Фильтровые спектральные приборы

В тех случаях, когда спектрофотометры предназначаются для регистрации излучения на одной, фиксированной на все время эксплуатации, длине волны или в тех случаях, когда не предъявляется высоких требований к спектральному разрешению приборов, в качестве элементов, обеспечивающих выделение определенного спектрального диапазона, используются светофильтры.

Светофильтрами, или просто фильтрами, называются оптические элементы, изменяющие спектральный состав излучения, не изменяя формы фронта световой волны, падающей на фильтр. Основная характеристика светофильтра - его пропускание T_λ=Ф_λ/ФФ₀, где ФФ₀ - падающий на фильтр световой поток и Ф_λ - прошедший через фильтр поток. Наряду с пропусканием фильтр часто характеризуют его оптической плотностью, определяемой как

(8.22)

Фильтры называют нейтральными, или серыми, если их оптическая плотность не зависит от длины волны, т. е. постоянна по всему спектру. Фильтры с широкой полосой пропускания называются широкополосными. Фильтры с узкой полосой называют монохроматическими.

Фильтры, используемые в спектрофотометрах, можно разделить на абсорбционные, отражающие, дисперсионные, интерференционные и интерференционно-поляризационные.

Абсорбционные фильтры представляют собой твердотельные, жидкостные и газовые среды, поглощающие электромагнитное излучение в определенных областях. Для таких фильтров пропускание зависит от коэффициента поглощения материала фильтра K_λ и от коэффициента отражения света поверхностями фильтра R_λ.

(8.23)

где l - толщина поглощающего слоя фильтра. Твердотельные абсорбционные фильтры изготавливают из стекла, из различных кристаллов. Жидкостные и газовые фильтры делают в виде кювет, наполняемых растворами или газами, селективно пропускающими свет в той области спектра, в которой должен работать спектральный прибор.

В отражающих фильтрах используется свойство большинства металлов селективно отражать падающее электромагнитное излучение. Селективные отражающие фильтры могут быть получены нанесением на подложку чередующихся тонких слоев с высоким и низким показателем преломления. Оптическая толщина каждого слоя выбирается равной λ/4. Отраженные от границ раздела слоев пучки света оказываются синфазными, что приводит к значительному повышению коэффициента отражения таких зеркал для определенной длины волны.

Дисперсионные фильтры основаны на дисперсии света - зависимости показателя преломления от длины волны. Одна из конструкций такого типа является кюветой, наполненной порошком из прозрачного материала. В кювету заливается жидкость, подобранная так, чтобы для определенной длины волны показатели преломления жидкости и порошка совпадали. Тогда кювета оптически однородна для лучей этой длины волны, но рассеивает излучение других длин волн. Такие фильтры могут изменять длину волны максимума пропускания. Это достигается изменением показателя преломления жидкости либо добавлением другой компоненты, либо изменением температуры. На рис. 8.12 приведены показатели преломления 10% раствора сероуглерода в бензине и показатель преломления боросиликатного стекла, которое используется в виде порошка. Такое сочетание компонентов дисперсионного фильтра позволяет выделять видимую область спектра с пропусканием, близким к функции видности человеческого глаза.

Рис. 09.12. Схема прибора для измерения концентраций загрязняющих веществ в сточных водах: ФДк - фотодиод на красный диапазон длин волн; СДк - красный светодиод; ФДз - фотодиод на зеленый диапазон длин волн; СДз - зеленый светодиод; ФДс - фотодиод на синий диапазон длин волн; СДс - синий светодиод; К - кювета с пробой

 

 

Интерференционные фильтры принципиально схожи с отражательными многослойными фильтрами, т. е. представляют собой набор отражающих и прозрачных покрытий, нанесенных на прозрачную подложку. Фильтр, предназначенный для выделения какой-либо полосы пропускания, должен иметь оптические толщины слоев, кратные целому числу полуволн, т. е.

где n - целое число. Очевидно, что изготовив такое покрытие фильтр будет пропускать не только излучение данной длины волны, но и длины волн, кратные ей, т. е. 2λ; 3λ... и λ. Для того чтобы излучения высших порядков не накладывалось на излучение первого порядка, интерференционные слои наносят на какое-либо стекло, поглощающее высшие порядки. Интерференционные фильтры изготавливают работающими как на пропускание, так и на отражение.

Если в фильтре интерференция происходит в поляризованных лучах света, то такие фильтры позволяют выделять очень узкие спектральные интервалы, ширина которых доходит до сотых долей нанометра. Интерференционно - поляризационные фильтры очень удобны в использовании, поскольку позволяет получать высокую степень монохроматизации при большой светосиле прибора. Однако интерференционно - поляризационные фильтры очень сложны в изготовлении и, соответственно, дороги. Тем не менее для ряда специальных задач, когда требуется реализовать в приборе высокое спектральное разрешение с высокой светосилой и при этом обеспечить небольшие габариты и вес прибора, использование интерференционно - поляризационных фильтров оказываются самым предпочтительным способом решения проблемы.