Исследование оптических спектров

Лабораторная работа 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ

ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОПУСКАНИЯ, ОТРАЖЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ

Цель работы. Исследование спектров источников оптического излучения и спектральных коэффициентов пропускания, отражения и поглощения некоторых оптических материалов и элементов когерентной оптики.

Основные положения. Спектром излучения называется зависимость спектральной плотности мощности излучения (I_λ или I_ν) от длины волны λ или частоты ν электромагнитных колебаний:

В работе исследуются оптические спектры ряда источников, имеющих различную природу излучения. Излучение равновесно нагретого тела определяется излучением его возбужденных атомов, обладающих широкой гаммой энергий в соответствии с распределением Максвелла. Вследствие этого спектр излучения нагретого до температуры T тела, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой, имеющей температуру T₀, является сплошным. С ростом T длина волны λ_max, соответствующая максимуму спектра излучения уменьшается. Величина сдвига при этом определяется вторым законом Вина: λ_maxT = 2,9·10³ мкм·К. Величина самого максимума излучения пропорциональна T⁵. Интегральная плотность мощности излучения возрастает пропорционально (T⁴ – T₀⁴). Спектр излучения абсолютно черного тела с точностью до единиц процентов описывается функцией Планка. Спектры реальных нагретых тел могут существенно отличаться от спектра абсолютно черного тела. В особенности это относится к тепловому излучению селективных тел, у которых коэффициент излучения зависит не только от температуры, как у нагретых серых тел, но и от длины волны. Общей тенденцией является увеличение коэффициента излучения по мере возрастания температуры.

Эффективным источником оптического излучения является положительный столб газового разряда. Спектр излучения положительного столба газоразрядных источников оптического излучения в большой мере зависит от рода и давления газа, плотности тока и геометрии разрядного промежутка. При низком давлении, когда частота соударений атомов невелика, спектр определяется  излучением отдельных возбужденных атомов. Так как уровни энергии атомов в газе дискретны, то спектр излучения газа при низком давлении носит явно выраженный линейчатый характер: Δλ < λ_{i + 1} – λ_i , что свидетельствует о неравновесном состоянии плазмы. Ширина линий Δλ излучения практически определяется эффектом Доплера, возникающим вследствие теплового движения излучающих атомов. По мере повышения давления газа усиливается столкновительное взаимодействие между атомами, растет температура газа и как следствие наблюдается дальнейший рост Δλ. С повышением давления газа становятся более вероятными ступенчатые процессы, сопровождающиеся появлением новых нерезонансных линий излучения, возникающих в результате оптических переходов между возбужденными состояниями атомов. Под влиянием этих процессов изменяются соотношения интенсивностей различных отдельных спектральных линий. Оказывается возможным резонансное поглощение собственного излучения в объеме газа с последующим его переизлучением. В результате резонансного поглощения в центре линий излучения могут образовываться провалы, а также происходить смещение крыльев линий. Подобный эффект, называемый самообращением линий, особенно ярко проявляется в излучении натриевых газоразрядных ламп высокого давления, широко используемых для целей освещения. При сверхвысоких давлениях (СВД) газа и больших плотностях тока в результате торможения электронов в микрополях ионов, процессов рекомбинации электронов и ионов в объеме, повышения температуры газа дополнительно к уширенным линиям возникает достаточно мощное излучение, которое имеет сплошной спектр. Так, СВД-разряд в ксеноне формирует интенсивное оптическое излучение, близкое по спектру к солнечному. Напротив, спектр ртутного СВД-разряда наряду со сплошным фоном содержит мощные широкие линии ртути.