Экспериментальная установка и работа на ней

1. Монохроматор универсальный малогабаритный МУМ-01

2. Блок питания

3. блок обработки сигнала

4. Мультиметр

Рис. 1. Блок-схема установки

1 – блок питания, 2 – блок обработки сигнала, 3 – мультиметр, 4 – корпус монохроматора, 5 – источник света (светодиод), 6 – кюветный блок, 7 – приемник света (фотодиод), 8 – шкала длин вол, 9 – привод редуктора дифракционной решетки, 10 – ручка перемещения зеркала, 11 – щели.

Краткая теория

Оптический спектр – это распределение энергии светового излучения по данным волн (или частотам). Спектр может быть сплошным, полосчатым или линейчатым. В сплошном спектре находится излучение с непрерывным рядом длин волн. В полосчатом спектре есть участки длин волн, с которыми излучение не происходит. В линейчатых спектрах излучение происходит в узких интервалах длин волн.

Видимая часть спектра для человеческого глаза находится в пределах от 380 нм до 760 нм. Излучение оптического диапазона, имеющего длины волн больше 800 нм называется инфракрасным, а излучение с длиной волны меньшей, чем 400 нм – ультрафиолетовым.

Разложение света в спектр, как правило, производится двумя методами. В первом методе используется зависимость показателя преломления света веществом от длины волны. Это явление называется дисперсией света, а спектр, полученный таким методом – дисперсионным.

Для разложения света в спектр его пропускают через трехгранную призму. Схема установки для получения спектров этим методом показана на рис. 2. При нормальной дисперсии света показатель преломления можно определить по формуле Коши:

(1)

А, В, С,… - постоянные, зависящие от вещества.

- длина волны света.

Если на призму падает сложный по спектральному составу свет, то угол отклонения луча зависит от длины волны. В зависимости от положения призмы 3 (рис.2) на датчик излучения 5 будет попадать свет с различай длиной волны.

Рис.2.

1 – источник света, 2 – диафрагма для ограничения светового потока, 3 – призма, 4 – экран со щелью (диафрагмой), 5 – датчик излучения, 6 – прибор, измеряющий величину пропорциональную энергии излучения, 7 – редуктор для поворота призмы.

Положение призмы задает редуктор 7. Можно произвести градуировку редуктора относительно длины волны света, попадающего на датчик излучения. Датчик излучения превращает мощность падающего на него света в величину, которую легко мерить, и эта величина пропорциональна мощности излучения. В качестве датчиков удобно использовать фотодиоды. Свет в них создает ЭДС, которая измеряется милливольтметром (блок 7 на рис. 1).

Приборы, в которых свет разлагается в спектр, называются монохроматорами. Монохроматоры могут быть построены на явлении дифракции. Хорошую разрешающую способность при разложении света в спектр имеют дифракционные решетки.

Дифракционная решетка на просвет представляет собой систему параллельных прозрачных щелей, разделенных непрозрачными полосками. Ширина прозрачного и непрозрачного участков решетки называется постоянной решетки. Если обозначим ширину прозрачного участка – а, непрозрачного – b, то постоянная решетки d=a+b.

Условие главных максимумов определяется соотношением:

(2)

- угол дифракции,

m - порядок (номер) спектра,

- длина волны.

Если на дифракционную решетку направить немонохроматический свет, то главные максимумы будут состоять из излучений с различными длинами волн, распространяющимися под разными углами в соответствии с формулой (2). В максимуме нулевого порядка (m=0) разложения в спектр не будет.

Измерение интенсивности и длины волны излучения может быть произведено аналогично тому, как это делается в монохроматорах дисперсионных.

Экспериментальная установка и работа на ней

Рис.3. Оптическая схема монохроматора МУМ-01

1 – источник света (светодиоды), 2 – конденсор, 3 – щель, 4 – зеркало, 5 – отражательная дифракционная решетка, 6 – зеркало, 7 – выходная щель, 8 – выходная щель.

Основой экспериментальной установки является малогабаритный универсальный монохроматор МУМ-01 (рис.3). В корпусе монохроматора смонтирован источник света – светодиоды 1. Для расположения объекта исследований (светофильтров) предназначено кюветное отделение 6 (рис.1). В этом же корпусе помещено устройство, способное фиксировать интенсивность света (фотодиод) 7 (рис.1). Сигнал (ЭДС фотодиода) поступает в блок обработки сигналов и измеряется мультиметром. Мультиметр подключается к блоку обработки сигналов специальным штекером. Электропитание установки производится через блок питания. Он содержит понижающий трансформатор и включается в розетку с напряжением 220В.

Разложение света в спектр осуществляет отражательная дифракционная решетка 5 (рис.3).

Положение дифракционной решетки определяет длину волны света, который попадает в щель 7 или 8 (рис.3). Решетка с помощью редуктора может поворачиваться, направляя в щель свет той или иной длины волны. Положение решетки связано с указателем (шкалой). Поэтому шкалу градуируют в длинах волн (нанометрах). Поворот решетки производится ручкой, расположенной вблизи указателя длины волны (шкалы). Измеритель длины волны охватывает диапазон от 200нм до 800нм с точностью 0,2нм.