Оптические методы исследования Физическое материаловедение. Способ спектрального разложения

Оптические методы исследования Физическое материаловедение

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.

Преломление света n1sinθ1 = n2sinθ2 n1 = c/v1 n2 = c/v2 n1 n2 sinθ1/ sinθ2 = v1/v2 = n2/ n1 Преломление волн по Гюйгенсу Принцип Гюйгенса: каждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Закон Снеллиуса:

Природный спектроскоп

Призма

Призменные спектрографы

Показатели преломления некоторых оптических материалов

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

Схема спектрографа с дифракционной решеткой

Дифракционные решетки

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 световых волн по Гюйгенсу-Френелю

Дифракция волн

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

Интерференционная картина

Монохроматор со сменными решетками

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

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)

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

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 дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.

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 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 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. Применение ПЗС матриц

Спектр нестационарной катодолюминесценции

Разрешающая способность спектрального прибора

Литература: 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.