Физическое материаловедение Оптические методы исследования Способ спектрального

Физическое материаловедение Оптические методы исследования

Способ спектрального разложения *(франц. échelette), особый вид дифракционных решёток, обладающих способностью концентрировать большую часть падающего на них потока излучения в каком либо определённом (но не нулевом) порядке спектра. Инфракрасная область Эшелетты* Призмы Na. Cl, KBr Видимая область Призмы стекло Дифракционные решетки Область ультрафиолета Дифракционные решетки Призмы кварц

Преломление света n 1 n 2 sinθ 1/ sinθ 2 = v 1/v 2 = n 2/ n 1 Преломление волн по Гюйгенсу Закон Снеллиуса: n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2 n 1 = c/v 1 n 2 = c/v 2 Принцип Гюйгенса: каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн.

Природный спектроскоп

Призма

Призменные спектрографы

Показатели преломления некоторых оптических материалов

Угловая дисперсия и линейная дисперсия для призменной диспергирующей системы sin(( + )/2) = nsin /2 d /d = 2 k · dn/d · sin ( /2)/cos (( + )/2) = 2 k/n · dn/d · tg(( + )/2) k – число призм При расположении спектра перпендикулярно оптической оси камерного объектива = 90° dl/ d = f · 2 k/n · dn/d · tg(( + )/2); d /dl – обратная линейная дисперсия

Схема спектрографа с дифракционной решеткой

Дифракционные решетки

Дифракция световых волн по Гюйгенсу-Френелю Принцип Гюйгенса-Френеля: Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать, как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

$Дифракция волн Difractus (Latin) A diffraction pattern of a 633 nm laser through a$

Дифракция волн Difractus (Latin) A diffraction pattern of a 633 nm laser through a grid of 150 slits

$Дифракция на квадратном отверстии и на двух щелях T. Young‘s sketch of two-slit diffraction,$

Дифракция на квадратном отверстии и на двух щелях T. Young‘s sketch of two-slit diffraction, which he presented to the Royal Society in 1803

Интерференционная картина A =A 1+ A 2 A =A 1 - A 2 Картина в интерферометре Майкельсона Интерференция 2 -х круговых волн в зависимости от и расстояния между источниками

Условие максимумов дифракционной картины: d(sin + sin ) =m d - постоянная решетки, m - порядок спектра для направления вдоль оптической оси объектива = m =2 dsin

Угловая дисперсия и линейная дисперсия для приборов с дифракционными решетками d(sin + sin ) =m d /d = m/dcos d - постоянная решетки, m - порядок спектра Для плоской решетки dl/d = fm/ dcos f - фокусное расстояние камерного объектива Для вогнутой дифракционной решетки e = 90° - dl · sin (90° - ) = dl · cos вместо f берем r‘ = R cos r‘ _ расстояние от решетки до спектра dl/d = m. R/ dcos dl/d = m. R/ d при 0

Дифракционный спектрограф f = 2. 6 m

Светосильный спектрограф Марка прибора Оптическая схема спектрографа Фокусное расстояние зеркал, мм NSI-400 GS Черни-Тернера 400 Размер дифракционной решетки, мм 70 х 70 / 100 х 100 Механический диапазон сканирования, нм 180 -1200 (*) Обратная линейная дисперсия, нм/мм 2, 0 (250) (*) Спектральное разрешение, нм Не хуже 0, 025 (250) (*) - для решетки 1200 лин/мм www. nanospectrum. ru

Монохроматор со сменными решетками Монохроматор / Спектрограф модели MS 3501, MS 3504 www. Solartii/com

Миниатюрные спектрографы -- 2048 -element linear silicon CCD array --

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1, 474, то показатель преломления сердцевины — 1, 479.

Оптоволоконная связь Полное внутреннее отражение Зависимость коэффициента затухания в кварцевом оптоволокне от длины волны света изображение с сайта www. newport. com Эволюция прозрачности стекла со временем; по вертикали отложен коэффициент затухания в д. Б/км, на вертикальной шкале справа показано, какая доля сигнала остается после прохождения километровой толщи стекла. Изображение из книги Fiber Optics Essentials

Приборы с зарядовой связью ПЗС Charged-coupled devices CCD Схема МОП структуры Металл-оксид-полупроводник С дырочной проводимостью Принцип работы зарядовой связи в ПЗС-матрице (изображение с сайта wikipedia. org)

Случай двумерной ПЗС матрицы Принцип считывания информации с двумерной ПЗС-матрицы ( ferra. ru)

МОП-структура как светочувствительный элемент Термин «p-тип» происходит от слова «positive» , обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому индий захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь дырка. Примеси, которые добавляют в этом полупроводниковой структуры, образуя случае, называются акцепторными. электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.

Применение ПЗС матриц НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ • • • для спектроскопии; для микроскопии; для кристаллографии; для рентгеноскопии; для естественных наук; для биологических наук. КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ • • • в телескопах; в звёздных датчиках; в спутниках слежения; при зондировании планет; бортовое и ручное оборудование экипажа.

Применение ПЗС матриц ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ • для проверки качества сварных швов; • для контроля равномерности окрашенных поверхностей; • для исследования износостойкости механических изделий; • для считывания штрих-кодов; • для контроля качества упаковки продукции. МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ • • • в рентгеноскопии; в кардиологии; в маммографии; в стоматологии; в микрохирургии; в онкологии.

Применение ПЗС матриц ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ • • • в профессиональных фотоаппаратах; в любительских фотоаппаратах; в мобильных телефонах. АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ • • • для автоматического распознавания номерных знаков; для контроля скорости; для управления транспортным потоком; для пропуска на стоянку; в полицейских системах наблюдения.

Применение ПЗС матриц • ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ • • • в жилых квартирах; в аэропортах; на строительных площадках; на рабочих местах; в «умных» камерах, распознающих лицо человека. ВОЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ • • • в спутниках военного назначения; в системах наведения ракет; в камерах кругового обзора на военной технике; в системах ночного видения; в системах посадки авиации в ночное время.

Кислородная серия в спектре термолюминесценции твердого Ar с примесью O 2, облученного электронным пучком. O + O O 2* O 2+h

Спектр нестационарной катодолюминесценции

Разрешающая способность спектрального прибора Критерий Рождественского: V=(Imax- Imin)/0. 5(Imax+ Imin) R = / При ширине действующего отверстия диспергирющей системы а угловое расстояние между близкими линиями = /a (положение I дифракционного минимума) = · d /d Для призменной системы i = /2, nsin /2 = sinr r = ( + )/2 a = CBcos ( + )/2 b/2 = CBsin /2 R = bk·dn/d b - основание призмы k – число призм R = a · d /d Для дифракционной диспергирующей системы а = Ndcos R = Nm N – число штрихов m – порядок спектра

Литература: 1. Г. С. Ландсберг, Оптика, М. Физматлит, 2003. 2. А. А. Бабушкин, П. А. Бажулин, Ф. А. Королев, Л. В. Левшин, В. К. Прокофьев, А. Р. Стриганов, Методы спектрального анализа, Изд. Московского университета, 1962.