Лабораторные работы по электротехнике

Электротехника
Примеры расчета цепей
Лабораторные работы
Переходные процессы в линейных цепях
Вынужденные колебания
Оптика
Определение удельной теплоемкости воздуха
Гироскоп
Теплопроводность тел
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Цель работы – исследование спектральных характеристик интерференционных покрытий различного назначения: одиночных пленок, просветляющих покрытий, зеркал.

 СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Среди разнообразных оптических методов особое место занимают спектроскопические методы, использующие различные спектральные при­боры для исследования спектров излучения, поглощения, отражения, рас­сеивания и др.Изучение этих спектров позволяет получить большую информацию как о Физических процессах в источнике излучения, так. и о свойствах той среды, через которую распространяется излучение.

В настоящее время спектральные приборы используются в области электромагнитных волн от 10-10м до 10-2м. Эту область элек­тромагнитных волн называют оптической областью спектра или опти­ческим диапазоном. Такое определение связано с общностью методов разложения излучения в спектр в применяемых в данном спектральном диапазоне приборов и общностью методов исследования этих спектров. Вне указанного диапазона применяют другие методы и другие приборы: рентгенографические, радиотехнические методы.

Под спектральным прибором в широком смысле слова понимают установку, включающую в себя источник излучения, осветительную сис­тему, собственно спектральный прибор и приемник излучения с усили­тельно-регистрирующим комплексом.

Собственно спектральным прибором называют оптический прибор, предназначенный для разложения электромагнитного излучения в спектр по длинам волн или частотам для изучения этих спектров. Под исследо­ванием спектров подразумевают определение зависимости энергии излу­чения (поглощения, рассеивания) от длины волны или частоты. Происходящая в таких приборах операция разложения излучения в спектр соот­ветствует математической операции разложения электромагнитного излучения в ряд или интеграл Фурье. Операция исследования зависи­мости энергии излучения в спектре от длины волны соответствует опе­рации определения коэффициентов в Фурье - разложении.

Приемником излучения называется прибор, в котором под действием излучения возникает какой-либо сигнал или "отклик". В настоящее время наибольшее распространение получили следующие методы, в соответствии с которыми проводят условное разделение спектральных приборов,: визу­альные методы (спектроскопы),фотографические (спектрографы) и, наконец, фотоэлектрические (спектрофотометры). В последнем, самом распростра­ненном методе приема излучения, приемниками излучения служат различ­ного рода фотоэлементы и тепловые приемники, например болометры, термо­элементы и пирпоприемники.

Каждый спектральный прибор характеризуется следующими основными параметрами: линейной дисперсией, разрешающей способностью, областью дисперсии, светосилой, фотометрической точностью и областью спектра, в которой его можно использовать (последнюю часто называют областью дисперсии ) I.

Линейная дисперсия определяется как отношение dl/d, где dl-расстояние в спектре между излучениями с весьма близкими длинами волн  и +d.

Часто используют угловую дисперсию d/d, которая однозначно связана с линейной дисперсией: , где f - фокусное расстояние выходного коллиматора спектроскопа.

Разрешающая способность R характеризуется минималь­ным спектральным интервалом  между близкими монохроматическими линиями и + , которые данный спектральный прибор может разде­лить или точнее разрешить, R = / .

Областью дисперсии называют ту область длин волн в спектре, где имеется однозначная связь между длиной спектральной линии и ее положе­нием в спектре, Светосила спектрального прибора F характеризует фо­тометрические свойства прибора. Она равна коэффициенту пропорционально­сти между яркостью источника В и непосредственно измеряемей энергией (или другой энергетической величиной) Ф: . Светосила прибора опре­деляет относительную ошибку измерения энергии в спектре.

В настоящей работе мы будем использовать спектральные приборы с пространственным разложением излучения в спектр, в которых излучение различных длин волн разделяются по направлению. Падающий на такой спек­тральный прибор пучок спектрально неразложенного излучения преобразу­ется в совокупность пучков различных длин волн, выходящих из дисперги­рующего элемента в разных направлениях. При этом угол отклонения пучка зависит от длины волны. К такого рода спектральным приборам относятся призменные и дифракционные спектральные приборы, в которых дисперги­рующим элементом служат призмы и дифракционные решетки.

В настоящей работе используются три типа спектрометров. ИКС-22 и ИКС-16 [6,7] служат для исследования спектров поглощения, пропускания и отражения в диапазоне длин волн 2-25 мкм. Этому диапазону соответству­ют частоты 5000 - 500 см-1. В оптике инфракрасного диапазона (1-100 мкм) принято частоты задавать в обратных см. Связь между длиной волны (заданной в см) и частотой v (заданной в см-1) имеет вид: . Диспергиру­ющим элементом ИКС-22 служит призма из КС1, а у ИКС-16 - дифракционная решетка. Оптические схемы приборов и их параметры приведены в их технических описаниях, Точность измерения коэффициентов пропускания в ИКС-22 равна 3%, а в ИКС-16 - 1%.

При исследовании спектров в видимой и ближней инфракрасной об­ластях спектра используется спектрометр МУМ-2 [8].C его помощью можно наблюдать спектры пропускания и поглощения в диапазоне длин волн от 0,3 до 1,1 мкм. Диспергирующим элементом в МУМ-2 является дифракцион­ная решетка. Технические характеристики и оптическая схема прибора приведены в его техническом описании. Точность измерения коэффициентов пропускания + 0,2%.

Технические характеристики и оптическая схема спектрофотометров приведены в их техническом описании, которым требуется познакомиться.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛЕНОК

Важное значение при изготовлении интерференционных покрытий имеют оптические параметры пленок, из которых они сконструированы. Особое место среди них занимают коэффициент поглощения и показатель преломления. Коэффициенты поглощения и показатели преломления пленкообразующих материалов в интересующих нас областях спектра приве­дены на рис.1.5.

Как правило, показатель преломления пленки может отличаться от показателя преломления кристалла на несколько процентов. Поглощение пленок может отличатся от поглощения монокристаллов в 10-100, а ино­гда даже в десятки тысяч раз.

Существует много методик, определения показателей преломления и коэффициента поглощения, среди которых можно выделить эллипсометрические и спектрофотометрические. Для пленок, используемых в инфра­красной и видимой области спектра, наиболее распространенными явля­ются именно спектрофотометрические. Суть большинства из них состоит в анализе спектров пропускания и отражения света. Для этого исполь­зуются монохроматоры с дифракционными решетками или призмами, осуществляющие автоматическое сканирование по спектру с одновремен­ной регистрацией прошедшего излучения.

Наряду с этим при определении малого поглощения в пленках в последнее время стали широко применяться калориметрические методы. Преимущество этого методов по сравнению с спектрофотометрическими заключается в том, что при его использовании измеряется собственное поглощение, идущее на джоулево тепло, в то время как при анализе спектров пропускания и отражения невозможно сказать, связаны ли изменения в спектрах с поглощением или с рассеиванием. Кроме того, определение оптических параметров по спектрам пропускания или от­ражения осложняется наличием в спектрах полос поглощения водой, абсорбированной в порах пленки и, наконец, чувствительность калори­метрического метода несоизмеримо выше, чем спектрофотометрического. В силу этого при описании измерения поглощения в пленках мы остано­вимся только на калориметрическом методе.

Рис. 3.1.

Спектрофотометрические методы определения коэффициентов пре­ломления базируются на измерении абсолютного значения коэффициента пропускания или отражения при разных длинах волн, т.е. по спектрам пропускания или отражения. Один из методов, применяемых у нас, заключается в том, что измеряется пропускание в экстремумах спектра. Этот метод также удобен тем, что его можно использовать для опреде­ления показателя преломления пленки на длине волны контроля непос­редственно в процессе напыления, т.е. в вакууме.

На рис.3.1 приведен спектр пропускания однослойных пленок As2S3 и As2Se3 с коэффициентом преломления на подложке с коэффициентом преломления (стекло). Оптическая толщина пленки п2h2 много больше длины волны . В некоторой области спектра (где пропускание падает) пленка погло­щает и интенсивность уменьшается.

Если  свет содержит все длины волн и оптическая толщина пленки пh — постоянная, то в спектре будет наблюдаться появление ряда максимумов и минимумов для длин волн

  (к =1,2,3,...), (2.2 )

Если п2 > n3, то первый и все последующие минимумы будут иметь место для длин волн   .

Максимумы располагаются в местах, соответствующих длинам волн, определяемым  рядом

 . (2.3 )

Т.е. для пленок, толщина который кратна половине длины волны,
свет не отражается. В этом случае пропускание пленки на подложке будет
определятся только отражением на передней грани подложки и поглощением в пленке. Если через То обозначить пропускание подложки, то пропускание подложки с поглощающей пленкой на длинах волн, кратных  , будет равно

  (2.4)

где А-поглощение в пленке. А можно определить как разницу между максимальным значением пропускания в длинноволновой области (0.7-1 мкм) и значениями в максимумах экстремумов на фиксированных длинах волн в более коротковолновых областях спектра (0.4-0.7 мкм). Зная геометрическую толщину пленки h по закону Бугера

 , или  (2.5)

можно определить коэффициент поглощения пленки  на длине волны 0 

 

  (2.6)

и ее комплексный показатель поглощения ( к ) из уравнения

  (2.7)

Из формул 3.1-3.5 можно определить толщину пленки  по поло­жению экстремумов пропускания на шкале длин волн и коэффициент преломления.

Пусть соседние экстремумы лежат на длинах волн и . Неизвестными являются к, n и h. Возьмем три соседних экстремума с определенными длинами волн , и . Для них можно написать систему из трех уравнений с тремя неизвестными.

 maxk = 4 п2h2 / 2k

  min k = 4 п2h2 / (2k+1)

maxk+1 = 4 п2h2 / 2(k+1)

 

Решая эту систему, найдем оптическую толщину п2h2 и к. 

Значение пропускания Т в экстремумах (Тmin и Тmax) также можно использовать для вычисления показателей преломления пленок n в области с минимальным поглощением с помощью следующих соотношения :

 

  (1.8)

  (2.9)

Определив таким образом показатель преломления пленки n2 на длине волны контроля, можно, используя формулу Лорентц-Лоренца, вычислить относительную плотность пленки p:

 (2.10)

где nm – показатель преломления монокристалла, соответствующего плёнкообразующего вещества, на данной длине волны контроля.

Архитектура Зимнего дворца Санкт-Петербурга