 |
интерференционных светофильтров.
|
|
|
|
светофильтра.
1. Наблюдая кольца Ньютона в зеленом свете, отсчитать число m видимых интерференционных колец.
2. По формуле (7) рассчитать спектральную ширину пропускания зеленого светофильтра Dl.
3. Повторить все измерения, установив в осветитель красный светофильтр, и определить его ширину пропускания.
Контрольные вопросы.
1. Интерференция монохроматического света.
2. Способы получения когерентных пучков света делением амплитуды.
3. Полосы равного наклона и полосы равной толщины. Локализация интерференционных полос.
4. Интерференция квазимонохроматического света. Временная когерентность.
5. Кольца Ньютона.
6. Эксперимент. Анализ результатов эксперимента.
Дополнительная литература:
Дитчберн Р. Физическая оптика.-М: Наука, 1965.
Коломийцов Ю.В. Интерферометры - Л: Машиностроение, 1976.
Лабораторная работа 23. Микроинтерферометр Линника.
Интерферометрами называют оптические измерительные приборы, действие которых основано на явлении интерференции света. Они позволяют с высокой степенью точности измерять линейные и угловые расстояния, малые разности показателей преломления, исследовать структуру спектральных линий. В зависимости от предназначения интерферометры имеют различную конструкцию.
Микроинтерферометрами называют интерферометры, предназначенные для измерения высоты микронеровностей на металлических и других поверхностях. Измерение высоты микронеровностей производят по искривлению интерференционных полос. Оптический прибор, предназначенный для исследования мелких неровностей на поверхности, должен обладать большим увеличением и высокой разрешающей способностью. Поэтому микроинтерферометры представляют собой сочетание интерферометра (обычно типа Майкельсона) и микроскопа.
|
|
|
Описание прибора
Рис.1. Оптическая схема
микроинтерферометра Линника.
|
Микроинтерферометр Линника предназначен для визуального исследования неровностей поверхности. Его оптическая схема приведена на рис.1.
Пучок лучей от источника S падает на стеклянный светоделительный кубик Р. Чтобы получить два пучка равной интенсивности кубик разрезается по диагонали MN и на поверхность среза наносится полупрозрачное покрытие. После этого обе половинки кубика склеиваются канадским бальзамом во избежание полного внутреннего отражения на границе среза. В результате получаются два взаимно перпендикулярных пучка, идущих в направлениях АВ и АС. Один из них (АВ) собирается микрообъективом О2 на исследуемой поверхности М2, а второй пучок (АС) падает через микрообъектив О1 на высококачественное эталонное зеркало М1. Отразившись от него, свет падает на полупрозрачное покрытие MN и идет в направлении АD.
Свет, отразившийся от исследуемой поверхности, частично проходит через покрытие MN и распространяется в том же направлении АD.
Таким образом, от одного и того же источника получаются два пучка которые при наложении интерферируют. Для наблюдателя зеркало М1 видно в положении М1¢ и два когерентных пучка, отраженных от зеркал М2 и от М1 идут параллельно направлению АD и интерферируют между собой. Эта интерференция происходит точно так же как и при отражении пучков от двух поверхностей М2 и М1¢,ограничивающих воздушный слой между этими поверхностями.
Известно, что в зависимости от условий освещения и геометрии тонкой пленки наблюдаемые интерференционные картины могут быть разными (полосы равного наклона и полосы равной толщины).
Рис.2. Образование полос равной толщины в интерферометре Линника
|
В нашем случае исследуемая поверхность и эталонное зеркало расположены на равном расстоянии от светоделительного слоя под углом несколько отличным от 90o. Поэтому воздушная пленка имеет вид двух клиньев с общим ребром КР (рис.2), и наблюдаемая картина представляет собой полосы равной толщины.
|
|
|
Если исследуемая поверхность не имеет шероховатостей, то наблюдается система полос, параллельных ребру клина КР (рис.2). Наличие на исследуемой поверхности царапин вызывает местные искривления полос, поскольку разность хода между интерферирующими лучами в соответствующих местах изменяется (рис.3). Искривление полосы на одну ее ширину происходит при увеличении (или уменьшении) разности хода на величину, равную l(на рис.3 приведен пример такой интерференционной картины).
Рис.3. Искривление интерференционных полос при наличии царапины
|
Если учесть, что дополнительная разность хода, возникающая за счет царапины, равна ее удвоенной глубине, то при искривлении интерференционной картины на величину Х (рис.3), глубину царапины можно определить из соотношения:
. (1)
Упражнение 1. Определение глубины царапины.
Для выполнения работы необходимо:
1. Поместить испытуемый образец на предметный столик 1 (рис.4) исследуемой поверхностью вниз (предметный столик можно с помощью микрометрических винтов перемещать в горизонтальной плоскости в двух взаимно-перпендикулярных направлениях).
2. Поворотом рукоятки 2 направо (стрелка при этом займет вертикальное положение) перекрыть световой пучок, идущий от эталонного зеркала, и вращением микрометрического винта 3 сфокусировать прибор на испытуемую поверхность.
3. Включить пучок, идущий от эталонного зеркала (установить рукоятку 2 в горизонтальном положении стрелки), при этом в окуляре должны появиться интерференционные полосы. Если их нет, то с помощью винта 3 их необходимо найти. При наблюдении интерференционной картины в белом свете в поле зрения видна белая (ахроматическая) полоса, по обеим сторонам которой расположены две темные полосы. Кроме того, симметрично ахроматической полосе располагаются по 3-4 цветные полосы с каждой стороны.
Рис.4. Внешний вид микроинтерферометра Линника
|
4. С помощью винта 3 добиться наибольшей резкости в наблюдаемой интерференционной картине. Освещенность поля зрения можно менять, регулируя диаметр апертурной диафрагмы 5.
|
|
|
5. Перемещая исследуемую поверхность на предметном столике подобрать такую царапину, которая была бы перпендикулярна направлению наблюдаемых интерференционных полос (рис.3).
6. Оценить на глаз, величину 
смещения полос в месте прохождения исследуемой царапины. По формуле (1) определить глубину царапины.
Рис.5. Вид шкалы окулярного микрометра.
|
7. Выполнить те же измерения с помощью окулярного микрометра. Он состоит из неподвижной стеклянной пластинки со шкалой, каждое деление которой равно 1 мм, и подвижной пластинки с перекрестием и двумя рисками (рис.5). Последняя связана с точным микрометрическим винтом 6 (рис.4). Полный оборот винта перемещает перекрестие и риски в поле зрения окуляра относительно неподвижной шкалы на 1 мм. Т.е. по неподвижной шкале отсчитываются целые миллиметры, а по шкале барабана - сотые доли миллиметра. Для повышения точности измерения наводку перекрестия следует производить не на край, а на середину полосы., при этом полосы должны быть строго параллельны рискам.
8. С помощью окулярного микрометра измерить расстояние между двумя соседними интерференционными полосами DХ, затем - величину смещения одной из полос C (рис.3). По формуле (1) вычислить глубину царапины. При наблюдении в белом свете в формулу (1) подставляют длину волны, соответствующую наибольшей чувствительности глаза, т.е. 550 нм.
Упражнение 2. Определение ширины полосы пропускания светофильтров
Для каждого светофильтра 4 (рис.4) из числа интерференционных светофильтров, вмонтированных в прибор, подсчитать полное число N наблюдаемых интерференционных полос. Учитывая тот факт, что центр интерференционной картины в данном приборе находится в центре экрана, вычислить m - порядок последней наблюдаемой полосы (
). Длина волны l в максимуме полосы пропускания светофильтра указана на приборе. По формуле 
вычислить ширину полосы пропускания каждого светофильтра.
Контрольные вопросы:
|
|
|
1. Интерференция монохроматического света.
2. Когерентные волны и способы их получения.
3. Влияние немонохроматичности света на интерференцию. Временная когерентность.
4. Влияние размеров источника на интерференцию. Пространственная когерентность.
5. Применение интерференции. Двухлучевые интерферометры.
6. Микроинтерферометр Линника.
7. Эксперимент. Анализ результатов эксперимента.
Дополнительная литература:
Коломийцов Ю.В. Интерферометры - Л: Машиностроение, 1976.
Лабораторная работа 24. Определение спектральных кривых пропускания
интерференционных светофильтров.
Светофильтрами называются устройства, меняющие спектральный состав или энергию падающей на них световой волны, не меняя (или почти не меняя) формы ее фронта.
Основная характеристика светофильтра - пропускание Т=I/I0, где I и I0 - интенсивности прошедшего и падающего на него света.
Фильтры называются серыми, или нейтральными, если их пропускание в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины волны. Светофильтры, не удовлетворяющие этому условию, называются селективными.
Селективные фильтры предназначаются либо для отделения широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области. Светофильтры последнего типа называются узкополосными.
Для создания узкополосных светофильтров может быть использована многолучевая интерференция. Простейший интерференционный светофильтр представляет собой интерферометр Фабри - Перо с очень малым промежутком между зеркалами (от l/2 до нескольких длин волн).
Интерференционный светофильтр состоит из тонкого плоскопараллельного диэлектрического слоя с показателем преломления n, на обе поверхности которого нанесены отражающие слои с коэффициентом отражения R (рис.1). На выходе системы образуется бесконечная последовательность убывающих по амплитуде лучей с равной разностью хода между ними, которые интерферируют между собой.
Рис. 1. Образование полос равного наклона при многолучевой интерференции в интерферометре Фабри-Перо.
|
Отражение света от двух параллельных плоскостей приводит к образованию локализованных в бесконечности (или фокальной плоскости линзы) интерференционных полос равного наклона.
Разность хода двух соседних интерферирующих лучей D определяется соотношением: 
(1) где h - толщина диэлектрического слоя, q - угол падения света, q¢ - угол преломления, n - показатель преломления диэлектрика, n ¢- показатель преломления окружающей среды (предполагается, что n¢ =1). Максимумы интенсивности в проходящем свете будут расположены там, где D составляет целое число длин волн:
|
|
|
2nhcos J ’ = m l. (m = 1, 2, 3,...) (2)
При выполнении условия (2) система является прозрачной и может служить фильтром с максимумами пропускания при l = l0, l = l0/ 2, l = l0/ 3 и т.д. соответственно для m =1, 2, 3,...
Фрагмент спектра пропускания интерференционного светофильтра при различных значениях коэффициента отражения R, приведен на рис.2, где l0= 2nhcos J ’.
Чем выше коэффициент отражения зеркал, тем селективнее фильтр, т.е. его пропускание быстрее падает с отступлением длины волны света от l0, l0/ 2, l0/ 3 и т.д.
Фильтр, предназначенный для выделения первой, наиболее длинноволновой полосы пропускания, называется фильтром первого порядка (m =1). Подбором h можно совместить один из максимумов с требуемым значением длины волны l0.
Рис.2. Фрагмент спектра пропускания интерференционного светофильтра при различных значениях коэффициента отражения R.
I, I0 - интенсивности прошедшего и падающего света, соответственно.
|
При этом возникает необходимость в подавлении коротковолновых максимумов пропускания с длинами волн l0/ 2, l0/ 3 и т.д. Обычно это легко осуществляется либо специальными абсорбционными фильтрами, либо поглощением материала подложки самого фильтра. Оставшийся максимум при достаточно высокой отражательной способности R зеркальных слоев может быть очень узок.
Рис.3. Спектр пропускания
интерференционного светофильтра.
|
Фильтр второго порядка (m =2), выделяющий длину волны l0/ 2, нуждается в подавлении одной полосы пропускания с длинноволновой стороны (l0) и коротковолновых полос (l0/ 3, l0/ 4 и т.д., рис.2). Можно создать фильтры и более высоких порядков.
Таким образом, комбинация интерферометра Фабри-Перо с очень маленькой оптической толщиной между отражающими поверхностями и фильтра, выделяющего широкую область спектра, обладает избирательной пропускающей способностью. Такая оптическая система называется интерференционным светофильтром.
Важными характеристиками светофильтра являются (рис.3):
- величина максимального пропускания Тmax;
- длина волны максимума пропускания lmax;
- ширина полосы пропускания dl = l2-l1, где l2и l1 - длины волн, на которых пропускание уменьшается в два раза: 
;
- фактор контраста, который дает отношение максимального и минимального пропусканий.
Ширина полосы пропускания интерференционного светофильтра намного меньше, чем у обычного абсорбционного фильтра (например, у цветного стекла), и может составлять до десятых долей нм при пропускании в максимуме в десятки процентов.
Длину волны максимума пропускания lmax можно сдвигать в сторону меньших значений поворотом интерференционного фильтра, увеличивающим угол падения q(см. рис.1 и соотношение (1)). Однако область такой перестройки ограничена, поскольку коэффициент отражения R от многослойных диэлектрических зеркал также зависит от угла падения и, в общем случае, максимален для q = 0.
Рис. 4. Устройство
интерференционного светофильтра
|
Интерференционный светофильтр изготавливается следующим образом: на стеклянную или какую - либо другую подложку Р, прозрачную в рабочей области фильтра (рис.4), наносится путем испарения в вакууме последовательно полупрозрачное зеркало S 2, прозрачный разделительный слой D и второе зеркало S 1 (S 1 и S 2 могут быть как металлическими, так и многослойными диэлектрическими зеркалами). F - широкополосный отражающий или поглощающий фильтр.
В настоящее время промышленно изготавливаются интерференционные фильтры для областей спектра от ближнего ультрафиолета до инфракрасной области. В данной работе исследуются интерференционные светофильтры длявидимой области спектра.
Описание установки.
Свет от источника (лампы накаливания) падает на исследуемый светофильтр, помещенный на специальном столике перед входной щелью монохроматора УМ-2 и, пройдя через монохроматор, регистрируется фотоэлементом. Электрический сигнал с него подается на регистрирующее устройство - микроамперметр (описание монохроматора и регистрирующего устройства находится у лаборанта). Фильтр можно поворачивать вокруг вертикальной оси, при этом угол поворота отсчитывается по шкале, находящейся на столике.
Порядок выполнения работы.
1. Установить лампу накаливания на уровне входной щели монохроматора так, чтобы свет распространялся вдоль оптической скамьи (рельса) монохроматора. Включить лампу. Перемещая линзу в горизонтальной плоскости, сфокусировать свет на входную щель монохроматора.
2. Поместить интерференционный светофильтр на специальный столик перед входной щелью монохроматора перпендикулярно падающему лучу.
3. Включить питание микроамперметра и открыть затвор входной щели монохроматора.
4. Вращая барабан монохроматора, пройти последовательно весь диапазон длин волн (график градуировки барабана монохроматора прилагается к прибору). Определить длину волны, для которой наблюдается максимальное показание микроамперметра.
5. Установить на барабане монохроматора отсчет, соответствующий этой длине волны и изменением ширины входной щели добиться, чтобы показания микроамперметра соответствовали полной шкале. При этом ширина входной щели не должна превышать 0,5 мм.
6. Получить зависимость силы тока фотоэлемента от длины волны при нормальном падении света на светофильтр. Для этого, вращая барабан монохроматора, пройти последовательно весь диапазон длин волн с шагом 100 делений барабана. В районе максимального значения силы тока отсчеты рекомендуется снимать через 50 делений.
7. Получить аналогичные зависимости, повернув светофильтр на углы 250 и 350 .
8. Построить на одном графике кривые пропускания светофильтра, учитывая спектральное распределение энергии излучения источника. Для этого каждое значение силы тока для данной длины волны необходимо разделить на соответствующее значение спектральной плотности энергии излучения источника rl. Значения этой величины для лампы накаливания приведены в таблице 1:
Таблица 1. Спектральная плотность энергии излучения лампы накаливания rl в относительных единицах (вольфрам, Т = 3000К).
| l, нм | ||||||||||||||||
| rl, отн. ед. |
9. Повторив пункты 6 и 8, получить спектральную кривую пропускания широкополосного светофильтра (цветное стекло) при нормальном падении света и построить эту кривую на том же графике.
10. По полученным кривым определить длину волны максимума пропускания lmax и ширину полосы пропускания dl светофильтров.
Контрольные вопросы:
1. Интерференция монохроматического света. Ширина интерференционных полос.
2. Способы получения когерентных волн методом деления амплитуды.
3. Интерференция в тонких пленках.
4. Осуществление многолучевой интерференции методом деления амплитуды. Интерферометр Фабри - Перо.
5. Интерференционные светофильтры, их характеристики.
6. Просветление оптики. Диэлектрические зеркала.
7. Сформулируйте цель работы, опишите экспериментальную часть и обсудите результаты.
Дополнительная литература:
Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. - М:, Издательство Московского университета, 1994.
Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. - М:, Наука 1972.
Коломийцов Ю.В. Интерферометры - Л:, Машиностроение, 1976.
Лабораторная работа 25. Изучение пространственной когерентности
|
|
|
