Устройство спектрофотометра spekol

SPEKOL – однолучевой фотометр, предназначенный для работы в видимом диапазоне 420 ÷ 750 нм (спектральный диапазон может быть расширен до 340 ÷ 850 нм). Основные элементы фотометра приведены на рис. 2.

Р ис. 2. Схема спектрофотометра SPEKOL

Световой поток от лампы накаливания 1 (6 В; 30 Вт), подключенной к стабилизированному источнику питания, с помощью конденсора 2 и поворотного зеркала 3 фокусируется на входную щель 4. Осветитель укреплен на задней стенке прибора.

Основной частью фотометра является дифракционный монохроматор. Световой поток, пройдя входную щель и ахроматический объектив 5, падает на дифракционную решетку 6. В монохроматоре используется отражательная дифракционная решетка 650 штр./мм. Входная щель 4 должна находиться точно в фокальной плоскости объектива 5, чтобы обеспечить параллельность светового пучка заполняющего решетку. Отразившийся от решетки, световой поток в результате дифракции разлагается в спектр, и, пройдя ахроматический объектив 7, выделенное из спектра монохроматическое излучение фокусируется в плоскости выходной щели монохроматора 8.

Далее это излучение проходит через исследуемый образец 9 и попадает на фотоприемник 10. В качестве фотоприемника используется селеновый фотоэлемент. Ток фотоприемника усиливается с помощью транзисторного усилителя 12 и регистрируется стрелочным индикатором 13. Стрелочный индикатор 13 имеет две шкалы: верхняя логарифмическая используется для измерения оптической плотности, по нижней линейной определяют коэффициент пропускания (в %).

С помощью барабана длин волн 11, выведенного на переднюю панель прибора, дифракционная решетка может поворачиваться на небольшой угол, что обеспечивает сканирование по длинам волн в пределах всего рабочего диапазона монохроматора (340 ÷ 850 нм). Цена деления шкалы барабана – 1нм.

Для измерения спектров пропускания используется съемная приставка EK1, которая фиксируется двумя винтами на передней панели за выходной щелью монохроматора. Исследуемый светофильтр (или кювета с раствором) помещается перед одним из двух окон в выдвижной кассете приставки (рис. 3).

SPEKOL может быть укомплектован 16 различными измерительными приставками, позволяющими, в частности, измерять спектры отражения и флюоресценции, измерять помутнение растворов, проводить фотометрическое титрование и др.

Рис. 3. Внешний вид спектрофотометра SPEKOL со стороны передней панели: 1 – исследуемый образец; 2 – выдвижная кассета; 3 ‑ приставка EK1 для измерения спектров пропускания; 4 – стрелочный индикатор; 5 – потенциометр установки "0"; 6 – потенциометр установки "100"; 7 – барабан установки длин волн; 8 – затвор выходной щели

Порядок выполнения работы

1. Измерение коэффициента пропускания.

   1. Убедиться в том, что осветитель подключен к стабилизированному источнику питания, источник питания включен в сеть ~ 220 В, а приставка EK1 установлена на лицевой панели спектрофотометра.

   2. Включить тумблером источник питания, убедиться, что загорелась лампа осветителя, прогреть спектрофотометр в течение 15 мин.

   3. Выдвинуть кассету 2 из приставки EK1 влево до упора, как показано на рис.3, и установить напротив окна кассеты зеленый светофильтр 1 (светофильтр должен фиксироваться, полностью перекрывая всю площадь окна и не мешая кассете задвигаться в приставку). В кассете имеется также второе окно, равное первому. В положении, показанном на рис. 3, оно находится строго против выходной щели монохроматора. Если кассету задвинуть в приставку вправо до упора, то напротив выходной щели монохроматора окажется окно с образцом.

   4. Установить на барабане длин волн 7 начальную длину волны 420 нм, закрыть затвор 8 (положение "0") и потенциометром 5 установить стрелку индикатора 4 на отметку 0 по нижней шкале, затем открыть затвор 8 (положение "1") и потенциометром 6 установить стрелку индикатора 4 на отметку 100 по нижней шкале. (Если установить стрелку на отметку 100 не удается, необходимо отъюстировать лампу осветителя.)

   5. Задвинуть вправо до упора кассету с образцом и произвести отсчет коэффициента пропускания T в % (по нижней шкале) и оптической плотности D (по верхней шкале) на установленной длине волны 420 нм.

   6. Повторить пункты 1.4, 1.5, увеличивая каждый раз длину волны на 20 нм до значения 740 нм (всего измерения будут сделаны в 17 точках видимого диапазона).

   7. Повторить пункты 1.4, 1.5, 1.6 для двух других (желтого и красного) светофильтров. Данные всех измерений занести в таблицу.

Таблица

№ п/п	Длина волны λ, нм	Светофильтры
		Зеленый		Желтый		Красный
		T,%	D	T,%	D	T,%	D
1	420
2	440
3	460
…
17	740

2. Построить (на двух графиках) спектры пропускания и оптической плотности измеренных светофильтров.

3. Предполагая, что поглощение малó, рассчитать (и построить графически) R(λ), r(λ), n(λ) в соответствии с формулами (13), (14), (15) для желтого светофильтра.

4. Предполагая, что отражение малó, рассчитать (и построить графически) α(λ) в соответствии с (17) для зеленого светофильтра, предварительно измерив его толщину.

5. Проанализировать полученные результаты и оценить погрешности измерений.

Контрольные вопросы

1. Что называется коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания?

2. Поясните, почему выражения для коэффициентов отражения и пропускания (3) и (5) "несимметричны" по форме.

3. Сформулируйте закон Бугера. Какой физический смысл имеет показатель поглощения вещества?

4. Что называется оптической плотностью вещества?

5. Выведите формулы (10) и (11), описывающие коэффициенты отражения и пропускания плоскопараллельного образца в отсутствии поглощения.

6. Какие оптические характеристики можно определить для непоглощающего образца по его спектру пропускания?

7. Как рассчитать спектр поглощения образца, если потерями на отражение можно пренебречь? Какие экспериментальные измерения для этого нужно выполнить?

8. Выведите формулы (19) и (20), описывающие коэффициенты отражения и пропускания в общем случае.

9. Как устроен спектрофотометр SPEKOL? Нарисуйте схему прибора.

10. Объясните, почему дифракционная решетка может использоваться в качестве диспергирующего элемента в монохроматорах.

11. Как осуществляются экспериментальные измерения спектров пропускания? Для каких еще измерений предназначен SPEKOL?

Рекомендуемая литература

[1], [9], [11], [12], [13]

Лабораторная работа № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Приборы и принадлежности

Микроинтерферометр Линника (МИИ–4), стеклянные пластинки с зеркальным алюминиевым напылением (объекты исследования).

Цель работы – изучение использования явления интерференции в интерференционных приборах для прикладных инженерно-физических задач.

Краткая теория

Как известно, интерференцией называется изменение средней плотности потока энергии (или интенсивности), обусловленное суперпозицией когерентных электромагнитных волн.

Если в некоторой точке (например, с радиусом-вектором ) происходит наложение двух равных по интенсивности монохроматических волн

и ,

имеющих одинаковые частоты и поляризованных в одной плоскости, то результирующая интенсивность определится выражением

, (1)

где – интенсивности исходных волн;

– разность фаз волн в точке наложения.

Интенсивность (1) зависит от результата усреднения по времени. Если в течение времени разрешения фотоприемника, регистрирующего интенсивность, разность фаз многократно меняется случайным образом, то и интерференция не наблюдается .

Если в течение того же времени то принимает определенное значение в интервале [–1; +1] и наблюдается интерференция. Колебания (волны), разность фаз которых называются когерентными.

Когерентных волны обычно получают двумя способами: делением фронта или амплитуды первичной волны.

В интерферометрах, как правило, световая волна делится на части с помощью полупрозрачного зеркала, т.е. осуществляется деление волны по амплитуде (по интенсивности). После разделения световые волны в приборе проходят разные оптические пути до точки встречи и, если эти оптические пути не равны, то, очевидно, накапливают некоторую разность фаз.

Если при этом и разность фаз

 = 2m (2)

(m = 0, ±1, ±2, …. – порядок интерференционного максимума), то I = I_max =4I₀ – наблюдается максимум интенсивности, если и разность фаз

=(2m+1) (3)

(m = 0, ±1, ±2, …. – порядок интерференционного минимума), то I = I_min = 0 – минимум.

Разность фаз δ и разность хода лучей Δ (т.е. разность оптических длин, проходимых лучами от точки разделения до точки встречи) связаны между собой δ = kΔ, (k = 2π/λ – волновое число), следовательно, условия получения максимума и минимума при интерференции двух волн с учетом (2) и (3) можно сформулировать иначе.

Если оптическая разность хода лучей кратна четному числу полуволн Δ = 2m·λ/2 (m = 0, ±1, ±2, …), наблюдается максимум интенсивности, если нечетному числу полуволн Δ = (2m +1)λ/2 – минимум. (Под оптической длиной понимается произведение геометрического пути l, проходимого лучом, на показатель преломления среды n, в которой распространяется луч.)

Поскольку световые волны, испускаемые реальными источниками излучения, не являются строго монохроматическими и изменяют с течением времени фазу колебаний, то при реализации любой интерференционной схемы необходимо учитывать длину когерентности, равную расстоянию, при прохождении которого случайное изменение фазы волны не превышает π. Следовательно, разность хода лучей в схеме не должна превышать длину когерентности – это одно из условий наблюдения четкой интерференционной картины.

Р ассмотрим классическую схему интерферометра Майкельсона (рис. 1). В этом приборе для получения когерентных волн использован метод деления амплитуд.

Рис. 1. Схема интерферометра Майкельсона

Параллельный пучок света от монохроматического источника S, расположенного в фокальной области объектива О₁, падает на полупрозрачную пластинку P₁ и разделяется по амплитуде в точке A на два когерентных луча 1 и 2. Лучи 1 и 2, отразившись от зеркал M₁ и M₂, возвращаются в точку A и, пройдя через объектив О₂, интерферируют в его фокальной плоскости.

Регистрировать интерференционную картину можно визуально или с помощью фотоприемника ФП. Результат интерференции зависит от разности хода лучей 1 и 2 и определяется длинами плеч интерферометра AC и BC. Чтобы упростить расчет, дополнительную разность хода, возникающую из-за двойного прохождения луча 2 через светоделительную пластинку P₁, компенсируют с помощью пластинки P₂, устанавливаемой на пути луча 1.

Пусть AB = l₁ , AC = l₂, тогда Δ = 2(AC – AB) = 2(l₁ –l₂).

Если зеркало M₂ неподвижно, а зеркало M₁ перемещается по направлению луча 1, то в фокальной плоскости объектива O₂ будет наблюдаться меняющаяся интерференционная картина, представляющая собой светлые и темные концентрические кольца, причем в центре будет светлое пятно (усиление) если разность хода лучей равна четному числу полуволн Δ = 2(l₁ –l₂) = 2m·λ/2 и темное пятно (ослабление) – если разности хода равна нечетному числу полуволн Δ = 2(l₁ –l₂) = (2m +1)·λ/2, (m = 0, ±1, ±2, … – порядок интерференционного максимума или минимума). При увеличении разности хода наблюдается размывание полос интерференции, так как время и длина когерентности конечны.

Описанная интерференционная картина имеет место в том случае, когда зеркала M₁ и M₂ расположены строго перпендикулярно, а лучи 1 и 2 аксиально симметричны. Если одно из зеркал незначительно повернуть вокруг оси, перпендикулярной плоскости рис. 1, нарушив таким образом их взаимную ортогональность, то интерференционная картина будет представлять собой систему равноотстоящих темных и светлых параллельных прямых.

Существуют различные модификации интерференционных схем, представляющие собой по существу специализированные приборы для решения ряда конкретных прикладных задач: измерения абсолютных и относительных линейных размеров тел, длин волн, показателей преломления газов, угловых размеров звезд, а также спектрального анализа излучения, контроля формы и дефектов поверхности оптических деталей и др.

Описание экспериментальной установки

и методики измерений

М икроинтерферометр Линника (МИИ–4) служит для визуальной оценки, измерения и фотографирования высоты неровностей тонкообработанных отражающих поверхностей. На рис. 2 приведена оптическая схема интерферометра МИИ–4.

Рис. 2. Схема микроинтерферометра МИИ–4

Свет от источника S, пройдя через входной объектив O₁, сменный монохроматический светофильтр F и апертурную диафрагму D₁, делится полупрозрачной пластинкой P₁ на два когерентных луча. Луч 1 отражается от эталонного зеркала M₁, а луч 2 – от поверхности исследуемого объекта, помещенного на предметный столик T. Пройдя через объектив O₂ и отразившись от поворотного зеркала M₂, лучи 1' и 2' интерферируют в плоскости окуляра E.

Если светофильтр F введен, то интерференционная картина представляет собой чередующиеся темные и светлые полосы, при отсутствии светофильтра полосы приобретают цветовую окраску. Расстояние между интерференционными полосами и их направленность можно менять, смещая объектив O₃ перпендикулярно оси (лучу 1) и вращая его вокруг этой оси. Интервал между полосами зависит от длины волны. Поэтому в белом свете полосы для различных длин волн не совпадают друг с другом, за исключением нулевой полосы, определяющей ось симметрии интерференционной картины.

Если поверхность тела, помещенного на столик T, имеет неглубокие царапины или выступы, то участки интерференционных полос, соответствующие отражению от дефектов поверхности, искривляются. Это происходит потому, что длина пути, проходимого лучом 2, увеличивается или уменьшается, что ведет к изменению разности хода между интерферирующими лучами 1 и 2, в результате чего участки интерференционных полос смещаются в поле зрения (рис. 3).

Рис. 3. Связь интерференционных картин с профилем

дефектов поверхности

При смещении участка рельефа исследуемой поверхности на половину длины световой волны (вдоль луча 2, рис. 2) соответствующее искривление интерференционной полосы равно расстоянию между соседними полосами. Зная длину волны и величину искривления интерференционной полосы, можно вычислить линейный размер неровности.

С помощью МИИ–4 можно достаточно точно измерить изгиб полос, составляющий 0,1 интервала между полосами, что соответствует неровности h = 0,1·λ/2. Следовательно, разрешение прибора при использовании зеленого светофильтра (λ = 0,53 мкм) составит 0,0265 мкм. Очевидно, что в общем случае высота (глубина) неровности h (рис.4) рассчитывается по формуле

, (4)

г де s – величина искривления полосы; d – расстояние между полосами; λ – длина волны, определяемая используемым светофильтром.

Рис. 4. Схема измерений дефектов поверхности

В нешний вид микроинтерферометра МИИ–4 изображен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид микроинтерферометра МИИ–4

Предметный столик СТ, на который помещается исследуемый объект, может перемещаться на 10 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью микрометрических винтов В₁ и В₂ (цена деления их барабанов 0,005 мм) и вращаться на 360°. На тубусе Т установлен окулярный микрометр ОМ (МОВ–1–15). С помощью микрометрического винта В₃ (цена деления лимба винта 0,003 мм) осуществляется фокусировка на объект.

Интерференционная головка прибора состоит из трех частей:

– в левой части размещены лампа осветителя Л с юстировочными винтами, зеленый и желтый светофильтры СФ на выдвигающейся пластине, кольцо с накаткой КЛ для изменения апертурной диафрагмы;

– в средней части (внутри корпуса интерферометра) расположены объектив О₄ (рис. 2), светоделительная и компенсационная пластинки Р₁ и Р₂ , а также рукоятка РК (рис. 5), управляющая шторкой. При включенной шторке (стрелка на торце рукоятки расположена вертикально) микроинтерферометр переключается в режим металлографического микроскопа;

– правая часть содержит объектив О₃ и эталонное зеркало М₁ (рис. 2). С помощью винта В₄ (рис. 5) можно изменять расстояние между интерференционными полосами и направление полос в поле зрения. При вращении винта В₄ вокруг собственной оси изменяется расстояние между полосами, при вращении винта вокруг оси головки интерферометра – направление полос. Винт В₅ служит для смещения полос в поле зрения микроскопа.