6. Устройство и принцип действия рефрактометра

Приборы для определения показателя преломления различных веществ называются рефрактометрами.

Прежде чем перейти к описанию прибора, напомним ход лучей через трехгранную призму, которая часто используется при устройстве различных оптических приборов. Пусть на ребро трехгранной призмы падает под углом /'; луч АВ монохроматического света (рис. 4, а).

Рис.4. Прохождение света через трехгранную призму.

В точке В луч преломляется так, что приближается к перпендикуляру, восставленному к грани призмы в точке падения, в точке С он, выходя из призмы, преломляется так, что отдаляется от перпендикуляра, восставленного к грани призмы. В результате луч АВ отклоняется к основанию призмы на угол , величина которого зависит от угла 8 при вершине призмы (преломляющий угол призмы), от показателя преломления п вещества призмы и от углаi₁падения луча на призму. На рис.4(б) показано преломление в призме белого света и разложение его при этом в спектр (дисперсия).

Если угол падения луча на вторую грань призмы будет больше предельного, луч претерпит полное внутреннее отражение и выйдет из призмы через ее третью грань (рис.5). На этом основано устройство поворотной и оборачивающей призм. Обе призмы имеют преломляющий угол 90°, т. е. являются прямоугольными призмами, ход лучей в них понятен из рисунка. Поворотная призма (рис.5, а) изменяет направление хода лучей на 90°. Оборотная призма (рис.5, б) изменяет взаимное расположение лучей, вследствие чего изображение, которое они образуют, поворачивается на 180°.

Рис.5. Изменение хода лучей с помощью трехгранной призмы.

В медицинской практике обычно приходится определять показатели преломления жидкостей. Для этой цели применяется рефрактометр типа РЛ-2. Основу прибора составляют две прямоугольные призмы из стекла с высоким показателем преломления пп, сложенные гипотенузными гранями, между которыми помещается тонкий слой исследуемой жидкости (рис. 6).

Рис.6 Принципиальная схема рефрактометра.

Верхняя призма О осветительная, ее гипотенузная грань матовая. Нижняя призма И - измерительная, у нее матовая часть боковой наружной грани. Определение показателя преломления можно делать как в преломленном, так и в отраженном свете. Последнее применяется при окрашенных и сильно поглощающих свет жидкостях.

Ход лучей в первом случае показан схематически на рис.6, а. Свет (дневной или от электрической лампочки) зеркалом 3 направляется на боковую грань осветительной призмы. Рассеиваясь при выходе через ее матовую грань АБ, свет проходит слой жидкости и входит в измерительную призму по всевозможным направлениям, включая и угол

падения, близкий к 90°. В измерительной призме лучи, преломляясь, проходят только по направлениям, лежащим внутри предельного угла преломления r_пр. Величина этого угла определяется с помощью зрительной трубы Т. Объектив трубы фокусирует параллельные лучи, выходящие из отдельных точек грани ГД призмы И под различными углами. В связи с этим наблюдаемое через окуляр поле зрения трубы разделяется на светлую и темную части, граница между которыми соответствует границе углаr_пр. Если труба установлена так, что эта граница проходит по ее оси, то угол наклона ее равен углу гпр. Угол наклона трубы может быть измерен по соответствующей шкале. Тогда показатель преломления исследуемой жидкости относительно воздуха п находится по формулеn=n₀sinr_np, гдеn₀— показатель преломления стекла призм.

Во втором случае (рис.6, б) свет от зеркала направляется на матовую боковую грань ГЕ измерительной призмы. Рассеиваясь, он входит в призму и падает на ее гипотенузную грань ГД по всевозможным направлениям, включая и угол падения, близкий к 90°. Часть лучей проходит в жидкость и верхнюю призму. Однако лучи, падающие под углом, больше предельного i_npотражаются от грани ГД и по выходе из призмы попадают в зрительную трубу, поле зрения которой также разделяется на светлую и темную части. Устанавливая трубу по границе между ними, определяют уголi_np, а по нему находят искомый показатель преломления: Оптическая система рефрактометра содержит еще две вспомогательные призмы. Одна из них компенсирует дисперсию белого света в призмах О и И., в связи с чем результаты измерения соответствуют желтой линии натрия. Вторая - поворотная призма позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно плоскости расположения призм О и И, что значительно облегчает наблюдение

Волоконная оптика и ее использование в оптических устройствах

Традиционными элементами оптических систем, формирую­щих световой пучок, являются линзы,

зеркала, призмы, плоско­параллельные пластинки и т. п. Начиная с 50-х гг. прошлого сто­летия к этим элементам прибавились волоконно-оптические дета­ли, которые способны передавать свет по каналам, называемым светопроводами.

Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопро­водам.

Этим же термином иногда называют и сами волоконно-оптические детали и приборы.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего от­ражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отра­жается и распространяется вдоль этого волокна (рис. 21.29). Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены погло­щением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—70% энергии.

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкос­ти светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) — световоды. На рис. 21.30 схематически показан световод; из-за хаотического расположения волокон изображение цифры 1 искажено.

В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения

В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдель­ных волокон в световоде, для второго сущест­венно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Примером применения волоконной опти­ки для модернизации существующих меди­цинских аппаратов является эндоскоп — спе­циальный прибор для осмотра внутренних по­лостей (желудок, прямая кишка и др.). Он состоит из двух основных частей: источника света и смотровой части. С использованием волоконной оптики удалось, во-первых, свет от лампочки передавать внутрь органа по световоду, тем самым из­бегая нежелательного нагревания этого органа, которое неизбежно возникало при помещении источника света внутри полости в эндо­скопах прежней конструкции; во-вторых, что самое главное, гиб­кость волоконно-оптических систем допускает осмотр большей час­ти полостей, чем с помощью жестких эндоскопов.

На рис. 21.31 показан волоконный гастроскоп. С его помощью можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики. Именно эти потребнос­ти медицины стимулировали развитие волоконной оптики вообще. С помощью световодов осуществляется передача лазерного излу­чения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опу­холи.

В заключение заметим, что сетчатка глаза человека является высокоорганизованной волоконно-оптической системой, состоящей примерно из 130 • 1,0^е волокон. Это, вероятно, наиболее сложная волоконно-оптическая система, существующая в настоящее время

Рис. 21.29

Рис. 21.30

Рис. 21.31

14