Лабораторная работа №5

PMC 5. Исследование спектров поглощения и пропускания

Цель работы - исследование спектральных характеристик абсорбционных светофильтров на основе цветного стекла

Общие положения

Абсорбция света

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волны при прохождении её через вещество вследствие возбуждения колебаний электронов среды. Эта энергия частично переходит во внутреннюю или в энергию вторичного излучения.

Поглощение света в веществе подчиняется закону Бугера-Ламберта:

,                                                                                         (1)

где I, I₀ - интенсивность плоской монохроматической волны падающего и прошедшего через слой вещества излучения соответственно, α - линейный коэффициент поглощения (показатель поглощения) света веществом , зависящий от длины волны λ (или частоты ) света, химической природы и состояния вещества и независящий от интенсивности света, l - толщина поглощающего слоя.

Коэффициент α различается для разных веществ. Для одноатомных газов и паров металлов, где атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга, α →0 и только в узких спектральных областях (10^-12 - 10^-11 м) наблюдаются резкие максимумы (линейчатый спектр поглощения). Эти области резкой абсорбции атомов соответствуют частотам собственных колебаний электронов внутри атомов.

Колебания атомов в молекулах расширяют спектр поглощения, образуя полосы поглощения (около 10^-10 - 10^-7 м).

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (порядка 10^-3 - 10^-7 м) из-за отсутствия свободных электронов, однако в условиях резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах возникает сплошной спектр поглощения.

Для металлов значение α велико (10³ - 10⁵ см^-1), так как из-за существования свободных электронов световая энергия быстро переходит во внутреннюю.

Коэффициент поглощения α зависит от длины волны, поэтому поглощающие вещества окрашены. Например, стекло, слабо поглощающее красные лучи и сильно поглощающее синие и зеленые лучи, при освещении белым светом будет казаться красным, а при освещении синим и зеленым светом - черным из-за сильного поглощения. Это явление используется в светофильтрах, которые в зависимости от химического состава пропускают свет только определённых длин волн. Таким образом, чем больше α для данной длины волны, тем отчетливее обнаружится ослабление соответствующих участков спектра поглощения.

Спектральные характеристики стекол

Спектральная характеристика стекол характеризуется численными значениями показателя поглощения k_λ или оптической плотности D_λ для различных длин волн и спектральными кривыми коэффициента пропускания τ_λ, оптической плотности D_λ и логарифма оптической плотности lg D_λ.

Показатель поглощения стекла для света длиной волны λ определяется из выражения

,                                                                                     (3)

где τ_λ - коэффициент пропускания стекла толщиной l (мм) для монохроматического света длиной волны λ.

Оптическая плотность массы стекла для монохроматического света длиной волны D_λ связана с показателем поглощения k_λ и коэффициентом пропускания τ_λ следующим соотношением:

,                                                                            (4)

При расчете оптической плотности светофильтра необходимо учитывать, кроме поглощения света, потери на отражение от двух поверхностей стекла и вводить соответствующую поправку.

Коэффициент пропускания τ_λ светофильтра толщиной l (мм) при перпендикулярном падении монохроматического света данной длин волны равен:

.                                                       (5)

где ρ - коэффициент отражения.

Оптическая плотность D_λ¢ светофильтра для данной длины волны равна:

.                                                   (6)

где D_ρ - поправка на oтражение света от двух поверхностей стекла.

Поправка на отражение определяется из выражения

,                                                                              (7)

где коэффициент отражения ρ определяется по формуле Френеля:

.                                                                                     (8)

Обычно коэффициент отражения ρ условно принимается за постоянную для стекла каждой марки величину, зависящую только от показателя преломления этого стекла в видимой области спектра nD. Фактически показатель преломления непостоянен и зависит от длины волны проходящего света. Наиболее значительно показатель преломления отличается от nD в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Это вносит погрешность в определении коэффициента отражения и поправки на отражение от поверхностей стекла. Наибольшей эта погрешность будет в тех случаях, когда рабочая область светофильтра находится за пределами видимого спектра, а величина показателя поглощения мала, т.е. сравнима с величиной коэффициента отражения.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит их следующих узлов:

монохроматор МУМ-01,

узел светодиодного излучателя,

кюветное отделение,

фотоприемный узел,

блок обработки сигнала,

мультиметр.

В узле излучателя установлен специальный светодиод белого света, излучающий в диапазоне 400 ... 700 нм (распределение спектра излучения соответствует графикам сигнала U₀, приведенным в приложении). Узел излучателя закреплен непосредственно перед входной щелью монохроматора на его корпусе. За входной щелью установлен объектив, формирующий параллельный пучок, проходящий кюветное отделение и попадающий на фотодиод фотоприемного узла.

Функциональная схема блока обработки сигнала приведена на рис. 1.

Для повышения соотношения сигнал/шум и устранения влияния постоянных засветок питание светодиода излучателя осуществляется модулированным током частотой 20 кГц, задаваемой генератором Г. Сигнал с фотодиода фотоприемного узла усиливается предварительным усилителем ПУ и поступает на вход синхронного детектора СД, на который также подается сигнал опорной частоты от генератора Г. Вырабатываемое синхронным детектором напряжение усиливается и подается на вход измерительного прибора (мультиметра). Одновременно это напряжение поступает на вход компаратора К, на второй вход которого поступает опорное напряжение U_oп.

Рис. 1. Функциональная схема лабораторной установки

При превышении измеряемым сигналом уровня опорного напряжения компаратор включает светодиодную и звуковую индикацию. В этом случае с помощью переключателя ВК следует изменить (уменьшить) ток через светодиод излучателя, что приводит к соответствующему уменьшению мощности излучаемого светового потока.

Оптическая схема установки приведена на рисунке 2.

Рис.2. Оптическая схема лабораторной установки

В качестве диспергирующего и фокусирующего элемента в монохроматоре использована вогнутая дифракционная решетка с переменным шагом нарезки и криволинейными штрихами, что даёт возможность значительно скомпенсировать расфокусировку и другие аберрации. Излучение от светодиода 1 попадает на входную щель 2 и посредством зеркала 3 попадает на дифракционную решетку 4. Дифракционная решетка строит изображение входной щели 3 в плоскости выходной щели 6. Зеркала 3 и 5 осуществляют излом оптической оси системы для более компактного размещения элементов в корпусе. Кроме того, зеркало 3 может выведено из хода лучей с помощью рукоятки на корпусе монохроматора. В этом случаев качестве входной щели может быть использована щель 10 (в настоящей работе этот режим не используется и щель 10 является резервной). За выходной щелью 6 установлена оптическая система из линз 7, которая формирует параллельный пучок, направляемый через кюветное отделение с установленным в нем объектом исследования 8 на фотодиод 9 фотоприемного узла. Сканирование спектра осуществляется поворотом решетки 5 вокруг оси 0 на угол  в пределах от φ₀ = 6°54' до φ_k = 28°44'. Закон движения решетки обеспечивается синусным механизмом, в котором для перемещения опорной поверхности служит винт. Системой зубчатых передач синусный механизм связан с решеткой рукояткой, расположенной на торцевой стенке монохроматора, и цифровым механическим счетчиком, вмонтированным в корпус монохроматора, с помощью которого осуществляется непосредственный отсчет длин волн с точностью ± 0,2 нм.

Основные спектральные характеристики: Рабочий диапазон длин волн монохроматора 290-800 нм.

Рабочий диапазон длин волн спектрофотометрического тракта (излучатель -монохроматор - фотоприемник) 370-700 нм.

Величины обратной линейной дисперсии - 3,2 нм/мм.

Щели на выходе и входе монохроматора сменные, постоянной ширины. Для получения большей спектральной чистоты выделяемого излучения при работе в области спектра от 330 до 660 нм входная и выходная щели устанавливаются в положение I, а при работе в области спектра от 200 до 260 и от 730 до 80 нм щели устанавливаются в положение II, в областях от 260 до 330 нм и от 660 до 730 нм входная - в положение I(II), и выходная в положение II(I). В настоящей работе фото приемный тракт работает в диапазоне 370 - 670 нм, поэтому входная и выходная щели могут быть оставлены в положении I.

Исследуемый образец помещают в тубус с закрывающейся крышкой. В качестве объектов для исследования прилагаются светофильтры из цветного оптического стекла. Примеры спектров пропускания фильтров приведены в приложении.

ВНИМАНИЕ! Внимание! Приведенные данные носят демонстрационный характер. Реальные спектры и кривая U₀ могут отличаться от приведенных

Порядок выполнения работы

Порядок проведения измерений:

Включите источник питания и вольтметр. Установите  на мультиметре  предел измерений 20 В.

Установите входную и выходную щели 0,25 мм в положении I.

Подождите не менее 5 минут для стабилизации теплового режима приемника излучения.

Произведите калибровку оптической системы. Для этого следует при пустом тубусе кюветного отделения снять зависимость показаний мультиметра (U₀) от длины волны λ в диапазоне длин волн от 370 нм до 830 нм с шагом 5 нм. При необходимости переключайте пределы измерения мультиметра (20 В, 2 В, 200 мВ).

Поместите в тубус кюветного отделения поочередно прилагаемые светофильтры и снимите соответствующие зависимости показаний мультиметра (U₁) от λ для каждого светофильтра в том же диапазоне длин волн (длину волны рекомендуется устанавливать с тем же шагом, что и в п.4).

Выключите источник питания и мультиметр.

Если измеренное вольтметром напряжение составляют менее 0,1 В, рекомендуется установить щели большей ширины или снять щель перед источником излучения.

При больших световых потоках возможна перегрузка приемника излучения. При этом включается красный мигающий индикатор перегрузки и раздается звуковой сигнал. В этом случае рекомендуется уменьшить мощность источника излучения, переведя переключатель на блоке обработки сигнала в положение 0.

Приемник излучения и блок обработки сигнала чувствительны к воздействию сильного переменного электромагнитного поля, поэтому не рекомендуется располагать РМС поблизости от радиопередающих устройств (в частности, мобильных телефонов) - это может вызвать ошибки в измерениях.

Постройте графики зависимости коэффициента пропускания светофильтра излучения от длины волны I(λ):

.

Сделайте соответствующие физические выводы, охарактеризуйте цвет фильтра по полученной для него спектральной характеристике.

В качестве дополнительного задания предлагается рассчитать и построить графики зависимости коэффициента поглощения и оптической плотности от длины волны. Для упрощения расчетов потери на отражение на входной и выходной гранях светофильтра предлагается принять равными ~3% и не зависящими от длины волны. Толщину светофильтра принять равной 2 мм.

Литература:

Ландсберг Г.С. Оптика: Учеб. пособ. для вузов.- 5-изд., перераб. и доп.. - М.:Наука, 1976.-929 с.

Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособ. для вузов.- 6-изд., стереотип. - М:Высш. шк., 1999. - 544 с.

Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учеб. пособ. для вузов.- 3-изд., перераб. идоп.. - М.: Высш. шк., 1995. - 463 с.

Лебедева В.В. Экспериментальная оптика: Оптические материалы. Источники,приемники, фильтрация оптического излучения: Учеб. для вузов. - М., Изд-воМоск. ун-та, 1994. - 364 с.

Цветное оптическое стекло и особые стекла. Каталог. Под. ред Г.Т.Петровского. - М.: Дом оптики, 1990. - 227 с.