Основные положения. При прохождении потока излучения через оптический кристалл наблюдается его ослабление из-за потерь на отражение от поверхностей кристалла и на поглощение в

При прохождении потока излучения через оптический кристалл наблюдается его ослабление из-за потерь на отражение от поверхностей кристалла и на поглощение в его массе.

Поглощение и отражение светового потока зависят от показателя преломления оптического кристалла, длины волны падающего излучения, от примесей и других дефектов материала.

Согласно закону сохранения энергии для светового потока монохроматического излучения Ф, падающего на кристалл, выполняется условие:

Ф= Ф_ρ+ Ф_α + Ф_τ , (1.1)

где Ф_ρ- отраженный поток,

Ф_α- поглощенный поток,

Ф_τ- пропущенный кристаллом поток.

Отношение каждого из потоков Ф_ρ, Ф_α и Ф_τ к падающему потоку монохроматического излучения называется соответственно:

коэффициент отражения ; (1.2)

показатель поглощения ; (1.3)

коэффициент пропускания ; (1.4)

Следовательно: (1.5)

Различают:

1)спектральный коэффициент пропускания τ_λ излучения данной длины волны λ;

2)интегральный коэффициент пропускания τ излучения кристаллов, прозрачных в видимой части спектра (λ=380…760 нм) и кристаллов, непрозрачных в видимой части спектра (в рабочей области ультрафиолетовой или инфракрасной). Этот коэффициент характеризует прозрачность материала.

1.1.Спектральное пропускание

Спектральный коэффициент пропускания τ_λ определяется как отношение прошедшего через кристалл потока излучения Ф_λτ к падающему Ф_λ .

(1.6)

Величина 1-τ_λ характеризует полные потери света, обусловленные поглощением и отражением.

Спектральный коэффициент внутреннего (чистого) пропускания τ_iλ определяется как отношение выходящего потока излучения (Ф_λ)_ex к входящему потоку (Ф_λ)_in . При этом потери на отражение от граничных поверхностей кристалла исключены:

(1.7)

Между коэффициентами внутреннего пропускания τ_iλ и коэффициентом пропускания τ_λ соблюдается соотношение:

, (1.8)

где R- коэффициент, учитывающий потери света, обусловленные только отражением на двух поверхностях.

Коэффициент R определяется выражением:

(1.9)

Зависимость коэффициента отражения от показателя преломления выражается уравнением Френеля (для одной поверхности раздела кристалл-воздух);

, (1.10)

где n_λ –показатель преломления кристалла в рабочей области спектра: ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной.

Граница пропускания характеризуется длиной волны λ_гр., при которой спектральный коэффициент внутреннего пропускания τ_iλ равен 0,5.

Условие прозрачности кристаллов может быть выражено соотношением:

, (1.11)

где h- постоянная Планка;

c- скорость света в вакууме;

λ- длина волны излучения;

то есть энергия кванта излучения E должна быть меньше ширины запрещенной зоны Е_g .

Из этого соотношения легко выводится граничное условие прозрачности:

(1.12)

При этом условии энергия кванта с длиной волны λ = λ_гр. окажется достаточной для возбуждения электронов и переброса их из валентной зоны в зону проводимости. Этот переброс будет сопровождаться поглощением энергии электромагнитного излучения. Из граничного условия τ_iλ=0,5 находим величину граничной длины волны λ_гр., под которой понимают границу начала пропускания света веществом. При значениях λ > λ_гр вещество прозрачно, т.к. энергия кванта излучения окажется меньше Е_g. При значениях λ < λ_гр кристалл непрозрачен, т.к. энергия кванта излучения окажется больше ширины запрещенной зоны Е_g.

Подставляя h и c в формулу (1.12) получим соотношение:

Зная ширину запрещенной зоны, легко определить границу прозрачности любого кристалла.

Определение спектральных характеристик пропускания кристаллов производится на автоматическом спектрофотометре СФ-56А с компьютером.

1.2. Автоматический спектрофотометр СФ-56А

Спектрофотометр СФ – 56А предназначен для измерения спек­тральных коэффициентов направленного пропускания жидких и твёрдых прозрачных веществ в области спектра от 190 до 1100 нм.

Принцип действия спектрофотометра основан на измерении отношения двух световых потоков: светового потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).

В монохроматический поток излучения поочерёдно вводятся «тёмная зона», расположенная на блоке светофильтров, контроль­ный образец и исследуемый образец.

При введении контрольного образца изменением ширины щели и чувствительности блока ФПУ автоматически устанавливается определённый уровень сигнала. При введении в поток излучения исследуемого образца световой поток изменяется пропорциональ­но коэффициенту пропускания образца. С выхода блока ФПУ сни­мают сигналы.

Коэффициент пропускания исследуемого образца Т рассчитыва­ется по формуле

, (1.13)

где U_K - напряжение, пропорциональное световому потоку, падающему на образец;

U - напряжение, пропорциональное световому потоку, прошедшему через образец;

U_T - напряжение, пропорциональное темновому току блока ФПУ.

Оптическая схема спектрофотометра представлена на рисунке 1.

В качестве источников излучения для спектрофотометра ис­пользуется дейтериевая лампа 1 - для работы в области спектра от 190 до 340 нм и галогенная лампа 3 - для работы в области спектра от 340 до 1100 нм.

Смена источников излучения производится автоматически при помощи плоского зеркала 2, которое в рабочем положении пере­крывает световой поток от лампы 1, направляя на входную щель монохроматора световой поток от лампы 3.

Рисунок 1 - Оптическая схема спектрофотометра СФ-56А.

1-Дейтериевая лампа 9-Сферическое зеркало

2-Плоское зеркало 10-Торическое зеркало

3-Галогенная лампа 11-Входная щель

4-Эллиптическое зеркало 12-Вогнутые дифракционные решетки

5-Плоское зеркало 13-Торическое зеркало

6-Блок со светофильтрами 14-Фотоприемник

7-Линза 15-Защитные пластины

8-Входная щель монохроматора 16-Торическое зеркало

При помощи эллиптического зеркала 4 и плоского зеркала 5 светящееся тело каждого источника излучения проецируется на входную щель 8 монохроматора с увеличением 5 (х5).

Для уменьшения рассеянного света и устранения высших по­рядков дифракции перед монохроматором установлен блок со све­тофильтрами 6. Линза 7 служит для согласования оптических сис­тем осветителя и монохроматора.

Двойной монохроматор построен по горизонтальной схеме с постоянным углом отклонения 12 ° со сложением дисперсий и состо­ит из двух вогнутых дифракционных решёток 12 с переменным шагом и криволинейным штрихом и сферического зеркала 9, вы­полняющего роль средней щели.

Сканирование спектра осуществляется одновременным поворо­том решёток обоих монохроматоров на одинаковый угол.

На входную щель 11 проецируется изображение выходной щели с увеличением 1(х 1).

Оптическая система кюветного отделения и приёмного устрой­ства, состоящая из трёх торических зеркал 10,13,16, формирует изображение выходной щели в кюветном отделении в плоскости установки образца с увеличением 1(х1) и изображение выходного зрачка на фотоприёмнике 14 блока ФПУ с увеличением 0,2 (х 0,2). На входе и выходе кюветного отделения установлены защитные пластины 15.

Оптическая система рассчитана таким образом, что при уста­новке в кюветном отделении приставки зеркального отражения или кюветы с исследуемым веществом не происходит изменения раз­мера светового пятна на фотоприёмнике. В качестве фотоприёмни­ка излучения используется фотодиод с приёмной площадкой раз­мером 7x7 мм, который развёрнут на угол 19° для устранения многократных отражений от светочувствительной поверхно­сти.