itmo48

Стеклянные фильтры менее хрупки и гигроскопичны, более технологичны и стойки к воздействию агрессивных сред, чем кристаллические. В стекло вводятся красители в молекулярном (окислы и соли хрома, никеля, железа и т. п.) или коллоидном (соединения меди, золота, кадмия) состоянии. Силикатные стеклянные фильтры являются длинноволновыми отрезающими в средней и коротковолновыми в дальней инфракрасных областях (рис. 8).

τ

1 , 0

0 , 8

0 , 6

0 , 4

0 , 2

0		λ ,	м к м
	3	5
1

Рис. 8. Пропускание стекла К-8

Кроме кристаллов и стекла могут применяться также оптическая керамика (иртраны CaF2 , MgF2 , ZnS, ZnSe, MgO) и пластмассы (полиэтилен, полистирол, полиметилметакрилат).

Интерференционные фильтры. В качестве интерференционых используются многослойные диэлектрические фильтры. Интерфе-

ренционные явления при прохождении излучения через ряд подобранных пленок приводят к изменению его коэффициентов пропускания для различных длин волн.

Интерференционный фильтр состоит из нескольких компонентов, каждый из которых содержит совокупность тонких пленок и называется "системой". Системы делятся на основные (формирующие полосу пропускания) и дополнительные (для устранения вторичных полос пропускания основной системы). Материалами служат фториды, сульфиды, селениды, окислы (SiF2 , SiO, CeO2 , ZnS, Sb2O3 и др.). Интерференционные фильтры с оптической толщиной слоев, равной λ0/4, называют четвертьволновыми. По спектральным характеристикам они делятся на узкополосные и отрезающие.

11

τ

1,0

0,1

λ

	λкп τфк				λдп
				τфк
		λmax = λ0

Рис. 9. Спектральная характеристика элементарного узкополосного интерференционного фильтра

Элементарный узкополосный фильтр (рис. 9) характеризует-

ся следующими параметрами (кроме общих, рассмотренных ранее): 1) величиной коэффициента пропускания τф в нерабочих об-

ластях спектра (фон) для λ < 0,85λ0,5к и λ > 1,15λ0,5д , где λ0,5к и λ0,5д -

длины волн на коротко- и длинноволновой границах рабочей полосы, при которых коэффициент пропускания составляет 0,5τmax ;

2) длинами волн λкп и λдп , соответствующими 10% пропускания на вторичных коротко- и длинноволновой полосах пропускания.

Составной узкополосный и полосовой фильтр характеризует-

ся следующими параметрами (кроме указанных для элементарного узкополосного фильтра):

1) длиной волны λср , соответствующей центру полосы пропускания:

λср = (λ0,5к + λ0,5д) / 2 ; 2) средней величиной коэффициента пропускания в рабочей

области.

Отрезающий фильтр характеризуется (кроме общих парамет-

ров):

1) крутизной коротковолнового фронта кривой пропуска-

ния:

К= λгр / λτ = 0,6 ;

2)длиной волны λкп , соответствующей 10% пропускания на

фронте вторичной коротковолновой полосы.

Простейший интерференционный фильтр состоит из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покрытого с обеих сторон полупро-

12

зрачным металлическим слоем, и аналогичен интерферометру ФабриПеро . В результате интерференции максимальное пропускание соответствует длине волны, для которой оптическая толщина диэлектрика кратна половине длины волны:

τ = τ0 / {(1 - ρ0)2[1 + 4ρ0 sin2 (δ/2) / (1- ρ0)2 ]} ,

где δ = 4πnl n2 −sin2 ε / λ + δ0 ; δ0 - фазовый сдвиг при отражении на полупрозрачном слое; τ0 и ρ0 - коэффициенты пропускания и отражения полупрозрачных слоев; l - толщина подложки; n - показатель преломления подложки; ε - угол падения лучей.

Для получения высокой добротности используются многослойные фильтры с чередованием слоев с низким и высоким показателем преломления, обозначающиеся следующим образом: О - элементарный отрезающий; N.O - отрезающий из N элементарных фильтров типа О; Уk - элементарный узкополосный с оптической толщиной подложки kλ/2 , где k - целое число (k = 1 не указывается); N0(УkL-…- УkL) - узкополосный из N фильтров типа Уk с L слоев в каждом (при одинаковых элементарных фильтрах система обозначается NУk); П1, П2, П3 - полосовые фильтры с различным чередованием слоев. Пример обозначения: 2.О(13.11)-16-31 - отрезающий фильтр из двух 13- и 11-слойных элементарных, изготовленный из германия и моноокиси кремния. Слои наносятся на подложку из раствора или испарением в вакууме.

При работе фильтров в сходящихся или наклонных пучках происходит изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего λгр , λmax и λср смещаются в коротковолновую область, пропускание уменьшается, полуширина полосы увеличивается.

Составные фильтры конструктивно состоят из элементарного на отдельной подложке и отрезающего коротковолнового (пропускание в длинноволновой области устраняется поглощающей подложкой, селективным приемником оптического излучения, методом остаточных лучей).

При негерметичной конструкции производится установка защитной пластины и подложек покрытиями внутрь через тонкие прокладки в металлическую оправу с прижимным кольцом.

При герметичной конструкции наружные подложки устанавливаются в оправу на эпоксидном клее К-300-61.

Дисперсионные фильтры. Действие дисперсионных фильтров основано на том, что если при дисперсии dn/dλ ≠ 0 разность показателей преломления среды и неоднородностей в ней n равна 0 для

13

некоторой λ = λ0 , то рассеяние носит резко селективный характер. Это означает, что система "кристаллический порошок - жидкость" или "кристаллический порошок - воздух" прозрачна для длины волны, при которой показатели преломления кристалла и жидкости или кристалла и воздуха совпадают.

Излучение с другими длинами волн рассеивается из-за разности показателей преломления (рис. 10). Это явление носит название

эффекта Христиансена.

n

θ

1 2

λ τ

3

λ λ0

Рис. 10. Кривые дисперсии (1, 2) и полоса пропускания дисперсионного фильтра (3)

Подбор материалов для изготовления дисперсионных фильтров производится по известным кривым дисперсии веществ. Показатель преломления претерпевает сильное изменение вблизи полосы поглощения. Справа и слева от нее он плавно уменьшается с ростом длины волны, а при подходе со стороны коротких длин волн резко снижается, становясь меньше единицы (рис. 11). Форма кривой дисперсии, величина показателя преломления, число полос поглощения определяются структурой материала: типом связи между атомами, классом симметрии решетки, атомным весом.

На ширину полосы пропускания дисперсионного фильтра влияют размеры неоднородностей (чем они меньше, тем шире полоса), а также угол пересечения дисперсионных кривых θ (рис. 10). Полуширина полос растет с увеличением длины волны, но их отношение к

14

длине волны максимального пропускания почти постоянно и равно

0,1…0,2.

n

1 2

2,0

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0 λ, мкм

2

4

6

8

10

12

14

Рис. 11. Дисперсионные кривые: 1- SiO2 ; 2 - сероуглерод

Выбор отрезающего коротковолнового фильтра к ПОИ ИК из-

лучения. Выбор сводится к определению оптимальной λгр для получения максимального электрического сигнала с ПОИ при заданных спектральных характеристиках излучения цели и фона.

Фλ	Фλф
	Фλо
	λ
	λгр
	Рис. 12. К выбору фильтра

Методика определения λгр сводится к следующему:

1) по справочнику берут световую характеристику ПОИ I =

=f(Φ); крутизна ее максимальна при малых потоках;

2)строят зависимость дифференциальной интегральной чувствительности ПОИ от потока:

15

	Sинт = f(Φ) = dI / dΦ ;
3) строят	зависимость потока фона Φф		и потока объекта Φс
от λгр (рис. 12):
Φс = f(λгр) =		∞∫Φλоdλ и Φф = f(λгр) = ∞∫Φλфdλ ;
		λгр	λгр

как правило, поток объекта изменяется слабо;

4)на графике Φс = f(λгр) строят Sинт = f(Φф) = f[Φф(λгр)];

5)перемножая координаты графиков Sинт = f[Φф(λгр)] и Φс =

=f(λгр), строят Iс = f(λгр) и по максимуму этой функции определяют

λгр.оптим.

Устройство спектрофотометра СФ-26

Спектрофотометр служит для измерения коэффициента пропускания исследуемого образца τ, равного отношению потока излучения Ф, прошедшего через измеряемый образец, к потоку излучения Ф0 , падающему на образец (или прошедшему через контрольный образец, коэффициент пропускания которого принимается за единицу, например, воздух), и выражаемого формулой

τ= (Ф 100%) / Ф0 .

Вмонохроматический поток излучения поочередно вводятся

контрольный и измеряемый образцы. При введении контрольного образца стрелка измерительного прибора устанавливается на деление 100% регулировкой ширины щели. При введении измеряемого образца величина коэффициента пропускания отсчитывается по шкале, отградуированной в процентах.

Оптическая схема - автоколлимационная (рис. 13). Излучение от источника 1 при установке рычага конденсора в положение "Н" (лампа накаливания - для работы в области от 340 до 1100 нм) или 1' при установке рычага в положение "Д" (дейтериевая лампа - для работы в области от 186 до 350 нм) падает на поворачивающийся конденсор 2, который направляет его на зеркало 3 и создает изображение источника в плоскости линзы 4, расположенной перед входной щелью 5. Затем излучение попадает на зеркальный объектив 6, после которого параллельным пучком направляется на призму 7.

16

2

12

7

1'

1

15

11

			14
6		3	10
	5(8)		13
		4(9)

Рис. 13. Оптическая схема СФ-26

Пройдя призму под углом, близким к углу наименьшего отклонения, и отразившись от ее алюминированной грани, диспергированный пучок фокусируется объективом на выходной щели 8, расположенной над входной щелью 5. При вращении призмы с помощью рукоятки "ДЛИНЫ ВОЛН" монохроматическое излучение различных длин волн проходит после щели 8 через линзу 9, расположенную над линзой 4, контрольный 14 или измеряемые 15 образцы, устанавливаемые рукояткой, фиксирующейся в четырех положениях, линзу 10 и с помощью поворотного зеркала 11 собирается на фотокатоде фотоэлемента 12 при установке переключателя зеркала в положение "К" (с кислородно-цезиевым фотокатодом - для измерений в области от 600 до1100 нм) или 13 при установке переключателя зеркала в положение "Ф" (с сурьмяно-цезиевым фотокатодом и кварцевым окном - для измерений в области от 186 до 350 нм). Ширина щелей регулируется рукояткой "ЩЕЛЬ".

Органы управления монохроматора описаны в приложении.

Порядок выполнения работы

1. Подготовка спектрофотометра к работе.

1.1.Установить источник и приемник излучения для спектрального диапазона измерений от 600 до 1100 нм.

1.2.Поставить рукоятку шторки фотоэлементов в положение

"ЗАКР".

17

1.3.Рукояткой "ЩЕЛЬ" установить ширину щели 0,1 мм.

1.4.Рукоятку "КОМПЕНСАЦИЯ" установить в положение "0".

1.5.Включить тумблер "СЕТЬ" и проверить зажигание индикаторных ламп "СЕТЬ" и "Н".

1.6.Установить рукоятку "ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ" в положе-

ние "1".

1.7.Установить рукоятку "ОТСЧЕТ" в положение "×1".

2. Измерение полосы пропускания интерференционного фильт-

ра.

2.1. Измерить коэффициент пропускания фильтра в диапазоне от 580 до 610 нм с шагом 2 нм и от 610 до 1100 нм с шагом, равным оцифрованным делениям шкалы длин волн:

2.1.1.Установить стрелку измерительного прибора на "0" рукояткой "НУЛЬ".

2.1.2.Открыть фотоэлемент, поставив рукоятку шторки в положение "ОТКР".

2.1.3.Откалибровать измерительный прибор на "100%":

а) установить длину волны; б) установить на пути излучения контрольный образец

(воздух) перемещением рукоятки образцов в положение "2"; в) установить стрелку измерительного прибора на "100%"

рукояткой "ЩЕЛЬ".

2.1.4.Измерить коэффициент пропускания на установленной

длине волны:

а) ввести в поток излучения интерференционный фильтр, переместив рукоятку образцов в положение "1";

б) снять отсчет по шкале измерительного прибора и занести его в табл. 1.

2.1.5.Повторить пп. 2.1.3, 2.1.4 для всех заданных длин

волн.

2.2.Повторить измерения (п. 2.1) 5 раз.

2.3.Установить рукоятку шторки в положение "ЗАКР".

				Таблица 1.
λ, нм	τ1 , %	…	τ5 , %	τср , %
580
…
1100

18

3. Измерение пропускания абсорбционного фильтра.

3.1.Измерить коэффициент пропускания фильтра в диапазоне от 520 до 620 нм с шагом 10 нм и от 620 до 1100 нм с шагом 100 нм:

3.1.1.Выполнить пп. 2.1.1…2.1.2.

3.1.2.Выполнить п. 2.1.3.

3.1.3.Измерить коэффициент пропускания на установленной

длине волны:

а) ввести в поток излучения интерференционный фильтр, переместив рукоятку образцов в положение "3";

б) снять отсчет по шкале измерительного прибора и занести его в табл. 1.

3.1.4.Повторить пп. 3.1.2, 3.1.3 для всех заданных длин

волн.

3.2.Выполнить пп. 2.2, 2.3.

4. Расчет параметров фильтров.

4.1.Рассчитать и обозначить на графике параметры абсорбционного фильтра.

4.2.Рассчитать и обозначить на графике параметры интерференционного фильтра.

Содержание отчета

1.Краткие сведения о классификации, характеристиках и параметрах фильтров.

2.Оптическая схема спектрофотометра и ее описание.

3.Таблица с результатами измерений и вычислений.

4.Расчет погрешности измерений (обработка одной строки из таблицы).

5.Рассчитанные по графикам параметры исследованных фильт-

ров.

По заданию преподавателя:

6.Задавшись энергетической характеристикой фототока приемника оптического излучения и спектральными характеристиками

объекта и фона, определить оптимальную λгр.

7. Построить спектральную характеристику германиевого фотодиода в сочетании с исследованным интерференционным фильтром.

Вопросы для подготовки

1. Классификация, характеристики и параметры фильтров.

19

2.Принцип действия отражающих фильтров.

3.Принцип действия поглощающих фильтров.

4.Принцип действия интерференционных фильтров.

5.Методика выбора отрезающего коротковолнового фильтра к

ПОИ.

6.Устройство спектрофотометра.

7.Определение спектральных характеристик фильтров.

Литература

1.Борисевич Н.А. и др. Инфракрасные фильтры. Минск: Наука

итехника, 1971. - 228 с.

2.Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение,

1968.

3.Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973.

4.ОСТ 3-854-72. Фильтры оптические интерференционные.

20