Лабораторная работа для спец. "Экология"

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
"Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого"
Институт электронных и информационных систем
Кафедра общей и экспериментальной физики
Лабораторная работа
Определение спектров пропускания и коэффициентов
поглощения светофильтров
Для студентов
специальности 020801 – экология
по учебному курсу физические основы спектрального анализа
.
Автор-составитель
Д.т.н., профессор каф. ОиЭФ
______________В.В. Гаврушко
“____”_______________2012 г.
Зав. каф. химии и экологии,
проф.
______________В.Ф.Литвинов
“____”_________________2012 г..
ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД
2012
2
Определение спектров пропускания и коэффициентов
поглощения светофильтров
1. Цель работы
Знакомство с методами определения оптических характеристик
светопоглощающих материалов на примере абсорбционных светофильтров.
2. Краткие сведения из теории
2.1 Абсорбция света
Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии
световой волны при прохождении её через вещество. Получим зависимость
интенсивности параллельного пучка света от расстояния при его
распространении в поглощающей среде. Пусть свет проходит тонкий слой,
толщиной dx, такой, чтобы его интенсивность в пределах слоя уменьшалась
не сильно (рис. 1).
J(x+dx)
J(x)
dx
Рис.1 Поглощение света в тонком слое вещества
Очевидно, что поглощение света (dJ) в тонком слое (dx) будет тем
большим, чем выше интенсивность падающего света J(х). Это можно
записать в виде пропорциональной зависимости между ними:
dJ  J(x).
3
Можно также утверждать, что поглощение света (dJ) будет увеличиваться
при увеличении толщины слоя dx:
dJ  dx
Введем коэффициент пропорциональности ( α), объединим и
запишем эти зависимость в виде р авенства:
dJ  Jdx .
Знак минус отражает тот факт, что происходит потеря энергии. Это
исходное дифференциальное уравнение, связывающее интенсивность света с
координатой. Решим его методом разделения переменных. Перенесем в левую
часть члены, содержащие J, а в правую х:
dJ
 dx
Проинтегрируем левую и правуюJчасть равенства и выполним следующие
преобразования:
J dJ x
   αdx

J0 J 0
x
J
ln J
 α x
0
J0
ln J  ln J o  αx
J
ln  αx
J0
J
 e αx
J0
J  J e  αx
0
Полученное выражение носит название закона Бугера-Ламберта, где:
J0, J - интенсивность исходного и прошедшего через слой вещества
излучения,
- коэффициент поглощения света веществом,
х – глубина проникновения луча.
4
Выясним физический смысл коэффициента поглощения света. Пусть на
некоторой глубине х0 выполняется равенство:
·х0 = 1,
при этом интенсивность света уменьшится в е раз. Тогда величина
коэффициента поглощения света  может быть определена как:
 = 1/ х0 .
Коэффициент поглощения  численно равен обратной толщине слоя,
проходя который, интенсивность света падает в е раз.
Величина коэффициента поглощения зависит от длины волны света,
химической природы вещества и не зависит от интенсивности света и
толщины поглощающего слоя.
Коэффициент  изменяется для разных веществ в очень широких
пределах от 10-7 м-1 для диэлектриков до 107 м-1 для металлов. Если  зависит
от длины волны, то поглощающие вещества будут 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 хорошо пропускают свет только в определенных
спектральных диапазонах. Таким образом, чем больше  для данной длины
волны, тем сильнее происходит поглощение света.
2.2 Спектральные характеристики фильтров
Спектральная характеристика фильтров обычно представляется в виде
зависимости коэффициента пропускания света от длины волны. Коэффициент
пропускания ( ) определяется как отношение интенсивности света после
прохождения светофильтра J к интенсивности света падающего на фильтр J0:
(λ) = J/J0
При расчете коэффициента пропускания светофильтра необходимо
учитывать, кроме поглощения света, потери на отражение от двух
поверхностей стекла и вводить соответствующую поправку. При нормальном
падении света на плоскую границу раздела с диэлектриком (стеклом) часть
света отражается, причем коэффициентом отражения называется величина ,
равная:
= Jотражен. /Jпад.
5
Коэффициент отражения может быть определен по формуле Френеля
через показатель преломления п:
 n 1  2

  

 n 1 
Тогда интенсивность света, прошедшая через границу раздела
составит:
J=J0(1- ).
Если учесть отражение от двух поверхностей фильтра (передней и
задней), а также поглощение в объёме, то интенсивность прошедшего света
составит:
j  j0 1  e x 1  .
Для коэффициента пропускания фильтра получим:
  1  2 e x .
Выразим из этого равенства коэффициент поглощения света:
ln   2 ln(1  )   x

 ln   2 ln(1  )
x
6
3. Приборы и оборудование
Внешний вид установки представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Общий вид лабораторной установки
1 - монохроматор, 2 - кюветное отделение, 3 - фотоприемный узел,
4 - модуль осветителя, 5 - блок обработки сигнала, 6 – мультиметр.
В модуле осветителя установлен полупроводниковый светодиод,
излучающий свет в диапазоне 400 .. 700 нм. Модуль осветителя закреплен
непосредственно перед входной щелью монохроматора на его корпусе. За
входной щелью установлен объектив, формирующий параллельный пучок,
проходящий через кюветное отделение и попадающий на фотоприемный узел.
7
Оптическая схема установки приведена на рисунке 3.
Рис.3. Оптическая схема лабораторной установки.
В качестве диспергирующего и фокусирующего элемента в
монохроматоре использована вогнутая дифракционная решетка 4 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 направляется на дифракционную решетку 4.
Дифракционная решетка строит изображение входной щели 2 в плоскости
выходной щели 6. Зеркала 3 и 5 осуществляют излом оптической оси
системы для более компактного размещения элементов в корпусе. 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. Изменение длины волны осуществляется поворотом решетки 5 вокруг
оси рукояткой, расположенной на торцевой стенке монохроматора. Механизм
поворота связан с цифровым механическим счетчиком, вмонтированным в
корпус
монохроматора,
с
помощью
которого
осуществляется
непосредственный отсчет длин волн с точностью ±0,2 нм.
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 (размером 0,2 мм). Исследуемый образец
помещают в тубус с закрывающейся крышкой кюветного отделения 2
(рис.2). В качестве объектов для исследования прилагаются светофильтры из
цветного оптического стекла.
8
4. Порядок выполнения работы
1. Включите источник питания и мультиметр. Установите на
мультиметре предел измерений 20 В.
2. Установите входную и выходную щели шириной 0.25 мм (в положение
I).
3. Подождите не менее 5 минут для стабилизации теплового режима
приемника излучения.
4. Произведите калибровку оптической системы. Для этого следует при
пустом тубусе кюветного отделения снять зависимость показаний
мультиметра (Uo) от длины волны  в диапазоне длин волн от 370 нм
до 830 нм с шагом 10 нм. В случае слабых сигналов переключайте
пределы измерения мультиметра (20В, 2В, 200мВ).
5. Поместите в тубус кюветного отделения поочередно прилагаемые
светофильтры и снимите соответствующие зависимости показаний
мультиметра (Ui) от  для каждого светофильтра в том же диапазоне длин
волн (длину волны рекомендуется устанавливать с тем же шагом, что и в
п.4).
6. Выключите источник питания и мультиметр.
Если измеренное вольтметром напряжение составляют менее 0.1В,
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 поблизости от лабораторной
устоновки радиопередающие устройства (в частности, мобильные
телефоны) - это может вызвать ошибки в измерениях.
7. Постройте графики зависимости коэффициента пропускания излучения
светофильтров от длины волны  ():
 = Ui/U0.
8. Сделайте соответствующие физические выводы, охарактеризуйте цвет
фильтра по полученной для него спектральной характеристике.
9 Рассчитайте и постройте спектральную зависимость коэффициента
поглощения света для одного из светофильтров. Толщину светофильтра
принять равной 2 мм. Показатель преломления света принять равным 1,5
 0,1.
9
10. Рассчитайте погрешности в определении коэффициента пропускания
фильтра и коэффициента поглощения света на одной, заданной
преподавателем, длине световой волны.
11. Отчет о лабораторной работе должен содержать:
 цель работы;
 оптическую схему установки;
 таблицу измерений калибровки оптической системы (Uo) от ;
 таблицы показаний мультиметра (Ui) от  для каждого
светофильтра;
 расчетные формулы и примеры расчета коэффициента
пропускания и коэффициента поглощения света (для одной длины
волны);
 графики зависимости коэффициента пропускания излучения
светофильтрами от длины волны  ();
 графики зависимости коэффициента поглощения света для одного
из светофильтров;
 расчет погрешности коэффициента пропускания фильтра и
коэффициента поглощения света на одной длине световой волны.
ЛИТЕРАТУРА:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособ. для вузов. - 17-е
изд.,стер. - М. : Академия, 2008. – 557 с.
Ландсберг Г.С.. Оптика: Учеб. пособ. для вузов.- 5-изд., перераб. и
доп.. - М.: Наука, 1976.-929 с.
Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учеб. пособ. для вузов.- 3-изд.,
перераб. и доп.. - М.: Высш. шк., 1995. -463 с.
Лебедева В.В. Экспериментальная оптика: Оптические материалы.
Источники, приемники, фильтрация оптического излучения: Учеб.
для вузов. - М., Изд-во Моск. ун-та, 1994. - 364 с.
Цветное оптическое стекло и особые стекла. Каталог. Под. ред
Г.Т.Петровского. - М.: Дом оптики, 1990. - 227 с.
Исследование спектров поглощения и пропускания. Методическое
пособие. С-Петербург. Изд-во ЗАО «СИСТЕМОТЕХНИПКА» 2004. -18с.