающие светофильтры представляют собой многослойные диэлектрические интерференционные зеркала, которые получаются нанесением на прозрачную подложку чередующихся тонких диэлектрических слоев с одинаковой оптической толщиной, задаваемой условием
n1 t1 = n2t2 =
λ
4
,
(4.11)
но с разными показателями преломления; между двумя слоями диэлектрика с высоким показателем преломления n1 помещают слой диэлектрика с
малым показателем преломления n2 (рис. 4.3.б). В этом случае все лучи (все
отраженные волны) синфазны (разность фаз с учетом скачка фаз на границе
раздела слоев n2 и n1 равна 2π) и усиливают друг друга в результате интерференции. Разность хода, которою отраженные лучи приобретают в каждом из
слоев, составляет
111
2n1t1 = 2n 2 t 2 =
λ
2
.
(4.12)
Для некоторого интервала длин волн, близкого по ширине к λ, в результате интерференции всех взаимодействующих волн получается максимум, ширина которого тем меньше, чем больше число интерферирующих
пучков. Комбинируя слои различной толщины, можно в более или менее широких пределах синтезировать нужные спектральные кривые для коэффициента отражения. Для получения коэффициентов отражения R ≈ 99% и более
(такие коэффициенты необходимы в лазерной технике) нужно нанести 11-13
слоев и более (см. рис. 3.б). Подобные интерференционные зеркала отражают
в довольно узкой спектральной области, и чем больше коэффициент отражения, тем уже область длин волн Δλ, внутри которой реализуется такое значение Rλ.
В настоящее время технология изготовления диэлектрических
зеркал разработана достаточно хорошо. В качестве материала для пленок
применяется криолит, MgF2, SiO2 с n = 1,3 – 1,4 и PbCl2, TiO2, ZnS с n = 2,2 –
2,3. Слои получаются последовательным испарением в вакууме веществ с
низким и высоким показателем преломления.
Аналогичная задача решается в вопросах «просветления» оптики, где
решающую роль играет, наоборот уменьшение потерь вследствие отражения
на каждой стеклянной поверхности. Для этого на поверхность (подложку)
необходимо наносить слой диэлектрика с показателем преломления n1 меньшим, чем показатель преломления подложки n2 (n1 < n2). Оптическая толщина слоя должна удовлетворять условию
n1t1 =
λ
4
.
(4.13)
В этом случае волны, отраженные от передней и задней поверхности
слоя находятся в противофазе, т.к. оптическая разность хода между ними составляет
2n1t1 =
λ
2
,
(4.14)
а изменение фазы на π происходит на обеих поверхностях (рис. 4.4).
В результате интерференции эти волны ослабляют друг друга. Наибольшее ослабление (Rλ ~ 0) наблюдается тогда, когда амплитуды интерфе-
112
рирующих волн близки по величине. При этом показатель преломления диэлектрика, пригодного для просветления оптики, подбирается из условия
Рисунок 4.4 – Схема, поясняющая просветление оптики (n < n0)
n1 − 1 n 0 − n1
=
,
n1 + 1 n 0 + n1
т.е.
n1 = n 0 .
(4.15)
Обычно просветление оптики выполняется для средней желто-зеленой
области спектра. Для краев видимого спектра коэффициент отражения Rλ заметно отличается от нуля. Именно потому просветленные объективы кажутся
в отраженном свете пурпурными, что соответствует смешению красного и
фиолетового цветов.
Интерференционные светофильтры
Широкое распространение получили интерференционные светофильтры, основанные на явлении многолучевой интерференции. На рис. 4.5
показан внешний вид интерференционного светофильтра.
Простейший интерференционный светофильтр состоит из плоскопараллельной пластинки типа интерферометра Фабри-Перо с очень малым расстоянием t между зеркалами (порядка нескольких длин волн или нескольких
десятков длин волн). Конструктивно интерференционный светофильтр представляет собой стеклянную или кварцевую подложку С1 диаметром в несколько сантиметров, хорошо отполированную с обеих сторон, на одну из
которых наносится путем испарения в вакууме полупрозрачный отражающий
113
слой М1, затем последовательно полупрозрачный разделительный слой Д из
диэлектрика с оптической толщиной
Рисунок 4.5 – Внешний вид интерференционного светофильтра
nt = (2m + 1)
λ
2
,
(4.16)
где m – целое число, и после этого второй отражающий полупрозрачный слой
M2. Для защиты от механических повреждений и вырезания ненужных полос
пропускания нанесенные слои покрываются второй стеклянной пластиной С2
из цветного стекла (абсорбционным светофильтром). Зеркала М1 и М2 могут
быть как металлическими, так и многослойными диэлектрическими. Падающая на такую систему световая волна, как и в интерферометре Фабри-Перо,
испытывает многократные отражения от зеркальных поверхностей М1 и М2,
следствии этого возникают лучи 1, 2, 3, 4, которые интерферируя между собой, дают в проходящем свете распределение интенсивности с резкими полосами пропускания (рис.4.6). Основные характеристики светофильтров описаны выше (см. пункты 1-5): коэффициент пропускания Т, длина волны соответствующая максимуму полосы пропускания λmax., спектральная ширина полосы пропускания δλ.
Характерной особенностью интерференционного светофильтра является наличие далеко простирающихся слабоинтенсивных широких крыльев,
114
уменьшающих чистоту спектра (пропускаемого светофильтром светового потока) и создающих общий довольно сильный фон. Интегральное пропускание
интерференционного фильтра в пределах полосы пропускания (три ширины)
составляет лишь 80% от полного интегрального пропускания независимо от
свойств покрытий. Остальные 20% приходятся на фон. Для оценки чистоты
спектра и вводится фактор контрастности С.
Кроме указанных выше к характеристикам интерференционного
спектра относятся:
Рисунок 4.6 – Полоса пропускания интерференционного светофильтра
Расстояние между соседними полосами пропускания Δλ. В случае
нормального падения излучения с длиной волны λ на светофильтр
Δλ =
λ2
2nt
,
(4.17)
где n – показатель преломления промежуточного слоя между зеркалами, t – толщина промежуточного слоя.
Порядок m интерференционного светофильтра находится по формуле
(нормальное падение)
m=
1
λ
2nt .
(4.18)
115
Фильтры с относительно небольшим значением m называются
светофильтрами низкого порядка, при больших значениях m – светофильтрами высокого порядка. Таким образом, если толщина фильтра равна λ, то имеется ряд полос пропускания, длины волн максимумов которых составляют
соответственно
λ max 1 =
λmax1 2Δ
λ
2Δ
2Δ
, L ⋅ ⋅ λmax m = max1 =
=
, Δλmax 2 =
.
2
2
m
m
1
(4.19)
Фильтры, предназначенные для выделения первой, наиболее длинноволновой полосы пропускания, называются фильтрами первого порядка. Они
имеют оптическую толщину Δ=λ/2 и нуждаются в подавлении коротковолновых максимумов с длинами волн λmах2 = λ/2, λmах3= λ/3 и т.д. Обычно это
легко осуществляется либо специальными абсорбционными фильтрами, либо
поглощением материала подложки самого фильтра. Так стеклянный фильтр
первого порядка, рассчитанный на длину волн короче 600 нм, не нуждается в
специальном поглощении коротковолновых максимумов, так как все они
имеют длину волн меньше 300 нм и поглощаются стеклом. Фильтр второго
порядка имеет оптическую толщину Δ=λ и нуждается в подавлении одной
полосы пропускания с длинноволновой стороны спектра (λmах1 = 2λ ) и в коротковолновом участке (λmах 3 =2λ/3; λmах4 = 2λ/4). Низкие порядки интерференции обуславливают сравнительно небольшую ширину полос пропускания. Металлические полупрозрачные слои обладают заметным поглощением,
что существенно сказывается на величине максимума и ширине полосы пропускания светофильтра (рис. 4.7).
Рисунок 4.7 – Форма полосы пропускания интерференционного фильтра:
116
а – теоретическая без учета поглощения;
б – для реальных фильтров с серебряными зеркалами
Уменьшение пропускания в максимуме слоев с высоким коэффициентом отражения обусловлено увеличением поглощения в слое. Применение многослойных диэлектрических слоев вместо отражающих металлических покрытий позволяет резко увеличить коэффициент отражения зеркал,
уменьшить поглощение и тем самым увеличить максимум пропускания.
Подобным способом можно получить фильтр с шириной полосы пропускания 1-5 нм и меньше и с максимальным пропусканием ∼ 70 %. Составляя мультиплекс-фильтры, можно значительно увеличить фильтрующую
способность. Часто такие сложные фильтры изготавливаются на одной
подложке из цветного стекла с комбинацией отражающих промежуточных
слоев. Следует отметить, что необходимость отделить побочные максимумы затрудняет получение интерференционных светофильтров с очень малой шириной полосы пропускания. Промышленность изготавливает интерференционные светофильтры имеющие полуширину полос пропускания до нескольких ангстрем при пропускании в максимуме в десятки процентов. Фильтры выпускаются для областей спектра от ближнего ультрафиолета до инфракрасной области.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомьтесь с инструкцией по эксплуатации спектрофотометра
SPECOL-20 (см. приложение 3). Получите у преподавателя допуск к работе
на спектрофотометре. Получите у преподавателя абсорбционный и интерференционный светофильтры с указанием области пропускания и ширины шага
сканирования спектра пропускания светофильтра.
2. Подготовьте прибор к работе согласно п. 6 приложения 3 (инструкции по эксплуатации):
•
перед включением прибора поверните ручки ступенчатой (грубой) и бесступенчатой (плавной) настройки усилителя в крайнее левое положение;
•
установите ручку регулировки ширины полосы пропускания монохроматора в положение «3 нм»;
•
установите регулятор длины волны пропускания монохроматора
на длину волны коротковолнового края области пропускания данного светофильтра.
3. Включите прибор и дайте ему прогреться ≈ 10 минут.
117
4. Установите режим работы по измерению коэффициента пропускания
на основе сравнения интенсивности излучения прошедшего через эталонный
образец (воздух) I0 и интенсивности излучения прошедшего через исследуемый образец (светофильтр).
5. Проверьте установку на «0».
6. Проведите калибровку прибора (см. п. 6.3 приложения 3) на данной
длине волны по эталону, пропускание которого устанавливается регуляторами усиления на величину Т = 100%. Теперь пробор готов к измерению пропускания исследуемого образца на данной длине волны.
7. Поместите исследуемый образец (светофильтр) в кюветный отсек,
запишите показания индикатора, соответствующие коэффициенту пропускания Т (п. 6.4 приложения 3), и занесите результат в таблицу.
Марка светофильтра
№
λ,
Т1,
Т2,
Т3,
нм
%
%
%
<Т>,
%
Tmax,
λmax,
%
нм
<δλ>, Δλ,
нм
нм
1
2
3
.
.
8. Уберите светофильтр.
9. Внимание! Во избежание перегрузки прибора до процедуры подготовки прибора и работе на другой длине волны поворотом ручками регулировки усиления влево уменьшите показания индикатора (Т ≤ 50 - 60%). Установите новую длину волны в соответствии с шагом сканирования спектра
пропускания светофильтра и повторите выполнение п. 6 - 7 на новой длине
волны.
10. Проведите точечные пошаговые измерения Т по всей области пропускания светофильтра, повторяя процедуру калибровки прибора на каждой
длине волны.
11. Измерения необходимо повторить три раза. Каждый новый цикл
измерений начинайте с коротковолновой стороны области пропускания, во
избежание погрешности за счет люфта механизма юстировки длины волны.
118
12. Постройте
контур
спектрального пропускания светофильтра
1 3
<T> = f(λ) по средним значениям <T> = ∑ Ti с указанием отклонения ве3 i =1
личины Т от <T> в каждой точке.
13. Определите по контуру спектрального пропускания светофильтра
основные характеристики прибора:
а) пропускание Т max в максимуме полосы пропускания;
б) длину волны λmax соответствующую максимуму полосы пропускания;
в) спектральную ширину полосы пропускания <δλ>± Δλ.
14. Занесите полученные данные в таблицу.
15. Составьте отчет.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение светофильтров?
2. Какие типы светофильтров существуют и на каких явлениях основана их работа?
3. Какие характеристики светофильтров относят к основным?
4. Каково пропускание светофильтров, оптическая плотность которых
D = 1; 2; 3?
5. Как устроен интерференционный светофильтр?
6. Чему равен коэффициент пропускания для двух последовательно
расположенных светофильтров?
7. Каков принцип действия спектрофотометра SPECOL-20 и его функциональное устройство?
8. Какова оптическая схема спектрофотометра SPECOL-20?
9. Где применяются абсорбционные светофильтры, отражательные селективные светофильтры, интерференционные светофильтры?
Библиографический список
1. Савельев, И. В. Курс общей физики. / И. В. Савельев. – М.: Наука,
1978. Т. 2.
2. Оптика и атомная физика: практикум по физике / ред. Р. И. Солоухин. –
Новосибирск, Наука, 1976.
3. Малышев, В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию / В.
И. Малышев. – М.: Наука, 1979.
4. Электричество и оптика. Физический практикум / ред. В. И. Иверонова. – М.: Наука, 1968.
119
Лабораторная работа №5
ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО
Цель работы: Изучение особенностей многолучевой интерференции;
изучение принципа действия, устройства и юстировки прибора высокой разрешающей способности – интерферометра Фабри–Перо.
Приборы и оборудование: интерферометр Фабри–Перо, гелийнеоновый лазер, поворотные зеркала, зрительная труба, линза.
Общие сведения
К приборам высокой разрешающей способности относятся спектральные приборы, обладающие разрешением порядка 0,01 Å или менее.
Из приборов высокого разрешения интерферометр Фабри–Перо наиболее
распространен и удобен в использовании.
Интерферометр Фабри–Перо построен по принципу многолучевой
интерферометрии. Интерференция происходит в плоскопараллельной пластинке, стеклянной или воздушной (рис. 5.1).
Рисунок 5.1 – Прохождение светового пучка через плоскопараллельную пластинку с учетом многократных отражений: а – интерференция
в стеклянной пластинке; б – интерференция в воздушной пластинке
120
Рассмотрим интерференцию многих световых пучков, возникающую при прохождении плоской монохроматической волны через плоскопараллельную диэлектрическую пластинку толщиной h и с показателем
преломления n. Показатель преломления среды вне пластинки обозначим
n′.
В большинстве случаев можно считать, что рассматриваемая диэлектрическая пластинка окружена воздухом, т.е. n′ =1. При расчете суммарной амплитуды прошедшей волны Епр учтем изменение амплитуды и разность фаз между соседними пучками.
На границе двух диэлектриков (пластинка и окружающая ее среда)
амплитуда электромагнитной волны изменится. Обозначим коэффициенты
отражения и пропускания (по амплитуде) через ρ и τ. Соответствующие
энергетические коэффициенты связаны с ними соотношениями R = ρ2 и Т =
τ2. В отсутствие поглощения из закона сохранения энергии R + T = 1.
При каждом прохождении через границу двух диэлектриков амплитуда падающей волны уменьшается в τ раз, а при каждом отражении от
такой границы она уменьшается в ρ раз. Следовательно, амплитуда волн,
прошедших через пластинку равна Епадτ2, Епадτ2ρ2, ... , Епадτ2ρ2е2(N-1). Здесь N
– число прошедших пучков. Разность хода между двумя соседними интерферирующими пучками составляет (см. рис 1а)
Δ = 2 n h ⋅ cos ϕ
(5.1)
а соответствующая разность фаз
δ=
2π
λ0
2nh ⋅ cos ϕ
(5.2)
где λ0 – длина волны в вакууме.
Учтем эту разность фаз введением соответствующего множителя еiδ
в выражении для амплитуды напряженности электрического поля. Тогда
суммарная амплитуда прошедшей волны Епр определяется суммой вида:
121
(
Eпр = Епад ⋅ τ2 + τ2ρ2 еiδ + τ2ρ4еi 2 δ + .... + τ2ρ
2( N −1) iδ( N −1)
е
)=
1 − ρ2 N еiN δ
= Епад τ ⋅
1 − ρ 2 е iδ
2
(5.3)
По определению ρ < 1. Если число интерферирующих пучков N достаточно велико, то ρ2N → 0, и в пределе получается выражение
Епр = Епад
Т
1 − Reiδ
(5.4)
Для того чтобы получить интенсивность проходящего излучения,
помножим Епр на сопряженную величину Епр*, т.е.
I пр
I пад
=
Т2
(1 − R )
2
+ 4 R ⋅ sin 2
δ
2
(5.5)
Это соотношение называется формулой Эйри. График функции (5.5)
для различных значений коэффициента отражения R приведен на рис.5.2.
Функцию Эйри называют еще аппаратной функцией или инструментальным контуром интерферометра, так как она показывает, какую форму будет иметь распределение интенсивности в интерференционном максимуме,
если на интерферометр падает монохроматическое излучение.
122
Рисунок 5.2 – График функции Эйри для различных значений
коэффициента отражения R
Интерферирующие пучки усиливают друг друга при соблюдении условия
2 n h ⋅ cos ϕ = mλ0
(5.6)
где m – порядок интерференции, равный целому числу и составляющий десятки и сотни тысяч (например, при h =10 мм, n = 1, λ =500 нм m =
4.104). Очевидно, что m, равное полуцелому числу, приводит к образованию минимума. Для вычисления Imax и Imin выразим δ через m:
m=
2 n h ⋅ cos ϕ
λ0
=
δ
2π
Интенсивность максимальна, если
место при sin mπ = 1 . Следовательно
δ
или
sin
2
δ
2
=πm
(5.7)
= sin mπ = 0 , а Imin имеет
123
⎛ I пр ⎞
Т2
=
⎜
⎟
2
⎝ I пад ⎠ max (1 − R )
⎛ I пр ⎞
Т2
=
⎜
⎟
2
⎝ I пад ⎠ min (1 + R )
и
Функция видности интерференционной картины V =
контрастность, определяемая как
(5.8)
I max − I min
и
I max + I min
I max
целиком определяются коэффиI min
циентом отражения поверхности R плоскопараллельной пластинки. Используя соотношение (5.8), получим
I max ⎛ 1 + R ⎞
=⎜
⎟
I min ⎝ 1 − R ⎠
2
V=
и
2R
1+ R
(5.9)
Для характеристики формы контура интерференционной полосы
вводится критерий резкости F. Рассмотрим, от чего зависит резкость интнрференционной картины. Для этого запишем функцию Эйри (5.5), исключив T = 1 – R, в виде
I пр
I пад
=
1+
1
4R
(1 − R )
2
⋅sin 2
δ
2
(5.10)
Оценим ширину полосы максимума интерференции ε, равную расстоянию между точками, для которых Iпр ⁄ Iпад = 0,5 (см. рис.3). Эти значен6ия получаются при δ/2 = mπ ± ε/2. Так как ε мало, то полагаем sin
ε/2 ≈ ε/2. Из (5.10) следует
ε 2 R
⋅
= 1,
2 1− R
откуда ширина полосы (ширина инструментального контура или
ширина аппаратной функции)
124
ε=
1− R
R
(5.11)
Рисунок 5.3 – Оценка ширины интерференционной полосы
Вводя критерий резкости интерференционных полос F (фактор резкости) как отношение расстояния между двумя порядками интерференции
к ширине полосы, имеем
F=
(5.12)
ε π R
=
π 1− R
125
Рисунок 5.4 – Резкость как функция коэффициента отражения зеркал
Фактор резкости показывает, во сколько раз ширина интерференционного максимума меньше расстояния между соседними максимумами. Из
(5.12) следует, что резкость интерференционных колец будет зависеть
только от коэффициента отражения зеркал (рис. 4). При увеличении F распределение интенсивности становится более благоприятным для определения положения полос.
1. Устройство и главные спектральные характеристики
интерферометра Фабри–Перо
В современном варианте интерферометр Фабри–Перо представляет
собой две стеклянные или кварцевые пластинки, расположенные на некотором расстоянии друг от друга так, что между внутренними поверхностями образуется плоскопараллельный слой воздуха. На обращенные друг к
другу плоскости нанесены отражающие покрытия с высоким коэффициентом отражения. Поскольку слой воздуха между зеркалами должен быть параллельным, то и сами отражающие поверхности должны быть оптически
плоскими (с точностью не менее λ/50 - λ/80 видимого света). Схема устройства интерферометра Фабри-Перо показана на рис. 5.5.
Установка отражающих поверхностей З (зеркал) параллельно друг
другу и изменение расстояния между ними обычно осуществляется с помощью специальных распорных колец РК, выполненных из материалов с
малым коэффициентом термического расширения (кварц, инвар). Для облегчения изготовления колец с высокой степенью точности и их последующей установки распорные кольца снабжены тремя выступами В на ко-
126
торые опираются внутренние плоскости. Пластины интерферометра вместе
с распорным кольцом помещены внутрь корпуса К, снабжены юстировочными винтами для легкого сдавливания пластин, обеспечивающего параллельность отражающих поверхностей.
Интерферометр Фабри–Перо, у которого не предусмотрена возможность плавной перестройки толщины слоя воздуха, называют эталоном
Фабри–Перо.
Интерферометр Фабри–Перо является основным спектральным прибором для определения длин волн излучений (путем сравнения неизвестного излучения с реперным) и для изучения тонкой структуры спектральных линий. Широко используется он при исследовании спектрального состава излучения и структуры электромагнитного поля в лазерах (выявление продольных и поперечных типов колебаний, измерение ширины спектральных линий в условиях генерации и др.)
Важнейшими параметрами интерферометра как спектрального прибора являются: угловая и линейная дисперсия, область дисперсии (постоянная интерферометра), разрешающая способность (разрешающая сила) и
контрастность.
Рисунок 5.5 – Схема устройства интерферометра Фабри–Перо:
К – корпус; З – зеркальные пластинки; РК – распорное кольцо;
В – выступы; Ю – юстировочные винты
Угловой дисперсией называется отношение
127
Dϕ =
dϕ
,
dλ
(5.13)
где dφ – разность углов выхода для двух лучей, длины волн которых
отличаются на dλ. Угловая дисперсия определяет угловое расстояние между двумя максимумами с близкими длинами волн.
Запишем условие максимума интерференции (5.6) для воздушного
слоя (n = 1)
2 h ⋅ cos ϕ = mλ .
(5.14)
Выражение для угловой дисперсии получим, продифференцировав
(5.14) по λ
dϕ
m
=
.
d λ 2h ⋅ sinϕ
(5.15)
Подставив в (5.15) значение m из (5.14), получим
dϕ
1
=
.
d λ λ ⋅ tgϕ
(5.16)
Для малых углов падения φ можно допустить tg φ = φ, тогда выражение для угловой дисперсии примет вид
dϕ
1
=
.
dλ λϕ
(5.17)
128
Как следует из (5.17), угловая дисперсия всех интерферометров данного типа одинаково независима от их толщины и других параметров. Значение угловой дисперсии бесконечно велико в центре интерференционной
картины (при φ = 0) и и убывает с ростом угла φ.
Линейная дисперсия воздушного интерферометра для малых углов
определяется формулой
dr f 2
Dl =
=
.
dλ λr
(5.18)
Здесь r – координата, отсчитываемая от центра интерференционной
картины (радиус колец), f – фокусное расстояние зрительной трубы (объектива).
Из формулы (5.18) видно, что с увеличением радиуса колец все
меньший линейный интервал dr соответствует одним и тем же интервалам
dλ, т.е. с ростом радиуса r дисперсия убывает.
Разрешающая способность. При определении разрешающей способности интерферометра Фабри-Перо нельзя пользоваться критерием Рэлея, поскольку разрешающая способность интерферометра не определяется дифракцией на действующем отверстии, как это имеет место в случае
щелевых спектральных приборов, и аппаратный контур не имеет в этом
случае побочных максимумов и минимумов. Обычно считают, что интерферометр Фабри-еро разрешает две бесконечно узкие спектральные линии
одинаковой интенсивности, если расстояние между ними несколько больше ширины инструментального контура (аппаратной функции) ε (5.11)
Для малых углов падения света на интерферометр в соответствии с
формулой (5.14)
2 h = mλ .
(5.19)
Продифференцировав это выражение по m и λ, получим
δ m⋅ λ + m ⋅ δλ =0 ,
откуда для разрешающей способности имеем
(5.20)
129
λ
m
=
.
d λ dm
(5.21)
Подставляя сюда m из (5.19) и δm = ε /π и учитывая (5.11), получим
для разрешающей способности интерферометра
λ
2π h R
=
.
d λ λ (1 − R )
(5.22)
Отсюда следует, что разрешаемый минимальный интервал, выраженный в длинах волн будет
λ 2 (1 − R )
δλ =
.
2π h R
(5.23)
При больших коэффициентах отражения
до нескольких процентов
R ≈ 1, тогда с точностью
λ
2π h
6h
=
≈
.
d λ λ (1 − R ) λ (1 − R )
(5.24)
Таким образом, разрешающая сила интерферометра пропорциональна его толщине. По аналогии с формулой разрешающей способности
дифракционной решетки можно записать для интерферометра:
λ
2h
= mN эфф =
N эфф .
λ
dλ
(5.25)
130
Здесь Nэфф – эффективное число пучков равной интенсивности, которое обеспечивает ту же разрешающую способность, что и бесконечная последовательность пучков убывающей интенсивности. Сравнивая (5.21) и
(5.25), найдем эффективное число пучков:
N эфф =
π π R
=
=F.
ε 1− R
(5.26)
Область дисперсии (свободный спектральный интервал).
В интерференционной картине происходит наложение спектров соседних порядков интерференции. Величину свободного спектрального интервала (область дисперсии) можно получить из условия наложения спектров. Если интерференционной кольцо m-го порядка для длины волны
λ2 = λ1 + Δλ совпадает с интерференционным кольцом длины волны λ1 порядка (m + 1), то из уравнения (5.14), записанного для длин волн λ1 и
(λ1 + Δλ), получим
Δλ = λ2 − λ1 .
(5.27)
Для малых углов из (5.14) и (5.19) следует
Δλ =
λ2
2h
(5.28)
Область дисперсии интерферометра предпочтительнее выражать в
частотах (или волновых числах ν´ = 1/ λ):
Δν ′ =
(5.29)
1
,
2h
Δν =
c
,
2h
131
потому что тогда она зависит только от расстояния между отражающими поверхностями интерферометра – толщины интерферометра h. Область дисперсии в этих единицах называют постоянной интерферометра.
2. Юстировка (настройка) интерферометра
Целью юстировки интерферометра является установка его зеркал параллельно друг другу с максимальной точностью. Только в этом случае
получается четкая интерференционная картина. Юстировка интерферометра осуществляется в его рабочем положении, так как любые толчки при
перестановке интерферометра могут его полностью разъюстировать. Если
пластины интерферометра Фабри-Перо строго параллельны, то интерференционные кольца будут кольцами равного наклона, локализованными в
бесконечности.
Параллельность зеркал регулируется тремя установочными винтами,
действующими на пружины, которые поджимают одно из зеркал к распорному кольцу. Необходимо избегать перенапряжения прижимных пластин,
иначе можно повредить их рабочие поверхности.
Юстировка включает два этапа. Сначала проводится предварительная юстировка. На некотором расстоянии от интерферометра нужно поставить лампу накаливания и установку зеркальных пластин на параллельность произвести по совмещению изображений нити накала лампы, полученных при многократных отражениях и наблюдаемых через интерферометр. Наблюдение ведется невооруженным глазом, аккомодированным на
бесконечность.
После такой предварительной юстировки производится второй этап
юстировки с использованием монохроматического источника излучения и
наблюдением интерференционной картины через зрительную трубу или
непосредственно глазом (рис. 6)
132
Рисунок 5.6 – Юстировка интерферометра:
1 – источник света, 2 – осветительная линза, 3 – интерферометр
Если наблюдение ведется невооруженным глазом, то в месте нахождения зеркального изображения глаза концентрично с его зрачком будут
видны интерференционные кольца. При перемещении глаза параллельно
зеркалу наблюдатель (рис. 6) последовательно воспринимает свет, прошедший через различные участки интерферометра, то есть следует за перемещением интерференционных колец. Если расстояние между зеркалами остается постоянным по всей площади интерферометра (достигнута параллельность зеркал), то при перемещении глаза вдоль пластин диаметры
колец не будут изменяться. Если при перемещении глаза диаметры колец
изменяются (кажутся сходящимися к центру картины или, наоборот, выходящими из центра), то это свидетельствует о непараллельности зеркал интерферометра.
При увеличении расстояния между зеркалами видимое глазом центральное кольцо расширяется, и, если непараллельность достаточно велика, в центре будут появляться новые интерференционные кольца. При перемещении глаза в обратном направлении, то есть в сторону, где местная
ширина интерферометра становится меньше, центральные кольца будут
сужаться и исчезать в центре. С помощью юстировочных винтов и пластинчатых пружин, нажимы которых расположены точно против выступов
распорного кольца, можно добиться неподвижности интерференционной
картины при перемещении глаза наблюдателя. Для этого манипулируют
юстировочными винтами: если кольца при движении глаза по направлению к винту расходятся от центра, то следует уменьшить расстояние между зеркалами, осторожно нажимая на ту пружинку, по направлению к которой кольца расширяются, и, наоборот ослабить винт, если кольца сходятся к центру. Аналогичным образом нужно поступить по отношению ко
всем трем направлениям. Юстировка регулировочными винтами заканчивается тогда, когда при перемещении глаза в любом направлении диаметры колец остаются неизменными. Полной «неподвижности» центрального
кольца можно добиться только при очень высоком качестве поверхности
зеркал.
3. Описание установки
В работе используется установка, состоящая из источника света, интерферометра Фабри-Перо (ИТ-28), зрительной трубы и светофильтра. Оптическая схема установки приведена на рис. 5.7. В качестве источника све-
133
та 1 для предварительной юстировки используется лампа накаливания, на
втором этапе юстировки – гелий-неоновый лазер. Источник света помещается в фокусе линзы 2 (f = 30 ÷ 50 см), направляющей параллельный пучок
света на интерферометр Фабри-Перо 3. Все элементы установки размещены на оптическом рельсе в соответствии с приведенной схемой таким образом, чтобы их оптические оси совпадали. Наблюдается интерференционная картина с помощью зрительно трубы 5 или непосредственно глазом,
аккомодированным на бесконечность. В случае необходимости ослабления
яркости интерференционной картины, полученной с помощью гелийнеонового лазера, используется светофильтр 4, который устанавливается
непосредственно перед зрительной трубой.
Рисунок 5.7 – Оптическая схема установки
Порядок выполнения работы
1. Ознакомьтесь с устройством и принципом действия интерферометра Фабри-Перо и установкой для наблюдения интерференционной картины и получите допуск на выполнение работы у преподавателя.
2. Исходя из данных, приведенных в таблице, рассчитайте спектральные характеристики используемого в данной работе эталона ФабриПеро:
•
•
•
•
порядок интерференции;
свободный спектральный интервал (постоянную интерферометра);
фактор резкости;
разрешающую способность.
№ задания
λ, нм
h, мм
R1 = R2, %
1
633
30
90
2
633
10
96
134
Здесь h – толщина интерферометра, Ri (i = 1,2) – коэффициент отражения зеркал интерферометра.
3. Проведите предварительную юстировку, заключающуюся в первоначальной приблизительной установке пластин интерферометра параллельно друг другу, и последующий этап юстировки с использованием монохроматического источника. Юстировку проводите в соответствии с рекомендациями, изложенными в разделе «Юстировка интерферометра».
Контрольные вопросы
1. Каково назначение интерферометра Фабри-Перо? Какие физические явления лежат в основе его работы?
2. Какую функцию называют инструментальным контуром интерферометра или его аппаратной функцией?
3. Пользуясь условием максимума интерференции для воздушного
интерферометра, вывести формулу для основных спектральных характеристик.
4. Как определяется контрастность интерференционных полос?
5. Что такое эффективное число пучков?
Библиографический список
1. Савельев, И. В. Курс общей физики. / И. В. Савельев. – М.: Наука,
1978. Т. 2.
2. Оптика и атомная физика: практикум по физике / ред.
Р. И. Солоухин. – Новосибирск, Наука, 1976.
3. Малышев, В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию /
В. И. Малышев. – М.: Наука, 1979.
4. Электричество и оптика. Физический практикум / ред. В. И. Иверонова. – М.: Наука, 1968.
135
Приложение 1
Монохроматор светосильный МДР - 12
Техническое описание и инструкция по эксплуатации
(краткие сведения)
1. Назначение
Монохроматор светосильный МДР - 12 предназначен для выделения
монохроматического излучения в широком спектральном диапазоне
(рис. 6.1).
Рисунок 6.1 – Общий вид монохроматора МДР–12
2. Технические данные
• Диапазон работы, нм
от 200 до
20000
• Фокусное расстояние зеркального объектива, мм
300
• Относительное отверстие
1:3
• Дифракционные решетки- сменные:
• число штрихов на миллиметр
1200;
1200;
600
рабочая область, нм
200-500; 350-1000; 700-2000
• Обратная линейная дисперсия, нанометр на миллиметр 2.4; 2.4; 4.8
• Размер заштрихованной части, мм
100 × 90
• Рабочий порядок
первый
136
• Щели: пределы раскрытия, мм
• Точность отсчета, мм
от 0 до 4
0.01
3. Состав монохроматора
В состав прибора входят: монохроматор со сменными дифракционными решётками, конденсор, рельс, блок управления, набор светофильтров,
комплект ЗИП.
4. Устройство и работа монохроматора
4.1. Оптическая схема
Оптическая схема монохроматора приведена на рис.6.2. Источник света через конденсор 1 освещает входную щель 2. Поворотное зеркало 3 и параболический объектив 4 направляют свет на дифракционную решетку 5.
Диспергированный свет параболическим объективом 6 и поворотным зеркалом 7 собирается в плоскости входной щели 8.
Для освещения входной щели монохроматора служит кварцевый конденсор. Поскольку конденсор не ахроматичен, то фокусировка его для разных областей спектра требует изменения расстояния между источником света и конденсором, а также конденсором и входной щелью. Расчетные значения этих расстояний приведены в табл.1.
Длина волны, нм
300
Расстояние от
Расстояние от
источника до перпоследней повой поверхности
верхности до
конденсора, мм
входной щели, нм
90
215
Увеличение
2
400
95
210
1.9
600
102
203
1.7
800
105
200
1.7
Щелевая кварцевая линза с фокусным расстоянием 210 мм служит для
согласования световых размеров оптических элементов кварцевого конденсора и монохроматора.
137
Для срезания высших порядков спектра, налагающихся на рабочую область, в комплекте прибора предусмотрены сменные светофильтры 9, работающие в областях: от 0.36 до 0.6 мкм; от 0.6 до 1.0 мкм.
Рисунок 6.2 – Оптическая схема монохроматора
4.2. Кинематическая схема
Кинематическая схема монохроматора обеспечивает последовательность выведения на выходную щель монохроматического излучения в рабочем диапазоне каждой дифракционной решетки и индикации его длины волны.
Поворот дифракционной решетки осуществляется шаговым двигателем
ШДР-711 с помощью синусного механизма. Для ручного поворота дифракционных решеток предусмотрена рукоятка.
Одновременно с поворотом дифракционной решетки движение передается на механический счетчик длин волн.
Показания счетчика соответствуют длинам волн для решетки 1200
штрихов на миллиметр.
4.3. Конструкция
138
Основные оптические узлы монохроматора МДР-12 собраны на основании 1 (рис.6.3) и закрыты кожухом 2. Для установки дифракционных решеток в кожухе имеется окно с открывающейся крышкой 3.
Входная и выходная щели монохроматора симметричные, с переменной шириной раскрытия в пределах от 0 до 4 мм. Отсчет ширины раскрытия
входной щели осуществляется по шкале барабанчика 4, выходной щели по
шкале барабанчика 5. Цена деления шкал барабанчика 0.01 мм.
Входная щель 6 перемещается вдоль оптической оси при повороте
кольца 7. Положение щели определяется по шкале 8.
На насадку 9 может быть надета оправа со светофильтром; рабочая область спектра, в которой используется каждый светофильтр, награвирована
на его оправе. В паз насадки может быть установлена диафрагма с фигурным
вырезом, ограничивающая внизу щель.
Рукоятка 10 управляет затвором выходной щели.
Сменные дифракционные решетки в оправе 11 устанавливаются на
держатель 12. При этом шаровые опоры 13 входят в лунки 14, а упор 15 упирается в площадку держателя.
На оправе каждой решетки имеется гравировка, указывающая число
штрихов на миллиметр, а на оправах решеток 1200 штр./мм имеется еще дополнительное обозначение «I» или «II», определяющее рабочую область решетки соответственно от 200 до 500 нм или от 350 до 1000 нм.
Показания счетчика 16 длин волн соответствует положению линии
спектра, получаемых при использовании решетки 1200 штр/мм; счетчик имеет пять разрядов, младший разряд соответствует десятым долям нанометра.
Рукоятка 17 служит для поворота дифракционной решетки от руки.
Для установки источника и приемника излучения, конденсора и других
устройств к основанию монохроматора крепится рельс. Крепление осуществляется с помощью винтов, доступ к которым возможен через отверстия, закрытые заглушками 18.
Конденсор в оправе 19 (рис.6.4), помещенный в тубус 20, устанавливается на рельс и фиксируется на нем винтом. При отпущенном винте 21 перемещение конденсора по высоте осуществляется винтом 22. Винт 23 позволяет перемещать конденсор поперек оптической оси.
При переходе от одной области спектра к другой кварцевый конденсор
в оправе перемещается внутри тубуса 20 при отпущенном винте 24. Перемещение контролируется по шкале 25. Оцифровка шкалы награвирована в длинах волн.
139
В нерабочем состоянии решетки закрываются выдвижными шторками
26, перед установкой решетки в прибор шторка снимается.
Для уменьшения действующего относительного отверстия монохроматора до 1: 6 на решетку может быть помещена диафрагма 27.
Рисунок 6.3 – Конструкция монохроматора
140
Рисунок 6.4 – Конструктивные элементы монохроматора
141
Приложение 2
Монохроматор ДМР - 4
Техническое описание и инструкция по эксплуатации
(краткие сведения)
1. Назначение
Призменный двойной монохроматор ДМР-4 (рис.6.5) применяется как
источник монохроматического излучения высокой чистоты при измерениях
светопропускания прозрачных веществ, снятии спектральных характеристик
источников и приемников излучения, а также при других работах в области
спектра от 0.22 до 2,5 мкм.
Все элементы монохроматора смонтированы на общем основании 1,
закрытом крышкой 2. Раскрытие входной щели 3 регулируется поворотом
микровинта 4. Барабан 5 служит для вращения диспергирующих призм монохроматора.
Рисунок 6.5 – Общий вид монохроматора ДМР-4
2. Технические данные
• Рабочий диапазон прибора:
142
с кварцевыми призмами, нм
со стеклянными призмами, нм
• Относительное отверстие
• Сферическое зеркало:
фокусное расстояние, мм
световое отверстие, мм
• Внеосевая парабола:
фокусное расстояние, мм
световое отверстие, мм
внеосевой угол
•
Призма: преломляющий угол
•
высота, мм
• Обратная линейная дисперсия прибора
•
с кварцевыми призмами, нм/мм
•
при λ = 220 нм
•
при λ = 340 нм
•
при λ = 2500 нм
• Обратная линейная дисперсия прибора
•
со стеклянными призмами, нм/мм
•
при λ = 365 нм
•
при λ = 486,1 нм
•
при λ = 2400 нм
• Щели:
• высота, мм
• диапазон изменения ширины
• входной и выходной щелей, мм
•
средней щели, мм
• Фокусные расстояния конденсорных насадок, мм
от 220 до 2500
от 365 до 2400
1 : 9,4
343
30 × 45
151
30 × 45
150
300
30
0,99
4,6
49
1,6
5,1
64,7
15
0-4
0-2
275 и 136
3. Состав монохроматора
В состав прибора входят: монохроматор со сменными призмами на
плато (кварцевые и стеклянные), конденсорные насадки, рельс, зеркала параболические в оправе, зеркала сферические в оправе, комплект ЗИП.
4. Устройство и работа монохроматора
4.1. Оптико-кинематическая схема
Прибор построен по оригинальной оптической схеме, обеспечивающей
высокую степень монохроматизации. Зеркальная оптика дает возможность
143
применить в качестве диспергирующих элементов призмы из различных материалов: стекла, кварца. Это позволяет увеличить дисперсию в видимой области спектра и расширить диапазон работы прибора.
Входная и выходная щели расположены на противоположных сторонах
прибора, это повышает эксплуатационные качества прибора при малых габаритных размерах.
Длина волны на выходной щели изменяется при одновременном повороте обеих призм.
Оптико-кинематическая схема прибора показана на рис. 6.6. Свет через
входную щель 4 падает на сферический зеркальный объектив 11, от которого
параллельным пучком направляется на призму 3. Зеркальный внеосевой параболический объектив 12 собирает диспергированный пучок света на средней щели 6, расположенной в фокальной плоскости объектива и являющейся
входной щелью второго монохроматора. Для совмещения зрачков первого и
второго монохроматоров в схему перед средней щелью введена коллективная
призма 7. Внеосевой параболический объектив 2 направляет монохроматический свет на призму 14, а сферический объектив 1 собирает его на выходной
щели 13.
Необходимую длину волны на выходной щели устанавливают вращением барабана 10. При этом гайка 8 перемещается по винту 9 и тянет за собой шток 17, который поворачивает распределительный столик 18. Через рычаги 16 и 19 распределительный столик передает вращение на оба призменных столика 5 и 15.
144
Рисунок 6.6 – Оптико-кинематическая схема монохроматора ДМР-4
145
Приложение 3
Спектрофотометр SPEKOL -20
Техническое описание и инструкция по эксплуатации
(краткие сведения)
1. Назначение
Однолучевой спектрофотометр SPECOL -20 предназначен для измерения пропускания, экстинкции и концентрации твердых и жидких веществ в
области· 335-800 нм. Для измерения пропускания на пути монохроматического пучка поочередно устанавливаются измеряемый образец и эталон (в
некоторых случаях эталоном может служить воздух). Пропускание определяется по цифровому индикатору результата. В данном описании изложена
только методика измерения коэффициента пропускания.
2. Технические данные
SPECOL -20 однолучевой прибор
• Монохроматор
схема Черни-Турнера
• Прецизионная дифракционная решетка,
штрихов на миллиметр
651
• Спектральная область, нм
от 335 до 800
• Спектральная ширина зоны, нм
3-5-15
• Воспроизводимость длин волн, нм
0,2
• Индикация длин волн
трехразрядная цифровая
• Источник излучения
галогенная лампочка 6В, 20 Вт
• Приемник излучения
мультифотоэлемент с фотокатодом
из щелочного металла
• Фотометрическая область измерения
пропускание от 0 до 100 %
• Фотометрическая цифровая индикация
четырехразрядная
3. Устройство и принцип действия
Блок-схема спектрофотометра приведена на рис. 6.7. Прибор включает
источник излучения 1, осветительную систему 2, монохроматор З, кюветное
отделение 4, приемник излучения 5 и регистрирующее устройство 6. Принцип действия прибора состоит в следующем: исходящий из источника излучения 1 световой поток направляется осветительной системой 2 (путем проекции источника излучения в плоскость входной щели монохроматора) в монохроматор З. Выделенный последним из спектра пучок лучей попадает в
146
кюветный отсек 4 и падает после прохождения через находящуюся там пробу (светофильтр, кювета с исследуемым веществом) на мультищелочной фотоэлемент 5, который дает пропорциональный световому потоку фототок.
Падение потенциала на рабочем сопротивлении фотоэлемента (при протекании по нему фототока) увеличивается и обрабатывается аналоговым усилителем регистрирующего устройства 6. Характер обработки зависит от состояния арретирных кнопок R, Т, Е, С, с помощью которых устанавливается режим измерения: R, Т - пропускания, Е - экстинкции, С - концентрации.
При нажатой кнопке R [эталонная проба] сигнал сравнения вводится в момент индикации результата в память (автоматически при нажатой кнопке
[циклически] или по вызову, при нажатой кнопке ) и делится на приборную константу К, которая обеспечивает при дополнительно нажатой кнопке
Т [коэффициент пропускания] получение показания Т % на цифровом индикаторе прибора.
Так как получаемое при этом режиме показание пропорционально
мощности падающего на фотоэлемент 5 излучения и коэффициенту усиления, оно допускает оптимальное согласование последнего с данными условиями измерения (с длиной волны излучения, шириной полосы пропускания
монохроматора и прозрачностью эталонной пробы).
Рисунок 6.7 – Блок-схема спектрофотометра SPECOL-20
4. Оптическая схема
На рис. 6.8 изображена оптическая схема прибора. Источник излучения
1 проецируется осветительной системой 2 в плоскость входной щели 3 монохроматора. Монохроматор с оптической системой по Черни-Турнеру имеет
раздельные коллиматорный 4 и камерный 6 зеркальные объективы и плоскую дифракционную решетку 5. Ход лучей в монохроматоре показан на
рис. 6.8. Длина волны выделяемого монохроматором пучка лучей изменяется
путем поворота решетки 5 с помощью синусной передачи, а ширина спектральной полосы пропускания − путем смены механически связанных между
собой входных 3 и выходных 7 щелей разных размеров. Выделенный монохроматором пучок лучей далее проходит систему линз 8, и попадает через
входное окно в кюветный отсек 9. Пройдя кюветный отсек, пучок лучей через выходное окно 10 падает на приемник излучения 11.
147
Рисунок 6.8 – Оптическая схема спектрофотометра SPECOL-20
5. Панель управления
Общий вид спектрофотометра SPECOL-20 показан на рис. 6.9. На панели управления прибора имеются следующие элементы обслуживания и
индикаторы:
• арретирная кнопка 2 сетевого выключателя, нажатие которой вызывает либо включение, либо выключение (при повторном нажатии кнопки)
прибора;
• регулятор 3 ширины спектральной полосы пропускания монохроматора, который вызывает смену щелей последнего и защелкивается в положении «3нм», «5нм», «15 нм»;
• цифровой индикатор 4 длины волны монохроматического излучения, дополнительная шкала которого подразделена на интервалы ценой
0,2нм;
• регулятор 5 длины волны пропускаемого монохроматором излучения, левый поворот которого до отказа вызывает фиксацию дифракционной
решетки (с целью переноски прибора);
• клавиатура управления 6 с кнопками (нажатые состояния сигнализируются люминесцентными диодами):
Т − для выбора режима индикации коэффициентов пропускания в %;
148
− для выбора режима автоматической индикации результата по тактовому циклу ;
− для выбора режима однократной индикации результата по вызову;
− для вызова индикации результата;
R − для выбора режима ввода сигнала сравнения в память с индикацией,
допускающей настройку усилителя (в момент автоматической или вызванной
индикации).
• шлицевой валик потенциометра Т = 0 − между клавиатурами 6, 12 −
для установки прибора при перекрытом ходе лучей на нулевой коэффициент
пропускания;
• цифровой индикатор 7 результата согласно выбранному с помощью
клавиатуры 6 режиму;
• кнопка 8 для сброса 4-го знака показателя индикатора 7;
• бесступенчатый регулятор усиления 9 для точной настройки аналогового усилителя сигнала;
• ступенчатый регулятор усиления 10 для грубой настройки аналогового усилителя сигнала;
• клавиатура 12 и индикатор 11 используются при измерении концентрации.
6. Подготовка прибора к работе
Подключив прибор к электросети, нажать кнопку 2 его сетевого выключателя (см. рис. 6.9). При этом должны вспыхнуть в индикаторах 7 и 11
цифры -8.888 и 8.888, а также все люминесцентные диоды, имеющиеся над
кнопками клавиатуры 6. После выполнения автоматической контрольной
программы длительностью 20 с в индикаторах 7 и 11 появляются цифры 0 и
0.000. После 10-минутного прогрева прибора повернуть регулятор ширины
полосы 3 на желаемую ширину спектральной полосы пропускания.
Установить режим измерения коэффициентов пропускания с автоматической индикацией нажатием кнопок Т, , R клавиатуры управления 6 (при
этом вспыхнут люминесцентные диоды над кнопками).
6.1. Установка на Т = 0
Перекрыть, нажимая клавишу 14 кюветной вставки (или помещая между входным и выходным окошками закрытого кюветного отсека 12 непрозрачный предмет), пучок лучей. При этом на цифровом индикаторе 7 установится цифра «0».
Возможное отклонение показания индикатора результата 7 от «0» при
этом режиме устранить поворотом валика потенциометра Т = 0 − между кла-
149
виатурами 12, 6 − с помощью отвертки.
Рисунок 6.9 – Общий вид и панель управления
спектрофотометра SPECOL-20
1– решетка над ламповым блоком; 2 – кнопка сетевого выключателя; 3 – регулятор
ширины полосы пропускания; 4 – цифровой индикатор длины волны; 5 – регулятор длины волны; 6 – клавиатура управления; 7 – цифровой индикатор результата; 8 – кнопка для
сброса 4-го знака результата; 9 – бесступенчатый регулятор усиления; 10 - ступенчатый
регулятор усиления; 11 – цифровой индикатор величины концентрации; 12– клавиатура
управления для выбора режима измерения концентрации; 13 – кюветный отсек; 14 –
клавиша перекрытия пучка лучей; 15 – откидная крышка; 16 – корпус прибора
6.2. Настройка монохроматора
Вращением имеющегося справа от индикатора длины волны 4 регулятора 5 настроить монохроматор на желаемую длину волны. Чтобы получить,
например, монохроматическое излучение с λ = 430,6 нм, сначала надо добиться показания «430» цифрового индикатора 4, а затем увеличить последнее поворотом регулятора 5 в направлении возрастающих показаний на 3
150
интервала дополнительной шкалы ценой по 0,2 нм, т.е. на 0,6 нм.
Ввиду неизбежного мертвого хода контактов для управления включающими и выключающими цветные светофильтры электромагнитами, срабатывания которых хорошо слышно, при настройке монохроматора по длине
волн около λ = 380 нм и λ = 630 нм регулятор 5 принципиально следует вращать в направлении возрастающих показаний индикатора длины волны.
6.3. Калибровка прибора на Т = 100 % (настройка усилителя)
Произвести калибровку прибора по эталону (в данной работе эталонным образцом служит воздух). Величина коэффициента пропускания Т эталонного образца устанавливается с помощью ступенчатого 10 и бесступенчатого (плавного) 9 регуляторов усиления на значение Т = (100 ± 0,3) % показания индикатора 7.
ВНИМАНИЕ ! Максимально допустимому выходному сигналу аналогового усилителя соответствует при этом режиме работы прибора показания ~ «105». Нарушение этого предела сигнализируется миганием индикатора результата. Не допускать длительного превышения показаний индикатора
результата > «102 - 105», устраняя превышение допустимого предела усилителя левым поворотом бесступенчатого 9 или ступенчатого 10 регуляторов
усиления.
6.4. Измерение коэффициента пропускания Т
После проведения настройки прибор готов к измерениям коэффициента пропускания Т у исследуемых образцов на данной длине волны λ. Исследуемый образец следует поместить в кюветный отсек, откинув крышку 15
между входным и выходным окнами кюветной камеры. Показания индикатора результатов при этом соответствуют коэффициенту пропускания Т в %.
При изменении длины волны λ (см. пункт 6.2 данного описания) настройку
усилителя прибора (калибровку прибора) необходимо провести заново.
ВНИМАНИЕ ! Во избежание превышения показаний индикаторов результата > «102 - 105» необходимо уменьшить усиление аналогового усилителя левым поворотом регуляторов усиления 9, 10 до процедуры настройки
монохроматора на новую длину волны (согласно пункту 6.2. данного описания).
151
152
153