Принцип действия

Дисциплина: Физические основы оптоэлектроники

Лабораторная работа № 7.2

Измерение коэффициентов отражения и пропускания с помощью спектрофотометра СФ-18.

Количество часов на выполнение – 2 часа.

1. ОБОРУДОВАНИЕ:

1. Спектрофотометр СФ-10 (СФ-18) с набором принадлежностей.

2. Светофильтры №1 и №2 и их эталонные спектральные характеристики.

3. Прозрачная пленка ZnO на стеклянной подложке для определения толщины пленки по интерференционным экстремумам на спектральных зависимостях.

4. Полупроводниковая пленка PbS для определения коэффициента поглощения.

5. Интерференционные светофильтры.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Научиться работать со спектрофотометром СФ-10 (СФ-18).

2. Научиться проводить измерения спектральных зависимостей коэффициентов отражения и прозрачности.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Описание спектрофотометра СФ-18

НАЗНАЧЕНИЕ

Спектрофотометр СФ-18 предназначается для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных твердых и жидких веществ в видимой области спектра.

Измерения можно производить как по всему спектру, так и на фиксированной длине волны.

Конструкция спектрофотометра обеспечивает возможность измерения коэффициентов пропускания, оптической плотности и коэффициентов отражения светорассеивающих веществ относительным методом и методом Тейлора.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Спектральный диапазон, нм	от 400 до 750
Монохроматор — призменный, двойной.
Относительное отверстие	1:7
Дисперсия, нанометры на миллиметр
при длине волны 400 нм	1,6
при длине волны 500 нм	4,0
при длине волны 600 нм	7,8
при длине волны 750 нм	16,5

Выделяемый спектральный интервал указан в табл. 1.

Таблица 1

Диапазон длин волн нм	Спектральный интервал
при положении «1» щели	при положении «2» щели
400 — 450	1,5	2,5
450 — 600	0,6	1,2
600 — 700	0,8	1,0
700 — 750	1,4	2,8

Другие данные:

Скорости развертки спектра, нм/мин.	10, 30, 90, 270
Линейные скорости перемещения бланка, мм/мин	10, 30, 90, 270
Пределы измерения:
коэффициента пропускания, %	1 —100; 0—10;
	0—20; 75—125; 90—110
оптической плотности	0—2; 0—1; 1—2;
	минус 0,1—0,1; минус 0,2—0,8
Источник излучения	проекционная лампа К17-170 (170 Вт).
Приемник энергии	мультищелочной фотоэлемент Ф-10.
Потребляемая мощность, Вт
Напряжение питания, В	220±22
Габаритные размеры, мм	1100x950х430
Масса, кг

УСТРОЙСТВО И РАБОТА СПЕКТРОФОТОМЕТРА

Принцип действия

Принцип действия спектрофотометра основан на нулевом методе и заключается в следующем. Монохроматический пучок света делится призмой Рошона на два плоскополяризованных пучка. Один пучок диафрагмируется, другой проходит через призму Волластона и снова делится на два пучка, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Так как на призму Волластона падает плоскополяризованный пучок света, интенсивность пучков света за призмой Волластона определяется угловым положением относительно нее призмы Рошона.

Далее пучки поочередно перекрываются вращающимся модулятором таким образом, что интенсивность света в каждом пучке изменяется по трапецеидальной форме, и началу открытия одного пучка соответствует начало закрытия другого. Конструкция модулятора и скорость его вращения выбраны таким образом, что световой поток прерывается с частотой 50 Гц.

Свет, прошедший через контрольный и измеряемый образцы, попадает в интегрирующий шар и после многократного отражения от его стенок освещает фотоэлемент.

Освещенность фотоэлемента в каждый момент времени определяется суммой световых потоков, прошедших через контрольный и измеряемый образцы. Если световые потоки равны, освещенность фотоэлемента будет постоянна в любой момент времени, и переменный сигнал на входе усилительной системы будет отсутствовать. При наличии поглощения в измеряемом образце суммарный световой поток на фотоэлементе будет изменяться с частотой 50 Гц и на нагрузке фотоэлемента появится переменное напряжение сигнала той же частоты. Это напряжение усиливается усилителем и подается на обмотку управления электродвигателя отработки, который с помощью фотометрического кулачка поворачивает призму Рошона до тех пор, пока не исчезнет разность световых потоков, вызывающая электрический сигнал на входе усилителя.

Одновременно с поворотом призмы происходит перемещение пера, фиксирующего на бланке пропускание или оптическую плотность образца.

Изменение длины волны света, выходящего из монохроматора, производится путем перемещения вдоль спектра средней щели спектрофотометра электродвигателем развертки спектра; одновременно с этим поворачивается барабан записывающего устройства. Таким образом, на бланке, закрепленном на барабане, записывается кривая зависимости коэффициента пропускания или оптической плотности образца от длины волны.

При работе на фиксированной длине волны происходит поворот барабана записывающего устройства без перемещения средней щели спектрофотометра, при этом на бланке записывается кривая изменения коэффициента пропускания или оптической плотности образца во времени.

3.1.3.2. Оптическая схема

Оптическая схема спектрофотометра состоит из двух частей: спектральной (двойного монохроматора) и фотометрической.

Нить лампы 1 (рис. 1) изображается конденсором 2 через входную щель 3 в плоскости объектива 4.

Входная щель расположена в фокальной плоскости объектива; выходящий из него параллельный пучок света проходит диспергирующую призму 5 и разлагается в спектр. Объектив 6 первого монохроматора дает спектральное изображение входной щели в плоскости средней щели. Средняя щель двойного монохроматора, образованная зеркалом 7 для поворота лучей и ножом 8, вырезает участок спектра, который проходит во второй монохроматор и после вторичного разложения проецируется в плоскость выходной щели 9.

По выходе из монохроматора пучок света попадает в фотометрическую часть спектрофотометра. Сначала пучок проходит через линзу 10 и двоякопреломляющую призму Рошона 11. Линза 10 дает изображение объектива выходного коллиматора вблизи диафрагмы 12, призма 11 разделяет это изображение на два, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одно изображение, расположенное на оптической оси системы, проходит через призму Волластона 13 и линзу 14, другое, смещенное, — срезается диафрагмой 12.

Линза 14 дает изображение выходной щели в плоскости полулинз 15, установленных внутри модулятора света 16. Вследствие двойного лучепреломления призмы Волластона в плоскости полулинз получаются два изображения выходной щели. Пройдя полулинзы 15, контрольный и измеряемый образцы, пучки отклоняются на 90° призмами 17, затем через входные окна 18 шара 19 падают на окна 20, к которым прижимаются две белые заглушки.

Свет суммируется шаром и освещает фотоэлемент, расположенный за выходным окном шара, закрытым молочным стеклом.

3.1.3.3. Кинематическая схема

Кинематическая схема показана на рис 2. Движение от электродвигателя 21 с помощью ременной передачи подается на коробку скоростей 22. С коробки скоростей движение передается: а) на червячную пару 23 и далее с помощью поводка 24 на барабан 25 записывающего устройства; б) на цилиндрическую пару 26 и далее с помощью карданного вала 27 на червячную пару 28 кулачкового механизма длин волн. На одном валу с червячной шестерней укреплены кулачок 29, который с помощью штока 30 передвигает среднюю щель монохроматора, и кулачок 31, который с помощью штока 32 и кареток 33 с клиньями управляет раскрытием входной и выходной щелей спектрофотометра. Движение от червяка кулачкового механизма длин волн и цилиндрической пары 34 передается с помощью гибкого вала 35 и конической пары 36 на счетчик длин волн 37.

Реверсивный электродвигатель 38 через коническую пару 39 приводит во вращение вал 40 с фотометрическими кулачками 41. С помощью штока 42 и сектора 43 с плоской пружиной, закрепленной одним концом на штоке, другим — на секторе, фотометрический кулачок поворачивает призму Рошона

На одном валу с фотометрическими кулачками укреплен шкив 44. С помощью троса 45, концы которого закреплены на шкиве 44, и системы роликов вращение вала 40 с фотометрическими кулачками передается на перо 46 записывающего устройства.