Лабораторная работа № 5

Исследование спектров пропускания цветных оптических стекол

1. Цель работы

1.1. Построение спектральных зависимостей коэффициентов пропускания τ_пр = f () светофильтров.

1.2. Вычисление коэффициентов поглощения k материалов цветных оптических стекол.

2. Приборы и принадлежности

2.1. Источник белого света – светодиод.

2.2. Монохроматор МУМ-1.

2.3. Фотоприемное устройство.

2.4. Набор светофильтров.

3. Краткое теоретическое введение

Существует множество задач, для которых требуются источники света, работающие на разных длинах волн (цветные огни). Например – светофоры, железнодорожные огни, устройства судоходной обстановки, самолетного оборудования, топовые огни на кораблях, а также в научных целях.

В спектрах обычных источников излучения (лампы накаливания) присутствуют все длины волн видимого диапазона – белый свет. Для выделения нужных областей длин волн используют, в частности, цветные оптические стекла (светофильтры).

Мощность излучения источников всегда известна, а для определения дальности действия этих источников со светофильтрами нужно знать коэффициенты пропускания светофильтров. С этой целью применяются измерительные устройства, принцип действия которых используется в данной работе.

Коэффициент пропускания τ­_пр определяется как отношение энергии Е_пр излучения, прошедшего через светофильтр к энергии Е₀ падающего излучения.

τ­_пр

Количество прошедшей энергии зависит от доли отраженной энергии от поверхности светофильтра и доли поглощенной энергии в материале светофильтра. Количество отраженной энергии определяется выражением: Е_отр = RЕ₀,

где R – коэффициент отражения, Е₀ - падающая на отражающую поверхность энергия.

Количество поглощенной энергии определяется законом Бугера: Е_погл= Е₀е^-kd,

где k - коэффициент поглощения материала светофильтра, d - толщина светофильтра.

Получим зависимость коэффициента пропускания светофильтра τ­_пр от этих факторов. Пусть на поверхность светофильтра падает излучение с энергией E₀ (см. рисунок). Тогда от первой поверхности светофильтра отразится излучение с энергией E₁ = RE₀. Энергия E₂, прошедшая первую поверхность светофильтра б удет равна E₂ = E₀ - E₁ = E₀ (1-R). Излучение прошедшее материал светофильтра толщиной d, определяется энергией E₃, которая по закону Бугера равна: E₃ = Е₂е^-kd, или E₃ = Е₀ (1-R) е^-kd. Часть этого излучения отражается от второй поверхности светофильтра. Энергия отраженного излучения равна E₄ = E₃R. Энергия излучения Е_пр, прошедшего через светофильтр определяется как Е_пр =E₃ - E₄ = E₃ (1-R) = Е₀(1-R)²е^-kd. Окончательно получаем, что коэффициент пропускания светофильтра равен:

τ­_пр (1)

.

В данной лабораторной работе коэффициент пропускания светофильтров определяется экспериментально. Коэффициент отражения излучения от поверхности светофильтра (френелевский коэффициент отражения) определяется согласно выражению: , где п - показатель преломления материала светофильтра.

В предлагаемой работе используются стеклянные светофильтры, для которых п = 1,5 и тогда R = 0,04. Используя выражение (1), можно получить зависимость коэффициента поглощения k материала светофильтра от коэффициента пропускания

(2)