Реферат: Оптические приборы

РЕФЕРАТ

"Оптические приборы"

1. Светофильтры

При помощи светофильтров обычно отделяютодну часть спектра от других. Это значит, что подыскивают светофильтр с резкойграницей поглощения как со стороны длинноволновой части спектра, так и состороны коротковолновой. Желтые или красные фильтры имеют резко спадающую вкоротковолновой части спектра абсорбционную кривую. С их помощью можно отсечькоротковолновую часть спектра практически с любого желаемого места. Фильтрыподобного рода имеются в продаже; можно заказать желаемую абсорбционнуюхарактеристику и получить фильтр, имеющий соответствующие свойства. Значительнотруднее получить с помощью окрашенных стеклянных фильтров абсорбционную кривую,резко спадающую в длинноволновой части спектра, если предъявляются высокиетребования к однородности стекла. В этом случае применяют желатиновые фильтры,окрашенные органическими красителями. Некоторые указания по изготовлению такихсветофильтров даются ниже.

Узкую область спектра можно выделить припомощи комбинации фильтров Шотта. Для этой цели весьма выгодно применять иинтерференционные фильтры. Они отличаются высокой степенью прозрачности и узкойобластью пропускания. При помощи интерференционных фильтров очень удобновыделять определенные линии из линейчатых спектров спектральных ламп. Путемпоследовательного применения двух или нескольких интерференционных фильтроводного типа можно в значительной степени ослабить пропущенный фон.Интерференционные фильтры изготовляются с максимумом пропускания от л=225 лиг до инфракрасной области.Изготовление фильтров для ультрафиолетовой части спектра в настоящее время ещесопряжено с рядом трудностей. В последнее время в продаже появилисьинтерференционные фильтры для краев спектра и отдельных линий. Путем различныхкомбинаций таких фильтров можно получить любую заданную спектральную полосупропускания.

Интерференционные фильтры лучше всегоприобретать. Пытаться изготовить такой фильтр самостоятельно не имеет смысла.

При применении интерференционныхфильтров надо иметь в виду, что их проницаемость меняется с изменениемнаправления падающих лучей. Интерференционные фильтры в потоке лучейнагреваются мало, так как они имеют очень небольшое поглощение. Энергия, непрошедшая через фильтр, отражается. Поэтому необходимо принимать меры,исключающие вредное влияние отраженных лучей. Стеклянные фильтры, обладающие большимпоглощением, при интенсивном облучении сильно нагреваются, их кривая поглощенияизменяется. Спектральная граница красных фильтров с повышением температурысмещается в красную область спектра. В связи с этим упомянем, что границаспектра пропускания горячей кварцевой колбы ртутной лампы высокого давлениялежит в области длин волн > 254 ммк.

Красители вводятся в растворы желатина,которые высушивают на стеклянных пластинках. Рецепты 41 желатинового фильтраопубликованы Ходжменом. Ниже мы даем некоторые из них. Стеклянные пластинкипредварительно необходимо очищать при помощи растворов едкого натра в воде идвухромовокислого калия в серной кислоте; желатина взвешивается, в течение часамоется в холодной поде и разминается. Затем берут на 20 г. сухой желатины 300 см3 воды, растворяют ее при температуре 40°С и фильтруют. Этот раствор желатины нагревается до 45° С, смешивается скраской и с помощью пипетки наливается на стеклянную пластинку, очищенную, какуказано; пластинку предварительно устанавливают горизонтально и защищают от пыли.Две пластинки, приготовленные таким образом, после высыхания склеиваютканадским бальзамом.

Раствор желатины, если к нему добавитьсахар, еще лучше прилипнет к стеклу. Для дезинфицирования желатинового растворапригоден тимол: небольшой кусочек этого вещества, напоминающего камфару,бросается в раствор. В качестве основной подложки, можно применять «хромовуюжелатину»: к 100 см3 1% раствора желатины добавляется 5 см3 5% раствора хромовых квасцов.

Однако изготовление хорошего фильтратребует все же налгЬ чия известных познаний в области специальных свойствкрасителей и знания определенных приемов работы с ними; надо думать, что Э.Дж. Уоллбыл прав, когда он вообще отказался от самостоятельного изготовления подобныхцветных фильтров. Поэтому в каждом случае необходимо прежде всего подробноознакомиться с монографиями по этому вопросу указанного автора или монографиейВейгерта. В отношении всех светофильтров, у которых краситель растворен вжелатине, имеется опасность, что их цвет в течение нескольких месяцев или летизменится, особенно если слой приклеен канадским бальзамом и если фильтрдлительное время оставался на свету. Цветные желатиновые пленки выпускаются впродажу рядом фирм.

Можно рекомендовать и так называемые монохроматические фильтры, выделяющие из спектра полосы почтиодинаковой ширины, примыкающие друг к другу. Имеются два сортамонохроматических фильтров: для более широких и для более узких областейспектра. Если область пропускания сужается, то уменьшается и максимальноезначение пропускания – на несколько процентов. Монохроматические фильтры можнос успехом применять для устранения рассеянного света в простых монохроматорах.

Для серых стекол кривая пропускания,вообще говоря, не обнаруживает зависимости от длины волны. За пределами краснойчасти степень прозрачности в большинстве случаев резко увеличивается. Этосвойство надо иметь в виду при применении таких стекол, например, в форме клинав качестве ослабителя в спектральном аппарате. Селективность серого фильтра приобретаетбольшое значение при очень плотных фильтрах. Серые фильтры, полученныефотографическим путем, сравнительно мало селективны. К сожалению, они вбольшинстве случаев немного рассеивают свет, так что при употреблении этихфильтров рассеянные лучи могут вызвать дополнительный световой эффект.

Значительно проще изготовлять жидкиефильтры. Красящий раствор наливают в ванну с плоскопараллельными стенками.Очень подходят для этой цели упоминавшиеся на стр. 111 цилиндрическиестеклянные сосуды, – на концах которых приплавлены плоскопараллельныепластинки; сбоку в сосуд впаивается отросток для наполнения его жидкостью.Широко известны сосудыЛейболъда; относительноних, так же как и относительно изготовления маленьких кювет, см. Вейгерт.Жидкие фильтры из нескольких вполне определенных помещенных друг за другомслоев можно сравнительно просто составлять при помощи соответствующих кювет.

Для наполнения жидких фильтров особенноподходят окрашенные неорганические соли, так как они обнаруживают полнуюсветостойкость.

Следующие указания взяты из работыГибсона,

4400 А: 5% водный раствор железосинеродистогокалия,

5000 А: 6% водный раствор двухромовокислогокалия,»

6000 А: пластинки из стекла, окрашенного закисьюмеди, или из рубцового стекла,

780: йод в сероуглероде,

8200 А: эбонит; проницаемость пластинки толщиной0,3 мм при 1 лк 37%, при 2 мк 61%.

Ниже приводятся данные о различныхинфракрасных фильтрах. Эти фильтры, так же как и многочисленные красители,исследовал Меркельбах в области от 0,6 до 2,8 мк.

Второй класс

Фильтры с определенной длинноволновойграницей проницаемости: слой воды толщиной 1 см. Проницаемость при л=1 мк 80%, при л= 1,5 лек 0%.

57 г. сернокислой меди на. 1 литр воды,толщина слоя 1 см. Растворпропускает при л=5800 А 80%, начиная от л= 7500 А в сторону длинных волн непрозрачен.

Полунасыщенный водный раствор хлористогожелеза пропускает при толщине слоя 10 мм: при л=0,7 мк 40%, при л=0,8 JitK 5%, при л=0, и мк 0%. К сожалению, раствор малоустойчив.Стекло BG 19 фирмы Шотт при толщине 2 мм пропускает: при л=0,55 мк 90%, при л=0,7 мк 50% и при л от 0,9 до 2,8 juk менее 5% падающего на него света.

Красный свет поглощается более сильно,чем коротковолновый сине-зеленым фильтром указанной выше фирмы, а такжеберлинской лазурью.

Фильтры для специальных целей

Если по методу, предложенному Пфундом,обработать целлулоидные пленочки парами селена, то получается черный слой,который, как показали Барнес и Боннер, вместе с кварцевой пластинкой толщиной0,7 мм пропускает лучи только с длиной волнсвыше 40 лиг. В работе приведены кривые поглощения между, 1 и 120 JitK.

Золотые слои, проницаемость которых длязеленого света составляет 73%, исключают, по данным Кишфалуди, красные иинфракрасные лучи.

Для большинства случаев весьмаподходящими являются три фильтра, предложенные Р.В. Вудом: слой раствораследующего

Состава: 10 мг нитрозодиметиланилина на 100 мл воды,толщиной 5 мм; этот фильтр непроницаем для лучей с длиной волны от 5000 до 3700А и проницаем для длин волн от 3700 до 2000 А. При длительном хранении растворстановится непроницаемым р дляультрафиолетовых лучей без изменения своей окраски. Тонкий серебряный слойпроницаем для лучей с длиной волны от 3400 до 3100 А. Кривая проницаемости этого слояпредставляет собой зеркальное изображение кривой его отражения света. Дляизготовления такого фильтра серебрят кварцевую пластинку, добиваясь слоя такойтолщины, чтобы при наблюдении через пего Солнце представлялось синим диском, аочертания домов на фоне светлого неба уже не были бы видны. На слой серебранакладывают кольцо из фильтровальной бумаги, пропитанной уксуснокислым свинцом;на это кольцо накладывается затем кварцевая пластинка. В таком виде фильтрсохраняется в течение многих месяцев.

Вуднишел также, что очень тонкие слоищелочных металлов, уже совершенно непрозрачные для видимого' света, пропускаюткоротковолновый свет. Такой слой можно получить испарением очень тщательноочищенного щелочного металла; пары осаждают на стенку кварцевой колбы,охлаждаемую жидким воздухом; Вуд описал технику приготовления таких слоев, ноее нельзя считать простой. Над этим фильтром продолжали работать О'Брайен, атакже Уотстон и Харст. Границы проницаемости лежат для

Cs при 4400 Rb» 3600 К» 3150 Na» 2100 Liостается до 1400 А непрозрачным.

Дреслер и Рикк описали светофильтр,который позволяет относительную спектральную чувствительность селеновогофотоэлемента почти полностью приблизить к чувствительности нашего глаза.

Не рекомендуется самому изготовлятьтакой светофильтр, его следует приобрести в готовом виде, так как для каждогофотоэлемента требуется специальный особый подбор светофильтра. Кроме того,рекомендуется периодически контролировать точность работы установки.

Относительно узкую область около любойданной длины волцы можно выделить известным фильтром Христиапсена. Один такойфильтр для длин волн от 3 до 90 мк краткоописан Барнесом и Боннером. Раньше для выделения необходимой области длин волнпользовались изменением температуры кюветки с раствором; Эйе применяет растворбромо- и йодортутных соединений калия и бария, относительно нечувствительный кизменению температуры. По данным автора изменять выделяемую область спектраможно, подбирая подходящую концентрацию раствора. Если для выделения отдельныхлиний в спектре ртутной лампы пользуются жидкими фильтрами, самостоятельносоставленными, то можно рекомендовать описанные далее комбинации фильтров. Этикомбинации применимы так же, как фильтры, дополнительные к интерференционным. ■

Желтый дублет 5790/69 А можно выделить, если спектр ртутной лампы пропустить через слой почтинасыщенного раствора двухромовокислого калия толщиной 5 см.

Зеленая линия 5461 А. В кюветке, наполненной водой растворяюттакое количество тартразина, которое необходимо для того, чтобы синие линииисчезли; для контроля пользуются карманным спектроскопом. Желтый дублетустраняется путем добавления имеющегося в продаже азотнокислого неодима.Раствор почти неограниченно устойчив. Фильтр превосходно подходит дляспектроскопических и поляриметрических исследований, а также для микрофотографии.Можно также применить дидимовое стекло, которое, однако, обходится довольнодорого, так как требуется слой толщиной до 2 см.

Группа линий 4358–4347 Смешивают 8 г сернокислогохинина с 100 см3дистиллированной воды идобавляют по каплям разбавленную серную кислоту до тех пор, пока не растворитсявыпавший вначале пухлый слой белого осадка; его растворение совершаетсявнезапно. Слой этой жидкости толщиной 2 см в соединении с обычным кобальтовымстеклом пропускает, кроме указанной выше группы линий, только следы зеленой линии.Если последнее нежелательно, то в раствор добавляют еще пемпого родамина В. Таккак раствор сернокислого хинина буреет после долгого действия света, то Пфундрекомендует раствор азотисто-кислого натрия толщиной слоя 12 мм; его прозрачность составляет для 4358 А 65%,а для 4047 А 1%.

Еще лучше для этой цели подходит,пожалуй, недавно предложенная Санни и его сотрудниками смесь 6% растворанитробензола в спирте с 0,01% «розамином 56 экстра»; ее слой толщиной 1 см пропускает линию 4358 А, но зато соседние линии ослабляет до 0,1%;необходимо указать, что этот светофильтр немного чувствителен к действию света.

Для линии 3125 А Бэкстрём кратко описал следующий фильтр: раствор из 14 г. сернокислого никеля и 10 г. сернокислогокобальта на 100 см* дистиллированнойводы; этот светофильтр пропускает при слое толщиной в 3 см 3,5% линии 3342 А, но зато 96% линии3125 А; он является прозрачным минимум до 2300 А. Если к этому раствору добавить еще 45 г. безводного кислого фталата калия,который хорошо поглощает короткие волны, то интенсивность уже соседней линии3023 А ослабляется до 0,1%, в то время как длялинии 3125 А сохраняется высокая проницаемость.Простым, однако не очень хорошим поглотителем является посеребренная кварцеваяпластинка.

Для выделения линии 2536 А можно по Ольденбергу пользоваться кварцевой колбой диаметром 40 мм, наполненной хлором до давления примерно6 атм. Линия 4358 А будет еще сильно ослабляться, но длинноволновые линии – едва ли.

Пользуясь стеклянными фильтрами иобычными спектральными лампами, имеющимися в продаже, можно выделять линии,почти равномерно расположенные на всем протяжении спектра. В противовес жидкимфильтрам, стеклянный фильтр имеет то преимущество, что он чуть ли небезгранично устойчив. В справочнике по физике и химии Д'Анса и Лакса приведеныкомбинации фильтров и соответствующих им спектральных ламп.

Для видимого и ультрафиолетового светахорошие результаты дают прозрачные металлические слои платины, родия, сурьмы,отложенные испарением на кварцевые пластинки.

Тейсинг и Гёберт изготовили с помощьюизящного приема серый « фильтр, поглощение которого в области длин волн между3000 А и 2,3 мк практически является постоянным. Дляэтого они на один слой, поглощение которого уменьшается при уменьшении длинволн, отложили второй слой, поглощение которого изменяется в противоположномнаправлении.

Поляризационные пленки, которые теперьизготовляются различными фирмами, при скрещенном положении можно применять вкачестве нейтрального фильтра переменной прозрачности. Во многих случаях с большимуспехом вместо поляризационных призм употребляются поляризационные пленки. Прискрещенном положении лучшие из них уменьшают яркость света в сотни раз. Посравнению с поляризационными призмами они обладают преимуществом большего полязрения. Пленки можно изготовить почти безграничного размера. Иногда возникаютзатруднения вследствие необходимости обеспечить их теплоустойчивость. Отдействия влаги поляризаторы можно надежно защищать, если это вообще необходимо,вклеивая их между стеклянными дисками.

С одной стороны, производствополяризационных фильтров такого типа, с другой стороны, изготовление пленок сдвойным преломлением побуждают к проектированию ротационно-дисперсионных светофильтров.Этот вид фильтров много лет назад описал Р.В. Вуд при разделении компонентов линии натрии; светофильтры такого типа затемразрабатывались Лайотом, Эхманом, Регием и Хаазе. Фильтр с отверстием Лайотом,пропускал, в зеленой части полоску в 2 А шириныпри прозрачности 13%, а в красной части – 3 А при 24%.

2. Зеркальные поверхности

А) Металлы

Результаты весьма многочисленныхэкспериментальных исследований в этой области приводят к следующим качественнымвыводам. При больших длинах волн, в несколько микрон, большинство металловотражает от 90 и почти до 100% падающего света. От 15 мк до почти 4000 А серебро по отражательной способности превосходит все другиеметаллы; в инфракрасной области вплоть до 8500 А золото отражает так же, как и серебро. Очень хорошим отражателем вдлинноволновой области является также латунь. Результаты таких работ представленыграфически на рис.

/>

Отражательнаяспособность серебра и алюминия

/>

Отражательная способностьсеребра и алюминия

Известно, что с уменьшением длин волнотражательная способность всех металлов сильно уменьшается, за исключениемкремния. Зеркальныйметалл, или такназываемый сплав Брэшира, применяемый в особенности для отражательныхдифракционных решеток, состоит из 68% меди и 32% олова. По данным Пфунда вобласти Лаймана лучше всего отражает кварц, хуже всего – зеркальный металл.

Б) Слои, уменьшающие отражение

Слои, устраняющие или уменьшающиеотражение, в настоящее время широко применяются в оптике. Методы нанесениятонких слоев, например, магния, кальция или фтористого лития стали техническивесьма совершенными. В технической оптике уже начинают применяться многослойныепокрытия, устраняющие отражение. Значительно увеличена также прочность слоев.Прежде всего, слои, осажденные из газовой фазы, имеют практически твердостьстекла, они почти неразрушимы. Методы осаждения слоев из газовой фазы былиразвиты Геффкеном. Уменьшение отражения на таких слоях весьма значительно.Коэффициент отражения от них в небольшой степени зависит от длины волны и имеетзначения от 0,2 до 1%. Приприменении многослойных покрытий зависимость отражения от длины волныуменьшается. Могут быть также получены зеркала с большой отражающейспособностью и незначительным поглощением. Для этого, однако, необходимо четноечисло слоев.

В табл. указаны прозрачность и рассеяниесвета оптической системой, состоящей из некоторого числа поверхностей, впредположении, что на каждой поверхности отражается с,=5% или Q1=I%падающего на нее света. Как и следовало ожидать, выигрыш за счет уменьшенияотражения при двух поверхностях незначителен, но при увеличении их числа онстановится настолько большим, что, например, при 30 поверхностях вредныйрассеянный свет за счет относительного повышения степени проницаемости в трираза уменьшается почти в шесть раз.

3. Микроскоп и его принадлежности, вособенности для термических работ

Микроскоп, т.е. осветительноеустройство, окуляр и объектив, представляет собой один из широко применяющихсяприборов. Укажем еще на некоторую дополнительную аппаратуру, например камерудля работы при пизких температурах; в этом случае объект располагается вплоской камере, через которую протекает сухой газ, прошедший через холодильнуюванну. Для работы при температурах между – 130и – и кристаллов.

При микроскопическом наблюдении фазовыхпереходов, процессов плавления или образования монокристаллов при высокихтемпературах маленькие пробы вещества могут быть в некоторых случаях помещенына нагреваемую электрическим способом U-образнуюметаллическую ленту. Эта лента, сделанная из сплава 60% Pt-) – 40% Rh, служит микропечью. Лента имеетразмеры: толщина 0,01 мм, ширина 8 мм, длина боковых сторон 10 мм, расстояние между ними 1,2 мм; воздух в этой печи нагревается дотемпературы свыше 1800 °С; эта температура может сохраняться длительноевремя. Температура может быть определена по графику зависимости ее от токанакала, точки которого получены как известные температуры плавленияопределенных веществ. Ниже перечисляются подходящие для этой цели вещества и указываютсяих температуры плавления:

K2SO4, CaO-MgO-2Si02,BaO-2Si02,CaO •Al2Os^SiO2, смесь 15% MgO и 85%SiO2. В методе, предложенном Ордвеем, каплярасплава удерживается капиллярными силами на поверхности термоэлемента Pt–PtRh, нагреваемого переменным током высокойчастоты. Постоянное напряжение на нагретом термоэлементе используется для измерениятемпературы. Цепь измерения температуры должна быть но всей длине термоэлементаограждена фильтрами от воздействия переменного напряжения. Абсолютная ошибкаизмерения температуры при 1420° С равна 5°. В методе В ел ьха цепь измерениятемпературы и цепь нагревателя полностью разделены. Термоэлемент нагреваетсяодной полуволной 50-периодного переменного тока. Во время второй полуволнытермоэлемент для определения термо ЭДС подключается к компенсационной схеме.

Для металломикроскопии при высокихтемпературах имеются.' заводские нагревательные столы. Они имеют вакуумплотныесосуды, в которых небольшой полированный кусочек исследуемого металла нагреваютв высоком вакууме или защитной атмосфере и наблюдают процесс изменения егоповерхности с температурой.

/>

Установкадля исследований с поляризационным микроскопом при низких температурах. Схемакамеры-приставки к поляризационному микроскопу.J – объектив микроскопа,2 – пробковое кольцо, 3 – полая пластинка сприпаянной латунной трубкой 4, опущенной в сосуд 6 сжидким воздухом 5,7 – термоэлемент, S – посеребренное металлическое зеркало, 9 – камера сохлажденным воздухом, Яп – толстостенная латунная трубка, и – стеклянная трубка, 12– кожухдля трубки ю, 13 – дополнительный нагреватель, 14-фарфоровая трубка, 15– пластинкас припаянной латунной трубкой 16, опущенной в сосуд сжидким воздухом 17, 18 – нагреватель, 19– дыоар,20 – пробковое кольцо, 21– кольцеобразнаяпластинка, поддерживаемая предметным столиком микроскопа 22.

Состояние объектив – объект не можетбыть менее 2,5–3 мм, то при нормальных объективах максимально достижимое увеличение непревышает 250–300. Обзор развития металлографических методов и полученных имирезультатов дает Рейнахер 18). Пфейффер описывает самодельный нагревательныйстол для исследования легко окисляющихся сплавов с помощью микроскопа.Нагреватель помещен на полом кварцевом держателе, заключенном в стеклянныйкожух с водяным охлаждением; держатель закрыт шлифом из плавленого кварца с приплавленнойк нему кварцевой шайбой. Печь нагревателя состоит из двух сплавленных вместетрубочек АlОз,через которые проходят платиновые проволоки. Для измерения температуры образца, помещенного в печь, служиттермоэлемент. Токоподводящие провода и провода термоэлемента вплавлены в стеклодля обеспечения герметичности соединения.

Очень быстро совершенствуются методыослабления отражения. Ослабление отражения достигается тем, что или изменяетсяхимический состав пограничного слоя линз, или на них наносится слой с другимпоказателем преломления.

В последнее время очень быстропрогрессирует инфракрасная микроскопия, в которой применяют отражательныемикроскопы. Большие успехи в оценке неровностей на поверхностях достигнутыблагодаря микроскопам с фазовым контрастом. В ультрафиолетовом микроскопе такжес успехом применяется метод фазового контраста.

Простой микроманипулятор состоит из рамыс двумя расположенными под прямым углом деревянными планками, которыесоединяются с микроскопом и обеспечивают возможность перемещения прикрепленныхк ним микроиголок, микропипеток и микроэлектродов.

/>

Вакуумный нагревательныйстол по Пфейфферу