Комраков Б.М., Лысенко Г.А. - Лабораторный практикум по физической оптике, часть 1

Московский государственный технический университет
им. Н. Э. Баумана

Б. М. Комраков, Г. А. Лысенко

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКЕ

Часть I

Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана

2000

Работа 1. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Цель работы – изучение законов поглощения света, исследова­ние спектральных характеристик абсорбционных светофильтров.

Теоретическая часть

Прохождение оптического излучения через вещество сопровождается расходом его энергии на возбуждение атомов и молекул. Частично эта энергия возвращается излучению в виде вторичных волн от возбужденных электронов, частично – переходит в другие формы энергии, что приводит к ослаблению оптического излучения. Ослабление света при прохождении через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии называют поглощением (абсорбцией) света.

В слое малой толщины поглощается часть интенсивности падающего света , равная . При постоянном значении коэффициента путем интегрирования этого выражения можно получить закон убывания интенсивности в слое конечной толщины :

, (1.1)

где и – интенсивность излучения до и после прохождения слоя; – величина, обратная расстоянию, на котором интенсивность света убывает в раз, называемая натуральным показателем поглощения.

Зависимость (1.1) была установлена экспериментально и теоретически обоснована в 1729 г. П. Бугером. Эта зависимость называется законом Бугера. Физический смысл закона заключается в том, что показатель поглощения не зависит от интенсивности падающего света.

Закон Бугера сохраняет справедливость до тех пор, пока доля частиц, возбужденных оптическим излучением, в веществе невелика. Для большинства веществ, у которых время жизни возбужденного состояния частиц составляет порядка , закон Бугера выполняется в широком диапазоне изменения интенсивности света (примерно в раз). При очень большой интенсивности, которую можно получить, например, с помощью лазера, наблюдается уменьшение показателя поглощения.

Несмотря на указанное ограничение области применимости закона Бугера, в огромном числе случаев он выполняется с высокой степенью точности и находит широкое практическое применение.

Кроме натурального показателя поглощения для характеристики поглощательной способности вещества используется следующие величины:

– главный показатель поглощения (мнимая часть комплексного показателя преломления),

, (1.2)

где – длина световой волны в вакууме;

– показатель поглощения,

; (1.3)

– коэффициент поглощения,

; (1.4)

– оптическая плотность,

, (1.5)

где – коэффициент пропускания слоя вещества.

Все перечисленные величины, кроме главного показателя поглощения, можно использовать для характеристики поглощательной способности вещества как в диапазоне длин волн, так и на отдельной длине волны. В последнем случае к названию величины добавляют слово "монохроматический", а к ее обозначению – индекс (например, монохроматическая оптическая плотность ).

Зависимость монохроматических величин от длины волны излучения называют спектральной характеристикой. Она может быть представлена в виде таблицы численных значений или графика – спектральной кривой.

На основе закона Бугера работают нашедшие широкое применение оптические элементы – абсорбционные светофильтры, которые ослабляют свет в результате поглощения веществом фильтра. Наиболее распространенными материалами для изготовления абсорбционных фильтров являются цветные стекла. Для правильного выбора светофильтра необходимо знать спектральную характеристику поглощения стекла, из которого он изготовлен.

Эту характеристику можно определить, измерив коэффициенты пропускания изготовленной из него плоскопараллельной пластины на различных длинах волн света. При этом необходимо учесть, что часть энергии проходящего излучения теряется вследствие отражения на границах раздела стекла с воздухом. Если суммарный коэффициент отражения от двух поверхностей обозначить как , то коэффициент пропускания пластины

. (1.6)

Значение можно рассчитать по формулам Френеля. Однако во многих случаях удается выбрать методику измерений, позволяющую непосредственно измерить коэффициент пропускания слоя стекла:

. (1.7)

Описание экспериментальной установки

Зависимость коэффициента пропускания (оптической плотности) от длины волны света в видимом диапазоне можно измерить с помощью фотометра ФМ-58, который позволяет проводить измерения визуальным и фотоэлектрическим методами.

Основными узлами фотометра ФМ-58 (рис. 1) являются осветитель I и фотометрическая головка II. Осветитель I, состоящий из лампы накаливания 1, плоских зеркал 2, конденсоров 3, рассеивающих фильтров 4, создает равномерное освещение в плоскости измерительных диафрагм 7, связанных с измерительными барабанами 8. Два световых пучка, прошедших объективы 9 и ромбические призмы 10, идут под углом один к другому. При визуальных измерениях пучки попадают на бипризму 13, которая отклоняет их к оси окуляра 14. При этом правый пучок П, попадая на левую половину бипризмы, создает яркость левого поля зрения окуляра, а левый пучок Л, попадая на правую половину бипризмы, создает яркость правого поля зрения. При фотоэлектрических измерениях в схему фотометра включают призму 11. Пучки отклоняются призмой 11, отражаются зеркалами 15 и попадают на матовые стекла 16 и установленные за ними фотоэлементы 17. Фотоэлементы включены по дифференциальной схеме через усилитель на гальванометр, регистрирующий разность возникающих на них фототоков.

Контролируемый и эталонный образцы 5 и 6 устанавливают на предметном столике между осветителем I и фотометрической головкой II. Эталонный образец необходим для компенсации потерь из-за отражения на поверхностях контролируемого образца.

Блок светофильтров 12 позволяет поочередно вводить в оптическую систему фотометра светофильтры с известной длиной волны пропускания для измерения монохроматических характеристик образца. Каждому из светофильтров присвоен номер. Данные о светофильтрах, используемых в настоящей лабораторной работе, приведены в табл. 1 в конце описания экспериментальной части.

Поле зрения окуляра 14.

Рис. 1. Оптическая схема фотометра ФМ-58

В основе измерений с помощью фотометра лежит уравнение световых потоков в его ветвях за счет изменения размеров измерительных диафрагм 7 посредством вращения измерительных барабанов 8. Введение контролируемого образца в одну из ветвей фотометра или удаление его приводит к изменению светового потока в этой ветви. Восстановить равенство потоков можно, изменив размер одной из измерительных диафрагм. Так как поток равномерного по сечению пучка света, проходящего через диафрагму, пропорционален её площади, требуемое изменение площади измерительной диафрагмы пропорционально изменению потока при введении (удалении) контролируемого образца, т.е. его коэффициенту пропускания.

Для удобства измерительные барабаны 8 оцифрованы непосредственно в единицах измерения коэффициента пропускания (черная шкала) в оптической плотности (красная шкала).

Коэффициент пропускания (оптическую плотность) можно измерить с помощью фотометра ФМ-58, используя различные методики. В настоящей работе рекомендуется следующая:

1) установить исследуемый образец в правой ветви фотометра;

2) установить эталонный образец в левой части фотометра;

3) раскрыть полностью измерительную диафрагму правой ветви (100 % по шкале коэффициентов пропускания измерительного барабана);

4) уравнять потоки правой и левой ветвей, изменяя размер левой измерительной диафрагмы;

5) удалить оба образца из ветвей фотометра;

6) уравнять потоки правой и левой ветвей, изменяя размер правой измерительной диафрагмы;

7) снять отсчеты коэффициента пропускания и (или) оптической плотности с барабана правой измерительной диафрагмы.

Экспериментальная часть

1. Знакомство с конструкцией фотометра.

При помощи преподавателя ознакомиться с основными узлами фотометра ФМ-58. Особенное внимание обратить на расположение и работу следующих элементов:

а) рассеивающих светофильтров 4 (см. рис. I);

б) измерительных барабанов 8;

в) рычага ввода призмы 11;

г) блока сменных светофильтров 12;

д) рукоятки установки "электрического нуля".