PF1.pdf
(
1112 KB
)
Pobierz
Microsoft Word - Instrukcja-PF1-final.doc
Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki
WYDZIAŁ ELEKTRONIKI i TECHNIK INFORMACYJNYCH
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa
Badanie właściwości promieniowania
źródeł klasycznych
I. Badanie monochromatora optycznego
str. 1
II. Badanie charakterystyk spektralnych wybranych źródeł
promieniowania
str. 8
III.Badanie charakterystyk spektralnych diody
elektroluminescencyjnej
str. 21
Przygotowali:
Mgr inż. Piotr Chmielarz
Mgr inż. Piotr Kopczyński
Dr inż. Agnieszka Mossakowska-Wyszyńska
Dr inż. Piotr Warda
Warszawa 2010
Badanie Monochromatora Optycznego
I. BADANIE MONOCHROMATORA OPTYCZNEGO
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z zasadą działania, budową
izasadniczymi parametrami użytkowymi monochromatora optycznego, podstawowego
przyrządu używanego w badaniach spektralnych. Monochromatory optyczne stosowane są do
naświetlania obiektu promieniowaniem o określonej długości fali, do wstępnej
monochromatyzacji promieniowania podczas pracy zprzyrządami o dużej zdolności
rozdzielczej itp. Są również podstawową częścią składową spektrometrów,
spektrofotometrów i innych podobnych przyrządów.
2. Zasada działania
Każdy monochromator optyczny (rys.1) składa się z trzech podstawowych elementów:
−
kolimatora wejściowego,
−
kolimatora wyjściowego,
−
układu rozszczepiającego (pryzmat, siatka dyfrakcyjna).
d
2
O
1
O
2
S
1
,h
1
S
2
,h
2
f
1
f
2
Rys.1. Schemat prostego monochromatora pryzmatycznego z soczewkowym układem
ogniskującym:
O
1
i
O
2
obiektywy,
f
1
oraz
f
2
odległości ogniskowe,
S
1
i
S
2
szerokości, a
h
1
i
h
2
wysokości szczelin kolimatora odpowiednio wejściowego i wyjściowego.
W płaszczyźnie ogniskowej kolimatora wyjściowego powstaje widmo - zbiór
monochromatycznych obrazów szczeliny wejściowej
S
1
odpowiadający wszystkim
długościom fali promieniowania wysyłanego przez źródło. Szczelina wyjściowa
S
2
wydziela
z całego widma niewielki jego wycinek. Ponieważ obrazy szczeliny wejściowej
odpowiadające różnym długościom fali λ są przesunięte wskutek dyspersji, z
monochromatora wychodzi promieniowanie o pewnym ograniczonym zakresie długości fal
(rys.2). Wielkość przepuszczanego obszaru widma oraz rozkład energii w funkcji długości
fali λ wewnątrz tego obszaru (tzw. funkcja aparaturowa) zależą od szerokości szczelin
1
Badanie Monochromatora Optycznego
wejściowej
S
1
i wyjściowej
S
2
, dyfrakcji i aberracji w kolimatorach, kształtu linii spektralnej
źródła itp. W przypadku szerokich szczelin,
l
l
l
Rys.2. Schemat nakładania się monochromatycznych obrazów szczeliny wejściowej
S'
1
na
szczelinę wyjściową
S
2
, tylko obraz
λ
0
pokrywa się ściśle ze szczeliną wyjściowa, przechodzi
całkowicie - pozostałe częściowo (a). Rozkład energii w przedziale
λ
2
-
λ
1
, czyli funkcja
aparaturowa dla przypadku
S'
1
=
S
2
(b).
l
l
l
(gdy można pominąć dyfrakcję i aberrację) szerokość obrazu geometrycznego szczeliny
wejściowej
S
'
1
wynosi:
S
'
1
=
S
1
W f
2
/
f
1,
(1)
gdzie
W
jest to powiększenie kątowe układu rozszczepiającego. Funkcja aparaturowa
wyznaczona jest przez stosunek szerokości obrazu szczeliny wejściowej
S
'
1
i szerokości szczeliny wyjściowej
S
2
.
Gdy
S
'
1
=
S
2
(przypadek optymalny, najczęściej
realizowany w praktyce), funkcja aparaturowa ma kształt trójkąta, którego szerokość
połówkowa δλ wynosi:
δλ =
S
'
1
dλ/d
l
(2)
gdzie d
l
/dλ =
f
2
dφ/dλ
jest to dyspersja liniowa monochromatora, φ - kąt odchylenia
promieniowania w pryzmacie, a dφ/dλ
- dyspersja kątowa pryzmatu. Dla pryzmatu,
ustawionego pod kątem minimalnego odchylenia powiększenie kątowe
W
= 1,
a dyspersja kątowa wyraża się wzorem:
d
d
2
⋅
sin
( )
( )
2
dn
d
=
⋅
(3)
γ
λ
1
−⋅
n
2
sin
2
2
gdzie γ jest to kąt łamiący pryzmatu, n - współczynnik załamania materiału pryzmatu,
2
γ
φ
λ
Badanie Monochromatora Optycznego
a dn/dλ - różniczkowa dyspersja materiałowa. Gdy
S
'
1
≠
S
2
funkcja aparaturowa ma kształt
trapezu, a w przypadku wąskich szczelin (gdy nie można pominąć dyfrakcji), ma kształt
zbliżony do krzywej Gaussa. Funkcję aparaturową można również określić jako kontur
zarejestrowany przez monochromator, przy oświetleniu jego szczeliny wejściowej
promieniowaniem monochromatycznym.
Wielkość całkowitego strumienia promieniowania Φ(λ) wychodzącego z monochromatora
(gdy źródło wysyła widmo ciągłe), wynosi:
Φ(λ) = τ(λ)
B
(λ) d
2
β
1
(δλ)
2
dφ/dλ
(4)
gdzie τ(λ) jest to transmisja spektralna monochromatora,
B
(λ) - luminancja spektralna źródła,
β
1
=
h
1
/
f
1
- kątowe rozmiary szczeliny wejściowej. Za pomocą monochromatora powinno się
uzyskać maksymalną wielkość strumienia przy niewielkim przedziale δλ. Jak widać przy
zadanym źródle
B
(λ) , aby uzyskać duży strumieñ Φ(λ), należy stosować układy o dużej
dyspersji kątowej dφ/dλ
(zwiększyć liczbę pryzmatów, stosować materiały o dużej dyspersji
lub siatki dyfrakcyjne) i układy o dużych rozmiarach
d
2
. Zwiększanie wysokości szczelin
h
1
i
h
2
jest ograniczone istnieniem niepoosiowych aberracji, prowadzą one bowiem do wzrostu
szerokości połówkowej funkcji aparaturowej.
3. Opis monochromatora SPM2
W ćwiczeniu badany będzie szeroko rozpowszechniony w Polsce monochromator
optyczny SPM2 firmy ZEISS, którego schemat optyczny przedstawia rys.3.
Rys.3. Schemat części optycznej monochromatora SPM2:
1
- zwierciadło paraboliczne,
2
- szczelina
wejściowa,
3
- pryzmat (element dyspersyjny),
4
- zwierciadło Wadswortha,
5
- zwierciadło
autokolimujące,
6
- oś obrotu elementów 3,4 i 5,
7
- pryzmat odbijający,
8
- szczelina wyjściowa.
3
Badanie Monochromatora Optycznego
Budowa i działanie tego monochromatora są następujące. Przechodzące przez szczelinę
wejściową (2) promieniowanie, po odbiciu od zwierciadlanej powierzchni pryzmatu (7), pada
na nieosiowe, pochylone zwierciadło paraboliczne (1). Zwierciadło to projektuje obraz
szczeliny wejściowej (2) (położonej w jego płaszczyźnie ogniskowej) w nieskoñczoność - w
ten sposób, że odbite od zwierciadła promieniowanie pada w postaci równoległej wiązki na
element dyspersyjny (3).Po odbiciu od zwierciadła Wadsortha (4) i zwierciadła
autokolimującego (5), światło przechodzi powtórnie przez pryzmat (3). Dzięki temu uzyskuje
się w przybliżeniu dwukrotnie większe rozszczepienie kątowe widma. Z rozszczepionego
w widmo promieniowania, zwierciadło paraboliczne (1) tworzy, po odbiciu od drugiej
powierzchni pryzmatu (7), w swojej płaszczyźnie ogniskowej monochromatyczne obrazy
szczeliny wyjściowej. W płaszczyźnie tej znajduje się szczelina wyjściowa (8), wydzielająca
z całego widma niewielki jego spektralny wycinek. Zmianę długości fali wybieranego
promieniowania realizuje się poprzez obrót elementu dyspersyjnego (3) i zwierciadeł (4) i (5)
wokół wspólnej osi (6).
Regulacja
szerokości szczeliny
Skala podświetlana
Regulacja długości
fali
Rys.4. Schematyczny wygląd płyty czołowej monochromatora
Wartość energii wejściowej promieniowania i szerokość spektralną można regulować
zmieniając szerokość szczelin. W monochromatorze SPM2 szerokości szczelin wejściowej i
wyjściowej są równe i regulowane w granicach 0 - 1.5 mm.
Zmiana długości fali promieniowania może być realizowana:
-
ręcznie - pokrętłem zmiany długości fali promieniowania,
-
przy pomocy napędu od specjalnego typu rejestratora f-my ZEISS,
-
programowo, przy pomocy silnika krokowego.
Zastosowanie dodatkowego oświetlacza SPM umożliwia szybką zmianę, na stale
zamontowanych czterech różnych źródeł oświetlających, takich jak np.: rtęciowa lampa
4
Plik z chomika:
Turek_EiTI
Inne pliki z tego folderu:
PF1.pdf
(1112 KB)
fot_lab1.pdf
(85 KB)
wejście FOT labka 1 A. Tyszka-Zawadzka (monochromator i inne).rar
(2052 KB)
fotonika 1.rar
(961 KB)
Fot_Lab_1-1.pdf
(69 KB)
Inne foldery tego chomika:
PF 2
PF 3
PF 4
PF 5
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin