Лабораторные работы по электротехнике

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРКАЛ

Hа пpактике высокого коэффициента отpажения добиваются путем пpименения многослойных покpытий с чеpедующимся высоким (nB) и низким (nн) показателем пpеломления. Вещества, использующиемые в интеpфеpенционных зеpкалах, должны обpазовывать пpочные, стойкие к атмосфеpным воздействиям покpытия и обладать малым поглощением в pабочей области длин волн. В видимой области спектpа используются для этих целей Na3AlF6 (nH= 1,34), ZnS (nB= 2,3), SiO2 (nH= 1,46), ZrO2 (nB = 2,05), MgF2 (nH= 1,38), PbF2 (nB= 1,75), TiO2 (n=2.3), и дp. Здесь коэффициенты преломления даны для длины волны 0.55 мкм.

В инфракрасной  области спектра для этих целей используют, ZnS (nB= 2,1), ZnSе (nB= 2,4), Ge (n=4), CaF2 (nH= 1,3), SbO3 (nB = 2,05), MgF2 (nH= 1,38), PbF2 (nB= 1,65) и дp. Здесь коэффициенты преломления даны для длины волны 5 мкм.

Наиболее часто при изготовлении зеркал используют четвертьволновые пленки. Четвертьволновой называется пленка, оптическая толщина которой равна для заданной длины волны. Для них получены аналитические решения матричным методом. Мы будем рассматривать высокоотражающие покрытия из четвертьволновых пленок с коэффициентом отражения R. Они обладают максимальным для заданного числа пленок коэффициентом отражения.

Для слоев равной оптической толщины получены рекуррентные формулы для коэффициентов отражения и пропускания. В случае, когда первая прилегающая к подложке (с коэффициентом преломления n) пленка изготовлена из вещества с высоким показателем преломления и следующие из чередующихся слоев пленок с высоким п (обозначим их как n1) и низким показателем преломления (обозначим их как n2), структура зеркала имеет вид ПВ(НВ)N. Таким образом оно состоит из 2N+1 четвертьволновой пленки, а его максимальный коэффициент отражения определяется по формуле (1.29б).

В случае, когда первая прилегающая к подложке (с коэффициентом преломления n) пленка изготовлена из вещества с низким показателем преломления и следующие из чередующихся слоев пленок с высоким п (обозначим их как n1) и низким показателем преломления (обозначим их как n2), структура зеркала имеет вид П(НВ)N. Таким образом оно состоит из 2N четвертьволновых пленок, а его максимальный коэффициент отражения определяется по формуле (1.29а).

При точном равенстве оптической толщины слоев четверти длины волны света коэффициент отражения многослойного зеркала при падении света по нормали из воздуха подсчитывается для четного (2N) и нечетного(2N+1) числа слоев соответственно [2,10]:

  (1.29a)

  (1.29б)

Спектры пропускания ряда зеркал приведены в разделе 1.4.

Область спектра, в которой пропускание минимально, называется областью заграждения. Она характеризуется шириной полосы заграждения 2 .Ширину полосы заграждения можно связать с высоким nB и низким nH показателями преломления. Для полосы заграждения первого порядка слоистой системы, состоящей из чередующихся слоев с высоким nB и низким nH показателями преломления и с оптической толщиной, равной четверти длины волны получается следующая формула для расчета полуширины заграждения (подробный вывод формулы проведен в работе [2]):

  (1.30)

Из формул (1/29-1.30) следует, что с ростом отношения nB / nH полуширина многослойной периодической системы монотонно увеличивается, а ее коэффициент пропускания на длине волны l0 уменьшается.

Формула (1.30) может быть использована для определения nB / nH по спектру пропускания (отражения). Число слоев в периодической системе можно определить по количеству экстремумов между двумя полосами заграждения на длинах волн 0 и 0/З. Их число равно числу используемых слоев. На практике эта методика ограничена областью используемых длин волн, в которой снимается спектра. Реально число слоев можно определить сравнивая расчетные спектры с измеренными в области полосы заграждения и ближайших экстремумов по длинам волн (или частот) соответствующих положению ближайших экстремумов.

В лабораторную работу входит исследование спектров изготовленных при выполнении лабораторной работы 1 покрытий (зеркал или просветляющих покрытий в видимиой или ИК областях спектра). Кроме того, по заданию преподавателя могут быть предложены ранее изготовленные зеркала, для которыз необходимо снять спектр и определить структуру зеркал , а также вещества пленок, используемых в этих зеркалах.

 ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

При выполнении этой работы используются технические описания спе­ктрофотометров ИКС-22, ИКС-16 и МУМ-2. Все задания дополнительно согласуются с преподавателем.

Задание №1. На спектрофотометре МУМ-2 снять спектр пропускания подложки с пленкой в области 0,5-1,0 мкм. В этой области определить коэффициент поглощения a (или коэффициент экстинкции k). При расчетах учитывать, что максимальный коэффициент пропускания с непоглощающей пленкой определяется отражениями от двух поверхностей подложки. Подложка - стекло (n = 1,52).

Задание №2. На спектрофотометре МУМ-2 снять спектр пропускания подложки с пленкой в области 0,5-1,0 мкм. В этой области определить коэффициент преломления пленки и определить с помощью таблицы 1 материал пленки. Подложка - стекло (n=1,52).

Задание №3. На спектрофотометре МУМ-2 снять спектр пропускания зеркала в области длин волн 0,5-1,0 мкм, Считая, что материал пленки с низким показателем преломления известен (n=1,4), определить коэффициент преломления вещества с высоким показателем преломления и по таблице 1 определить само вещество. Путем сравнения пропускания зеркала в минимуме с рассчитанным, определить число слоев.

Задание №4. На спектрофотографе ИКС-22 снять спектр пропускания зеркала в области длин волн 2-13 мкм. Определить число пленок в зеркале и материал пленки с высоким показателем преломления. Подложка и пленка с низким показателем преломления из фторида бария. Рассчитать спектр и сравнить с экспериментально измеренным.

Задание №5. На спектрофотометре МУМ-2 снять спектр пропускания зеркала в области длин волн 0,35-1,20 мкм, Считая, что материал подложки известен (n=1,52), и зеркало выполнено из чествертьволновых слоев определить:

1. Число пленок в зеркале, материал пленки с высоким и низким показателями преломления.

2. Рассчитать спектр зеркала и сравнить спектр пропускания зеркала с рассчитанным.

На главную