Experimental Methods
in Photochemistry and
Photophysics
Part 1
J.F. RABEK
Department of Polymer Technology,
The Royal Institute of Technology,
Stockholm, Sweden
A Wiley-Interscience Publication
John Wiley & Sons
Chichester • New York • Brisbane • Toronto • Singapore
Я.Рабек
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
МЕТОИЫ
В ФОТОХИМИИ
И ФОТОФИЗИКЕ
В ДВУХ ТОМАХ
Перевод с английского
В. И. Сидельникова
и канд. биол. наук С. К. Чаморовского
под редакцией
д-ра физ.-мат. наук, проф. А. Ю. Борисова
Москва «Мир» 1985
Scan AAW
ББК 24.5
Р12
УДК 541.14 + 535.2 + 535.8
Рабек Я.
Р12 Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизике:
В 2-х томах. Т. 1. Пер. с англ.-М.: Мир, 1985.-608 с., ил.
Двухтомное, энциклопедическое по охвату материала издание, написанное шведским ученым,
посвящено детальному анализу фундаментальных основ и техники современного эксперимента
в области фотохимии и фотофизики. В т. 1 включены главы, в которых обсуждаются основные за-
коны оптики и фотометрии, описываются источники оптического излучения, оптические системы
и их компоненты, оптические материалы, вспомогательное электронное оборудование.
Для научных работников, аспирантов и студентов, специализирующихся в области спектроско-
пии, биофизики, биохимии, физической химии, солнечной энергетики
Р
1805000000-187
041(01)-85
101-85, ч. 1
ББК 24.5
541
Редакция литературы по химии
Ян Рабек
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ФОТОХИМИИ И ФОТОФИЗИКЕ
Т 1
Научный редактор А. Г. Шемятенков. Мл. научный редактор Н Н Устякова. Художественный редактор
М.Н Кузьмина Технический редактор А. Л. Гулина Корректор Н А Гиря.
ИБ № 5231
Сдано в набор 28 06 84 г. Подписано к печати 9.01.85 г Формат 60 х 90716- Бумага офсетная № 1. Гарни-
тура тайме. Печать офсетная Объем 19 бум л. Усл печ л. 38 Усл. кр -отт 76. Уч -изд. л 36,88. Изд. № 3/3414.
Тираж 2600 экз Зак. 644 Цена 6 р. 10 к
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР». ‘129820, ГСП, Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2.
Можайский полиграфкомбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли. 143200, г. Можайск, ул. Мира, 93.
© 1982 by John Wiley & Sons Ltd. All Rights
Reserved. Authorized translation from the
English language edition published by John
Wiley & Sons Ltd.
© Перевод на русский язык, «Мир», 1985.
Предисловие редактора перевода
Книгу профессора Стокгольмского технологического института Я. Ра-
бека можно с полным правом считать энциклопедией многочисленных экспери-
ментальных и контрольных методов и технологий, которые связаны с использо-
ванием света и имеют разнообразные приложения в ряде научных (физика,
химия, биология, геология и др.) и прикладных (медицина, промышленное про-
изводство, контроль технологических процессов и др.) дисциплин. Другого по-
добного издания в мировой литературе сейчас нет, необходимость же в нем дав-
но назрела. Трудности создания такой книги связаны с чрезвычайно широким
набором тематик, которые необходимо раскрыть, начиная с теоретических во-
просов современной молекулярной оптики и кончая обстоятельными данными
технических характеристик современных оптико-электронных приборов вплоть
до вопросов материаловедения. На первый взгляд кажется, что эти вопросы
подробно отражены во многих монографиях, однако это не так. Приборная оп-
тика сложилась еще к началу нашего столетия. В середине века она испытала ка-
чественный скачок, связанный с переходом от визуальных и фотографических
методов регистрации к наиболее чувствительным и объективным фотоэлектри-
ческим методам с последующей записью результатов (например, на диаграмм-
ной ленте). Тем не менее и в это время рассматриваемая область науки в основ-
ном ограничивалась классическими методами спектроскопии, спектрофотоме-
трии и кинетического анализа изменений оптических параметров на основе
ставших привычными оптических элементов типа монохроматоров, линз, зеркал
вместе с «классическими» источниками света типа газоразрядных и вольфра-
мовых ламп. Добавились лишь новые фотоприемники и электронные усилители
с самописцами и осциллографами.
На фоне этого уровня то, что произошло за последние 10-20 лет, можно
смело назвать революцией. Появился ряд совершенно новых источников света (в
первую очередь различные лазеры), которые обеспечили принципиально новые
возможности проведения экспериментальных и контрольных исследований.
В ряде случаев уникальные возможности этих источников породили совершенно
новые методы и технологии (например, новую область молекулярной оптики —
нелинейную оптику, новую научно-прикладную дисциплину - голографию, а так-
же пикосекундную спектроскопию молекул, лазерную химию, лазерную хирур-
гию и многие другие).
Одновременно с этим бурный прогресс наблюдался в технологии материа-
лов. Появились оптические элементы из новых материалов, которые позволили
совершенно иначе подойти к конструированию оптических приборов и их узлов.
Большинство стационарных приборов стали теперь переносными, многие-ма-
логабаритными, в ряде случаев изменились их оптические пути (например, в ре-
зультате использования волоконной оптики или лазерных пучков), появились
новые типы узкополосных и широкополосных оптических фильтров, пикосе-
6
Предисловие редактора перевода
кундные оптические модуляторы света, были созданы новые методы получения
широкополосных световых пучков в виде сверхкоротких импульсов (генерация
гармоник и параметрическое преобразование длин волн в «нелинейных» кри-
сталлах).
Наконец, на эти изменения сугубо «оптических» областей наложился
мощный прогресс в современной электронике. Последняя дала оптике ряд
новых методов усиления, разделения, накопления и регистрации сигналов. Кро-
ме того, применение в оптических приборах электронно-вычислительных машин
позволило проводить обработку получаемой информации непосредственно по
ходу эксперимента или контрольного процесса и на этой основе управлять экс-
периментом или процессом. Попутно управляющие ЭВМ позволяют проводить
отбор неудачных или выпадающих по заданным параметрам стадий экспери-
мента, соотносить между собой различные регистрируемые величины, повышать
точность получаемой информации благодаря накоплению регистрируемых
данных.
Все это вместе взятое и составляет новый уровень инструментальной опти-
ки, который нашел весьма адекватное отражение в настоящем издании. Новая
инструментальная оптика в отличие от ее классической предшественницы стала
почти всеохватывающей научно-прикладной дисциплиной. Знакомство с ее ши-
рокими возможностями стало теперь весьма желательным для научных и науч-
но-технических кадров самого широкого профиля.
Нужно отметить, что в мире найдется немного людей, которые были бы хо-
рошо знакомы с совокупностью тематик, затронутых в этой книге. Профессор
Я. Рабек-явно один из них, и к тому же он проявил немалую смелость, не по-
боявшись взяться за столь сложный и огромный труд. В своей книге автор по-
чти совсем избегает теоретических вопросов (лишь в двух главах из тридцати
приводятся краткие сведения из молекулярной оптики). Зато в ней в изобилии
содержатся самые разнообразные справочные данные о методах и приборах, об
отдельных оптических элементах и материалах. Типичная глава книги строится
по следующему примерному плану: практические основы метода (без обоснова-
ний), его модификации, характерные схемы приборов, схемы их важнейших ком-
понентов, характеристики и режимы работы приборов, проблемы, возникающие
при использовании приборов, рекомендации по подготовке образцов и их трени-
ровке перед измерениями. Почти во всех главах текст обильно снабжен рисунка-
ми и схемами, которые заметно повышают доходчивость материала, также
имеется много фотографий современных приборов и их наиболее важных ком-
понентов с пояснением их назначения, а иногда даже способов работы на них.
Создается впечатление, что даже специалист среднетехнического уровня смог бы
использовать многие из описываемых приборов после внимательного прочтения
соответствующего раздела книги. Именно эта практическая направленность
двухтомника делает его несомненно ценным пособием, руководством к дей-
ствию для многих потенциальных читателей, книгой, необходимой каждой тех-
нической библиотеке. Конечно, никто не смог бы написать на едином высоком
уровне все главы столь разнородной книги, где оптика соседствует с механикой,
электроника-с химией, молекулярные процессы-с ЭВМ. Но с главными задача-
ми автор успешно справился.
А. Борисов
Посвящается моей дочери Доминике
Предисловие
Фотохимия и фотофизика представляют собой взаимопроникающие
науки, в которых используются сходные методики, подходы и оборудование.
Некоторые фотофизические методы, такие, как эмиссионная спектроскопия или
спектроскопия сверхвысокого временного разрешения, стали для фотохимиков
обычными методиками, используемыми в повседневной работе. В последнее де-
сятилетие как в фотохимии, так и в фотофизике произошли революционные из-
менения. В большой степени эти изменения обусловлены созданием лазерной
техники и широким внедрением ее во многие области фотохимии и фотофизики.
Применение лазеров способствовало созданию двух совершенно новых областей
исследования-сверхбыстрой (наносекундной и пикосекундной) спектроскопии
и нелинейной оптики. Совершенствование фотоприемников и развитие техники
регистрации сделало эти методы более доступными и для фотохимиков.
В настоящей книге дан обзор большинства известных на сегодняшний день
фотохимических и фотофизических методов, а также приведена сводка выпускае-
мого промышленностью соответствующего оборудования. Каждая глава книги
включает вполне самостоятельный материал, который можно изучать отдельно,
вне связи с другими главами. Такое построение книги дает возможность читате-
лю знакомиться с интересующими его конкретными проблемами или методами.
Каждый фотохимик должен быть знаком с основными принципами по-
строения оптических систем, с оптическими материалами, с конструкцией источ-
ников излучения, оптико-механических устройств, фотодетекторов и систем
воспроизведения сигнала, с основами радиометрии и т.д. В настоящей книге
можно найти фундаментальные сведения по этим вопросам. Я обнаружил, что
многие химики, проводящие фотохимические исследования, в своей повседнев-
ной работе часто нуждаются в простой практической книге, свободной от
сложных теоретических рассуждений.
В этой книге сделана попытка изложить в простой, понятной и упорядочен-
ной форме тот материал по оптике, электронике, материаловедению и спектро-
скопии, который может оказаться полезным в фотохимических и некоторых фо-
тофизических исследованиях.
Материал, собранный в настоящей книге, представляет собой результат
обработки сотен книг, статей, каталогов и частных сообщений из различных ла-
бораторий всего мира. Кроме того, эта книга обобщает опыт моей собственной
двадцатилетней экспериментальной работы в области фотохимии полимеров.
Я ограничил свою задачу выбором и упорядоченным изложением соответствую-
щей информации, призванной помочь ученым, инженерам и студентам, рабо-
тающим в области экспериментальной фотохимии и фотофизики. Мне хотелось
бы поблагодарить редакторов и издателей многих журналов и книг, а также
многие фирмы за разрешение воспроизвести в этой книге их материалы. На-
ибольшее внимание обращено на результаты, найденные с помощью экспери-
8
Предисловие
ментальных методик, развитых за последние десять лет. Постоянно возрастаю-
щий объем публикуемых данных по этим темам в настоящее время представлен
более чем в 5000 работ. Превосходный обзор этих данных, сделанный Вестом,
опубликован в сборнике «Разработки методов и приборов в фотохимии» [563].
По этой причине настоящая книга по характеру представленного в ней материа-
ла отличается от обзора Веста. Она содержит наиболее важные сведения, прин-
ципы и приложения различных методов, которые могут быть непосредственным
образом использованы в повседневной работе.
Эта книга будет полезна экспериментаторам-фотохимикам, фотофизикам,
фотобиологам, а также исследователям, работающим в области материаловеде-
ния или химии полимеров и изучающим влияние света на вещества. Книга мо-
жет быть также полезна студентам и аспирантам, специализирующимся в этих
областях.
Это первая попытка объединить всю жизненно необходимую информацию
по фотохимии и фотофизике в одной книге.
В заключение я бы хотел выразить признательность членам моей семьи за
то, что во время написания этой книги они терпеливо сносили мое отсутствие
по вечерам, в праздники и выходные дни.
Я. Рабек
... больше света!
Иоганн Вольфганг фон Гёте
(1749-1832)
Глава 1.
Природа и свойства света
Литература. 7, 115, 227, 433, 443.
По определению слово свет означает оптическое излучение, ви-
димое человеческим глазом (разд. 30.2.1). Свет представляет собой пси-
хофизическое понятие.
Оптическое излучение является частью спектра электромагнитного
излучения (рис. 1.1) и его можно подразделить на различные диапазоны
или области (табл. 1.1). Ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК)
диапазоны в свою очередь делятся на поддиапазоны А, В и С. Видимый
свет делится на различные цвета.
Электромагнитное излучение -это форма энергии, которая распро-
страняется в пространстве и не связана с распространением вещества.
Электромагнитному излучению можно приписать либо волновой, либо
корпускулярный характер. На рис. 1.2 показана плоскополяризованная
электромагнитная волна одной частоты, т. е. монохроматический луч.
Если электромагнитная волна является плоскополяризованной, то вектор
электрического поля Е колеблется в одной плоскости, а вектор магнит-
ного поля Н колеблется в другой плоскости, перпендикулярной первой.
Обычно большая часть электромагнитного излучения является неполя-
ризованной, т.е. векторы электрического и магнитного поля такого из-
лучения имеют всевозможные ориентации в плоскости, перпендикуляр-
ной направлению распространения излучения. Различные виды электро-
магнитного излучения характеризуются либо длиной волны X, либо
частотой v.
Длина волны X определяется как расстояние, соответствующее одно-
му периоду колебаний, или как расстояние между последовательными
максимумами или минимумами (рис. 1.2). Обычно используют следую-
щие единицы измерения длины волны: 1 мкм = 10 ~ 6 м = 10 “ 4 см =
= 10000 А (мкм = микрометр), 1 нм = 10“9 м = 10“7 см = 10 А (нм =
= нанометр), 1 А = 10-10 м = 10~8 см (А = ангстрем).
Ангстрем -это единица длины (которая не входит в систему единиц
СИ), равная 1/6438,4696 части длины волны красной линии в спектре
кадмия. Для сокращенного обозначения этой единицы используют сим-
вол А (не путать с символом А, который обозначает ампер!). Разработ-
чики оптических приборов, фотохимики и оптики выражают длину вол-
ны в нанометрах, тогда как спектроскописты, в отличие от них, обычно
измеряют длину волны в ангстремах.
10
Глава 1
10ю Я? 10е	10* 1О'г 1 1Ог 10*	10е 10е	10ю 1О,г К14 Л,мкм
Космические
лучи
Рентгеновские
лучи
вые волны\трические колебания
Гамма-лучи
Ультрафиолетовый^Видимый свет ^^Оранжевыи\ Инфракрасный
Ч / I КоасныА^’^Р^А^Л^^ -
присный Ktia нии далекий
Очень „
Золении
Си- Зеле-
\ний
ныи
10
ZOO 300 330 455 49Z 577 597 6ZZ
770 15-Ю3 6-103 4-10* 106 Л, нм
Рис. 1.1. Диапазоны электромагнитного излучения.
Частота v-это число периодов колебаний в единицу времени [еди-
ница период с-1 называется герц (Гц)]:
V = 1/г
(1.1)
где t- время, за которое колебания проходят расстояние, равное одной
длине волны.
Длина волны и частота связаны между собой выражением
X = v/v = с/у
(1.2)
где и-скорость распространения колебаний. Все электромагнитное из-
лучение (в том числе и свет) распространяется в вакууме с одинаковой
скоростью с, равной 2,9979 108 м с-1. Частота v является единствен-
ной характеристикой данного излучения, поскольку и скорость распро-
Таблица 1.1. Диапазоны спектра оптического излучения
Диапазон длин волн, нм	Название	Диапазон длин волн, нм	Название
100-280	УФ-С	495-580	Видимый свет (зеленый)
280-315	УФ-В	580-640	Видимый свет (желтый)
315-380	УФ-А	640-750	Видимый свет (красный)
380-440	Видимый свет (фиоле- товый)	750-1400	ИК-А
440-495	Видимый свет (синий)	1400-3000 3000-Ю6	ИК-В ИК-С
Природа и свойства света
11
странения v, и длина волны X зависят от природы среды, через которую
проходит электромагнитная волна.
Волновое число v-это число волн на единицу длины пути (число
волн в сантиметре):
v=l/X = v/c	(1.3)
Единица измерения волнового числа и длины волны связаны между
собой соотношением:
см 1 = (1/мкм) 104	(1.4)
Таблицы перевода длин волн (мкм) в волновые числа (см” х) и обратно
приведены в приложениях А и Б соответственно.
Типичные значения длин волн X, частот v и волновых чисел v для
оптического спектра приведены в табл. 1.2.
Фотон, или квант энергии излучения, представляет собой квантован-
ную форму электромагнитной волны. Энергия фотона определяется
Таблица 1.2. Типичные значения параметров излучения
для оптического спектра
Рентге-
новские
лучи
Л, А	1
нм	ОД
мкм
v. Гц
й, см~}
Вакуумный	Ближний	Ближний
ультрасрио- ультрасрио-	инфракрас-
летовый летовый Видимый ный.
2000	4000	7000	10 000
200	400	700	1000
0,4	0,7	1
1,5.10й 7,5 - 1014	3*1014
50 000	25 000	14 300	10 000
Дальний
инфракрас-
ный
50	500
6-Ю12 6-Ю11
200	20
12
Глава 1
уравнением Планка:
Е = hv = chfk = chv	(1.5)
где h-постоянная Планка, равная 6,626-10“ 34 Дж-с, v-частота фотона
(с-1), v-волновое число фотона (м-1), с-скорость распространения
электромагнитного излучения (м/с). Энергию фотона можно выразить
в следующих единицах:
1) Для одиночного кванта (длина волны X выражена в нанометрах):
Е =1,986-10 “9/Х эрг	(1.6)
Е= 1,2398 -103/Х эВ	(1.7)
Электронвольт соответствует кинетической энергии, приобретаемой
электроном при ускорении в электрическом поле с разностью потенциа-
лов в один вольт: 1 эВ = 1,602-10“ 19 ватт-секунд (Вт-с) =
= 1,602-10“19 джоулей (Дж).
2) Для одного моля квантов (длина волны X выражена в нанометрах):
Е = 12,01 • 1014/Х эрг • эйнштейн “ 1	(1.8)
Е — 2,86 • 107/Х кал • эйнштейн “ 1	(1.9)
Количество энергии, соответствующее одному мОлю фотонов, назы-
вается эйнштейном. Эту величину можно получить, умножив энергию
одного фотона на число Авогадро N, равное 6,023-1023:
Е = Nhv = Nchfk = Nchv	(1.10)
Оптическое излучение возникает следующим образом:
1)	В основном состоянии все электроны располагаются на наиболее
низких возможных энергетических уровнях, характеризующихся опреде-
ленным значением кинетической и потенциальной энергии.
2)	В результате процесса возбуждения, вызванного электрической,
тепловой или лучистой энергией, электроны могут временно покидать
основной уровень и переходить на более высокий возбужденный уро-
вень, характеризующийся более высокой энергией.
3)	Это возбужденное состояние нестабильно и через очень короткое
время возбужденный электрон возвращается обратно в основное со-
стояние, излучая при этом квант, частота которого соответствует разно-
сти энергии этих двух уровней:
AE = /iv = E2 —(1-11)
где Е2-энергия возбужденного состояния, Е{ -энергия основного со-
стояния.
Природа и свойства света
13
Энергия, распространяющаяся в виде электромагнитной волны, в ра-
диометрии называется энергией излучения (разд. 2.1), а в фотоме-
трии - световой энергией (разд. 2.1).
Энергия, распространяющаяся в виде фотонов, в фотохимии связы-
вается с интенсивностью оптического излучения [или интенсивностью
света (разд. 27.2)].
Определения физических и оптических величин подробно рассмо-
трены в DIN Standards 1301, 5032, 5033 и 44020 [620].
Глава 2.
Радиометрические
и фотометрические единицы
Литература: 79, 118, 245, 247, 250, 345. 370, 394, 440, 486, 545, 609, 610, 654, 1441, 146»,
1593-1595
2.1.	ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Радиометрия - измерение энергетических величин, характери-
зующих излучение.
Фотометрия-измерение энергетических величин, характеризующих
свет, т.е. излучение видимого диапазона.
Радиометрические и фотометрические единицы непосредственно свя-
заны между собой (см. табл. 2.1). Примечание: индекс е (энергетический)
применяется для обозначения радиометрических единиц, а индекс v (ви-
димый)-для фотометрических единиц.
Энергия излучения Qe- энергия, распространяющаяся в виде электро-
магнитных волн. Единицей измерения энергии излучения является ватт-
секунда (Вт с), равная джоулю (Дж).
Поток излучения (мощность излучения) фе-отношение энергии из-
лучения dQe к времени dt.
Полный поток излучения (полная мощность излучения) Фе-полная
энергия излучения, испускаемого источником излучения во всех напра-
влениях за одну секунду:
&e = dQe/dt	(2.1)
Если полная энергия Qe излучения, испускаемого за единицу времени t,
остается постоянной, то
^e = Qe/t	(2.2J
Единицей полного потока излучения является ватт (Вт).
Энергию излучения Qe можно получить, проинтегрировав по времени
полный поток излучения Фе:
t
Qe= f <t>edt	(2.3)
t = 0
Если полный поток излучения Фе не изменяется во времени, то
2е = Фйг	(2.4)
Радиометрические и фотометрические единицы	15
Таблица 2.1. Радиометрические и фотометрические термины и единицы
	Радиометрические единицы (подстрочный индекс е)	i		Фотометрические единицы (подстрочный индекс v)	
	Неспект- ральные еди- ницы	Спектральные еди- ницы	Неспектральные единицы	Спектральные единицы
Энергия	Энергия	Спектральная1	Световая энергия	Спектральная
Q	излуче- ния Qe (джоули)	плотность энер- гии излучения бе(Х) (джоули на единицу дли- ны волны)	Qv (люмен-се- кунды)	плотность све- товой энергии QV(X) (люмен- секунды на еди- ницу длины волны)
Поток Ф	Поток из- лучения Фе (ват- ты)	Спектральная плотность по- тока излучения Фе(Х) (ватты на единицу длины волны)	Световой поток Ф„ (люмены)	Спектральная плотность све- тового потока Ф„ (^) (люмены на единицу дли- ны волны)
Световой поток (световая мощность) Фг-спектральная часть потока
излучения (мощности излучения), к которой чувствителен человеческий
глаз (т.е. которая вызывает ощущение света). Единицей измерения све-
тового потока является люмен (лм).
Световая энергия Qv получается при интегрировании светового по-
тока Фг по времени. Единицей измерения световой энергии является лю-
мен-секунда (лмс).
2.1.1.	Телесный угол
Телесный угол со-это стереометрическая величина. Единицей
измерения его служит стерадиан (ср). Величина телесного угла сфериче-
ского сектора определяется как отношение площади сферической по-
верхности этого сектора А к квадрату радиуса сферы г (рис. 2.1):
со = А/г2 ср	(2.5)
Примечание: стерадиан как единицу измерения нельзя выражать в еди-
ницах м2/м2; обратный перевод также невозможен.
Телесный угол со, образованный полной сферой (например, радиусом
1 м), равен
со = А/г2 = 4лг2/г2 = 4л ср	(2.6)
16
Глава 2
Рис. 2.1. Определения телесного угла со (а) и одного стерадиана (ср) (б).
Величина телесного угла со, образованного полусферой (например,
радиусом 1 м), составляет
со = А/г2 = 2пг2 /г2 — 2п ср
(2.7)
Телесный угол со, образованный сферическим сектором (рис. 2.2),
можно рассчитать с помощью угла полуапертуры ср:
со = A/r2 = 2nrh/r2 = 2nr2 (1 — cos <р)/г2 = 2п (1 — cos ср)	(2.8)
или с помощью других известных величин (рис. 2.2):
со = A/r2 = 2пг(г — 1)/г2 = 2п [1 — ]/1/(К2 + /2)]	(2.9)
Рис. 2.2. Сферический сектор.
Обозначения: Л-часть сферической поверх-
ности, ограниченная сферическим сектором,
h- высота соответствующего сегмента,
R-радиус основания сегмента, г-радйус
сферы (г=/ + Ц ф-угол полуапертуры.
Соотношение между величиной телесного угла со и углом полуапертуры
ср показано на рис. 2.3. Примечание: 1 ср соответствует величине <р =
= 32,72°.
Таблицы перевода градусов, минут и секунд в радианы и радианов
в градусы, минуты и секунды приведены в приложениях В и
Г соответственно.
2.2.	ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ОТНОСЯЩИЕСЯ
К ИСТОЧНИКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ
Энергетическая светимость Ме-отношение потока излучения
с1Фе, испускаемого элементом поверхности dA к площади этого элемен-
та:
Me = d<be/dA	(2.10)
Если поток излучения Фе, испускаемого поверхностью А, равномерно
распределен по всем элементам поверхности dA, то
Ме = Фе/А	(2.11)
Энергетическую светимость Ме можно также определить как плот-
ность потока излучения на единицу поверхности. Единицей измерения
энергетической светимости является ватт на квадратный метр (Вт/м2).
Полный поток излучения (полная мощность излучения) Фе есть инте-
грал от энергетической светимости Ме по всем элементам поверхности
dA:
А
Фе= f М^А	(2.12)
Л = о
2-644
18
Глава 2
Если энергетическая светимость Ме всех элементов поверхности dA
одинакова, то
Фе = МеЛ	(2.13)
Светимость Mv-отношение светового потока, испускаемого элемен-
том поверхности, к площади этого элемента. Единицей измерения свети-
мости служит люмен, на квадратный метр (лм/м2).
Сила излучения 1е-отношение потока излучения б/Фе, исходящего от
источника излучения в данном направлении, к элементу телесного угла
dco, в пределах которого поток распространяется:
1е =	(2.14)
Примечание: сила излучения 1е определяет пространственную плот-
ность излучения точечного источника, расположенного в вершине телес-
ного угла (рис. 2.4).
Если поток излучения Фе одинаков по всем элементам телесного
угла da, то
1е = Фе/а	(2.15)
Единицей измерения телесного угла служит стерадиан (ср.
разд. 2.1.1), а единицей измерения силы излучения -ватт на стерадиан
(Вт/ср).
Поток излучения (мощность излучения) Фе есть интеграл от силы
излучения 1е по всем элементам телесного угла dco:
Фе= f led(o	(2.16)
CD = O
Рис. 2.4. Определение силы излучения 1е.
Радиометрические и фотометрические единицы	19
Если сила излучения 1е одинакова во всех элементах телесного угла dco,
то
Фе = /е(о	(2.17)
Сила света Iv-отношение светового потока б/Фь к элементу телесно-
го угла dco, в пределах которого этот поток распространяется. Единицей
измерения силы света служит люмен на стерадиан (лм/ср) или кандела
(вд).
Энергетическая яркость Le-отношение силы излучения dle, прохо-
дящего через элемент поверхности dA или испускаемого им в данном
направлении к проекции элемента на плоскость, перпендикулярную это-
му направлению, dAcoscp, где ф-угол между направлением излучения
и нормалью к поверхности (рис. 2.5):
Le = d!e/dA cos ф	(2.18)
или
Le = d2®e/dAdcb cos ф	(2.19)
Если поток излучения Фе, испускаемого поверхностью А, одинаков по
всем элементам поверхности dA и по всем элементам телесного угла
d(n, то
Le = Ie/A cos ф	(2.20)
или
Le = Фе/Асо cos ф	(2.21)
Единицей измерения энергетической яркости служит ватт на квад-
ратный метр и стерадиан [Вт/(м2-ср)].
L dIe
е dA cos р
Рис. 2.5. Определение энергетической яркости Le.
20
Глава 2
Поток излучения (мощность излучения) Фе-есть интеграл от энерге-
тической яркости Le по элементам поверхности dA и телесного угла dco:
А со
Фе = j f LedAday cos ф	(2.22)
А = о со=о
Примечание: для плоских поверхностных излучателей интегрирование
проводят по полубесконечному пространству от 0 до 2л ср. Для источ-
ников, излучающих во всех направлениях, интегрирование проводят по
всему пространству от 0 до 4л ср.
Если энергетическая яркость Le всех элементов поверхности dA оди-
накова во всех элементах телесного угла dco, то
Фе = LeAco cos ф	(2.23)
Энергетическая светимость Ме есть интеграл от энергетической яр-
кости Le по всем элементам телесного угла dco:
Ме= f Leda	(2.24)
(0=0
Если энергетическая яркость Le одинакова во всех элементах телесного
угла day, то
Ме = ЬеОУ	(2.25)
Сила излучения 1е в данном направлении есть интеграл от энергети-
ческой яркости Le по элементам поверхности dA:
А
Ie= f LedA cos ф	(2.26)
А = о
Если энергетическая яркость Le всех элементов поверхности dA одина-
кова, то
Ie = Le cos ф	(2.27)
Яркость Lv- отношение силы света dlv к элементу телесного угла day,
в пределах которого распространяется поток света, и к площади актив-
ной области dA. Единицей измерения яркости служит люмен на квад-
ратный метр и на стерадиан [лм/(м2 ср)] или кандела на квадратный
метр (кд/м2). В табл. 2.2 приведены коэффициенты перехода между раз-
личными употребляемыми единицами измерения яркости.
Коэффициент полезного действия т|е источника излучения-отноше-
ние общей мощности излучения Фе, испускаемого источником, к подво-
димой к нему мощности Р:
Т|е = Фе/Р
(2.28)
Радиометрические и фотометрические единицы
21
Таблица 2.2. Коэффициенты перехода между различными
единицами яркости
Единицы	кд/м2	сб	асб	л
Кандела на квадратный метр (кд/м2)	1	10~4	л	л/104
Стильб (сб)	104	1	л-104	л
1 сб = 1 кд/см2 Апостильб (асб)	1/л	1/(л-104)	1	1/104
Ламберт (Л)	10*/л	1/л	104	1
Примечание: единицей измерения как общей мощности излучения, так
и подводимой мощности служит ватт. Коэффициент полезного действия
обычно выражают в процентах. Коэффициент полезного действия т|е
источника излучения в интервале длин волн от до Х2 есть отношение
испускаемого источником в этом интервале потока излучения к мощно-
сти, необходимой для генерации этого излучения:
х2
T]e = (f Фе(Х)</Х)/Р	(2.29)
Х1
Световая отдача т|г источника света-отношение полной световой
мощности Фг, испускаемой источником, к величине подводимой мощ-
ности Р:
Пг = Фг/Р	(2.30)
Примечание: световая мощность измеряется в люменах, а световая от-
дача источника света-в люменах на ватт (лм/Вт).
2.3.	ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ОТНОСЯЩИЕСЯ
К ПРИЕМНИКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ
Энергетическая освещенность или облученность Ее- отношение
потока излучения d&e, падающего на элемент поверхности dA, к площа-
ди этого элемента:
Ee = d<S>e/dA	(2.31)
Если падающий поток излучения Фе одинаков на всех элементах по-
верхности dA, то
Ее = Фе/А	(2.32)
Единицей измерения энергетической освещенности служит ватт на
квадратный метр (Вт/м2).
Величину потока излучения (мощности излучения) Фе можно опреде-
22
Глава 2
лить путем интегрирования энергетической освещенности Ее по элемен-
там поверхности dA:
А
Фе = J EedA	(2.33)
Л = о
Если энергетическая освещенность Ее одинакова на всех элементах по-
верхности dA, то
Фе = ЕеА	(2.34)
Освещенность Ev-отношение светового потока dФv, падающего на
элемент освещенной поверхности dA, к площади этого элемента:
= dФv/dA	(2.35)
Единицей измерения освещенности служит люмен на квадратный метр
(лм/м2) или люкс (лк, рис. 2.6). В табл. 2.3 приведены коэффициенты
перехода между различными употребляемыми единицами измерения
освещенности.
Количество облучения (энергетическая экспозиция) Не-интеграл от
энергетической освещенности Ее по времени г:
t
Не= f Eedt	(2.36)
t=o
Рис. 2.6. Определение единиц освещенности Ev.
Радиометрические и фотометрические единицы
23
Таблица 2,3. Коэффициенты перехода между различными
единицами освещенности
Единица	Фут-свеча	Люкс	Фот	Миллифот
1 фут-свеча	1	10,76	0,00108	1,076
1 люкс	0,0929	1	0,0001	0,1
1 фот	929	10000	1	1000
1 миллифот	0,929	10	0,001	1
Если величина энергетической освещенности Е* постоянна во времени,
то
He = Eet	(2.37)
Единицей измерения количества облучения (энергетической экспозиции)
служит ватт-секунда на квадратный метр (Вт-с/м2).
Световая экспозиция Hv-интеграл от освещенности Ev по времени г:
t
Hv= f EJt	(2.38)
t=o
Единицей измерения световой экспозиции служит люмен-секунда на
квадратный метр (лм-с/м2) или люкс-секунда (лк-с).
Отражательная способность р-отношение потока отраженного из-
лучения Фе г к потоку падающего излучения Фе>0:
р = Фе>г/Фе.о	(2.39)
или отношение потока отраженного света Фг> г к потоку падающего све-
та Фг,0:
р = Фг.г/Фг,о	(2.40)
или в общем случае
р = Фг/Ф0	(2.41)
Отраженная энергетическая яркость Le r-отношение силы излуче-
ния dle г, отраженного от элемента поверхности dA в данном направле-
нии, к проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную
направлению излучения, tMcoscp (ф-угол между направлением излуче-
ния и нормалью к элементу поверхности):
Le> г = die, г/dA cos Ф	(2.42)
или LSt r = б/2Фе, r/dAdw cos ф	(2.43)
24
Глава 2
Если сила излучения 1е> г, отраженного от поверхности А, одинакова для
всех элементов поверхности dA и всех элементов телесного угла do, то
г= у/A cos ф	(2.44)
или Le> г = Фе> r/Ao cos ф	(2.45)
Примечание: величина отраженной энергетической яркости Ler в пер-
вую очередь зависит от величины падающего потока излучения Фе о
[уравнение (2.39)]. Если поток падающего излучения Фе о направлен
перпендикулярно поверхности А, то созф = 1, и в этом случае
Le>r = Ie>r/A	(2.46)
или Le г — Фе> Г/Ао	(2.47)
Отраженная яркость Lv r~отношение силы света dlvr, отраженного
от элемента поверхности dA в данном направлении, к проекции этого
элемента на плоскость, перпендикулярную направлению излучения,
dA cos ф (ф-угол между направлением излучения и нормалью к поверх-
ности):
Lv> = dIVf fjdA cos ф	(2.48)
или Lv> r = Л2ФГ> r/dAdo cos ф	(2.49)
Если сила света IVi г, отраженного от поверхности А, одинакова для всех
элементов поверхности dA и всех элементов телесного угла do, то
r = Iv> r/A cos ф	(2.50)
или LVt г = Фи>г/А со cos ф	(2.51)
Примечание: величина отраженной яркости Lv r в первую очередь зави-
сит от падающего светового потока Фг>0 [уравнение (2.40)]. Если поток
падающего света Фг>0 направлен перпендикулярно поверхности А, то
cos ф = 1, и в этом случае
Lv>r = Iv>r/A	(2.52)
или LVi г = Фг> Г/Ао	(2.53)
2.4.	СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ
Ни одно из уравнений, рассмотренных в разд. 2.1-2.3, не
учитывает спектрального распределения излучения. Следовательно, эти
уравнения необходимо скорректировать путем введения единиц распре-
Радиометрические и фотометрические единицы 25
деления спектральной плотности излучения (или сокращенно спек-
тральных единиц). Эти единицы относятся к различным интервалам ли-
бо длин волн dk9 либо частот dv, т.е. они являются функцией либо
длины волны X, либо частоты v.
Спектральная плотность потока излучения (спектральная плотность
мощности излучения) Фе(Х)-часть потока излучения (мощности излуче-
ния) Фе' (разд. 2.1), приходящаяся на малый интервал длин волн JX:
Фе(Х) = ЛФеД/Х	(2.54)
Поток излучения (мощность излучения) Фе равен интегралу от спек-
тральной плотности потока излучения (спектральной плотности мощно-
сти излучения) Фе(Х) по всем интервалам длин волн JX:
Фе=|фе(Х)<й.	(2.55)
О
В табл. 2.4 приведены некоторые спектральные радиометрические
единицы.
Относительная спектральная плотность потока излучения (отно-
сительная спектральная плотность мощности излучения)
Фе (Хотн)—отношение спектральной плотности потока излучения Фе(Х)
на длине волны X к спектральной плотности потока излучения Фе(ХмаКс)
на длине волны Хмакс, соответствующей максимуму Фе(Х):
Фе(Хотн) = Фе(Х)/Фе (^макс)	(2.56)
На рис. 2.7 показано распределение относительной спектральной плот-
ности потока излучения.
Пропорциональная спектральная плотность потока излучения (про-
порциональная спектральная плотность мощности излучения) ^-отно-
шение интеграла от спектральной плотности потока излучения (мощно-
сти излучения) по длине волны в интервале (Хп Х2) к интегралу от
спектральной плотности потока излучения (мощности излучения) в ин-
тервале (0, оо):
q = f ®e(Z)<a/f Фе(Х)Л	(2.57)
О
Решение этого уравнения можно получить графически либо с помощью
ЭВМ.
Относительное спектральное распределение излучения (называемое
также излучательной функцией) S(X) представляет собой отношение
спектрального распределения какой-либо характеристики излучения
[обозначаемой в общем случае как X (X)] к максимальному значению
этой характерйстики Х(Хмакс):
S (X) = X (Х)/Х (Хмакс)
(2.58)
Таблица 2.4. Спектральные радиометрические единицы
Радиометрические Обоз- единицы	наче- ние	Единицы измерения	Спектральные радиометри- ческие единицы	Относящиеся к ин- Единицы из- тервалу длин волн мерения JX	Относящиеся к ин- Единицы из-	
				тервалу частот dv	мерения
Энергия излучения Qe	Дж	Спектральная	плот- ность энергии излуче- ния	Qe (X) = dQeldk	Дж/нм	QeW = dQe/dV	Дж/Гц
Поток излучения Фе	Вт	Спектральная плот- ность потока излуче- ния	Фе (X) = d<&e/d'k Вт/нм	Фе(у) = d^Jdv	Вт/Гц
Энергетическая Ме светимость	Вт/м2	Спектральная плот- ность энергетической светимости	Ме (X) = dMJd'k Вт/(м2 • нм)	Me(v) = dMJdv	Вт/(м2 • Гц)
Сила излучения 1е	Вт/ср	Спектральная	плот- ность силы излучения	1е (X) = dle/dX	Вт/(ср • нм)	Ie(y) = dle/dv	ВтДсрГц)
Энергетическая Le яркость	Вт/(м2 • ср)	Спектральная	плот- ность энергетической яркости	Le (X) = dTe/dX	Вт/(м2 • ср • •нм)	Le (v) = dLe/dv	Вт/ /(м2ср-Гц)
Энергетическая Ее освещенность	Вт/м2	Спектральная	плот- ность энергетической освещенности	Ее (X) = dEg/d'k	Вт/(м2 • нм)	Ee(v) = dEe/dv	Вт/(м2 • Гц)
Количество облу- Не чения (энергети- ческая экспози- ция)	Дж/м2	Спектральная	плот- ность энергетической экспозиции	Не (X) = dHe/dX Дж/(м2 • нм)	We(v) = dHe/dv	Дж/(м2Гц)
Радиометрические и фотометрические единицы
27
Рис. 2.7. Распределение по
длинам волн X относитель-
ного спектрального потока
излучения Фе (Хотн) излучате-
ля Планка.
Излучательная функция S(X) служит характеристикой спектрального
распределения мощности излучения любого источника излучения.
2.5.	ТЕПЛОВЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
2.5.1.	Излучение черного тела
Любое тело, температура которого выше О К, испускает излу-
чение, определяемое его собственной температурой. Такое излучение на-
зывается тепловым или температурным, а его источники -тепловыми
или температурными излучателями.
Черное тело -это такое тело, которое поглощает все падающее на
него излучение, независимо от длины волны и угла падения.
Черный излучатель (излучающее черное тело) испускает во всех на-
правлениях энергию на всех длинах волн, причем выход энергии у тако-
го излучателя выше, чем у любого другого теплового излучателя, нахо-
дящегося при той же температуре и имеющего такую же форму
и размеры. На практике черные излучатели можно получить только для
ограниченных интервалов температур.
Наиболее известной моделью черного тела является полый (или по-
лостной) излучатель (рис. 2.8). Он представляет собой замкнутую по-
лость, стенки которой непроницаемы для тепла и находятся при некото-
рой фиксированной температуре. Излучение такой полости зависит от
температуры стенок и практически совпадает с излучением черного тела
при той же температуре. Для того чтобы получить излучение полости,
достаточно близкое к излучению черного тела, необходимо: 1) поддер-
живать апертуру полости достаточно малой по сравнению с общей пло-
щадью стенок полости; 2) уменьшить отражательную способность сте-
нок полости путем нанесения подходящих черных покрытий.
Спектральная температура излучения (или температура черного те-
ла) Ts-это такая температура черного тела, при которой его спектраль-
ное излучение на любой длине волны определяется законом Планка.
Закон излучения Планка описывает спектральное распределение из-
лучения черного тела. Этот закон устанавливает распределение спек-
28
Глава 2
Рис. 2.8. Полостной излучатель.
тральной плотности энергетической светимости Ме(к) черного тела
в зависимости от температуры:
Ме(Х) = ctA5 (eC2lXT- 1) Вт/м2
(2.59)
где q = 2лйс2 = 3,7415-10“ 16 Вт-м2; с2 = hc/k = 1,43879-10 “ 2 м-К,
h-постоянная Планка, с-скорость света, /с-постоянная Больцмана. За-
висимость спектральной плотности энергетической светимости Ме (X) от
длины волны можно представить в виде изотерм излучения (рис. 2.9).
Спектральная плотность энергетической яркости Le(k) черного тела
выражается как
Le (X) = Ме (Х)/со cos <р Вт/м2 ср	(2.60)
где со-телесный угол, ф-угол между направлением излучения и нор-
малью к поверхности (рис. 2.2). Зависимость спектральной плотности
энергетической яркости Le(X) от длины волны (X) показана на рис. 2.10.
Цветовая температура 7} излучателя-температура черного тела,
при которой его излучение имеет такое же спектральное распределение
в видимой области (т.е. создает такое же ощущение цвета), что и рас-
сматриваемый излучатель.
Температура распределения Tv излучателя-температура черного те-
ла, при которой его излучательная функция строго (или приблизитель-
но) пропорциональна излучательной функции рассматриваемого излуча-
теля в интервале длин волн (Х1? Х2).
Температура отношения Тг-температура черного тела, при которой
отношение спектральных энергетических яркостей для двух различных
длин волн Хх и Х2 у черного тела и у рассматриваемого источника излу-
чения одинаково.
Закон Стефана-Больцмана определяет, что энергетическая свети-
мость Ме черного тела пропорциональна четвертой степени его темпе-
ратуры:
Ме = сТ4
Вт/м2
(2.61)
Радиометрические и фотометрические единицы
29
Рис. 2.9. Зависимость спектральной
плотности энергетической светимости
Ме (X) от длины волны при различных
температурах Т.
Л, мкм
Рис. 2.10. Зависимость спектральной плотности энергетической яркости Le (X) от
длины волны X при различных температурах Т.
30
Глава 2
где Т- температура черного тела, с = 2л5/с4/(15/13с2) = 5,6697-10“8
Вт/(м2-К4)-постоянная Стефана-Больцмана, /с-постоянная Больцма-
на, h-постоянная Планка, с-скорость света.
Закон смещения Вина определяет, что при повышении температуры
черного тела максимум спектральной плотности энергетической свети-
мости Ме(Хмакс) смещается в сторону более коротких длин волн
(рис. 2.11). Произведение длины волны Хмакс, соответствующей макси-
муму спектральной плотности энергетической светимости черного тела,
на его температуру Т есть величина постоянная:
ХмаксТ= 2,8978 • 10 " 3 м • К	(2.62)
Если известна температура черного тела, то из уравнения (2.62) можно
определить положение максимума его свечения Хмакс:
X = 2,8978-10 ~3/Т м	(2.63)
Относительное спектральное распределение излучения (называемое
также излучательной функцией) S(X) (разд. 2.4) выражается совпадаю-
щим с (2.58) соотношением
5(Х) = Х(Х)/Х(Хмакс)	(2.64)
Значение излучательной функции S(X) на длине волны X можно опреде-
лить с помощью табл. 2.5 по произведению XT длины волны X (для ко-
торой определяется излучательная функция) на температуру черного те-
ла Т Значение излучательной функции S (X) можно также рассчитать по
Рис. 2.11. Графическое представление
закона смещения Вина.
Рис. 2.12. Зависимость излучатель-
ной функции S(X) от XT.
Радиометрические и фотометрические единицы
31
Таблица 2.5. Излучательная функция S(X) =/(ХТ) [79]
(воспроизводится с разрешения Texas Instruments)
AT, CJWK	S(A)	AT, cjw-K	S(A)	AT, ОИ*К	S(A)
0,0800	0,0015	0,31	0,984	0,70	0,249
0,0825	0,0020	0,32	0,965	0,74	0,216
0,0850	0,0030	0,33	0,945	0,78	0,187
0,0875	0,0042	0,34	0,921	0,82	0,161
0,0900	0,0060	0,35	0,898	0,86	0,139
0,0925	0,0083	0,36	0,875	0,90	0,121
0,0950	0,011	0,37	0,851	0,94	0,106
0,00975	0,014	0,38	0,829	0,98	0,093
0,10	0,017	0,39	0,806	1,0	0,089
0,11	0,038	0,40	0,783	1,1	0,064
0,12	0,074	0,41	0,759	1,2	0,049
0,13	0,128	0,42	0,734	1,3	0,038
0,14	0,191	0,43	0,711	1,4	0,028
0,15	0,265	0,44	0,686	1,5	0,023
0,16	0,349	0,45	0,664	1,6	0,019
0,17	0,430	0,46	0,641	1,7	0,015
0,18	0,521	0,47	0,618	1,8	0,0125
0,19	0,613	0,48	0,595	1,9	0,010
0,20	0,685	0,49	0,572	2,0	0,0085
0,21	0,735	0,50	0,548	2,2	0,0060
0,22	0,790	0,52	0,507	2,4	0,0044
0,23	0,844	0,54	0,473	2,6	0,0032
0,24	0,895	0,56	0,435	2,8	0,0024
0,25	0,931	0,58	0,400	3,0	0,0019
0,26	0,972	0,60	0,367	3,2	0,0015
0,27	0,982	0,62	0,339	3,4	0,0012
0,28	0,996	0,64	0,313	3,6	0,0010
0,29	1,000	0,66	0,289		
0,30	0,997	0,68	0,267		
соотношению длины волны X, для которой определяется излучательная
функция, и длины волны Хмакс, соответствующей максимуму излучения
черного тела (рис. 2.12). После этого легко получить спектральную
плотность энергетической светимости Ме(Х):
Ме(Х) = 5(Х)Ме(Хмакс)
(2.65)
Пропорциональная спектральная плотность энергетической светимо-
сти q (разд. 2.4) выражается соотношением
q= J A/e(X)cZZ/J Me(k)dk
Xi	о
(2.66)
На рис. 2.13 показаны зависимости пропорциональной спектральной
плотности энергетической светимости q от длины волны X при раз-
личных температурах Т черного тела.
светимости q =
Таблица 2.6. Пропорциональная спектральная плотность энергетической
светимости q =f(XT) [79] (воспроизводится с разрешения Texas Instruments)
ЛТ, си* К	q	XT, cw*K	q	XT, cm*K	q
0,050	1,3652x10-’	0,140	7,9053x10“’	0,460	5,8057 x11г1
0,052	3,6788 х 10"9	0,150	1,3023x10-’	0,480	6,0880 x IO-1
0,054	9,1749 х 10-9	0,160	1,9962 x IO-2	0,500	6,3494x IO-1
0,056	2,1358xl0“8	0,170	2,8858x10“’	0,520	6,5912x1g-1
0,058	4,6745 x 10-8	0,180	3,9754x10“’	0,540	6,8146 x IO-1
0,060	9,6798 x 10-8	0,190	5,2613x10“’	0,560	7,0209 x IO-1
0,062	1,9069 x IO'7	0,200	6,7331 x 10“’	0,580	7,2116x1g-1
0,064	3,5907 x IO-7	0,210	8,3750x10“’	0,600	7,3877xIO-1
0,066	6,4902x IO-7	0,220	1,0168 x IO-1	0,620	7,5505 x1c-1
0,068	l,1302xl0“6	0,230	1,2091x10“’	0,660	7,8402 x IO-1
0,070	1,9025 x 10~6	0,240	1,4122 x IO-1	0,700	8,0885 x IO-1
0,072	3,1045 x 10-6	0,250	1,6239x10“’	0,740	8,3020 x IO-1
0,074	4,9236x IO-6	0,260	1,8423 x IO-1	0,780	8,4861 x IO-1
0,076	7,6070 x IO-6	0,270	2,0653 x IO-1	0,820	8,6455xIO-1
0,078	1,1473xIO-5	0,280	2,2911x1g-1	0,860	8,7840 x IO-1 -
0,080	1,6923 x IO-5	0,290	2,5183x10"’	0,900	8,9048 x IO-1
0,082	2,4453 x IO-5	0,300	2,7454 X1O“’	0,940	9,0105 x Ю"1
0,084	3,4668 x IO’5	0,310	2,9712x10-’	0,980	9,1033 x1c-1
0,086	4,8287 x IO-5	0,320	3,1947x10“’	1,00	9,1455xIO-1
0,088	6,6159xl0-5	0,330	3,4150x10-’	1,10	9,3217 x IO-1
0,090	8,9269x1 O'5	0,340	3,6314X10"’	1,20	9,4532xIO-1
0,092	1,1874x10-“	0,350	3,8432x10’’	1,30	9,5331 x IO-1
0,094	1,5586x10““	0,360	4,0502x10"’	1,40	9,6304xIO-1
0,096	2,0204x10““	0,370	4,2518x10“’	1,50	9,6909 x IO-1
0,098	2,5885 x IO'4	0,380	4,4479 x IO’1	1,60	9,7390 x IO-1
0,100	3,2804x10““	0,390	4,6382x10 ’	1,70	9,7777 x IO-1
0,110	9,2957x10'“	0,400	4,8227x10-’	1,80	9,8091 x IO-1
0,120	2,1727x10-’	0,420	5,1738x10 1	1,90	9,8349 x IO-1
0,130	4,3866x10-’	0,440	5,5012x10-’	2,00	9,8563 x IO-1
Радиометрические и фотометрические единицы
33
Величину пропорциональной спектральной плотности энергетиче-
ской светимости q можно определить из табл. 2.6 по произведению XT
длины волны X излучения на температуру черного тела Т Пропорцио-
нальную спектральную плотность энергетической светимости q можно
также рассчитать с помощью рис. 2.14.
2.5.2.	Излучение серого тела
Серый излучатель (излучающее серое тело) отличается от чер-
ного излучателя, но его спектральное распределение излучения строго
(или приблизительно) пропорционально спектральному распределению
излучения черного тела (разд. 2.5.1).
Для серого излучателя во всех случаях выполняется соотношение
Tf=Tv=Tr=T	(2.67)
где Tf- цветовая температура, Tv- температура распределения,
Тг-температура отношения, Т-истинная температура.
2.5.3.	Селективные излучатели
Селективный излучатель отличается от черного излучателя
и их спектральные распределения излучения не совпадают. Селективные
излучатели характеризуются наличием спектральных полос или линий
излучения и являются главным образом люминесцентными излучате-
лями.
2.5.4.	Смешанные излучатели
Смешанный излучатель отличается от черного излучателя,
и его спектральное распределение излучения в целом соответствует та-
кому распределению для серого тела, но наряду с этим в спектре излу-
чения имеются дополнительные полосы или линии излучения. Сме-
шанные излучатели испускают одновременно тепловое и люминесцент-
ное излучение.
2.6.	Основные законы фотометрии
Излучатель Ламберта-это идеальный черный излучатель, ко-
торый испускает излучение равномерно во всех направлениях (рис. 2.15).
2.6.1.	Первый закон
Энергетическая яркость участков поверхности протяженного
излучателя Ламберта не зависит от направления излучения, т. е. Le = Ьф
(рис. 2.16). Величины энергетических яркостей определяются выраже-
3-644
34
Глава 2
kz	Рис. 2.15. Излучатель Ламберта, энерге-
тическая яркость которого во всех напра-
Рис. 2.16. Графическое представление первого закона Ламберта.
НИЯМИ
Le = Ie/A
и Ьф =/ф/Аф =/ф/А cos ср
(2.68)
(2.69)
где Zg-сила излучения в нормальном направлении, /ф-сила излучения
в направлении, характеризующемся углом ф, А-участок поверхности
излучателя Ламберта, Аф = A cos ф-проекция участка поверхности А на
плоскость, перпендикулярную направлению ф. Максимум силы излуче-
ния 1е соответствует направлению, нормальному к участку поверхности
А.
2.6.2.	Второй закон (закон косинуса)
Сила света на единицу телесного угла в направлении,
составляющем угол ф с нормалью к поверхности, равна
/ф = Ie cos ф	(2.70)
где /е-сила излучения в направлении, нормальном к поверхности
(рис. 2.17).
Радиометрические и фотометрические единицы
35
Точечный
источник
Рис. 2.17. Графическое представление закона косинуса Ламберта.
2.6.3.	Третий закон (закон обратных квадратов)
Энергетические освещенности Ее участков поверхности, осве-
щаемых точечным источником под одинаковыми углами, обратно про-
порциональны квадратам расстояний от этих поверхностей до источни-
ка излучения (рис. 2.18):
EeJEe2 = гЦг^
Рис. 2.18. Графическое
представление закона
обратных квадратов
Ламберта.
(2.71)
36
Глава 2
2.6.4.	Четвертый закон (закон фотометрического
лимитирующего расстояния)
Для того чтобы лучи падали на поверхность приемника под
приблизительно одинаковым углом, расстояние между источником из-
лучения и приемником должно быть значительно больше линейных раз-
меров этой поверхности.
2.7.	ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ
ПЕРЕДАТЧИКОМ
И ПРИЕМНИКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
Если на небольшой участок поверхности приемника падает по-
ток излучения от источника, находящегося на большом расстоянии г, то
величина падающего потока излучения будет равна (рис. 2.19)
Фе = cos ф	(2.72)
или Фе =	(А4/г2) cos ф	(2.73)
Если расстояние между источником излучения и приемником значитель-
но больше линейных размеров последнего, то лучи будут падать на па-
раллельные участки поверхности приемника под приблизительно
равными углами. Минимальное расстояние, удовлетворяющее этому ус-
ловию, называется фотометрическим лимитирующим расстоянием.
Поток излучения, падающий на элемент поверхности dA3 приемника,
с помощью уравнения (2.19) можно представить в виде
^2Фе = Ьф (dA3 cos P/r2) dAr cos ф	ср	(2.74)
Отметим, что выражение (2.74) строго справедливо только для вакуума.
Передатчик Т
Приемник R
Рис. 2.19. Фотометрические соотношения между передатчиком Т и приемником
R излучения.
Радиометрические и фотометрические единицы	37
2.8.	ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ОПТИЧЕСКИМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ И ВЕЩЕСТВОМ
Поглощение (или абсорбция)-превращение энергии оптического
излучения в энергию, отличающуюся по спектральному распределению,
или в другую форму энергии, например в тепло.
Пропускание -прохождение излучения сквозь среду.
Отражение -возвращение излучения объектом во всех возможных
направлениях.
Поглощение, пропускание и отражение-это характеристики, свя-
занные с изменением падающего потока излучения (мощности излуче-
ния).
Коэффициент поглощения (поглощательная способность) а-отноше-
ние поглощенного потока излучения (мощности излучения) Фл к падаю-
щему потоку излучения (мощности излучения) Фо:
а = ФЛ/Фо	(2.75)
Коэффициент пропускания (прохождения) т-отношение потока излу-
чения (мощности излучения) Фт, прошедшего через среду, к падающему
потоку излучения (мощности излучения) Фо:
т = Фт/Ф0	(2.76)
Коэффициент отражения р-отношение потока излучения (мощно-
сти излучения) Фк, отраженного средой, к падающему потоку излуче-
ния (мощности излучения):
Р = Фк/Ф0	(2.77)
Сумма этих трех коэффициентов всегда равна единице:
а + т + р = 1	(2.78)
Поскольку величины этих коэффициентов зависят от длины волны па-
дающего излучения X, необходимо ввести следующие спектральные еди-
ницы (разд. 2.4):
Спектральный коэффициент поглощения а(Х):
а(Х) = Фл(Х)/Ф0(Х)	(2.79)
Спектральный коэффициент пропускания т(Х):
т(Х) = Фт(Х)/Ф0(Х)	(2.80)
Спектральный коэффициент отражения р(Х):
р(Х) = Фк(Х)/Ф0(Х)	(2.81)
38
Глава 2
Сумма этих трех спектральных коэффициентов всегда равна единице:
а(Х) + т(Х) + р(Х) = 1	(2.82)
Величины коэффициентов поглощения, пропускания и отражения можно
определить путем интегрирования спектральных плотностей потоков
излучения (спектральных плотностей мощностей излучения) по длинам
волн X:
Коэффициент поглощения а равен
а = Фл /Фо = /Фо (X) а (X) </Х/{Ф0 (X) JX	(2.83)
Коэффициент пропускания т равен
т = ФТ/ФО = /Фо (X) г (X) dX/f Фо (X) JX	(2.84)
Коэффициент отражения р равен
р = ФК /Фо = |Ф0 (X) р (X) б/ХДФ0 (X) dX	(2.85)
В каждом из уравнений (2.83)-(2.85) интегрирование проводится от Хх
до Х2.
Вакуум полностью прозрачен для оптического излучения всех спек-
тральных диапазонов. Газы, жидкости и твердые вещества характери-
зуются наличием зон высокого поглощения, которые получили название
спектральных линий или спектральных полос. Металлы могут пропу-
скать падающее на них оптическое излучение только в том случае, ког-
да их толщина меньше или сравнима с длиной волны этого излучения.
Спектр пропускания-поглощения может быть измерен с помощью
спектрофотометров (разд. 11.1).
2.9.	РАССЕЯНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Оптическое излучение, проходящее через оптическую среду, мо-
жет подвергаться рассеянию. Рассеяние приводит к тому, что часть из-
лучения начинает распространяться в направлениях, отличающихся от
направления распространения падающего луча. Оптическое излучение
не рассеивается при прохождении через абсолютно гомогенную оптиче-
скую среду, тогда как проходя через негомогенную оптическую среду,
оптическое излучение рассеивается во всех направлениях.
В зависимости от размеров рассеивающих частиц можно выделить
три типа рассеяния (т. е. отклонения лучей от первоначального Напра-
вления распространения в оптической среде):
1.	Размер частиц очень мал по сравнению с длиной волны (молеку-
лярное рассеяние). Это рассеяние весьма селективно.
2.	Размер частиц сравним с длиной волны. Такое рассеяние также
селективно.
3.	Размер частиц намного больше длины волны. Такое рассеяние
неселективно.
Радиометрические и фотометрические единицы
39
Рис. 2.20. Три типа отражения излучения: направленное (зеркальное) отражение
(а), идеальное диффузное отражение (б) и смешанное отражение (в).
Рассеяние обычно увеличивает поглощение, поскольку приводит
к удлинению оптического пути луча через среду. Наряду с этим рассея-
ние всегда уменьшает проходящий поток излучения (мощность излуче-
ния).
2.10.	ОТРАЖЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Существуют три типа отражения излучения:
1.	Правильное (зеркальное) отражение, которое подчиняется со-
ответствующему закону оптики (рис. 2.20, а).
2.	Диффузное отражение, происходящее на неровной отражающей
поверхности (рис. 2.20,6).
3.	Смешанное направленное отражение (рис. 2.20, в).
Закон отражения утверждает, что угол падения а равен углу отраже-
ния р (рис. 2.20, а, см. также разд. 8.12).
Спектральные кривые отражения описывают селективное отражение
и являются характеристикой данного вещества. Многие вещества обла-
дают высокой отражательной способностью относительно некоторых
спектральных полос (металлическое отражение отдельных полос). Про-
пускающие свет вещества характеризуются стеклоподобным отраже-
нием. Неметаллы обладают отчетливо выраженными полосами отраже-
ния.
Отражение сильно зависит от угла падения излучения. Если угол па-
дения мал, то отражение мало. Если угол падения велик, то отражение
велико.
Глава 3.
Источники оптического
излучения
Литература. 41, 70, 128, 211, 576, 591, 690.
Источники оптического излучения обычно классифицируют на
группы согласно природе используемого в них явления излучения
(рис. 3.1).
Источники излучения, обладающие спектральным распределением
энергии в видимой области, близким к такому распределению для чер-
ного тела, могут быть охарактеризованы с помощью цветовой темпера-
туры. Для некоторых широко распространенных источников света, рас-
сматриваемых в этой главе, приблизительные значения цветовой
температуры приведены в табл. 3.1. Цветовая температура люминес-
центных источников излучения (например, флуоресцентных или ртутных
ламп) не может служить для их сравнительной характеристики в таком
ряду, поскольку спектральное распределение энергии у них отличается
от такого распределения для черного тела.
Полезным оказывается сравнение свойств таких широко исполь-
зуемых искусственных источников излучения, как лампы накаливания,
флуоресцентные лампы и разрядные лампы высокой интенсивности
(рис. 3.2).
Рис. 3.1. Общая классификация источников оптического излучения.
Источники оптического излучения
41
Таблица 3.1. Приблизительные значения цветовой температуры некоторых
широко распространенных источников света [576] (воспроизводится с раз-
решения John Wiley & Sons Inc.)
Источник света	Цветовая температу- ра, К
Свет небосвода Дневной свет (фотографический) Кратер угольной дуги (обычной, с твердым фитилем) Угольная дуга с белым пламенем Высокоинтенсивная угольная дуга (солнечная дуга) Лампа с вольфрамовой нитью накала 40 Вт 75 Вт 100 Вт 200 Вт 500 Вт (фотографическая 3200 К) 500 Вт (кинолампа заливающего света) Ксеноновая дуга Фотовспышка с алюминиевой фольгой с циркониевой фольгой голубого дневного света Источник света А С	12 000-16000 5500 4000 5000 5500 2650 2820 2900 2980 3200 3400 6420 3800 4200 5500 2854 6500
Рис. 3.2. Световая отдача различных источников света (в люменах на ватт)
[642] (воспроизводится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio,
USA).
42
Глава 3
3.1.	ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
3.1.1.	Солнечное излучение
Литература: 41, 91, 120, 166, 210, 258, 335, 468, 536, 544, 576, 591, 783, 895, 1086, 1133, 1134, 1266,
1438, 1644.
Наиболее важным естественным источником излучения являет-
ся солнце. Спектральное распределение излучения солнца очень близко
к распределению излучения черного тела при температуре 7^ = 6200 К.
Энергия солнечного излучения, достигающая верхних слоев атмосферы
Земли, составляет приблизительно 0,135 Вт-см“2. Поверхности земли
на уровне моря в ясный день достигает около 75% этой величины (на
широте экватора).
Свет, достигающий поверхности земли, состоит из двух компонен-
тов: 1) собственно солнечного света, т.е. излучения, поступающего не-
посредственно от солнца; 2) света небосвода, т.е. солнечного света, рас-
сеянного в атмосфере Земли молекулами газов, капельками воды,
частицами пыли, дыма, солей.
Так как эффекты рассеяния света зависят от длины волны, то при
уменьшении высоты солнца над горизонтом и соответствующем увели-
чении толщины воздушного слоя, через который проходит свет, наблю-
дается понижение цветовой температуры солнечного света и дневного
света (солнечный свет плюс свет небосвода) и уменьшение создаваемой
ими освещенности. Цветовая температура солнечного света и дневного
света и создаваемая ими освещенность зависят также от концентрации
и размеров капель воды и других частиц в воздухе.
Облака очень эффективно отражают и рассеивают излучение солнца
и излучение от поверхности земли. Собственное излучение облаков
образуется в результате молекулярных переходов в газах и из-за рассея-
ния на частицах и аэрозолях. Излучение, создаваемое облаками, слабое;
однако, если учесть, что облака могут занимать большую часть неба, то
общая мощность их излучения может быть сравнительно большой.
Спектральное распределение рассеянного излучения от ясного неба
в видимой области зависит от высоты над уровнем моря, а распределе-
ние излучения в инфракрасной области .зависит от длины оптического
пути.
Спектр дневного света у поверхности земли из-за влияния аэрозолей
и облаков (т.е. погоды) очень переменчив. Он также сильно разнится
для разных мест и разных времен года. Измерения спектра дневного
света у поверхности земли неоднократно использовали в качестве стан-
дартного контроля за постоянством некоторых специфических условий
среды. Усредненный дневной свет представляет собой относительный
спектр общего излучения, поступающего в течение целого дня, месяца
или года.
Ультрафиолетовая часть спектра дневного света является перемен-
ной и в большой степени непредсказуемой ввиду того, что солнечное
Таблица 3.2. Ослабление солнечного излучения в атмосфере [1266]
4	Высота над уровнем моря			Диапазоны длин волн, мкм										Наименование зо ны атмосферы (высота, км)
\ Давление	| мили |			0,12 - 0, 20	0,20- 0,29	0,2g - 0,32	0,32-0,35	0,35-0,55	0,55-0,3	0,9-2,5	2,5-7	7- 20	h	
0,2	37	200	60	Почти полнос- тью поглоща- ется кислородов			Ослабление интенсивности солнечного света приблизительно соответствует процессу его рассеяния 6 атмосфере ( коротковолно- вое излучение рассеивается значительно сильнее, чем длинноволновое)						Выше 60	ио Г Хемо- сфера
7,5	20	108	33		(0,20-0,21 мкм; поглощение кислородом); заметное пог- лощение озоном	Поглощение озоном не существенно					Энергия мала	Энергия очень мала	60-33	
227	6,8	36	11		Излучение не проникает на высоту ниже 11 км	Поглощение озоном ослаб- ляет излуче- ние больше, чем рассеяние	Поглощение озоном сущест- венно ослабля- ет излучение	Излучение ослабляется главным обра зом вследст- вие рассеяния на составляю- щих атмосфе- ру газах	Поглощение обус- ловлено в основ- ном водой; на дли не волны 2 мкм небольшое поело щение обуслов- лено СО2; вода (в виде кристалла ков льда)обнару живается на вы сотах до прибли- зительно 70000 футов (21336м)			На длине волны 9,6мкм сильное поглощение озо ном; в диапазо- не 12-17 мкм- сильное погло- щение С02	33-11	i 20 t Страто- сфера 1
795	1,2	6,6	2				В диапазоне 0,32 -0,7мкм сильно меняющееся поглоще- ние, обусловленное частицами пыли, тумана (Н20) и дыма		До высоты 2 км энергия прово- дит с малы- ми потерями	пикает толь- 'Я с длинами валах с цен* 2,2 мкм	На высоту ниже 2 км из- лучение прак- тически не проникает (за исключе- нием узких интервалов длин волн с центром вбли за 3,8 и 4,9 мкм)	Энергия прохо- дит с умерен- ными потеря- ми; многие полосы погло- щения обуслов лены атмос- ферными га- зами	11-2	1 11 Тропо-
1013	Уровень моря					В условиях яс- ной атмосфе- ры уровня мо- ря достигает заметный про- цент излучения Около I Около 7% | 30%	В условиях яс- ной атмосфе- ры уровня мо- ря достигает около 40% из- лучения	Частицы пыли мо- гут подниматься на высоту более 4 км		До уровня моря про ко энергия излучено волн в узких интер тром при 1,2,1,6 и			2-уро- вень моря	сфера ♦ 0
44
Глава 3
О,Zb
0,20
0,15
0,10
0,05
J
Е’
«)
Нг°’со^нго,со2 НгОСОг
;0
о2,н2о
н20
н20
1,2	1,6	2,0	2,4	2,8	3,2
Длина волны, мкм
Рис. 3.3. Кривые спектрального распределения солнечного излучения [536, 576]
(воспроизводится с разрешения John Wiley & Sons Inc.).
Кривая спектрального распределения
солнечного излучения вне атмосферы Земли
Кривая спектрального распределения
. солнечного излучения на уровне моря
\___Кривая спектрального распределения
V излучения черного тела при 5900 К
Од

излучение в атмосфере в определенных диапазонах спектра поглощается
молекулами озона, углекислого газа и воды (табл. 3.2 и рис. 3.3). Хотя
атмосферные изменения затрагивают все длины волн спектра, но в ко-
ротковолновой области они более существенны. Ультрафиолетовая гра-
ница спектра дневного света находится около 290 нм.
3.1.2.	Освещенность солнечным светом
Литература: 1269, 1274.
Существуют три основных способа измерения освещенности
солнечным светом, светом небосвода и дневным светом: 1) на горизон-
тальной плоскости; 2) на вертикальной плоскости, направленной на со-
лнце по азимуту; 3) на плоскости, перпендикулярной направлению на
солнце (нормальной плоскости). Относительное расположение этих трех
плоскостей показано на рис. 3.4.
На рис. 3.5, 3.6, 3.7 представлены зависимости освещенности со-
ответственно солнечным светом, светом небосвода и дневным светом
от высоты подъема солнца в условиях ясной атмосферы. Эти же данные
приведены в табл. 3.3. Высоту подъема солнца в любом месте и в лю-
Источники оптического излучения
45
Рис. 3.4. Соотношение между тремя основными способами измерения освещен-
ности солнечным светом, светом небосвода и дневным светом: на горизонталь-
ной плоскости (Г), на вертикальной плоскости (В) и на плоскости, перпендику-
лярной направлению на солнце [нормальной (Н) плоскости] [41, 576]
(воспроизводится с разрешения John Wiley & Sons Inc.)
На рис. 3.4, а показано сечение небесной полусферы плоскостью, которая проходит через линию, соединяю-
щую точку на поверхности земли 0 с солнцем С, и через линию БВ на горизонтальной плоскости. На
рис. 3 4, б показана трехмерная пространственная модель небесной полусферы, на которой представлено со-
отношение между солнечным азимутом А, высотой солнца над горизонтом b и расстоянием солнца от зенита
z; все эти величины выражены в угловых единицах.
бое время можно определить по формуле
sin а = Р sin у + cos р cos у час-угол	(3.1)
где а-высота подъема солнца, р-высота места, у-отклонение солнца.
Количество час-углов соответствует количеству часов до или после по-
лудня по местному времени. Высота подъема солнца меняется изо дня
в день, однако общее изменение в течение одного месяца относительно
невелико.
46
Глава 3
Рис. 3.5. Зависимость освещенности (в фут-свечах) солнечным светом на гори-
зонтальной (Г), вертикальной (В) и нормальной (Н) плоскостях от высоты солн-
ца над горизонтом в условиях ясной атмосферы [41, 576] (воспроизводится
с разрешения John Wiley & Sons Inc.).
Рис. 3.6. Зависимость освещенности (в фут-свечах) светом небосвода на горизон-
тальной (Г), вертикальной (В) и нормальной (Я) плоскостях от высоты солнца
над горизонтом в условиях ясной атмосферы [41, 576] (воспроизводится с разре-
шения John Wiley & Sons Inc.).
1Z000
Высота подъема солнца
Рис. 3.7. Зависимость освещенности (в фут-свечах) дневным светом (солнечным
светом и светом небосвода) на горизонтальной (Г), вертикальной (В) и нормаль-
ной (Н) плоскостях от высоты солнца над горизонтом в условиях ясной атмос-
феры [41, 576] (воспроизводится с разрешения John Wiley & Sons Inc.).
Таблица 3.3. Освещенность солнечным светом, светом небосвода и дневным
светом [576] (воспроизводится с разрешения John Wiley & Sons Inc.)
Высота Горизонтальная плоскость Вертикальная плоскость Нормальная плоскость
подъема ---------------------------------------------------------------------
солнца, град.	солнеч- ный свет, фут-све- ча	свет не- дневной босвода, свет,		солнеч- ный свет, фут-све- ча	свет не- босвода, фут-све- ча	дневной свет, фут- свеча	солнеч- ный свет, фут-све- ча	свет небо- свода, фут- свеча	дневной свет, фут-све- ча
		фут-све- ча	фут- свеча						
3	19,6	256	277	374	587	961	375	605	980
5	100	325	425	1150	746	1900	1150	767	1920
8	351	429	780	2490	880	3370	2520	910	3 430
10	590	491	1080	3350	953	4300	3400	987	4 390
15	1310	629	1940	4910	1070	5980	5080	1120	6 200
20	2130	750	2 880	5860	1140	7000	6240	1220	7 460
25	2980	856	3 840	6390	1180	7570	7050	1280	8 330
30	3820	945	4 760	6620	1210	7830	7640	1320	8 960
35	4650	1020	5 670	6640	1220	7860	8110	1350	9 460
40	5440	1090	6 530	6490	1220	7710	8470	1370	9 840
45	6170	1160	7 330	6170	1220	7390	8720	1390	10110
50	6850	1210	8 060	5750	1200	6950	8940	1400	10 340
55	7450	1270	8 720	5220	1180	6400	9100	1420	10 520
60	8000	1310	9 310	4620	1150	5770	9240	1430	10 670
65	8470	1350	9 820	3950	1090	5040	9350	1440	10 790
70	8860	1390	10250	3230	1020	4250	9430	1450	10 880
75	9160	1420	10 580	2450	930	3380	9480	1450	10930
80	9380	1440	10820	1650	834	2480	9520	1460	10980
85	9510	1460	10970	833	728	1560	9550	1470	11020
90	9570	1480	11050	0	615	615	9570	1480	11050
48
Глава 3
3.1.3.	Спектральное распределение энергии
солнечного излучения
Литература: 41, 120, 933, 1089, 1272.
Спектральное распределение энергии дневного света и света не-
босвода зависит от расположения плоскости, в которой проводят изме-
рения. Относительное спектральное распределение энергии солнечного
света за пределами земной атмосферы показано на рис. 3.8 и в табл.
3.4.
Относительные спектральные распределения энергии солнечного све-
та, света небосвода и дневного света в зависимости от высоты подъема
солнца представлены соответственно на рис. 3.9, 3.10 и 3.11, а также
в табл. 3.5, 3.6 и 3.7.
Высота подъема солнца в любой час дня зависит от следующих фак-
торов: 1) географических координат места, где проводятся измерения; 2)
времени дня и года; 3) отклонения солнца.
3.2.	ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
3.2.1.	Нитевые лампы накаливания
Литература: 73, 591.
Имеется несколько типов специальных ламп, выпускаемых про-
мышленностью: 1) обычные и вольфрамогалогенные (разд. 3.2.2); 2)
сконструированные для проекционных устройств (диапроекторов, эпи-
Рис. 3.8. Относительное спектральное распределение энергии солнечного света
за пределами земной атмосферы [41, 576] (воспроизводится с разрешения John
Wiley & Sons Inc.).
Источники оптического излучения
49
Таблица ЗА. Относительное спектральное распределение энергии солнечного
света за пределами земной атмосферы [576] (воспроизводится с разрешения
John Wiley & Sons Inc.)
Длина волны, нм	Относи- тельная энергия	Длина волны, нм	Относи- тельная энергия	Длина волны, нм	Относи- тельная энергия	Длина волны, нм	Относи- тельная энергия
300	32,1	400	81,1	510	103,2	610	93,2
310	40,0	410	102,0	520	98,4	620	91,6
320	44,7	420	101,1	530	102,6	630	89,5
330	60,5	430	93,7	540	104,2	640	87,4
340	58,4	440	106,8	550	102,6	650	85,3
350	62,1	450	115,8	560	100,0	660	83,7
360	61,1	460	113,7	570	98,4	670	81,3
370	70,0	470	114,2	580	98,4	680	79,5
380	64,7	480	113,7	590	96,8	690	77,9
390	58,9	490	104,7	600	95,3		
		500	104,2			700	75,8
					Цветовая температура, К 6200		
Рис. 3.9. Относительное спектральное распределение энергии солнечного света
у поверхности земли в условиях ясной атмосферы и при углах подъема солнца
над горизонтом 10, 20, 40 и 70° [41, 576] (воспроизводится с разрешения John
Wiley & Sons Inc.).
4-644
50
Глава 3
Рис. 3.10. Относительное спектральное распределение энергии света небосвода
на плоскости 15-180° в условиях ясной атмосферы и при углах подъема солнца
над горизонтом 10, 20, 40 и 70° [41, 576] (воспроизводится с разрешения John
Wiley & Sons Inc.).
Рис. 3.11. Относительное спектральное распределение энергии дневного света
(солнечный свет и свет небосвода) на плоскости 0-15° в условиях ясной атмос-
феры и при углах подъема солнца над горизонтом 10, 20, 40 и 70° [41, 576] (во-
спроизводится с разрешения John Wiley & Sons Inc.).
Источники оптического излучения
51
Таблица 3.5. Зависимость относительного спектрального распределения энергии
солнечного света у поверхности земли от угла подъема солнца [576] (вос-
производится с разрешения John Wiley & Sons Inc.)
Длина, волны, нм	Высота подъема солнца,						град		
	70	60	50	40	30	20	15	10	8
330	23,2	21,4	18,6	14,9	9,97	4,33	1,86	0,336	0,0927
340	27,2	25,5	22,9	19,1	13,9	7'16	3,65	0,935	0,337
350	32,0	30,2	27,5	23,5	17,8	10,0	5,57	1,17	0,701
360	34,2	32,6	30,0	26,2	20,6	12,4	7,46	2,66	1,22
370	41,6	39,8	36,9	32,7	26,3	16,7	10,5	4,17	2,07
380	41,6	40,0	37,6	33,9	28,2	19,2	13,0	5,90	,3,26
390	40,4	39,2	37,1	34,0	29,0	20,9	15,0	7,68	4,63
400	59,5	57,9	55,4	51,5	45,3	34,6	26,3	15,2	10,0
410	78,1	76,3	73,5	69,0	61,7	48,9	38,6	23,9	16,7
420	80,4	78,8	76,3	72,3	65,7	53,9	44,0	29,3	21,6
430	77,2	75,9	73,9	70,6	65.1	55,0	46,4	32,8	25,3
440	90,7	89,4	87,4	84,1	78,5	68,1	58,9	44,0	35,3
450	101,1	100,0	98,1	95,0	89,8	79,9	70,9	55,7	46,5
460	101,4	100,5	98,9	96,3	91,8	83,1	75,2	61,4	52,7
470	104,0	103,2	101,8	99,6	95,8	88,3	81,3	68,8	60,7
480	105,5	104,9	103,8	102,0	98,8	92,6	86,7	76,0	68,7
490	98,8	98,3	97,5	96,2	93,8	89,2	84,7	76,3	70,5
500	99,7	99,3	98,7	97,6	95,8	92,2	88,6	81,8	77,1
510	99,9	99,6	99,2	98,5	97,2	94,5	91,9	86,8	83,2
520	96,1	95,9	95,6	95,1	94,2	92,3	90,4	86,7	84,0
530	100,9	100,8	100,5	100,1	99,4	97,9	96,5	93,6	91,5
540	103,0	102,9	102,7	102,4	101,9	100,9	99,9	97,8	96,3
550	102,3	102,3	102,2	102,2	102,0	101,7	101,4	100,9	100,4
560	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0
570	98,9	99,0	99,1	99,2	99,4	99,9	100,3	101,3	102,0
580	99,5	99,6	99,7	100,0	100,4	101,3	102,3	104,3	105,8
590	98,5	98,6	98,9	99,3	100,0	101,5	103,0	106,2	108,6
600	97,6	97,8	98,2	98,7	99,7	101,9	104,1	108,8	112,4
610	96,5	96,8	97,3	98,1	99,5	102,6	105,8	112,7	118,1
620	96,0	96,3	97,0	98,1	100,0	104,2	108,5	118,0	125,6
630	94,8	95,2	96,0	97,3	99,7	104,8	110,2	122,1	131,9
640	93,5	94,1	95,0	96,5	99,3	105,3	111,9	126,3	138,4
650	92,4	93,1	94,2	96,0	99,3	106,5	114,4	132,1	147,2
660	91,6	92,3	93,5	95,5	99,2	107,3	116,2	136,5	154,1
670	90,3	91,0	92,4	94,6	98,7	107,7	117,8	141,0	161,4
680	88,5	89,3	90,7	93,0	97,3	106,8	117,4	142,2	164,2
690	87,4	88,2	89,7	92,1	96,7	106,8	118,2	145,1	169,3
700	85,3	86,1	87,6	90,1	94,6	104,8	116,4	143,6	168,3
Цветовая									
температура, К	5480	5420	5330	5220	5010	4620	4300	3780	3460
52
Глава 3
Таблица 3.6. Зависимость относительного спектрального распределения энергии
света небосвода на плоскости 15-180° от угла подъема солнца [576] (воспро-
изводится с разрешения John Wiley & Sons Inc.)
Длина волны, нм			Высота, подъема солнца, град						
	70	60	50	40	30	20	15	10	8
330	82,4	91,9	97,5	98,4	92,7	75,6	64,5	50,8	44,3
340	84,1	93,4	99,3	100,0	92,7	75,6	64,5	51,3	45,5
350	87,8	96,9	103,1	104,3	97,6	80,4	69,9	57,8	52,3
360	85,2	92,0	100,0	100,5	95,8	78,2	70,0	58,4	54,6
370 .	84,1	92,5	98,5	99,8	96,0	83,4	75,0	65,3	60,0
380	70,0	78,0	820	84,5	80,0	71,8	64,0	58,0	54,0
390	75,9	82,5	87,2	91,0	91,0	83,1	76,0	67,5	63,3
400	100,8	•105,8	111,6	121,3	135,6	134,7	127,0	114,4	107,6
410	104,6	108,6	114,2	125,2	142,6	144,3	137,3	125,3	118,5
420	104,8	108,5	113,0	124,0	1390	141,6	132,0	123,5	117,1
430	100,0	105,2	111,5	117,8	128,4	127,1	123,0	115,2	111,8
440	124,7	128,8	135,3	143,1	149,0	147,1	142,3	135,6	132,6
450	136,5	140,5	147,2	154,5	157,6	156,7	153,3	148,5	147,1
460	133,1	136,4	142,6	150,1	154,3	154,8	152,1	148,2	146,8
470	128,0	129,5	134,7	141,8	145,7	147,2	146,8	143,3	142,4
480	126,0	128,2	133,2	139,0	141,7	143,6	142,6	140,9	140,5
490	120,8	122,0	126,0	131,2	132,2	132,6	132,4	131,4	132,3
500	117,9	119,4	123,0	126,7	126,4	127,1	127,0	127,1	127,7
510	113,8	114,7	117,9	121,2	121,0	122,2	122,4	123,2	124,2
520	111,0	111,6	114,0	116,8	117,3	118,0	117,5	117,4	117,6
530	113,5	114,3	116,0	117 7	117,4	117,7	117,5	117,4	117,6
540	107,8	108,2	109,4	110,7	111,0	111,9	112,0	112,2	112,5
550	106,1	106,2	106,7	107,4	107,5	108,4	108,8	109,2	109,5
560	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0
570	93,8	.93,7	93,2	93,0	92,1	93,9	91,1	90,3	89,4
580	92,6	92,0	91,6	91,7	91,2	92,8	90,7	90,7	90,7
590	81,2	80,2	80,0	81,3	80,6	83,5	79,8	79,6	80,0
600	83,6	82,1	81,6	81,4	82,8	84,6	83,0	83,4	84,5
610	82,9	81,3	80,0	81,3	82,1	83,0	82,3	84,3	85,2
620	77,9	75,3	75,1	76,9	77,4	79,4	77,8	80,3	82,0
630	72,2	69,1	69,1	71,8	72,8	75,4	73,2	76,0	78,1
640	71,9	68,3	68,7	71,7	72,2	74,7	73,3	77,5	80,4
650	65,9	61,8	62,5	67,0	67,7	71,0	68,6	73,5	76,9
660	67,0	62,3	63,8	67,5	69,0	71,3	70,6	76,5	80,1
670	66,8	62,8	63,8	67,2	68,2	70,0	70,4	76,9	81,1
680	62,5	57,4	58,2	62,8	64,2	67,0	66,0	72,3	767
690	57,0	52,0	53,4	59,0	59,3	63,6	60,8	66,7	71,2
700	55,7	50,4	51,9	58,1	58,9	64,0	59,6	65,4	69,7
Цветовая температура^ 880 К		8300	8800	9150	9420	9660	9350	8790	8530
Источники оптического излучения
53
Таблица 3.7. Зависимость относительного спектрального распределения энергии
дневного света на плоскости 0-15° от угла подъема солнца [576] (воспроиз-
водится с разрешения John Wiley & Sons Inc.)
Длина волны, нм	Высота подъема солнца, град								
	70	60	50	40	30	20	15	10	8
330	32,7	29,7	26,2	23,5	17,8	10,1	5,5	1,0	0,6
340	36,8	34,0	30,6	27,6	21,9	14,0	8,8	3,2	1,4
350	42,4	39,6	36,1	32,8	27,0	18,6	12,8	5,8	2,9
360	42,8	40,5	37,2	34,5	29,2	20,1	15,0	8,0	5,0
370	46,8	44,0	40,5	37,2	32,0	23,6	18,1	10,7	7,0
380	42,5	40,3	37,5	34,3	30,0	22,8	17,9	11,1	8,1
390	48,2	46,0	43,1	40,0	35,5	28,1	22,2	15,8	12,8
400	76,7	73,6	70,2	66,2	60,7	50,3	42,3	30,8	25,8
410	83,6	80,4	77,1	73,2	67,9	57,0	49,5	37,9	32,8
420	82,5	79,8	77,1	73,9	69,0	60,2	52,6	42,2	37,5
430	80,5	77,3	76,5	71,6	69,0	60,0	54,0	44,3	44,4
440	98,1	95,8	93,2	89,8	85,7	77,1	70,0	59,1	53,9
450	110,9	109,0	107,0	103,6	100,3	92,4	85,3	73,7	67,6
460	111,1	109,7	108,4	105,6	103,5	97,1	91,0	80,6	75,2
470	108,4	107,3	106,7	104,4	102,9	97,2	91,8	83,0	78,0
480	109,3	108,4	107,8	105,7	104,7	100,1	95,6	87,6	83,3
490	104,6	104,3	104,2	102,0	101,1	97,5	94,3	88,3	84,5
500	104,7	104,3	104,1	102,8	102,5	100,0	97,3	92,3	89,5
510	103,4	103,3	103,4	102,6	102,8	101,3	99,3	95,2	92,8
520	102,9	102,8	102,8	102,1	102,3	101,1	99,6	96,6	95,0
530	105,9	105,8	105,9	105,4	105,5	104,7	103,6	101,4	100,1
540	103,3	103,3	103,5	103,3	103,6	103,4	102,9	101,6	100,9
550	103,4	103,5	103,7	103,6	103,9	104,0	104,0	103,6	103,4
560	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0
570	98,6	98,5	98,2	97,9	97,4	96,8	96,3	95,6	95,0
580	98,4	98,4	98,3	98,2	97,9	97,9	98,0	98,3	98,3
590	92,6	93,0	93,0	93,1	93,1	93,8	94,3	95,0	95,5
600	94,0	94,4	94,8	94,6	95,8	97,5	99,3	102,0	104,4
610	93,4	94,3	94,8	94,8	96,8	96,8	102,9	107,9	111,1
620	90,7	91,5	92,4	93,4	95,2	98,9	102,8	109,2	113,2
630	88,2	88,7	89,3	90,0	91,2	94,4	98,2	104,6	108,6
640	86,7	87,8	89,3	90,7	93,5	99,1	105,0	114,7	120,7
650	83,5	84,6	85,8	87,0	89,6	95,0	101,0	110,9	117,2
660	81,5	83,6	85,0	87,1	89,5	96,0	104,2	118,0	127,5
670	84,3	85,4	87,4	89,2	93,2	101,0	110,2	125,0	134,8
680	81,3	82,7	84,6	86,5	90,2	98,4	107,5	122,5.	132,2
690	75,9	75,8	75,6	75,7	75,9	79,3	85,9	96,2	104,0
700	77,1	78,0	79,1	80,1	82,5	88,5	96,0	108,9	117,3
Цветова.# температура. К	,6000	5900	5800	5710	5540	5200	4880	4450	4210
54
Глава 3
диаскопов и т.д.); 3) используемые в кинематографии; 4) из цветного
стекла для фотолабораторий; 5) инфракрасные вольфрамогалогенные
рефлекторные; 6) специальные для научных целей. Размер, форма и от-
делка ламповой колбы определяются в первую очередь назначением
лампы, ее рабочим положением и способом контроля за потоком излу-
чения. Ламповые колбы можно подразделить на: 1) прозрачные; 2) ма-
товые (с рассеивающим покрытием, нанесенным химическим травле-
нием или механической обработкой); 3) покрытые рассеивающей белой
или цветной эмалью; 4) с встроенными линзами или рассеивающими
участками; 5) изготовленные из цветного стекла; 6) с покрытием из
цветных фильтров (лаковых, красочных, из стеклянной эмали, интерфе-
ренционных). Внешний вид некоторых из этих ламп показан на
рис. 3.12.
Форма нитей накала имеет некоторые особенности, связанные с их
оптимальном использованием в осветителях или оптических системах,
для которых они сконструированы. Лампы накаливания конструируют-
ся обычно для работы в определенных условиях. Если условия эксплуа-
тации лампы отличаются от номинальных, например величиной прило-
женного напряжения, то все соответствующие характеристики лампы
также изменяются.
Рабочая температура вольфрамовой нити накала составляет
2200-3000 К (температура плавления вольфрама близка к 3600 К). Квар-
цевые ламповые колбы можно нагревать до более высоких температур,
чем стеклянные.
Общий поток излучения лампы (или общая мощность излучения) за-
висит в первую очередь от двух факторов: 1) температуры нити накала;
2) мощности нити накала (измеряемой в ваттах), которая приблизитель-
но пропорциональна длощади поверхности нити накала и четвертой
степени ее температуры. Излучение, создаваемое лампами накаливания,
имеет непрерывный спектр (рис. 3.13).
При высоких температурах вольфрамовые нити накала излучают
значительное количество лучистой энергии с длинами волн около 300
нм. В обычных лампах стеклянные колбы поглощают большую часть
излучения с длинами волн ниже 300 нм, тогда как кварцевые колбы
пропускают излучение с длинами волн до 200 нм.
Все лампы накаливания испускают в виде излучения приблизительно
80-90% подаваемой на них электрической энергии, а остальные 10-20%
рассеиваются в виде тепла путем теплопроводности (через патрон и ме-
таллические части осветительной арматуры) и путем конвекции (через
окружающий воздух). Излучательный нагрев ламп накаливания можно
уменьшить путем использования: 1) вентиляционного охлаждения; 2)
тепловых фильтров (разд. 5.1); 3) отражающих инфракрасное излучение
покрытий в конденсорной системе; 4) жидкостных охлаждающих ячеек.
Срок службы ламп накаливания зависит в первую очередь от того,
как быстро испаряется с нити накала вольфрам. Этот срок уменьшается
с увеличением температуры нити. На срок службы лампы существенно
Источники, оптического излучения
55
Рис. 3.12. Различные типы ламп накаливания, используемых в научных исследо-
ваниях.
влияет величина подаваемого напряжения. Могут оказывать влияние
и другие факторы, такие, как: 1) время, в течение которого лампа уже
эксплуатировалась; 2) тряска и вибрации; 3) отвод тепла; 4) насечки или
зазубрины-ступенькообразные или зубчатые образования, появляю-
щиеся на всей поверхности вольфрамовой нити после нескольких вклю-
чений лампы (рис. 3.14). Такие насечки уменьшают диаметр нити накала
во многих местах. В некоторых случаях, особенно для ламп с тонкой
нитью, эти процессы настолько существенны, что зазубрины могут по-
К
н
(6
II
< *
300
200
100
О
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Длина волны, нм
Рис. 3.13. Непрерывный спектр лампы накаливания (воспроизводится с разреше-
ния General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
56
Глава 3
Рис. 3.14. Пример образования зазубрин на нити накала [644] (воспроизводится
с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
чти полностью перекрывать диаметр нити. Таким образом, ускоренное
локальное испарение, обусловленное этим эффектом (и, кроме того,
малой толщиной нити), становится главным механизмом, влияющим на
срок службы лампы. Срок службы ламп с вольфрамовыми нитями на-
кала зависит от их конструкции и специальных требований к ним и из-
меняется от трех до нескольких тысяч часов.
Лампы с вольфрамовыми нитями накала изготавливают для разных
целей и применяют в фотометрии, сенситометрии, спектроскопии, спек-
трометрии, колориметрии, микроскопии, фотографии и т.д.
3.2.2.	Вольфрамогалогенные лампы
Литература: 41, 644-646, 1685.
В этих лампах к обычным заполняющим колбу газам добав-
ляют галоген (иод или бром), который химически взаимодействует с ис-
паряющимся вольфрамом. Образующаяся вольфрамогалогенная газо-
вая смесь мигрирует обратно на нить накала, где она и разлагается под
действием высокой температуры. Вольфрам снова осаждается на нити,
а галоген повторяет цикл. Лампы с вольфрамогалогенным циклом ча-
сто делают с трубчатой нитью накала и стеклянным баллоном, запол-
ненным инертным газом.
Источники оптического излучения
57
Вольфрамогадогенные лампы отличаются по спектральному рас-
пределению от обычных ламп накаливания по следующим двум при-
чинам: 1) у них имеется небольшое спектральное поглощение, обусло-
вленное парами галогена; 2) выход излучения в ультрафиолетовой
области у них выше ввиду того, что пропускание высокочистого крем-
ниевого стекла, из которого делают их колбы, в этой спектральной
области выше, чем у стекла, из которого делают колбы обычных ламп
накаливания.
Большинство галогенов и других соединений, используемых в этих
лампах, включая бром, бесцветны. Лампы с галогеновым циклом излу-
чают значительную энергию в видимой и инфракрасной областях, при-
чем около 90% этой энергии приходится на инфракрасную область
(рис. 3.15).
Поскольку эффективность ламп с галогеновым циклом существенно
зависит от рабочих температур, необходимо, чтобы температура стенки
колбы была не ниже 250°С. Сама по себе стенка колбы в процессе функ-
ционирования лампы может выдерживать локальную температуру до
700°С без следов повреждения. Однако материал лампового патрона,
отражателя и других частей осветителя необходимо выбирать с осто-
рожностью, так как температура 700°С выше точки воспламенения для
Длина волны, нм
Рис. 3.15. Относительное спектральное распределение энергии излучения квар-
цевой лампы с галогеновым циклом [645] (воспроизводится с разрешения
General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
58
Глава 3
многих материалов. Температура основания лампы не должна превы-
шать 35О°С, поскольку при более высоких температурах могут разру-
шаться токовые вводы и размягчаться связующее вещество основания,
что может вызвать преждевременный выход из строя лампы.
Поскольку некоторые лампы с галогеновым циклом являются спе-
циализированными, ламповые патроны для них не всегда выпускаются
промышленностью. При конструировании арматуры для таких ламп не-
обходимо учитывать следующее:
1.	Ламповый патрон должен быть интегральной частью всей кон-
струкции. Это снижает требования к размерам и весу конструкции.
2.	Отводящие тепло части конструкции необходимо отдалять от ос-
нования лампы для того, чтобы температура в области спая была ниже
критической (35О°С).
3.	Из-за высокой рабочей температуры лампы следует использовать
такие материалы, как никель.
4.	Необходимо обеспечивать хороший электрический контакт между
патроном и лампой. Молибденовые подводящие провода следует зажи-
мать, тщательно закручивать или приваривать. Припаивать такие со-
единения не рекомендуется.
5.	Надо использовать высокотемпературные связующие вещества.
Такие лампы обычно используются: 1) в лампах-вспышках, оптиче-
ских устройствах, волоконной оптике (лампы с линзами или рефлекто-
рами); 2) в лампах высокой интенсивности, как предупреждающие сиг-
налы, в устройствах фотоконтроля и обнаружения; 3) в устройствах
считывания с перфолент и перфокар ь для ЭВМ, в «волшебных»
фонарях.
3.2.3.	Угольная дуга
Литература: 41, 275, 591, 1475, 1476.
Угольная дуга может быть использована как: 1) низкоинтен-
сивная дуга (работающая на постоянном, токе); 2) пламенная дуга (на
постоянном или переменном токе); 3) высокоинтенсивная дуга (на по-
стоянном токе). Дуговые лампы обычно работают при малом напряже-
нии и большом токе. Соотношение между током и напряжением в низ-
коинтенсивной и пламенной дуге не подчиняется закону Ома, а их
вольт-амперные характеристики обладают отрицательным углом на-
клона (т. е. падение напряжения на дуге уменьшается при увеличении то-
ка). Вследствие этого необходимо использовать балластную цепь для
ограничения тока дуги. Вольт-амперные характеристики высокоинтен-
сивных угольных дуг обладают положительным углом наклона, и такие
осветители могут работать без балластных нагрузок (однако при нали-
чии балласта они более стабильны). Для питания дуговых источников
обычно используют генераторы или выпрямители.
Горит дуга между двумя угольными электродами (рис. 3.16), ко-
Источники оптического излучения
59
Рис. 3.16. Угольная дуга для фотохимических исследований (публикуется с раз-
решения Института физической химии Университета г. Упсала, Швеция).
торые медленно сближаются для того, чтобы скомпенсировать их выго-
рание. Скорость выгорания зависит от интенсивности дуги и составляет
5-30 см/ч. В результате выгорания материала электрода на аноде обра-
зуется кратер, в котором сосредоточены наиболее высокая цветовая
температура (3800-6500 К) и интенсивное излучение. С целью фиксиро-
вания дуги в центре анода и предотвращения блуждания ее по поверх-
ности электрода некоторые электроды делают полыми и заполняют бо-
лее мягким углеродным материалом. В некоторых стержневых электро-
дах центральную часть наполняют материалом, который придает дуге
требуемые спектральные характеристики. Спектр чистой угольной дуги
приведен на рис. 3.17. Пики при 250 и 390 нм характерны для всех
угольных дуг.
3.2.4.	Поверхностно-искровой разряд
Литература- 33, 767-770, 791, 1575-1580.
Поверхностные искры (называемые также ползущими, упра-
вляемыми или скользящими) образуются при электрическом разряде ме-
жду двумя электродами, разрядный канал между которыми имеет гра-
ницу из твердого диэлектрика (рис. 3.18). Поверхность этого диэлектри-
Рис. 3.17. Относительное спектральное распределение энергии излучения низ-
коинтенсивной угольной дуги (кривая 1) и абсолютно черного тела, находящего-
ся при температуре 3800 К (кривая 2) [41, 576] (воспроизводится с разрешения
John Wiley & Sons Inc.).
Рис. 3.18. Поверхностно-искровой разряд [791] (воспроизводится с разрешения
Американского оптического общества).
Источники оптического излучения
61
ка, которая ограничивает разрядную плазму по крайней мере в одном
измерении, влияет на динамику газовой плазмы и на излучательные
свойства искрового разряда, возникающего между анодом и катодом.
На излучательные свойства поверхностно-искрового разряда влияют
следующие факторы: 1) химический состав электродов (изготавли-
ваемых главным образом из вольфрама) и диэлектрической поверхно-
сти (изготавливаемой обычно из керамики); 2) состав окружающего газа
и его давление; 3) геометрия электродов и диэлектрического промежут-
ка; 4) электрические параметры цепи, такие, как емкость запасающего
энергию конденсатора (С), индуктивность цепи L, разрядное напряжение
V и коэффициент полезного действия цепи.
Поверхностно-искровые разряды служат источниками интенсивного
УФ излучения и могут применяться: 1) в спектроскопии дальнего УФ
диапазона; 2) при спектрохимическом анализе примесей (при низкой их
концентрации); 3) для предварительной ионизации газа в газовых лазе-
рах; 4) в высокоскоростной фотографии.
3.2.5.	Специальные температурные излучатели
Литература: 415, 1445, 1654.
Промышленность выпускает три типа таких источников излу-
чения:
1.	Штифты Нернста, изготавливаемые обычно в виде цилиндриче-
ских стержней различного размера из таких материалов, как цирконий,
иттрий или торий. Электрическое напряжение подводится к торцам та-
ких стержней с помощью платиновых проводников. Подводимое напря-
жение должно быть достаточно велико для того, чтобы инициировать
свечение, поскольку при комнатной температуре сопротивление этих
материалов велико. После разгорания свечения температура светящего-
ся тела повышается. Используемые в таких источниках рабочие тела ха-
рактеризуются отрицательным температурным коэффициентом сопро-
тивления. Повышение температуры приводит к уменьшению сопроти-
вления, увеличению тока и еще большему увеличению температуры.
Такой самоускоряющийся процесс может разрушить рабочее тело ис-
точника. Во избежание этого необходимо увеличивать сопротивление
цепи. Процесс запуска можно облегчить путем нагревания стержня пла-
менем или электрической накальной нитью. Нагревание в этом случае
продолжают до тех пор, пока рабочее тело не начнет испускать излуче-
ние. Чем выше рабочая температура штифта Нернста, тем меньше срок
его службы. Эти источники хрупки и обладают малым пределом проч-
ности на растяжение. Низкая стоимость делает штифты Нернста весьма
доступным источником излучения средней мощности для использова-
ния в оптических лабораторных устройствах.
2.	Глобары, представляющие собой стержни из связанного карбида
кремния, на концах которых находятся металлические колпачки, служа-
300
250
Длина волны, нм
6
Длина волны, нм
Мощность излучения, мкВт /(10 нм -
Длина волны, нм
600
500 -
ЛОО
1500
Длина волны, нм
е
3
Рис. 3.19. Спектральное распределение мощности излучения флуоресцентных ламп «горячего» белого света (а), «холод-
ного» белого света (б), дневного света (в), желтого (золотого) света (г), зеленого света (б), голубого света (е), красного
света (ж) и солнечного света (з).
64
Глава 3
щие подводящими электродами. Электроды глобара необходимо охла-
ждать проточной водой, поскольку их температура не должна подни-
маться выше 1000-1200°С. Глобары запускаются так же, как и штифты
Нернста. Глобары-более дорогие источники излучения по сравнению
со штифтами Нернста.
3.	Калильные сетки, изготавливаемые из окиси тория и исполь-
зуемые для интенсификации свечения бензиновых ламп.
3.2.6.	Люминесцентные источники излучения
3.2.6.1.	Флуоресцентные лампы
Литература: 41, 655, 877, 878, 1023.
Спектральное распределение энергии и цвет флуоресцентных
ламп зависят от состава использованных фосфоров (или люминофоров).
Различают несколько типов флуоресцентных ламп: 1) стандартного бе-
лого света (рис. 3.19,а, б); 2) стандартного дневного света (рис. 3.19, в);
3) голубого, зеленого, красного, розового и желтого (золотого) света
(рис. 3.19,г, д, е, ж); 4) ультрафиолетового света («солнечные»)
(рис. 3.19, з); 5) черного света [колба таких ламп изготовлена из темно-
синего стекла, пропускающего УФ излучение и слабо пропускающего
свет в видимой области (разд. 3.2.6.2)].
Флуоресцентная лампа представляет собой стеклянную трубку, по-
крытую изнутри флуоресцирующим фосфором (люминофором). Внутри
трубки находится небольшое количество ртути, а с обоих концов распо-
ложены электроды (рис. 3.20). Возникающая между электродами ртут-
ная дуга испускает излучение, 98% энергии которого содержится
в одной эмиссионной полосе при 254 нм. Излучение с длиной волны 254
нм поглощается фосфором, который в результате этого испускает свет
непрерывного спектра в УФ и (или) видимой области. Спектральный со-
став этого света зависит от химического состава фосфора. Стеклянная
трубка при этом служит фильтром, поглощающим наиболее коротко-
волновую часть излучения.
Срок службы такой лампы определяется в первую очередь износом
эмитирующего электроны покрытия катода. Это покрытие расходуется
во время работы лампы. Когда покрытие полностью удаляется с по-
верхности электродов, лампа прекращает функционировать. Основными
факторами, влияющими на эффективный срок службы лампы, являются
количество включений и время, в течение которого лампа уже эксплуа-
тировалась. По этой причине средний срок службы флуоресцентных
ламп выражается в часах работы (в определенных стандартных усло-
виях), исчисляемых с момента первого включения. Большинство флуо-
ресцентных ламп имеют срок службы от 2000 до 10000 ч. На срок
службы флуоресцентных ламп оказывают влияние также многие другие
факторы, среди которых: 1) характеристики балласта (балласт поддер-
живает на электродах лампы подходящее напряжение в процессе разго-
Источники оптического излучения
65
Рис. 3.20. Схема типичной флуоресцентной лампы.
/-штырьки цоколя; 2-катод, покрытый веществом, эмитирующим электроны; 3-трубка, покрытая изнутри
флуоресцирующим фосфором (люминофором); 4-основание цоколя; 5-трубка, заполненная инертным газом
и парами ртути.
рания лампы); 2) конструкция стартера; 3) стабилизация напряжения се-
ти. Срок службы флуоресцентных ламп существенно уменьшается, если
при использовании обычного балласта лампу часто включают и выклю-
чают. Чтобы избежать этого, используют специальный балласт, обеспе-
чивающий подогрев электродов.
Полный поток излучения (полная мощность излучения или выход
света) может уменьшаться на 10-20% в течение первых 100 ч работы
флуоресцентной лампы (рис. 3.21). На процесс уменьшения полного по-
тока излучения флуоресцентных ламп очень мало влияет срок предвари-
тельной эксплуатации ламп.
Полный поток излучения (полная мощность излучения или выход
света) флуоресцентных ламп зависит от давления паров ртути внутри
Продолжительность работы, ч
Рис. 3.21. Уменьшение светоотдачи и яркости типичной флуоресцентной лампы
в течение ее эксплуатации при малой (кривая /), средней (2) и повышенной (3)
нагрузке [576] (воспроизводится с разрешения John Wiley & Sons Inc.).
5-644
66
Глава 3
лампы. Оптимальное давление, при котором полный поток излучения
максимален, достигается тогда, когда температура наиболее холодного
участка ламповой трубки составляет около 38°С (рис. 3.22). При повы-
шении температуры полный выход излучения медленно падает. При по-
нижении температуры стенки трубки давление газа внутри нее падает
и полный поток излучения резко уменьшается.
Полный выход излучения флуоресцентной лампы, включенной в сеть
переменного тока 60 Гц, периодически изменяется, причем амплитуда
колебаний зависит от инерционности люминофора и от балластной це-
пи. Частота мерцаний по всей длине трубки составляет 120 Гц. На кон-
цах лампы амплитуда вспышек относительно мала, а их частота соста-
вляет 60 Гц. Интенсивность таких периодических изменений характери-
зуется процентом мерцаний или индексом мерцаний. Величину этого
индекса определяют, как показано на рис. 3.23. Для этого площадь над
линией, соответствующей среднему уровню полного потока излучения,
необходимо разделить на площадь под всей кривой, описывающей из-
менение полного потока излучения за один цикл.
Преимущества флуоресцентных ламп УФ диапазона состоят в сле-
дующем: 1) спектральное распределение энергии и цвет свечения
остаются стабильными в течение срока службы лампы; 2) являясь диф-
фузными источниками света, флуоресцентные лампы обеспечивают рав-
номерное освещение объекта; 3) практически отсутствует инфракрасное
излучение, которое может перегревать образцы; 4) быстрое зажигание;
5) низкая потребляемая мощность и малая стоимость ламп. Эти лампы
обычно используются: 1) для внутреннего и наружного освещения учре-
ждений, магазинов, жилых домов и ферм; 2) в устройствах для проведе-
ния экспресс-анализа на светопрочность и износоустойчивость материа-
лов (разд. 28.3.1).
Рис. 3.22. Зависимость светоотдачи флуоресцентной лампы от минимальной
температуры стенки колбы [576] (воспроизводится с разрешения John Wiley &
Sons Inc.).
Источники оптического излучения
67
IА {максимальное значение}
Один цикл
Индекс мери^нсссс—
-площадь //(площадь 1 + площадь Z)
Рис. 3.23. Типичная кривая изменения светоотдачи флуоресцентной лампы за
один период колебаний питающего напряжения частотой 60 Гц [576] (воспроиз-
водится с разрешения John Wiley & Sons Inc.).
3.2.6.2.	Флуоресцентные лампы черного света
Флуоресцентные лампы черного света (рис. 3.24, а, б, в) покры-
вают фосфором (люминофором) из активированного церием фосфата
кальция, который поглощает излучение ртути при 253,7 нм и испускает
широкую полосу УФ излучения с длинами волн между 320 и 380 нм
(рис. 3.25).
Некоторые флуоресцентные лампы испускают также видимый свет,
что в ряде случаев нежелательно. Если этот видимый свет не убирать
с помощью фильтров, то он уменьшает яркостный контраст и делает
менее эффективной индикацию. Поэтому между источником черного
света и облучаемой поверхностью обычно помещают светопоглощаю-
щий фильтр (пурпурный фильтр).
Эти лампы обычно используют: 1) для проверки продуктов питания,
тканей, исследования минералов и контроля за санитарной обработкой;
2) для контроля качества литья и механической обработки деталей, со-
стояния предохраняющих покрытий, гидравлических силовых систем,
бальзамирующих жидкостей (составов, вводимых в кровеносную систе-
му тела); 3) для обнаружения скрытых пометок на документах, поч-
товых коллекционных марках, нахождения меток прачечных, а также
в криминалистике; 4) в процессах воспроизведения изображения, таких,
как изготовление пресенситизированных офсетных гальваноклише,
в контактной фотопечати, при использовании фоторезистов, фотоша-
блонов, в ультрафиолетовой фотографии; 5) для декоративных целей:
Рис. 3.24. Синие лампы черного света типа MLW160 W (a), TW 6 W (б) и
RS-F40 BLB 40 W (в) [690] (воспроизводится с разрешения N. V. Phillips
Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
в
Рис. 3.25. Абсолютное спектральное
распределение мощности излучения
синей лампы черного света типа
RS-F40 BLB 40 W [690] (воспроизво-
дится с разрешения N. V. Phillips
Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the
Netherlands).
Источники оптического излучения
69
в уличных знаках, вывесках, витринах, рождественских украшениях улиц
и домов, для настенных украшений и декораций в театрах, ночных клу-
бах и коктейль-барах, для освещения костюмов и униформы; 6) в ло-
вушках для насекомых.
3.2.7.	Водородная и дейтериевая лампы
Литература- 1027
Водородная и дейтериевая лампы представляют собой источ-
ники УФ излучения. Газоразрядные трубки этих ламп наполнены водо-
родом или дейтерием и испускают излучение непрерывного спектра
с длиной волны от 185 до 370 нм. Конструкция электродов разрядной
трубки такова, что светящаяся область сконцентрирована в небольшом
объеме, а выходящий световой пучок имеет вид узкого конуса
(рис. 3.26), что позволяет легко и эффективно фокусировать или колли-
мировать свет этих ламп с помощью внешних оптических систем.
Эти лампы выпускают с круглым или удлиненным щелевым источ-
ником. Они имеют нагреваемые термоэлектронные катоды, накал ко-
торых необходимо включать приблизительно за 1 мин до зажигания
газового разряда. После зажигания разряда накал катода может быть
выключен. Это обстоятельство существенно увеличивает срок службы
ламп и уменьшает нагрев самих ламп, окружающих деталей и кожуха.
Уменьшение нагрева является важным условием высокостабильной ра-
боты. Обычно в условиях долгосрочной работы стабильность излучения
таких ламп не хуже 1%, а в условиях краткосрочной работы не хуже
0,1%. Средний срок службы (с вероятностью 90%) составляет 1500 ч.
Коротковолновое УФ излучение, испускаемое этими лампами, вызы-
вает образование озона из кислорода воздуха. Озон накапливается в ко-
Рис. 3.26. Водородная дуговая
лампа (1- световая апертура).
70
Глава 3
жухе лампы, и если его не удалять (например, вентилированием), то те-
пловое движение газа будет приводить к изменяющемуся поглощению
ультрафиолетового излучения в полосах поглощения озона (при 220-260
нм). Если прибор, в состав которого входит водородная или дейтерие-
вая лампа, должен обладать высокой чувствительностью, то такие эф-
фекты являются крайне нежелательными. Интенсивное перемещение
воздуха в кожухе лампы также может приводить к изменениям показа-
теля преломления воздуха на участке прохождения света от лампы до
входного устройства оптического прибора. Этот эффект особенно заме-
тен на больших длинах волн. Примечание: необходимо избегать загряз-
нения проводящих свет участков колбы лампы (например, загрязнения
отпечатками пальцев). Предупреждение: поскольку эти лампы излучают
ультрафиолетовый свет, который оказывает вредное воздействие на гла-
за, при работе с лампами необходимо надевать специальные очки.
3.2.8.	Монохроматический источник
Свет, испускаемый монохроматическим источником (например,
натриевой разрядной лампой), всегда содержит полосу частот, хотя эта
полоса и является узкой (рис. 3.27). Источник является квазимонохрома-
тическим, если ширина полосы ДА мала по сравнению со средней дли-
ной волны А.
Поскольку процессы излучения имеют квантовую природу, то свет,
излучаемый в виде отдельных фотонов, можно представить в виде огра-
ниченного цуга волн. Распределение частот такого излучения называют
естественной шириной линии.
Ширина линии ДЛ
Рис. 3.27. Красная спектральная
линия кадмия (А = 643,847 нм), из-
лучаемая разрядной лампой низко-
го давления.
Источники оптического излучения
71
Любая спектральная линия представлена не единичной частотой v,
а характеризуется полосой частот, ширина которой Av определяется
соотношением
Av ~ 1/А t	(3.2)
Ширина полосы частот-это величина, близкая к обратной длительно-
сти импульса. Удобной характеристикой спектральной чистоты излуче-
ния может служить стабильность частоты, т. е. отношение Av/v. Время
Af, удовлетворяющее условию (3.2), называется временем когерентно-
сти, а расстояние Ах, определяемое соотношением
Ах = сАг	(3.3)
называется когерентной длиной (с-скорость света).
3.2.9.	Лампы с полыми катодами
Основным элементом ламп с полым катодом (рис. 3.28) служит
полый металлический цилиндр, содержащий небольшое количество
инертного газа. Эти лампы обладают высоким выходом свечения эле-
ментов, входящих в состав катода.
Ряд фирм выпускает и продает лампы с полыми катодами. Эти
лампы в течение многих лет широко используются в спектроскопии.
Оптические окна ламп изготавливают из кварца или стекла пирекс, а
в качестве добавок к материалу катода используют целый ряд элемен-
тов (рис. 3.29). Эти элементы добавляют по одному или в некоторой
совокупности.
3.2.10.	Высокоинтенсивные разрядные лампы
Эти лампы излучают высокоинтенсивный свет, образующийся
при протекании электрического тока через пары металлов или других
соединений, которые содержатся в небольшой разрядной трубке, изго-
товленной из какого-нибудь тугоплавкого материала (обычно из квар-
ца).
Промышленность выпускает следующие основные типы таких ламп:
1) ртутные лампы (разд. 3.2.10.1); 2) ксеноновые лампы (разд. 3.2.10.3); 3)
металлогалогенные лампы (разд. 3.2.10.5); 4) натриевые лампы (разд.
3.2.10.6). Все эти лампы нуждаются в дополнительных электрических
балластных устройствах, которые в момент запуска обеспечивают по-
дачу на электроды напряжения в несколько сотен вольт, необходимого
для зажигания дуги, а в ходе работы лампы стабилизируют ток, проте-
кающий через нее. Лампа достигает полной мощности через несколько
минут после включения. За это время температура и давление паров ме-
таллов или других соединений, содержащихся в разрядной трубке, до-
стигают необходимой величины. Повторное включение лампы (после ее
выключения) должно производиться после того, как лампа остынет, т. е.
через несколько минут.
Рис. 3.28. Лампа с полым катодом
[698] (воспроизводится с разреше-
ния S. & J. Juniper & Со., Scientific
Glass Instruments and Laboratory
Apparatus, Harlow, Essex, England).
Рис. 3.29. Элементы, используемые
в лампах с полым катодом.
Лащпани аы	Се	Рг	Nd		Sm	Ей .	Gd	Tb	Dy	Но	Ег	Тт	Yb	Lu
Актини- ды	Th		и											
Источники оптического излучения
73
3.2.10.1.	Ртутные лампы
Литература: 576, 642, 690, 1075, 1288, 1339, 1562.
Трубки ртутных ламп различаются по форме (рис. 3.30). Форма
трубки определяется типом используемой ртутной дуги и конкретными
экспериментальными или прикладными задачами, для которых исполь-
зуется лампа.
Некоторые из таких разрядных трубок помещают во внешние колбы
(рис. 3.31) либо трубки, изготовленные из плавленного кварца или боро-
силикатного стекла (для осветительных ламп), которые могут выдержи-
вать высокие температуры (до 400°С) и устойчивы к перепадам темпера-
тур. Такая конструкция ламп уменьшает вероятность повреждения их
при контакте с холодными веществами или водой. Пространство между
разрядной трубкой и внешней колбой заполняют азотом или другим
инертным газом. Инертная атмосфера обеспечивает электрическую ста-
бильность внутри лампы и температурную изоляцию дуговой трубки,
а также предотвращает электрический пробой и предохраняет металли-
ческие части от окисления.
Кварцевая разрядная трубка содержит небольшое, точно измеренное
количество высокочистой ртути, а иногда и стартовый газ (аргон). Ртут-
ная дуга не подчиняется закону Ома, а обладает отрицательной вольт-
Рис. 3.30. Различные типы ртутных разрядных трубок [642] (воспроизводится
с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
Глава 3
Кварцевая
разрядная
трудна
Основной
электрод
Стартовый
(запускающий)
электрод
Стартовое
- -— сопротивление
на лампу
Рис. 3.31. Ртутная разрядная трубка, помещенная во внешнюю колбу [642] (вос-
производится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
амперной характеристикой (т. e. напряжение на лампе падает при увели-
чении тока через нее). Для ограничения тока лампы необходимо
использовать балластную цепь. Для электрического питания ртутной
дуги обычно используют генераторы или выпрямители.
Большинство ртутных ламп конструируют для работы в цепи пере-
менного тока. Балластная схема для работы в цепи переменного тока
обычно состоит из: 1) трансформатора, преобразующего напряжение
в цепи питания в напряжение, необходимое для зажигания дуги; 2) ин-
дуктивного или емкостного реактивного компонента, контролирующего
ток лампы (в некоторых балластных схемах емкостное реактивное со-
противление служит также для увеличения коэффициента мощности.
В тех случаях, когда напряжение в цепи достаточно для запуска лампы,
балластная схема может состоять только из ограничивающего ток ком-
плексного сопротивления, включенного последовательно с лампой.
Источники оптического излучения
75
После того как в цепь горения подано напряжение между стартовым
электродом и одним из основных электродов, подается стартовое на-
пряжение зажигания. [Стартовый электрод обычно находится в нижней
части лампы (рис. 3.31).] Это напряжение зажигает аргоновую дугу ме-
жду стартовым электродом и основным электродом. Ток этой дуги под-
держивается малым с помощью стартового сопротивления.
Тепло, выделяющееся при горении аргоновой дуги, вызывает испаре-
ние ртути и уменьшение сопротивления между основными электродами.
Когда сопротивление падает до такой величины, при которой напряже-
ние, подаваемое от балласта на основные электроды, может зажечь ос-
новную дугу, она зажигается. После разгорания основной дуги испаре-
ние ртути еще больше увеличивается, и когда вся ртуть внутри
разрядной трубки испарится, лампа переходит в стационарный режим
работы. Поскольку сопротивление стартовой цепи в этих условиях ста-
новится значительно большим, чем сопротивление между основными
электродами, то после разгорания основной дуги стартовая дуга гаснет.
Процесс нагревания обычно длится 5-7 мин в зависимости от темпера-
туры окружающей среды.
Хорошим правилом является включение в цепи питания всех
ртутных дуговых источников излучения контрольных приборов-ампер-
метра и вольтметра. Это позволяет количественно охарактеризовать ра-
боту источника излучения, а также контролировать величину напряже-
ния и тока лампы в ходе работы. На рис. 3.32 показана типичная схема
питания ртутного дугового источника излучения.
Если при работе на переменном токе требуется точный контроль ин-
тенсивности свечения лампы, то необходимо с помощью стабилизатора
напряжения контролировать величину напряжения, подаваемого на вход
трансформатора. Вторичную обмотку трансформатора присоединяют
к лампе через переменное сопротивление и амперметр (рис. 3.32). С по-
мощью вольтметра можно контролировать процесс нагревания лампы,
а также следить за старением лампы в ходе ее эксплуатации.
Рис. 3.32. Простая схема включения ртутной дуговой лампы среднего давления.
76
Глава 3
Хотя ртутные лампы конструируют для работы на переменном токе,
но в тех случаях, когда доступен только источник постоянного напряже-
ния, способный запустить лампу, эти лампы можно с успехом эксплуа-
тировать и на постоянном токе. При работе со стабилизированным ис-
точником постоянного напряжения 220 В он подсоединяется между
точками а и b (рис. 3.32) и заменяет трансформатор и стабилизатор
переменного напряжения. Источник номинального постоянного напря-
жения 240 В может легко запустить ртутную лампу мощностью 400 Вт,
а лампу мощностью 1000 Вт-после ее нагревания (выше 10°С). Для
ограничения тока лампы последовательно с ней включают балластное
сопротивление, которое необходимо помещать в специальный за-
щитный кожух. Начальный выход свечения лампы при таком включе-
нии приблизительно такой же, как и при включении в цепь переменного
тока, однако характеристики свечения хуже сохраняются во времени
и срок службы лампы при этом значительно короче. Перемена полярно-
сти напряжения может продлить срок службы лампы.
После выключения питания лампы или в том случае, когда напряже-
ние на лампе в течение времени, большего полупериода колебаний, па-
дает ниже уровня, необходимого для поддержания дуги, происходит
деионизация металлических частиц в дуговой трубке, и световое излуче-
ние гаснет. Зажечь лампу сразу же после этого не удается, поскольку
для ионизации разогретого аргона и (или) паров ртути, находящихся
вследствие разогрева под высоким давлением, требуется большее на-
пряжение, чем обеспечиваемое схемой питания. Время, необходимое для
охлаждения разрядной трубки и для падения давления внутри нее до ве-
личины, при которой может произойти повторное зажигание дуги, со-
ставляет 3-6 мин. Это время зависит от мощности лампы, условий ее
работы и характеристик теплоотдачи лампового крепления.
Обычно не рекомендуется эксплуатировать ртутные лампы при
мощностях, превышающих номинальные. Превышение рабочей мощно-
сти приводит к перегреву электродов, разрядных трубок, а в некоторых
случаях и стенок внешней колбы. Это может приводить к деформации
разрядной трубки и даже к ее разрушению. Таким образом, достигае-
мое увеличение световой мощности лампы, пропорциональное ее элек-
трической мощности, сопровождается уменьшением ее световой ста-
бильности и срока службы.
Прежде чем проводить количественные измерения с новым ртутным
дуговым источником излучения его необходимо «состарить» в течение
нескольких часов. Для многих ламп этого типа характерно существен-
ное изменение мощности излучения в течение первых часов работы;
особенно это касается коротковолновой части спектра излучения.
Если лампа предназначена для использования в оптическом устрой-
стве, где требуется луч света одного определенного направления, то ее
следует помещать в предохранительный кожух. Устройство такого ко-
жуха показано на рис. 3.33. Кожух желательно снабдить устройством
для контроля температуры, поскольку в случае перегрева лампа быстро
Источники оптического излучения
77
Рис. 3.33. Конструкция типичного ко-
жуха с водяным охлаждением для
ртутной дуговой лампы среднего дав-
ления.
Вход и выход воды
Медная
трудна
выйдет из строя. С другой стороны, если лампу слишком интенсивно
охлаждать, она не сможет нагреться до такой температуры, при кото-
рой достигается достаточно высокая отдача мощности. На лампах и на
балластных сопротивлениях изготовители указывают минимальную
температуру, при которой происходит удовлетворительный запуск
лампы и ее работа. На рис. 3.33 показана система охлаждения кожуха
лампы водой, которая проходит через медную спиральную трубку, при-
паянную к цилиндрическому латунному кожуху.
Допускается любое рабочее положение ртутных ламп, однако при
вертикальном рабочем положении начальная световая отдача несколько
выше (на 2-3 лм/Вт), чем при горизонтальном. Срок службы ртутной
лампы при вертикальном ее расположении на 3-4% больше, чем при го-
ризонтальном. Такие различия обусловлены тем, что при горизонталь-
ном расположении дуга в трубке из-за конвекционных потоков несколь-
ко выгибается кверху, что приводит к небольшому снижению мощности
и световой отдачи, а также к более сильному разогреву верхней стенки
разрядной трубки по сравнению с нижней.
Срок службы ртутных ламп определяется главным образом посте-
пенным уменьшением прозрачности стенок колбы, нестабильностью ду-
ги, чрезмерным разрушением электродов и нарушением процесса запус-
ка. Практически лампа становится непригодной для использования
в том случае, когда: 1) мощность лампы, необходимая для поддержа-
ния определенного светового потока достигает уровня, не предусмо-
тренного ее конструкцией; 2) выход светового потока лампы при дан-
ной подводимой мощности уменьшается до определенной доли
(определяемой конструкцией лампы или целями потребителя) первона-
чального выхода. Систематическая эксплуатация лампы на временных
интервалах, слишком коротких для полного ее разогрева, обычно сокра-
щает полезный срок службы лампы.
78
Глава 3
Спад светового потока ртутных ламп в процессе горения (рис. 3.34)
обычно является следствием целого ряда физических процессов, проте-
кающих в разрядной трубке. Происходящие изменения обусловлены:
1) влиянием температуры и излучения на вещества, участвующие в ду-
говом разряде, на примеси, в следовых количествах содержащиеся
в лампе, на разрядную трубку; 2) химическими реакциями между этими
веществами; 3) осаждением на стенках разрядной трубки частиц, выби-
ваемых с поверхности электродов и покрытий в результате столкнове-
ния с этими поверхностями частиц, участвующих в дуговом разряде.
Механизм выхода из строя ртутной лампы не столь прост, как
«перегорание» вольфрамовой спирали в лампе накаливания. По мере
старения ртутной лампы происходят изменения как электродов, так
и содержимого разрядной трубки, что приводит к возрастанию напря-
жения, необходимого для ионизации газа и для зажигания дуги, а также
для нагревания лампы до достижения полного светового выхода. Если
балластная схема не может обеспечить необходимую для этого величи-
ну напряжения, то лампа при включении в сеть не может зажечься,
и это фактически означает конец ее срока службы. На рис. 3.35 показана
кривая вероятности выхода из строя ртутной лампы в процессе ее экс-
плуатации. Поступающие в продажу ртутные лампы испытаны в работе
и на них указаны параметры балласта, обеспечивающего оптимальные
рабочие характеристики.
Одним из нежелательных побочных явлений, возникающих при экс-
плуатации ртутных дуговых ламп, является образование озона. Наибо-
лее высокая концентрация озона наблюдается в течение нескольких
первых дней работы новой лампы. Потом по мере старения кварцевой
трубки она пропускает все меньше коротковолнового излучения и кон-
центрация озона уменьшается. Образование озона происходит в резуль-
Рис. 3.34. Уменьшение светоотдачи ртутной лампы при увеличении суммарного
времени ее горения [642] (воспроизводится с разрешения General Electric, Nela
Park, Cleveland, Ohio, USA).
Источники оптического излучения
79
Рис. 3.35. Кривая вероятности выхода из строя ртутной лампы в течение номи-
нального срока службы [642] (воспроизводится с разрешения General Electric,
Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
тате поглощения кислородом коротковолнового излучения с длиной
волны меньше 200 нм. Озон сильно поглощает свет в УФ области, и его
присутствие в воздухе может приводить к существенным нежела-
тельным флуктуациям интенсивности УФ излучения лампы. Удалить
озон можно путем вентиляции кожуха лампы или обдува самой лампы
током воздуха или азота.
3.2.10.1.1.	Балласты ртутных ламп
Литература: 642.
Названия балластных схем связаны с наличием в них реак-
тивных элементов или с различными электрическими характеристиками
балластов. К сожалению, названия балластных схем не всегда удачны,
и часто одни и те же наименования употребляются для обозначения
разных балластов, и наоборот (что бывает значительно чаще) для обо-
значения одного и того же балласта используются разные названия.
Резисторный балласт. Наиболее простой балласт ртутной лампы пред-
ставляет собой резистор, ограничивающий ток через лампу. Его элек-
трический коэффициент полезного действия обычно составляет пример-
но 50%, поскольку на резисторе диссипируется примерно половина
мощности, отдаваемой источником питания. Такая схема очень чувстви-
тельна к скачкам напряжения в сети, и понижение напряжения всего на
несколько процентов может погасить лампу. Простой резисторный бал-
ласт можно использовать только при работе лампы на постоянном
токе.
Индуктивный балласт. Индуктивный балласт, называемый также реак-
тивным балластом с высоким коэффициентом мощности (в том случае,
когда в цепь параллельно включен конденсатор), реактивным балла-
стом с низким коэффициентом мощности и нестабилизированным бал-
ластом (иногда называемым лаг-балластом), представляет собой про-
стейший ферромагнитный балласт для цепей переменного тока.
Индуктивный балласт-это просто катушка индуктивности, намотанная
на железный сердечник и включенная последовательно с лампой
80
Глава 3
Индуктивность (дра
______шиш
Сеть
питания
I---------------------------
I Индуктивность (дроссель)
I О.О.О.ООО.О.О
\Лампа
Сеть
питания
Конденсатор,
повышающий
коэффициент
мощности
(вспомогательный)
Рис. 3.36. Индуктивные балласты
[642] (воспроизводится с разреше-
ния General Electric, Nela Park,
Cleveland, Ohio, USA).
(рис. 3.36). Единственным назначением такого балласта является огра-
ничение тока, протекающего через лампу. Поскольку такая схема обла-
дает высокой индуктивностью, ее коэффициент потребляемой мощности
невелик и составляет приблизительно 50%. Увеличить этот коэффициент
можно путем включения в цепь параллельного конденсатора (рис. 3.36).
Преимущества: индуктивный балласт самый дешевый, компактный,
легкий и эффективный. Он обеспечивает хорошую стабильность
мощности лампы при изменении напряжения на ней: изменению напря-
жения на 11% соответствует изменение мощности всего на 3%. Этот
балласт обладает очень низким коэффициентом амплитуды по току
(1,4-1,5) и обеспечивает высокий стартовый ток лампы, необходимый
для быстрого ее разогрева (в 2,5 раза превышающий нормальный рабо-
чий ток лампы).
Недостатки: в отсутствие конденсатора индуктивный балласт обла-
дает низким коэффициентом мощности. При изменении напряжения се-
ти на ± 5% мощность лампы изменяется на ± 10%. Индуктивный бал-
ласт можно использовать только в сети, напряжение которой достаточ-
но стабильно и достаточно велико для запуска лампы (обычно для
ламп низкой мощности это сеть с напряжением 240 или 277 В, а для
ламп более высокой мощности-480 В)*. При монтаже проводки лампы
* Здесь приводятся европейские стандарты напряжений. В СССР наиболее
употребительны напряжения 220 и 380В.-17рши. ред.
Источники оптического излучения
81
с этими балластами, соединяющих проводов и предохранителей необхо-
димо учитывать, что ток в цепи при запуске ламп примерно вдвое выше
рабочего тока. Для обеспечения безотказного запуска ламп и хорошей
регулировки использовать индуктивные балласты следует только в сети
с нестабильностью напряжения не выше + 5%. Несмотря на перечис-
ленные недостатки, индуктивный балласт при правильном его использо-
вании представляет собой надежное и недорогое пускорегулирующее
устройство.
Лаг-балласт. Лаг-балласт, называемый также автоиндуктивным балла-
стом, автотрансформаторным балластом, автотрансформаторным бал-
ластом с высоким коэффициентом мощности (в том случае, когда па-
раллельно входной сетевой обмотке или вторичной повышающей
обмотке включен компенсирующий конденсатор), автотрансформа-
торным балластом с низким коэффициентом мощности или нестабили-
зированным балластом, представляет собой соединенные вместе катуш-
ку индуктивности (дроссель) и автотрансформатор (рис. 3.37).
Характеристики лаг-балласта и индуктивного балласта сходны, од-
нако он может быть использован и в том случае, когда номинальное
напряжение в сети выше или ниже напряжения запуска лампы.
Преимущества: как и индуктивный балласт, лаг-балласт хорошо ста-
билизирует мощность лампы при изменении напряжения на ней; он
обладает очень низким коэффициентом амплитуды по току (1,4-1,5)
и обеспечивает высокий начальный ток лампы в момент ее запуска. Та-
кие балласты применяют главным образом для работы в сети с напря-
жением 120 В, если при этом не требуется корректировки мощности.
Недостатки: по сравнению с индуктивным балластом лаг-балласт
обладает большими габаритами и стоимостью. Электрические потери
в нем выше, чем в индуктивном балласте. Лаг-балласт пригоден для ис-
пользования в цепях, где флуктуации напряжения не превышают + 5%.
Величину коэффициента мощности можно скорректировать путем под-
ключения конденсатора в цепь вторичной обмотки. Отметим, что если
необходимо достигнуть высокого коэффициента мощности, то лаг-бал-
ласт используют редко, поскольку другие балластные схемы обладают
лучшими характеристиками.
Рис. 3.37. Лаг-балласт [642] (вос-
производится с разрешения General
Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio,
USA).
6-644
82
Глава 3
Г
Последовательный конденсатор

Сеть |
питания
-L" Настроечный
конденсатор
I (подключается
। не всегда)
\Лссмпа
Первичная I
обмотка I
J
Рис. 3.38. Регуляторный балласт [642] (воспроизводится с разрешения General
Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
Регуляторный балласт. Регуляторный балласт, называемый также бал-
ластом с постоянной мощностью [или CW-балластом (constant
wattage)], балластом мгновенного зажигания, балластом с повышенной
постоянной мощностью, насыщенным индуктивно-емкостным балла-
стом (т.е. балластом, к некоторым элементам которого подключены
шунтирующие конденсаторы), балластом с настроечным или «пиковым»
конденсатором во вторичной цепи, стабилизированным балластом,
представляет собой балласт, у которого первичная и вторичная обмот-
ки электрически изолированы друг от друга (рис. 3.38). Ток в цепи огра-
ничивается данным балластом, а также конденсатором, включенным
последовательно с лампой.
Обычно балласт и конденсатор ограничивают ток в цепи приблизи-
тельно в одинаковой степени. Конденсатор делает запуск лампы «мгно-
венным» в отличие от несколько задержанного запуска при использова-
нии одного только лаг-балласта. В некоторых конструкциях применяют,
кроме того, отдельный, так называемый «пиковый» или настроечный
конденсатор, который увеличивает напряжение холостого хода при хо-
лодном запуске лампы. Стабилизированные балласты конструируют та-
ким образом, чтобы сердечник вторичной обмотки трансформатора ра-
ботал в режиме магнитного насыщения. При таком режиме изменение
в довольно широких пределах напряжения на первичной обмотке прак-
тически не изменяет ток во вторичной обмотке, что обеспечивает хоро-
шую стабилизацию мощности лампы.
Преимущества: стабилизированный балласт нашел широкое приме-
нение благодаря своим электрическим характеристикам. В частности,
его можно использовать при любом напряжении сети. Он обеспечивает
высокую стабильность работы при изменении напряжения сети (измене-
ние напряжения на ±13% приводит к изменению мощности лампы все-
го на + (2-3)%). Коэффициент мощности достаточно высок и составляет
около 95%, а стартовый ток в цепи при запуске лампы всегда меньше
Источники оптического излучения
83
Рис. 3.39. Авторегуляторный балласт [642] (воспроизводится с разрешения
General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
рабочего тока. При использовании этого балласта резкие падения на-
пряжения в сети не так существенно сказываются на работе лампы, по-
скольку балласт может по крайней мере в течение 4 с «сглаживать» па-
дение напряжения на 50%. Еще одним преимуществом этого балласта
является полная электрическая изоляция вторичной обмотки от сети пи-
тания. Главным достоинством регуляторного балласта является широ-
кий диапазон параметров цепи, при которых он может работать. Так,
его можно подобрать для работы в любой сети (назависимо от вели-
чины напряжения в ней, стабильности этого напряжения и с мини-
мальными ограничениями на надежность заземления и предохраните-
лей) и получать при этом хорошие результаты. Вторичная цепь этого
балласта изолирована от основной сети питания, что существенно сни-
жает опасность при работе с ним.
Недостатки: регуляторный балласт дороже, чем индуктивный,
и коэффициент амплитуды по току для него несколько выше (1,65-2,0
в зависимости от мощности).
Авторегуляторный балласт. Авторегуляторный балласт, называемый
также автостабилизированным балластом, регулируемым автотранс-
форматорным балластом, авторегуляторным балластом с постоянной
мощностью, комбинированным индуктивно-емкостным балластом или
автотрансформаторным балластом с постоянной мощностью, предста-
вляет собой комбинацию автотрансформатора и стабилизирующей це-
пи (рис. 3.39). Так как часть первичной обмотки включена последова-
тельно с вторичной, размеры балласта уменьшаются. Поскольку
стабилизация мощности обеспечивается только вторичной обмоткой
(разд. «Регуляторный балласт»), степень стабилизации зависит от того,
какой вклад в выходное напряжение дает первишая обмотка.
Преимущества: в новых конструкциях пускорегулирующих уст-
ройств авторегуляторный балласт наиболее распространен. Этот бал-
ласт объединяет в себе свойства стабилизированного и автотрансфор-
84
Глава 3
матерного балластов. Стоимость, размеры и вес авторегуляторного
балласта несколько ниже, чем у стабилизированного. Электрические по-
тери в нем несколько ниже, чем в стабилизированном балласте. Он до-
статочно хорошо стабилизирует мощность лампы, хотя несколько хуже,
чем стабилизированный балласт. При использовании авторегуляторно-
го балласта обеспечивается стабильность мощности + 5% при измене-
нии напряжения в сети на ± 10%. К достоинствам авторегуляторного
балласта следует также отнести высокий коэффициент мощности, низ-
кий стартовый ток в момент запуска лампы и низкую пороговую вели-
чину напряжения сети, при которой лампа гаснет.
Недостатки: основным недостатком авторегуляторного балласта по
сравнению со стабилизированным балластом является то, что вторич-
ная обмотка не изолирована электрически от первичной. Коэффициент
амплитуды по току для этого балласта составляет 1,65-2,0 и зависит от
мощности.
Двухламповый балласт. Двухламповые балласты часто используют для
снижения стоимости балласта и пускорегулировочной аппаратуры, при-
ходящейся на единицу излучаемой световой мощности. В этих балла-
стах применяется одна или несколько базовых схем (по одной или
в комбинации), что обеспечивает высокую экономичность и разнооб-
разный выбор требуемых характеристик. Они выпускаются для работы
с двумя лампами, включенными последовательно (рис. 3.40), или двумя
лампами, включенными параллельно (рис. 3.41).
Для параллельных цепей обычно выбирают резонансную схему бал-
ласта мгновенного зажигания (схема с «расщепленной фазой») либо ре-
гуляторный балласт. Схема с «расщепленной фазой» подобна схеме лаг-
балласта, но в отличие от нее содержит конденсатор, последовательно
включенный в цепь между дросселем и лампой. Для этого балласта ха-
рактерен высокий коэффициент мощности, а также то, что стартовый
ток в момент запуска лампы ниже рабочего тока лампы. Как и в случае
автотрансформаторного балласта для одной лампы, этот балласт сле-
дует применять в тех случаях, когда изменение напряжения сети не пре-
вышает + 5%.
Рабочие характеристики балластов. Операционный коэффициент полезно-
го действия характеризует потери мощности в балласте. Например,
Рис. 3.40. Схема типичного двух-
лампового балласта с последова-
тельным включением ламп [642]
(воспроизводится с разрешения
General Electric, Nela Park,
Cleveland, Ohio, USA).
Источники оптического излучения
85
Схема с „расщепленной фазой"
Регуляторный балласт
Рис. 3.41. Схема типичного двухлампового балласта с параллельным включе-
нием ламп [642] (воспроизводится с разрешения General Electric, Nela Park,
Cleveland, Ohio, USA).
90%-ный к. п. д. означает, что 90% подводимой электрической мощности
расходуется лампой, а 10% идет на нагревание балласта.
Для некоторых балластов начальный ток в цепи в момент запуска
лампы меньше рабочего тока, т.е. тока, который устанавливается в це-
пи в стационарном режиме горения лампы. Для таких балластов расчет
предохранителей и коммутирующих элементов следует производить
просто исходя из величины рабочего тока. Для других балластов на-
чальный ток в цепи может быть значительно выше рабочего тока. При
работе с такими балластами расчет предохранителей, выключателей
и контрольных рубильников следует производить исходя из значений
начального тока.
К категории балластов с высоким коэффициентом мощности отно-
сят балласты с коэффициентом мощности не ниже 90%. Если этот коэф-
фициент меньше 90%, то балласты относят к категориям балластов
с нормальным коэффициентом мощности или с низким коэффициентом
мощности. Для большинства балластов с нормальным коэффициентом
мощности этот коэффициент составляет около 50%. То есть для балла-
стов с нормальным коэффициентом мощности требуется приблизитель-
но вдвое больший ток, чем для балластов с высоким коэффициентом
мощности, что сильно понижает эффективность использования распре-
делительных сетей. При использовании балластов с нормальным коэф-
фициентом мощности требуется большее сечение проводов, большая
номинальная мощность переключателей и распределительных транс-
форматоров, чем при использовании балластов с высоким коэффициен-
том мощности, при равном их эквивалентном сопротивлении.
Регулировка напряжения сети обеспечивает постоянство мощности
лампы при изменении напряжения в сети. При включении в цепь си-
стемы с высокоинтенсивной разрядной лампой следует учитывать те из-
менения напряжения сети, которые могут происходить в ходе эксплуа-
86
Глава 3
тации лампы. Большая часть новых распределительных энергетических
систем стабилизирует рабочее напряжение в пределах + 5% от но-
минального, тогда как рабочее напряжение старых распределительных
подстанций может изменяться в пределах +10% и даже более.
Напряжение гашения. Все силовые установки, включаемые в сеть,
подвержены воздействию резких скачков напряжения, возникающих при
включении и выключении нагрузок, а также в результате других пере-
ходных процессов. Высокостабилизированная распределительная систе-
ма обычно очень редко допускает падение напряжения более чем на
10%, но для некоторых сетей могут отмечаться падения напряжения до
20-30% от номинального значения. Если балласт не способен «демпфи-
ровать» такие падения напряжения и поддерживать горение лампы во
время падения, то лампа может погаснуть, а затем повторно зажечься.
Большинство промышленных индуктивных балластов или лаг-балла-
стов выдерживают падение напряжения до 15% в течение нескольких пе-
риодов питающего напряжения и поэтому должны удовлетворительно
работать в сети с хорошо стабилизированным напряжением. Стабили-
зированный тип балластов может выдерживать и большие падения на-
пряжения сети (до 40-50%).
Изменение напряжения сети. Ртутная лампа и балласт к ней дол-
жны подключаться к сети, для которой напряжение и его частота
имеют значения, указанные в паспорте лампы и балласта. Некоторые
балласты могут работать при различных напряжениях сети (например,
120/240 В), а некоторые-при напряжениях, отличающихся от но-
минальных (например, 110/120 В). Если входное напряжение, подаваемое
на балласт, отличается от паспортного, то характеристики лампы будут
также отличаться от паспортных. Графики, приведенные на рис. 3.42,
показывают, как изменяется мощность лампы при изменении напряже-
ния сети для трех различных типов балластов, используемых с ртутны-
ми лампами. В пределах изменений напряжения, показанных на графи-
ке, световой поток, излучаемый лампой, оказывается приблизительно
пропорциональным мощности лампы. Следовательно, эти зависимости
могут быть также использованы для приближенного определения изме-
нения светового потока ламп при изменении напряжения, подаваемого
на балласт.
Балластные предохранители. В некоторых случаях желательно,
чтобы в каждом осветителе или в каждом балласте разрядной лампы
был собственный предохранитель. Изготовители балластов могут при
необходимости дать специальные рекомендации, наилучшим образом
подходящие для каждой конкретной комбинации ламп и балластов. На-
значение этих предохранителей в том, чтобы разорвать электрическую
цепь при повреждении балласта или неправильном соединении подводя-
щих проводов. Преимуществом именно такого расположения предохра-
нителей является то, что при их перегорании остальная часть схемы
продолжает работать, а в противном случае, при перегорании общих
Источники оптического излучения
87
Рис. 3.42. Зависимость мощности ртутной лампы от изменения напряжения сети
при использовании различных типов балластов [642] (воспроизводится с разре-
шения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
предохранителей или их отключении, обесточивается вся цепь. Кроме
того, при перегорании только балластных предохранителей гораздо лег-
че локализовать повреждение.
С точки зрения техники* безопасности использование балластных
предохранителей также имеет свои достоинства, в особенности при ра-
боте с высокими напряжениями и большими токами. Например, в сети
с напряжением 480 В и током 50 А в цепь каждой из ламп мощностью
400 Вт можно включить предохранитель на 3 или 4 А. В случае повре-
ждения балласта этот предохранитель гораздо быстрее разорвет элек-
трическую цепь, чем предохранитель в общей цепи на 50 А. При этом
существенно уменьшается обгорание и искрение контактов. При повре-
ждении проводки и деталей аппаратуры, а также ошибочном включении
в сеть с напряжением, отличающимся от паспортного, наличие бал-
ластных предохранителей значительно понижает степень повреждения
балласта и лампы. Перечисленные преимущества, обусловленные нали-
чием индивидуальных предохранителей, проявляются в той или иной
степени в зависимости от типа используемой пускорегулирующей
аппаратуры.
Примечание: по вопросам конструкции балластов можно обращать-
ся по адресу General Electric Lamp Sales Department, Lighting Business
Group, Nela Park, Cleveland, Ohio 44112, USA. Фирма General Electric no
требованию заказчика предоставляет список балластов, осветительной
аппаратуры и необходимых для их установки деталей и оборудования.
88
Глава 3
3.2.10.2.	Ртутные лампы, применяемые в фотохимических
исследованиях
Существуют три типа ртутных разрядных ламп: 1) дуговые
лампы низкого давления, называемые также резонансными. лампами
(разд. 3.2.10.2.1); 2) дуговые лампы среднего давления (разд. 3.2.10.2.2);
3) дуговые лампы высокого давления (разд. 3.2.10.2.3). Спектры излуче-
ния ламп этих трех типов представлены на рис. 3.43.
Полный поток излучения (полная мощность излучения) на единицу
длины дуги для ламп среднего давления приблизительно в 50-100 раз
выше, чем для ламп низкого давления. Для ламп высокого давления эта
величина в 103-104 раз выше, чем для ламп низкого давления.
3.2.10.2.1.	Ртутные дуговые лампы низкого давления
Литература: 771, 782, 952, 1606.
Излучение ртутных дуговых ламп низкого давления (давление
паров ртути около 10 3 мм рт.ст.) сосредоточено главным образом
в двух полосах с максимумами при 184,9 и 253,6 нм. Эти лампы рабо-
тают при комнатной температуре. В табл. 3.8 показано распределение
относительной энергии излучения ртутной дуговой лампы низкого дав-
ления. Разрядные трубки ртутных дуговых ламп низкого давления, вы-
пускаемых промышленностью, обычно изготавливаются из материала,
почти полностью поглощающего излучение с длиной волны 184,9 нм.
Если же эти трубки изготовить из специального кварца, обладающего
высокой пропускающей способностью (например, из супрасила), то от
этих ламп можно получать излучение с длиной волны 184,9 нм. Ртутные
лампы низкого давления обладают низким выходом полного потока из-
лучения (полной мощности излучения), и по этой причине их часто рас-
полагают параллельно экспериментальной ячейке, в которой происхо-
дит реакция; если эти лампы изготовлены в виде спирали, то
экспериментальную ячейку помещают внутрь спирали (рис. 3.44).
Ртутные дуговые лампы низкого давления применяют для изучения
сенсибилизированных ртутным излучением реакций и часто используют
в тех случаях, когда в свободных от ртути системах необходим прямой
фотолиз при 253,7 нм.
Коэффициент поглощения ртути на длинах волн 184,9 и 253,6 нм так
высок, что наличие в системе атомов ртути даже в очень незначи-
тельных концентрациях приводит к поглощению ими большей части
этого излучения. Во избежание инициирования сенсибилизированных
ртутью реакций все экспериментальное оборудование и приспособления
должны быть тщательно очищены от следов ртути.
На рис. 3.45, 3.46, 3.47 и 3.48 показаны различные типы ртутных
ламп низкого давления, используемых во многих фотохимических ис-
следованиях, а также их спектральные характеристики. Данные, предста-
вленные в табл. 3.9, показывают спектральное распределение абсолют-
ной энергии излучения одной из таких ламп.
3126 32
3650-63
3906
4M7-7J
2894
2325
2967
3022-26
3341
1
4916
5461
5770 90
2537
2576
2603
2652
2699
2753
.2260
2353
2370
2400
2447
2464
243
>3
Is-
&
Фиоле-
товый
Лчлубой
Зеленый
Желтый
Оранжевый
*>’ ) Красный
Рис. 3.43. Спектры излучения ртутной дуги низкого давления (а), среднего да-
вления (б), высокого (100 атм) давления (в) (фотография предоставлена Westing-
house Electric Corporation, Bloomfield, N. J., USA).
90
Глава 3
Таблица 3.8. Распределение относительной энергии излучения ртутной дуги низ-
кого давления (лампа типа SC-2537, выпускаемая фирмой Conrad-Hanovia Inc.,
Newark, N.J., USA)
Длина волны, нм	Относительная энергия	Длина волны, нм	Относительная энергия
: 367,3		296,7	0,20
1128,7	—	289,4	0,04
1014,0	—	280,4	0,02
557,0-579,0	10,14	275,3	0,03
546,1	0,88	270,0	—
435,8	1,00	265,2-265,5	0,05
404,5-407,8	0,39	257,1	—
365,0-366,3	0,54	253,7	100,00
334,1	0,03	248,2	0,01
312,6-313,2	0,60	240,0	—
302,2-302,8	0,06	236,0	—
		232,0	—
		224,0	—
Фотореакционная камера
Рис. 3.44. Схема установки для фото-
лиза, в которой использована ртутная
дуговая лампа низкого давления [70]
(воспроизводится с разрешения John
Wiley & Sons Inc.).
б
в
Рис. 3.45. Бактерицидные лампы типа TUV 6 W (а) и TUV 30 W (б), широко
применяемые для стерилизации в фармацевтической промышленности и в био-
логических исследованиях [690] (воспроизводится с разрешения N.V. Phillips
Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
в-спектральное распределение абсолютной мощности излучения лампы типа TUV 30 W.
Рис. 3.46. Ртутная лампа низкого давления, излучающая коротковолновый УФ
свет [690] (воспроизводится с разрешения N.V. Phillips Gloeilampenfabriken,
Eindhoven, the Netherlands).
а-внешний вид лампы типа HUV-5 4 W; б-спектральное распределение абсолютной мощности излучения
лампы HUV-5.
Рис. 3.47. Ртутная лампа низкого давления (тип НРК 125 W), излучающая высо-
коинтенсивное УФ излучение длиной волны 253,7 нм (табл. 3.9) [690] (воспро-
изводится с разрешения N.V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the
Netherlands).
Источники оптического излучения
93
Длина волны, км
Рис. 3.48. Ртутные лампы низкого давления, используемые для быстрой и пол-
ной фотополимеризации полиэфирных лаков и в других фотохимических процес-
сах [690] (воспроизводится с разрешения N.V. Phillips Gloeilampenfabriken,
Eindhoven, the Netherlands).
а-внешний вид лампы типа HTQ-7 2000 W; б-спектральное распределение абсолютной мощности излучения
лампы типа HPQ-7.
Таблица 3.9. Спектральное распределение абсолютной мощности излучения
ртутной дуговой лампы низкого давления (тип НРК 125 W) [690] (воспроизво-
дится с разрешения N. V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands)
Длина волны, нм	248,2	253,7	265,3	269,9	257,3	280,4	289,4	296,7	302,5
Линии (Вт) Диапазон, нм	0,5	2,5	1Д 240- 280	0,2	0,2	0,5	0,3	0,9 280 — 315	1,4
Линии (Вт)
Континуум (Вт)
В целом (Вт)
6,2
2,5
8,7
Длина волны, нм	313,0 334,1 365,5 404,77 435,8 491,6 546,1 578,0
Линии (Вт) Диапазон, нм	3,1	0,4	5,1	1,8	3,5	0,2	4,4	3,5 315-	400- 400	600
Линии (Вт) Континуум (Вт) В целом (Вт)	5,5	13,4 2,3	1,5 7,8	14,9
94
Глава 3
3.2.10.2.2.	Ртутные дуговые лампы среднего давления
Излучение ртутных дуговых ламп среднего давления порядка
1 атм распределено по многим длинам водн в УФ и видимой областях
спектра: 238,0; 253,7; 265,2-265,5; 280,4 ; 296,7-302,2; 312,6-313,2; 334,1;
365,0-366,3; 404,5-407,8 (фиолетовая линия); 435,8 (синяя); 546,1 (зеленая);
577,0-579,0 нм (желтая) (рис. 3.43 и 3.49). Данные, представленные
в табл. 3.10, показывают распределение относительной энергии излуче-
ния ртутной дуговой лампы среднего давления.
При повышении рабочей температуры или давления наблюдается
уширение линий в спектре излучения, возрастает интенсивность длинно-
волновых линий в видимом спектре по сравнению с коротковолновыми
линиями и увеличивается интенсивность спектральных линий контину-
ума. Поскольку спектральное распределение излучения ртутной лампы
сильно зависит от давления паров ртути, оно может существенно изме-
няться при отклонении электрической мощности лампы от номиналь-
ной или при переохлаждении лампы. Коррелированные цветовые темпе-
ратуры этих ламп лежат в интервале 7000-10 000 К.
Относительно высокий полный поток излучения (мощность излуче-
ния) и близкий к линейчатому характер спектра излучения делают эти
лампы очень подходящими для задач фотохимического исследования.
Их особенно удобно использовать в комбинации с монохроматором
и системой фильтров. Благодаря этому ртутные лампы среднего давле-
ния нашли широкое применение в фотохимии. На рис. 3.50, 3.51, 3.52,
Рис. 3.49. Спектральное распределение абсолютной мощности излучения чистой
ртути [642] (воспроизводится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland,
Ohio, USA).
Источники оптического излучения
95
Таблица 3.10. Распределение относительной энергии излучения ртутной дуги
среднего давления (лампа типа А637 500 W, выпускаемая фирмой Conrad-
Hanovia Inc., Newark, N.J., USA)
Длина волны, нм	Относительная энергия	Длина волны, нм	Относительная энергия
1367,3	15,3	289,4	6,0
1128,7	12,6	280,4	9,3
1014,0	40,6	275,3	2,7
577,0-579,0	76,5	270,0	4,0
546,1	93,0	265,2-265,5	15,3
435,8	77,5	257,1	6,0
404,5-407,8	42,2	253,7	16,6
365,0-366,3	100,0	248,2	8,6
334,1	9,3	240,0	7,3
312,6-313,2	49,9	238,0	8,6
302,2-302,8	23,9	236,0	6,0
296,7	16,6	232,0	8,0
		222,4	14,0
3.53 и 3.54 показаны различные типы ртутных ламп среднего давления,
используемых в фотохимических исследованиях и приведены их спек-
тральные характеристики.
3.2.10.2.3.	Ртутные дуговые лампы высокого давления
Литература: 41.
Ртутные дуговые лампы высокого давления (известные также
как ртутные дуговые капиллярные лампы) работают при давлении
100-400 атм и являются одними из самых интенсивных источников УФ,
видимого и инфракрасного излучения. Спектр излучения этих ламп
близок к сплошному (рис. 3.43). Поскольку эти лампы работают при
- высокой температуре, для того чтобы не допустить плавления кварцево-
го баллона лампы, необходимо предусмотреть принудительное охла-
ждение лампы воздухом или проточной водой (рис. 3.55). Мини-
мальный поток воды, требуемый для охлаждения 500-1000-ваттной
лампы, составляет 3,5-4,0 л/мин.
Ртутная дуговая лампа высокого давления представляет собой квар-
цевую трубку малого диаметра, с обоих концов которой расположены
электроды, погруженные в ртуть (рис. 3.56 и 3.57). С подходящим бал-
ластом эти лампы могут работать как на переменном токе, так и на по-
стоянном токе. Запускать эти лампы следует в горизонтальном положе-
нии, но гореть они могут в любом положении. Работа на постоянном
токе или в вертикальном положении на переменном токе приводит к не-
равномерному распределению ртути.
a
Рис. 3.50. Ртутная лампа среднего давления типа HPQ 125 W [690] (воспроизво-
дится с разрешения N. V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
а-внешний вид; б-спектральное распределение абсолютной мощности излучения.
Рис. 3.51. Ртутная лампа среднего давления типа CS 150 W [690] (воспроизво-
дится с разрешения N. V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Nether-
lands).
Рис. 3.52. Ртутная лампа среднего давления CS 200 W [690] (воспроизводится
с разрешения N. V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
Рте. 3.53. Ртутная лампа среднего давления CS 200 W-2 [690] (воспроизводится
с разрешения N.V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands),
а-внешний вид; б-спектральное распределение абсолютной мощности излучения.
7-644
98
Глава 3
Рис. 3.54. Ртутная лампа среднего давления типа HPR 125 W [690] (воспроизво-
дится с разрешения N. V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands),
а-внешний вид лампы с внутренним отражателем, б-спектральное распределение относительной мощности
излучения.
Перед каждым включением лампы ее необходимо вынуть из держа-
теля (или охлаждаемого водой кожуха) и проверить на: 1) наличие за-
грязнений; 2) распределение в ней ртути. В то же время необходимо
убедиться, что система, обеспечивающая циркуляцию охлаждающей во-
ды, функционирует нормально и что в ней нет пузырьков воздуха. Лам-
пу следует включать только после того, как будет включена водяная си-
стема охлаждения.
Источники оптического излучения
99
Распределение ртути в лампе очень важно для ее правильной ра-
боты, и оно очень существенно влияет на срок службы лампы. Един-
ственно правильным распределением ртути в разрядной трубке являет-
ся такое распределение, при котором количество ее у обоих концов
трубки одинаково и электроды лишь чуть-чуть выступают над поверх-
ностью ртути. На рис. 3.58 показаны различные варианты распределе-
ния ртути внутри разрядной трубки. Если проверка, проведенная перед
включением лампы, показала, что распределение ртути отличается от
показанного на рис. 3.58, а, то ртуть необходимо перераспределить. Ес-
ли распределение ртути в разрядной трубке такое, как на рис. 3.58,6,
т. е. в средней части трубки есть несколько маленьких капель ртути, то
лампу можно зажечь и пользоваться ею, не перераспределяя ртути. Ес-
ли же капля ртути, образующаяся в средней части разрядной трубки, ве-
лика и почти полностью или полностью блокирует трубку
(рис. 3.58, в, г), то зажечь лампу трудно. Ртуть в этом случае необходимо
перераспределить. Можно рекомендовать следующий метод распределе-
ния ртути в разрядной трубке. Потрясите лампу таким образом, чтобы
вся ртуть собралась возле того конца лампы, где находится изолирую-
щее кольцо. Затем проверьте, нет ли в ртути пузырьков газа, и если они
имеются, то удалите их слегка постучав по лампе. Затем возьмите лам-
пу большим и указательным пальцами за изолирующее кольцо и акку-
ратно положите ее на ладонь этой же руки. Легкими постукиваниями
другой рукой по поверхности цилиндрической части лампы добейтесь
того, чтобы от поверхности ртути оторвалось несколько маленьких ка-
пелек ртути. После этого легким постукиванием по нижней части
лампы добейтесь того, чтобы эти капельки скатились к противополож-
ному электроду. Продолжайте отделять и перемещать ртуть до тех пор,
пока не достигнете равномерного ее распределения, как на рис. 3.58, а.
Кварцевое (или стеклянное)
окно
Штуцеры
для водяных,
шлангов
Рубашка охлаждения
кварцевым (или стеклянным)
окном
Лампа
Разъем
питания
Держатель
лампы
Рис. 3.55. Ртутная лампа высокого давления типа SP и приспособления для во-
дяного охлаждения [690] (воспроизводится с разрешения N. V. Phillips
Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
7*
100
Глава 3
500
300	400	500	600	700
Длина волны, нм
Рис. 3.56. Ртутная лампа высокого давления типа SP 900 W с воздушным
охлаждением, используемая в фотохимических исследованиях [690] (воспроизво-
дится с разрешения N.V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherla-
nds).
а-внешний вид, б - спектральное распределение абсолютной мощности излучения.
Если ртуть, находящаяся около одного или обоих электродов, содер-
жит пузырьки газа, то невозможно добиться того, чтобы оба электрода
немного выступали над поверхностью ртути (рис. 3.58, Э). В этом случае
для того чтобы правильно перераспределить ртуть необходимо сначала
стряхнуть ее к одному из концов разрядной трубки, а затем перемещать
ее с помощью описанного выше способа до тех пор, пока не будет до-
стигнуто правильное распределение. Ни в коем случае нельзя включать
лампу тогда, когда около одного из электродов мало ртути или вовсе
ее нет (рис. 3.58, е, ж). Если все же лампа будет включена при условиях,
показанных на рис. 3.58, д, е, ж, то ее горение будет прерывистым, что
Источники оптического излучения
101
Рис. 3.57. Ртутная лампа высокого давления типа SP 500 W с водяным охлажде-
нием, используемая в фотохимических исследованиях [690] (воспроизводится
с разрешения N. V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands),
а-внешний вид; б-спектральное распределение абсолютной мощности излучения
Рис. 3.58. Различные варианты распределения ртути
в ртутных лампах высокого давления типа SP (вос-
производится с разрешения N. V. Phillips
Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
DtC
102
Глава 3
приведет к уменьшению срока службы лампы. Для лампы, которая хотя
бы один раз была включена при неправильном распределении ртути,
потом очень трудно добиться правильного распределения.
Срок службы ртутных дуговых ламп высокого давления невелик
(50-70 ч), и они часто взрываются вследствие высокого давления в ка-
пилляре. Такие лампы обычно используют для: 1) количественной и по-
луколичественной работы, при которой не требуется высокой стабиль-
ности и воспроизводимости интенсивности света; 2) синтетической
фотохимии; 3) накачки непрерывных лазеров (разд. 16.3.1.2).
3.2.10.2.4.	Иммерсионные лампы для лабораторных целей
Литература: 650.
Существуют два типа выпускаемых промышленностью иммер-
сионных ламп, предназначенных для научных экспериментов: 1) ду-
говые лампы низкого давления; 2) дуговые лампы среднего давления.
Ртутные иммерсионные лампы низкого давления. Эти лампы применяют-
ся для исследования только тех фотохимических процессов, которые
происходят на длине волны 254 нм. В табл. 3.11 представлены данные
о спектральном распределении относительной энергии излучения таких
ламп. Ртутные лампы низкого давления излучают очень интенсивную
резонансную линию ртути при 254 нм. Эти лампы можно считать прак-
тически монохроматическими источниками излучения, поскольку интен-
сивность других линий в ультрафиолетовой и видимой областях .очень
мала по сравнению с интенсивностью резонансной линии ртути. Типич-
ная иммерсионная лампа низкого давления показана на рис. 3.59. Не
Таблица 3.11. Спектральное распределение относительной энергии излучения
ртутной иммерсионной лампы низкого давления (тип TNN 15/32) [650] (во-
спроизводится с разрешения W.C. Heraeus GmbH, FRG)
Длина волны, нм	Относительная энергия	Длина волны, нм	Относительная энерг я
248	од	313	2,8
254	100	334	0,1
265	0,9	366	2,2
276	0,1	405/8	1,6
280	0,1	436	1,1
289	0,1	546	1,6
297	0,6	577/9	0,5
Коэффициент для вычисления потока
излучения, мВт	60
Источники оптического излучения
103
Рис. 3.59. Ртутная иммерсионная лампа низкого давления для фотохимических
исследований [650] (воспроизводится с разрешения W. С. Heraeus GmbH, FRG).
а-горелка типа TNN 15/32, б-горелка с кварцевой иммерсионной трубкой (охлаждающей рубашкой).
рекомендуется объединять ртутные лампы низкого давления и сте-
клянные иммерсионные трубки (охлаждающая рубашка), поскольку при
этом будет поглощаться коротковолновое УФ излучение при 254 нм.
Срок службы этих ламп-до 2000 ч.
Ртутные иммерсионные лампы среднего давления. Эти лампы работают
при давлении 1-2,5 атм внутри трубки. Они находятся внутри иммер-
сионной трубки и охлаждающей рубашки, изготовленной из кварца
(рис. 3.60). В табл. 3.12 и 3.13 представлены данные о спектральном рас-
пределении энергии излучения некоторых таких ламп, выпускаемых
промышленностью. Пропускание кварцевого стекла и материала Duran
50, из которых изготавливают иммерсионные трубки ламп TQ150
и TQ718, показано на рис. 3.61. Срок службы этих ламп-до 1000 ч.
104
Глава 3
Рис. 3.60. Ртутная иммерсионная лампа среднего давления для фотохимических
исследований [650] (воспроизводится с разрешения W.C. Heraeus GmbH, FRG).
а-горелка типа TQ 150; б, в-горелка с кварцевой иммерсионной трубкой (охлаждающей рубашкой).
3.2.10.2.5.	Иммерсионные лампы для химической
промышленности
Литература: 274, 312, 651, 652.
Существуют два основных типа выпускаемых промышлен-
ностью иммерсионных ламп, используемых в химическом производ-
стве: 1) дуговые лампы низкого давления; 2) дуговые лампы среднего
давления. Эти лампы применяют в следующих фотохимических стадиях
химического производства: 1) получение гексахлорциклогексана; 2) хло-
рирование и сульфохлорирование парафиновых углеводородов; 3) фо-
Источники оптического излучения
105
Рис. 3.60 (продолж.).
тоазотирование; 4) фотоокисление (например, циклогексана в капролак-
там); 5) фотополимеризация.
Ртутные иммерсионные лампы низкого давления. Этот тип иммер-
сионных ламп применим только для исследования фотохимических про-
цессов, которые происходят на длине волны 254 нм. Спектральное рас-
пределение энергии излучения двух таких ламп, выпускаемых промыш-
ленностью, представлено в табл. 3.14. Иммерсионные трубки таких
ламп изготавливают из кварцевого стекла и прочно соединяют с кера-
мической головкой (рис. 3.62). Такая конструкция ламп позволяет уста-
навливать их двумя различными способами:
106
Глава 3
Таблица 3.12. Поток излучения Ф ртутной иммерсионной лампы среднего да-
вления (тип TQ 150) [650] (воспроизводится с разрешения W. С. Heraeus GmbH,
FRG)
Длина волны, нм	Разрядная горелка лампы TQ 150 без иммерсионной трубки		С иммерсионной трубкой DURAN 50	
	поток излучения Ф, Вт	моли квантов в час х 10-3	поток излучения Ф, Вт	моли квантов в час х 10-3
238/40	1,0	8				
248	0,7	5	—	—
254	4,0	30	—	—
265	1,4	И	—	—
270	0,6	5	—	—
275	о,з	2	—	—
280	0,7	6	—	—
289	0,5	4	—	—
297	1,0	9	0,1	1
302	1,8	17	0,5	4
313	4,3	41	2,5	23
334	0,5	5	0,4	4
366	6,4	71	5,8	64
390	0,1’	1	0,1	1
405/08	3,2	39	2,9	35
436	4,2	55	3,6	50
492	0,1	1	о,1	1
546	5,1	84	4,6	76
577/79	4,7	82	4,2	74
1. Коническая часть керамической головки может быть непосредствен-
но соединена с элементом крепления, имеющим форму обратного кону-
са. В качестве уплотняющего материала рекомендуется применять те-
флон. Собранную таким способом конструкцию укрепляют на корпусе
реактора с помощью металлического кольцевого держателя. Однако та-
кой способ крепления ламп можно рекомендовать только для неко-
торых случаев, поскольку паста, соединяющая кварцевое стекло и кера-
мическую втулку, чувствительна к действию тепла.
2. В том случае, когда иммерсионная длина трубки слишком велика,
можно изготовить подходящий рукав, по размерам точно соответ-
ствующий трубке и надеваемый на нее, с помощью которого лампа кре-
пится на корпусе реактора. При этом некоторая часть лампы выходит
из реактора, и необходимо проверить, находится ли излучающий свет
сегмент внутри корпуса реактора. Если давление внутри реактора пре-
вышает атмосферное, то необходимо принять меры, предотвращающие
выталкивание из него лампы. В этом случае для закрепления лампы
Таблица 3.13. ПоУок излучения Ф ртутной иммерсионной лампы среднего давления (тип TQ 718) [650] (воспроизводится с
разрешения W. С. Heraeus GmbH, FRG)
Разрядная горелка лампы TQ 718	С иммерсионной трубкой
без иммерсионной трубки______________________________DURAN 50________
Длина волны, нм	Поток излучения Ф, Вт			Моли квантов в час х Ю~3			Поток излучения Ф, Вт			Моли квантов в час х 10"3		
	7 МВт	600Вт	5003/77	700 Вт	6003/77	500 Вт	700 Вт	600 Вт	500 3/77	700 Вт	600 Вт	5003/77
238/40	4,8	4,1	3,4	35	29	25												
248	3,2	2,8	2,3	24	21	17	—	—	—	—	—	—
254	18,6	16,0	13,3	142	122	101	—	—	—	—	—	—
265	6,6	5,9	4,7	53	47	38	—	—	—	—	—	—
270	2,6	2,2	1,9	21	18	15											—
275	1,2	1,0	0,9	10	8	7	—	—	—			—	—
280	3,2	2,8	2,'з	27	24	19	—	—	—	—	—	—
289	2,1	1,8	1,5	18	16	13	—	—	—	—	—	—
297	4,7	4,1	3,4	42	37	30	0,7	0,6	0.5	6	5	4
302	8,6	7,4	6,1	78	67	56	2,2	1,9	1,6	20	18	14
313	20,1	17,3	14,4	189	163	135	11,6	10,2	8,3	109	95	78
334	2,4	2,1	1,7	24	21	17	1,9	1,7	¥	19	17	14
366	30,0	25,9	21,4	331	285	236	27,0	23,6	19,3	298	261	213
390	0,3	0,3	0,2	4	4	3	0,3	0,3	0,2	4	4	3
405/08	14,9	12,9	10,6	183	158	131	13,4	11,7	9,6	164	144	117
436	19,7	17,0	14,1	259	223	185	17,7	15,5	12,6	232	203	166
492	0,3	0,3	0,2	4	4	3	0,3	0.3	0,2	4	4	3
546	23,9	20,6	17,1	393	339	281	21,5	18,8	15,4	353	309	252
577/79	22,1	19,1	15,8	385	332	275	19,9	17,4	14,2	346	303	2*47
Источники оптического излучения
106
Глава 3
Рис. 3.61. Пропускание материалов, используемых для изготовления иммер-
сионных трубок [650] (воспроизводится с разрешения W.C. Heraeus GmbH,
FRG).
Кривая /-кварцевое стекло; 2-Duran 50.
Таблица 3.14. Поток излучения Ф используемой в промышленно-
сти ртутной иммерсионной лампы низкого давления (тип TNN
30/89 и TNN 150/150) [651] (воспроизводится с разрешения
W.C. Heraeus GmbH, FRG)
Длина волны, нм	Поток излучения горелки лампы TNN 30/89 Ф, Вт	Поток излучения горелки лампы TNN 150/150 Ф, Вт
248		
254	15,0	45,0
265	0,1	0,3
276	—	—
280	—	—
289	—	—
297	0,1	0,3
302	о,1	0,3
313	0,4	1,2
334	—	—
366	о,з	0,9
405/8	0,2	0,6
436	0,2	0,6
546	0,2	0,6
577/9	0,1	о,з
Источники оптического излучения
109
Рис. 3.62. Ртутная иммерсионная лампа низкого давления типа TNN 125/150,
используемая в промышленности [651] (воспроизводится с разрешения
W. С. Heraeus GmbH, FRG).
и фиксирования ее положения можно использовать паз на ее керамиче-
ской головке.
У ртутных иммерсионных ламп низкого давления имеется нагрева-
тельная спираль, которая работает в то время, когда лампа светит. На-
значение этой спирали состоит в подогреве разрядной трубки до темпе-
ратуры около 40°С, при которой поток испускаемого излучения
максимален. Если температура среды, в которой работает лампа, выше
20°С, то нагревательная спираль становится ненужной и нагреватель от-
ключается. Срок службы таких ламп-около 6000 ч. На рис. 3.63 пока-
Рис. 3.63. Пропускание материалов, используемых для изготовления иммер-
сионных трубок ламп, используемых в промышленности [650] (воспроизводится
с разрешения W.C. Heraeus GmbH, FRG).
Кривая /-кварцевое стекло; 2-боросиликатное стекло.
по
Глава 3
заны спектры пропускания кварца и боросиликатного стекла, из ко-
торых изготавливают иммерсионные трубки таких ламп.
Ртутные иммерсионные лампы среднего давления. Давление внутри раз-
рядной трубки таких ламп (рис. 3.64) составляет 1-2,5 атм. Конструкция
лампы, выполненная на основе модульных элементов, делает ее готовой
к установке без дополнительных приспособлений. Температура электро-
дов превышает 2000°С, а температура стенок разрядной трубки близка
к 600°С. Поэтому иммерсионные лампы среднего давления необходимо
охлаждать. Охлаждают их обычно водой, протекающей через охла-
ждающую иммерсионную рубашку. Срок службы иммерсионных ламп
такого типа определяется окислением электродных выводов разрядной
трубки и мест спая. Для предотвращения такого окисления следует про-
дувать внутренний зазор иммерсионной трубки инертным газом
(рис. 3.65). Для того чтобы разрядная трубка работала в атмосфере
Рис. 3.64. Ртутные иммерсионные лампы среднего давления, используемые
в промышленности [651] (воспроизводится с разрешения W. С. Heraeus GmbH,
FRG).
а-лампа типа TQ 2024 100 (2-10 кВт); б-лампа типа TQ 4055.200 (20-40 кВт)
Источники оптического излучения
111
Рис. 3.65. Верхняя часть ртутной иммерсионной лампы среднего давления мощ-
ностью 20 кВт, используемой в промышленности [651] (воспроизводится с раз-
решения W. С. Heraeus GmbH, FRG).
инертного газа, нужно, чтобы его давление превышало атмосферное.
Срок службы этих ламп-около 3000 ч.
В табл. 3.15 представлены данные о спектральном распределении
энергии излучения трех таких ламп, выпускаемых промышленностью.
Охлаждающие рубашки и иммерсионные трубки изготавливают из
стекла, которое поглощает УФ излучение с длиной волны ниже 300 нм
(рис. 3.63). Такое стекло должно выдерживать большие перепады темпе-
ратур. До 150 С не требуется никаких специальных мер предосторожно-
сти, однако при более высоких температурах нужно следить, чтобы не
было резких температурных скачков.
Таблица 3.15. Поток излучения Ф и число молей квантов, излучаемых в час различными ртутными иммерсионными лампами
среднего давления, используемыми в химической промышленности [651] (воспроизводится с разрешения W. С. Heraeus GmbH,
FRG)
Поток излучения горелки, лампы без иммерсионной. Поток излучения горелкиштампы с иммерсионной
___________________трубки Ф, Вгп_________________________'___________трубкой Ф, Вт___________________
Длина волны, нм	TQ 2024.100	TQ 4024.100	TQ 10030.150	TQ 20040.150	TQ 40055.200	TQ 2024.100	TQ 4024.100	TQ 10030.150	TQ 20040.150	TQ 40055.200
248	6,0	19,0	102	195	258										
254	36,0	96,0	400	1035	2397	—	—	—	—	—
265	12,0	55,0	180	260	271	—	—	—	—	—
270	2,8	7,3	46	72	111	—	—	—	—	—
275	2,4	6,4	30	68	68	—	—	—	—	—
280	4,8	16,5	114	180	256	—	—	—	—	—
289	1,7	5,2	42	60	132	—	—	—	—	—
292	1,0	2,6	18	17	38	—	0,3	1,8	2,0	3,8
296	7,6	23,0	183	256	545	м	3,5	28,0	38,0	82,0
302	17,0	53,0	228	349	583	4,3	13,0	57,0	87,0	146,0
313	46,0	110,0	395	673	1310	25,0	61,0	227,0	370,0	720,0
334	2,2	7,3	58	101	164	1,8	5,8	46,0	81,0	131,0
366	66,0	165,0	696	1150	2016	59,0	149,0	626,0	1045,0	1810,0
391	0,5	1,4	10	22	28	0,4	1.3	9/0	20,0	25,0
405/8	26,0	66,0	207	386	900	23,0	59,0	186,0	347,0	810,0
436	40,0	113,0	332	642	1480	36,0	102.0	298,0	578,0	1330,0
492	0,6	1,7	14	5	22	0,5	1^5	13,0	4,5	20,0
546	52,0	124,0	361	798	1990	47,0	112,0	325,0	719,0	1790,0
577/9	19,0	68,0	553	1140	2120	17,0	61,0	498,0	1035,0	19100
Число молей квантов в час, излучаемых горелкой Число молей квантов в час, излучаемых горелкой
_____лампы без иммерсионной трубки________________лампы с иммерсионной трубкой________
Длина волны, нм	TQ 2024.100	то 4024.100	TQ 10030.150	TQ 20040.150	TQ 40055.200	TQ 2024.100	TQ 4024.100	TQ 10030.150	TQ 20040.150	TQ 40055.200
248	0,045	0,140	0,76	1,40	1,9								
254	0,280	0,730	3,06	7,90	18,3										
265	0,096	0,420	1,44	2,10	2,2	—								
270	0,023	0,059	0,37	0,59	0,9	—								
275	0,020	0,053	0,25	0,56	0,6	—	—					
280	0,040	0,140	0,96	1,50	2,2	—								
289	0,015	0,045	0,37	0,52	1,1	—								
292	0,009	0,023	0,16	0,15	0,3	—	0,003	0,016	0,02	0,03
296	0,070	0,200	1,63	2,30	4,9	0,010	0,031	0,250	0,34	0,70
302	0,150	0,480	2,07	3,20	5,3	0,039	0,120	0,520	0,79	1,30
313	0,430	1,050	3,72	6,30	12,3	0,240	0,570	2,140	3,50	6,80
334	0,020	0,073	0,58	1,00	1,6	0,018	0,058	0,460	0,81	1,30
366	0,730	1,820	7,66	12,70	22,2	0,650	1,640	6,900	11,50	19,90
391	0,006	0,016	0,12	0,26	0,3	0,005	0,015	0,110	0,24	0,30
405/8	0,320	0,800	2,52	4,70	11,0	0,280	0,720	2,270	4,20	9,90
436	0,530	1,490	4,36	8,40	19,4	0,470	1,340	3,920	7,60	17,50
492	0,009	0,025	0,21	0,07	0,3	0,008	0,022	0,190	0,07	0,30
546	0,850	2,100	5,95	13,10	32,8	0,770	1,840	5,360	11,80	29,50
577/9	0,330	1,180	9,64	19,80	36,8	0,300	1,060	8,670	18,00	33,20
114
Глава 3
3.2.10.3. Ксеноновые лампы
Литература 70, 576, 606, 775, 862, 928, 1481, 1626
Ксеноновые лампы являются одними из наиболее интенсивных
источников ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения.
В ультрафиолетовой и видимой областях они характеризуются не-
прерывным спектральным распределением излучения с наложением
спектральных полос небольшой интенсивности, а в ближней инфракрас-
ной области они дают две хорошо выраженные спектральные полосы
(рис. 3.66). Цветовой состав излучения ксеноновых ламп близок к со-
лнечному свету, а коррелированная цветовая температура-к 6000 К.
Давление ксенона составляет около 20 атм. Ксеноновые лампы ис-
пользуются как интенсивные точечные источники света. Эти лампы
в средней части имеют шарообразное расширение (рис. 3.67); разряд
сконцентрирован в малом объеме и имеет очень высокую интенсив-
ность. Для ксеноновых ламп не требуется водяное охлаждение. Выпус-
каются ксеноновые лампы как с двумя, так и с тремя электродами. Тре-
тий электрод предназначен для запуска ламп. Для этого на него подают
импульс высокого напряжения. Для запуска двухэлектродных ламп при-
меняют специальные высоковольтные импульсные источники напряже-
ния, с помощью которых между основными электродами лампы по-
дают высоковольтный зажигающий импульс. Большинство ксеноновых
ламп может работать как на переменном, так и на постоянном токе.
Рис. 3.66. Спектральное распределение относительной мощности излучения ксе-
ноновой лампы типа Х-75 (РЕК, Inc.) [70] (воспроизводится с разрешения John
Wiley & Sons Ltd).

Рис. 3.67. Ксеноновая лампа, цветовая температура
и цветовой состав излучения которой приблизи-
тельно соответствуют дневному свету [690] (во-
спроизводится с разрешения N. V. Phillips
Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
а внешний вид лампы CSX 900 W (рабочее положение вертикальное);
б-спектральное распределение абсолютной мощности излучения
лампы типа CSX 900 W
116
Глава 3
Ксеноновые лампы следует эксплуатировать при следующих опти-
мальных для них условиях:
1.	Лампа должна работать в вертикальном положении, причем ка-
тод должен находиться сверху.
2.	Кожух лампы необходимо вентилировать, причем скорость пото-
ка воздуха должна быть контролируемой. Недостаточная вентиляция
приводит к перегреву лампы и сокращению срока ее службы. Слишком
интенсивное вентилирование не позволяет достичь температуры, при
которой достигается оптимальное давление газа и максимальный выход
свечения. Промышленность выпускает кожухи для ксеноновых ламп,
сконструированные с учетом этих требований (рис. 3.103).
3.	Необходимо, чтобы лампа разогревалась до рабочей температуры
как можно быстрее. Это требование связано с тем, что при разогреве
лампы происходит частичное распыление электродов, которое не толь-
ко разрушает их, но и загрязняет внутреннюю поверхность кварцевого
баллона лампы.
4.	Ток лампы следует подбирать так, чтобы мощность, расходуемая
лампой, в пределах + 5% совпадала с паспортной мощностью лампы.
Превышение этой мощности может привести к выходу лампы из строя
из-за чрезмерного повышения давления в ней или из-за перегрева спая
одного из электродов. Если на лампе рассеивается слишком малая
мощность (в особенности когда при этом лампу вентилируют слишком
интенсивно), может происходить повреждение электродов и срок
службы лампы резко сокращается.
5.	Изоляция электрических проводов, по которым к лампе подводит-
ся высоковольтный зажигающий импульс, должна выдерживать напря-
жение не менее 12-15 кВ.
6.	Включенную лампу не следует выключать, если следующее вклю-
чение ее должно быть произведено ранее, чем через 30 мин.
7.	Следует использовать промышленные источники для питания
ламп этого типа.
Ксеноновые лампы находят применение в фотохимических исследо-
ваниях, а также в некоторых типах везерометров (разд. 28.3.2.1). На
рис. 3.68 показана фотооблучательная установка, производимая фирмой
Applied Photophysics Ltd, London, в которой установлена ксеноновая
лампа высокого давления.
3.2.10.4. Импульсные лампы
3.2.10.4.1. Ксеноновые импульсные лампы
Литература: 41, 562, 622-629, 643, 915, 920, 1124-1126, 1211, 1415, 1506, 1507, 1529, 1786 (см также
литературу к разд. 3 210.3).
Импульсные лампы (или импульсные трубки) широко исполь-
зуются в высокоинтенсивных источниках оптического излучения. Эти
лампы состоят из трубки, изготавливаемой из кварца (кварцевого стек-
ла) и заполненной ксеноном под давлением от 200-500 мм рт. ст. (для
Источники оптического излучения
117
Рис. 3.68. Фотооблучательная установка, в которой используется ксеноновая ду-
говая лампа высокого давления мощностью 900 Вт [606] (воспроизводится
с разрешения Applied Photophysics Ltd, London).
118
Глава 3
Рис. 3.69. Ксеноновые импульсные лампы для лазеров на красителях (тип FX)
[629] (воспроизводится с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics Division
Salem, Mass., USA).
стандартных трубок) до 4 атм (для трубок, изготовленных по специаль-
ному заказу). Размеры трубки определяются назначением лампы и ее
рабочими параметрами. Два основных электрода впаиваются с проти-
воположных концов трубки, а третий электрод, предназначенный для
запуска вспышки, обычно располагается вдоль наружной боковой стен-
ки трубки (рис. 3.69). Этот электрод представляет собой либо прозрач-
Рис. 3.70. Линейные ксеноновые импульсные лампы с водяным охлаждением
[627] (воспроизводится с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics Division,
Salem, Mass., USA).
Источники оптического излучения
119
ное проводящее покрытие, либо тонкую проволоку, навитую вокруг
лампы (рис. 3.70).
Выпускают следующие импульсные лампы:
1.	В виде прямых (линейных) трубок (рис. 3.69, 3.70). Эти лампы мо-
гут работать как без специального охлаждения, так и с принудительным
воздушным или водяным охлаждением. Максимальная усредненная
мощность ламп при этом составляет: а) 10-200 Вт для ламп без спе-
циального охлаждения (работающих при 25°С); б) 100-2000 Вт для
ламп с принудительным воздушным охлаждением (скорость потока воз-
духа 280-420 л/мин); в) 1-20 кВт и более для ламп с водяным охлажде-
нием (проточной водой с температурой 25°С). На рис. 3.70 показаны ти-
пичные ксеноновые импульсные лампы с водяным охлаждением.
Эффективное охлаждение этих ламп обусловлено большой массой элек-
тродов, а также наличием специального теплового радиатора на аноде.
Резьбовые наконечники и специальная арматура облегчают монтаж
лампы и присоединение охлаждающей системы. Вода при этом посту-
пает через резьбовые наконечники. Такие лампы нашли широкое приме-
нение в системах оптической накачки для твердотельных лазеров и ла-
зеров на красителях, в установках импульсного фотолиза, в фотокопи-
ровальных устройствах, для засветки фоторезиста, при микрофильмиро-
вании и в компьютерной печати.
2.	Свернутые в виде спирали для увеличения интенсивности излучае-
мого света (рис. 3.71). Такие лампы используют для оптической накачки
Рис. 3.71. Спиральные ксеноновые импульсные лампы типа FX-46C (а) и FX-60C
(б) [623] (воспроизводится с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics Division,
Salem, Mass., USA).
120	Глава 3
лазеров на кристаллах (разд. 16.3.1.2) и в установках импульсного фото-
лиза (разд. 23.1.1).
3.	П-образной формы (рис. 3.72). Эти лампы используют для накач-
ки лазеров, в фотокопировальной технике, в установках импульсного
фотолиза и в фотомедицинских исследованиях.
4.	Кольцевой формы (рис. 3.73). Кольцевые импульсные лампы ис-
пользуют для оптической накачки лазеров на кристаллах. Полая форма
лампы позволяет помещать кристаллический стержень в такое положе-
ние, при котором разрядная плазма концентрически окружает его.
Кольцевую импульсную трубку можно обернуть алюминиевой или се-
ребряной фольгой, которая одновременно выполняет функции отража-
теля и стартового электрода.
5.	Импульсные лампы-вспышки (рис. 3.74), предназначенные для
возбуждения лазеров на красителях. Их особенностью является способ-
ность излучать большую энергию при быстром времени нарастания им-
пульса и короткой его длительности. Эти лампы представляют собой
капиллярную кварцевую трубку, в которой импульсный разряд сконцен-
трирован в узком толстостенном канале. Такая конструкция лампы,
а также наличие массивных медных держателей электродов делают ее
механически прочной и облегчают охлаждение ее током жидкости. Эти
лампы обладают малым комплексным сопротивлением и способны вы-
держивать ток с большой плотностью.
6.	Импульсные лампы-вспышки (рис. 3.75), предназначенные для спе-
Рис. 3.72. П-образная ксеноно-
вая лампа [625] (воспроизво-
дится с разрешения EG & G,
Inc., Electro Optics Division,
Salem, Mass., USA).
Рис. 3.73. Кольцевые ксеноновые лампы
[625] (воспроизводится с разрешения EG &
G, Inc., Electro Optics Division, Salem, Mass.,
USA).
Рис. 3.74. Импульсная ксеноновая лампа-вспышка [626] (воспроизводится с раз-
решения EG & G, Inc., Electro Optics Division, Salem, Mass., USA).
Источники оптического излучения
121
циальных целей, таких, как высокоэнергетическая стробоскопия, некон-
тактная печать, компьютерная печать и т.д.
Основными факторами, определяющими конструкцию лампы,
являются способ крепления лампы, возможность ее легкой замены и ха-
рактеристики оптической системы, для которой предназначается лампа.
На непрерывное спектральное распределение относительной мощности
излучения импульсной лампы накладываются несколько высокоинтен-
сивных линий (рис. 3.76).
Стеклянные ламповые трубки не пропускают излучения с длиной
волны короче 300 нм, тогда как спектральный диапазон излучения ламп
с кварцевыми трубками доходит до 180 нм. В длинноволновой области
Рис. 3.75. Импульсная лампа для специальных целей типа FX-132 [628] (вос-
производится с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics Division, Salem, Mass.,
USA).
122
Глава 3
Рис. 3.76. Спектральное распределение относительной мощности излучения им-
пульсной ксеноновой линейной лампы [629] (воспроизводится с разрешения EG
& G, Inc., Electro Optics Division, Salem, Mass., USA).
Энергия, напряжение и разрядная емкость подаваемого электрического импульса соответственно равны
50 Дж, 1400 В и 51 мкф (кривая 1) и 50 Дж, 700 В и 205 мкф (кривая 2) Спектральный сдвиг между кривыми
1 и 2 обусловлен в первую очередь изменением плотности тока При больших плотностях тока спектр излуче-
ния смещается в коротковолновую область, и наоборот при меньших плотностях тока спектр сдвигается
в длинноволновую область
граница спектра излучения находится вблизи 1500 нм. Спектр излучения
в видимой области приблизительно соответствует цветовой температу-
ре 6000 К.
Вследствие высокой интенсивности излучаемого света промыш-
ленные импульсные лампы не могут долго выдерживать пропускание
через них больших токов. При конструировании таких ламп необходи-
мо тщательно выполнять расчеты. Импульсные лампы должны обла-
дать высокой механической прочностью и малой индуктивностью; их
трубки следует изготавливать из чистого оптического кварца, а элек-
троды должны быть массивными и располагаться на противоположных
концах трубки. Запуск этих ламп осуществляется импульсом высокого
напряжения. Наиболее трудной задачей при конструировании им-
пульсных ламп является обеспечение надежного и прочного соединения
электродов и трубки. На рис. 3.77 показаны два различных типа спаев
в месте прикрепления электрода к трубке импульсной лампы. Впаи-
ваемый металлический стержень изготавливается из инвара-сплава, ко-
Источники оптического излучения
123
Связующий материал
Вольфрам
К вакуумному Нержавеющая Аралдит+
насосу	сталь	+алюминиевая
пудра
\...............................
Вольфрам Кварцевая
.	трубка
О

Рис. 3.77. Электроды лампы для импульсного фотолиза со шлифовым соедине-
нием (я) и с цилиндрическим стеклоцементным соединением (б) [920] (воспроиз-
водится с разрешения Royal Swedish Academy of Sciences).
торый имеет такой же температурный коэффициент расширения, как
и кварц.
Необходимо помнить, что при перегрузке лампы могут взорваться
и разрушить камеру для фотолиза.
3.2.10.4.2. Источники питания для импульсных ламп
Литература- 731, 786, 809, 844, 855, 858, 896, 902, 915, 919-921, 923, 1050, 1122, 1126, 1128, 1211,
1226, 1352, 1398, 1470, 1528, 1529, 1571, 1714, 1715, 1781, 1783, 1797, 1805, 1806, 1818
Для питания импульсных ламп используют обычно цепи разря-
да конденсаторов (рис. 3.78). Основными компонентами такой цепи
являются:
1.	Источник постоянного напряжения (высоковольтная батарея, вы-
прямитель, транзисторный преобразователь переменного тока в по-
стоянный и т.д.).
2.	Разрядное комплексное сопротивление, предназначенное для огра-
ничения скорости разряда запасающего энергию конденсатора. Благо-
даря этому сопротивлению трубка после вспышки деионизуется и раз-
ряд гаснет.
3.	Конденсатор, запасающий энергию для разряда импульсной
лампы.
124
Глава 3
Рис. 3.78. Функциональная схема питания импульсной лампы.
4.	Высоковольтная импульсная цепь запуска лампы, обычно пред-
ставляющая собой простой повышающий трансформатор, на первич-
ную обмотку которого подается импульс разряда небольшого конден-
сатора, коммутируемого тиратроном. Этот высоковольтный импульс
ионизует газ в трубке и тем самым активирует вспышку.
5.	Собственно импульсная лампа, которая преобразует электриче-
скую энергию в энергию оптического излучения.
Конструкция как самой лампы, так и разрядной схемы влияет на
длительность вспышки, которая может варьировать в пределах от 1 до
20 000 мкс.
Типичная форма импульса света показана на рис. 3.79. Для ламп, на-
полненных инертными газами (например, ксеноном), импульс света
обычно имеет растянутый «хвост», обусловленный длительным после-
свечением излучающих ионов газа (ионов ксенона). Это послесвечение
можно уменьшить добавлением тушителей, например таких газов, как
водород, кислород или азот. Трубки, изготовленные из кварцевого сте-
кла, не обладают заметным послесвечением. Форма импульса света за-
висит от длины волны, причем в длинноволновой области импульс
всегда более растянут.'
Интенсивность света в течение вспышки не остается постоянной,
а обычно меняется в фазе с импульсом тока (рис. 3.80). Длительность
вспышки т-это интервал времени от момента, когда интенсивность
вспышки достигает уровня 1/е от максимальной интенсивности (на
переднем фронте импульса света), до того момента, когда интенсив-
ность вспышки уменьшается до того же уровня (на заднем фронте им-
пульса) (рис. 3.81). Площадь под кривой интенсивности света на уровне
1/е (приблизительно 1/3 максимума) составляет обычно около 90% об-
щей площади под кривой импульса света и соответствует приблизи-
тельно 90% испускаемой световой энергии. Характеристическая длитель-
ность вспышки приблизительно равна постоянной времени разрядной
цепи
т = RC/2	(3.4)
где т-длительность вспышки (мкс), К-минимальное сопротивление
(Ом), С-емкость конденсатора (мкФ).
Для получения короткой вспышки требуются: 1) высокое напряже-
ние на конденсаторе; 2) малая емкость конденсатора; 3) трубка
с малым зазором между электродами. Для получения продолжительной
Рис. 3.80. Изменение во времени основных характеристик импульсной лампы,
которая питается от конденсатора емкостью 26 мкф, заряжаемого до 2000 В
[576] (воспроизводится с разрешения John Wiley & Sons Ltd).
126
Глава 3
Рис. 3.81. Изменение интен-
сивности света в течение
вспышки.
вспышки требуются: 1) низкое напряжение на конденсаторе; 2) боль-
шая емкость конденсатора; 3) трубка с большим межэлектродным рас-
стоянием. Увеличения длительности вспышки можно также добиться
путем использования специальных схем формирования импульса или
включением в цепь разряда добавочного резистора; однако при этом
увеличение длительности вспышки сопровождается уменьшением коэф-
фициента полезного действия.
При конструировании импульсных оптико-электронных схем необхо-
димо знать основные номинальные параметры импульсных ламп. Для
выбора наиболее подходящей импульсной лампы и расчета оптималь-
ной разрядной схемы для этой лампы необходимо знать следующие
номинальные параметры:
1.	Максимальная подводимая энергия Е- максимально допустимая
энергия одной вспышки, рассчитываемая по формуле
Е = (1/2) СУ2 Дж или Вт-с	(3.5)
где С-емкость основного разрядного конденсатора (Ф), У-напряжение,
до которого заряжается разрядный конденсатор (В).
Для каждой лампы интенсивность излучаемого света пропорцио-
нальна подводимой энергии; отклонения от линейной зависимости на-
блюдаются только при очень больших или очень малых энергиях. При
очень высоких энергиях, когда преобразование электрической энергии
в световую происходит с высокой эффективностью (1-50%), для десяти-
кратного уменьшения длительности вспышки требуется стократное
уменьшение ее энергии. При низких значениях подводимой энергии, ког-
да эффективность преобразования электрической энергии в световую не-
Источники оптического излучения
127
велика (~ 10 - 4%), получить короткие световые импульсы высокой ин-
тенсивности очень трудно.
Если на лампу подать энергию, превышающую максимально допу-
стимую, то это может привести к сокращению срока службы лампы,
образованию сетки волосных трещин или разрушению места спая ме-
талла со стеклом. На рис. 3.82 показаны зависимости максимальной
подводимой энергии Е для линейных импульсных ламп от длительно-
сти импульса. Для трубки с данным размером канала и длиной дуги
температура вспышки зависит от затрачиваемой на вспышку энергии
и от длительности вспышки. Для того чтобы лампа работала долго
и стабильно, не следует подавать на нее энергию, превышающую 70%
максимально допустимой (при которой она взрывается) при эксплуата-
ции лампы на воздухе в качестве самостоятельного источника света или
40% этой величины при эксплуатации лампы в схемах накачки лазеров.
2.	Максимальная входная мощность-величина, зависящая от соот-
ношения между максимальной частотой вспышек и энергией, затрачи-
ваемой на одну вспышку. В первом приближении эта величина связана
со способностью трубки диссипировать тепло. Входная мощность
лампы (в ваттах) равна произведению максимальной энергии, затрачи-
ваемой на одну вспышку, на количество вспышек в секунду.
Если лампа работает в небольшом замкнутом пространстве или при
высокой окружающей температуре, не следует подавать на лампу мак-
симально допустимую мощность. Величину максимальной подаваемой
Рис. 3.82. Максимальная подводимая энергия Е, при превышении которой про-
исходит взрыв линейной импульсной лампы, как функция от длительности им-
пульса [629] (воспроизводится с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics
Division, Salem, Mass.. USA).
128
Глава 3
Средняя постоянная .мощность
(% номинальной)
Рис. 3.83. Соотношение меж-
ду входной мощностью
стандартной малой импульс-
ной спиральной лампы
и длительностью вспышки
[41, 576] (воспроизводится
с разрешения John Wiley &
Sons Ltd).
При превышении максимально допу-
стимой длительности вспышки лампа
либо теряет способность к согласован-
ной генерации импульсов, либо стано-
вится непрерывно проводящей.
мощности следует уменьшать также и в том случае, когда энергия
вспышки велика. Это связано с тем, что при нагреве и большой продол-
жительности пикового тока лампы может разрушиться стенка трубки.
В течение малых промежутков времени мощность, подводимая к лампе,
может превышать максимальное номинальное значение (рис. 3.83).
Уровень максимальной входной мощности определяется для нор-
мальной цепи разряда конденсатора, которая обладает постоянной
времени, оптимальной для данной лампы.
3.	Максимальное анодное напряжение-максимально допустимое
анодное напряжение, при котором лампа работает не разрушаясь.
4.	Напряжение покоя-максимальное напряжение, которое можно
подавать на лампу без ее самозажигания. Обычно напряжение покоя
уменьшается к концу срока службы лампы, а также если она эксплуати-
руется при повышенных температурах или в радиочастотных электро-
магнитных полях.
5.	Минимальное рабочее напряжение. Надежность работы импульс-
ной лампы зависит от того, не уменьшается ли напряжение на лампе
ниже некоторого минимального анодного напряжения. Хотя лампа мо-
жет работать и при напряжении на аноде, меньшем этой номинальной
величины, но в этом случае нельзя гарантировать ее надежное зажига-
ние.
6.	Полная световая отдача (световая энергия, Qv\ приходящаяся на
одну вспышку. Единицей измерения этой величины служит люмен-се-
кунда (лм-с, разд. 2.1). Рефлекторные импульсные лампы и некоторые
линейные импульсные трубки градуируют в горизонтальных кандела-се-
кундах (кд-с, разд. 2.2). Полную световую отдачу импульсных ламп
можно измерить с помощью химических актинометров (разд. 27.2).
Источники оптического излучения
129
7.	Коэффициент полезного действия лампы, определяемый как отно-
шение полной световой отдачи (световой энергии) к подводимой энер-
гии. Это отношение выражают в единицах лм-с/(Вт-с). В общем случае
коэффициент полезного действия лампы уменьшается при понижении
нагрузки лампы.
8.	Кривая зависимости интенсивности света от времени показывает
изменение интенсивности света, испускаемого лампой, в течение одной
вспышки. Длительность вспышки обычно измеряют на уровне, соста-
вляющем приблизительно 1/3 максимальной интенсивности свечения.
9.	Срок службы импульсной лампы определяется как число вспышек,
которые может излучить лампа, прежде чем она выйдет из строя. Срок
службы импульсной лампы зависит от того, какую часть максимально
возможной энергии составляет энергия одной вспышки (рис. 3.84).
Для нормальной работы импульсной лампы необходимо использо-
вать правильно подобранный по параметрам и конструкции запускаю-
щий трансформатор. Если энергия запускающего импульса недостаточ-
на, то это может приводить к таким нежелательным последствиям, как:
1) случайные и непредсказуемые пропуски зажигания; 2) полная невоз-
можность вызвать вспышку; 3) сокращение срока службы лампы;
4) нормальная работа лампы до тех пор, пока она не прогреется, а за-
тем пропуски зажигания. Различные типы ламп для нормальной работы
требуют различной энергии запускающего импульса. Амплитуду и фор-
му запускающего импульса (рис. 3.85) можно контролировать с по-
мощью соответствующей схемы делителя напряжения и высокочастот-
ного осциллографа. В общем чем большая мощность нужна для
управления импульсной лампой, тем выше требования к конструкции
управляющего трансформатора. Для цепей управления импульсных
ламп, работающих в периодическом режиме, сопротивление вторичной
обмотки управляющего трансформатора должно быть мало. Это требо-
вание связано с возрастанием проводимости газового промежутка раз-
рядной трубки при увеличении температуры. Повышение проводимости
приводит к большему рассеиванию полезной энергии запускающего им-
пульса, уменьшению эффективной разности потенциалов на разрядном
промежутке и слабой вспышке. С другой стороны, амплитуда запускаю-
щего импульса напряжения не должна быть слишком велика, с тем
чтобы не вызвать пробоя стенки трубки или зажигания дуги на наруж-
ной ее стороне.
Расчет схемы питания импульсной лампы начинается с выбора энер-
гии вспышки. Эта величина в первую очередь зависит от назначения
лампы. После того как выбрана энергия вспышки, оставшаяся часть
расчета источника питания представляет собой стандартную, хорошо
отработанную процедуру. Параметры схемы определяются активным
сопротивлением R, индуктивностью L и емкостью С разрядной цепи,
условиями однократного запуска, критическими условиями затухания
импульса и шириной импульса тока (определяемой на уровне 1/3 макси-
мальной амплитуды). Ниже приводится описание простого и последова-
9-644
130
Глава 3
Рис. 3.84. Срок службы
кварцевых линейных им-
пульсных ламп [629]
(воспроизводится с разре-
шения EG & G, Inc.
Electro Optics Division,
Salem, Mass., USA).
тельного метода расчета и выбора компонентов схемы питания им-
пульсной лампы:
1.	Выбирается величина максимальной подводимой энергии Е
в ватт-секундах (Вт с) или джоулях (Дж).
2.	Выбирается рабочее напряжение. Его выбирают, исходя из необ-
ходимой длительности вспышки, наличия лампы, удовлетворяющей по-
ставленным задачам, наличия других компонентов цепи и их но-
минальных напряжений или, в некоторых случаях исходя из наличия
готового источника питания и его параметров. Рабочее напряжение рас-
считывают по формуле
V = ]/2£/С	В (3.6)
где £-максимальная подводимая энергия (Вт с), С-емкость конденса-
тора, определяемая по соотношению
С = 0,64т/К	Ф (3.7)
т- длительность вспышки, определяемая по формуле
т = 2,5LC
с (3.8)
Источники оптического излучения	131
L- индуктивность, определяемая по соотношению
L = Rt/4	Г	(3.9)
R- сопротивление трубки, определяемое по формуле
R = 4pl/nD2 Ом	(3.10)
где р-удельное сопротивление (Ом-см), /-длина дуги (см), D-диаметр
канала трубки (см).
3.	Рассчитывается емкость разрядного конденсатора по формуле
C = 2E/V2	(3.11)
где С-емкость (Ф) Е- максимальная подводимая энергия (Вт-с), У-на-
пряжение на лампе (В). Примечание: если емкость выражается в микро-
фарадах (мкФ), то напряжение должно выражаться в киловольтах (кВ).
Если энергия вспышки постоянна, то при прочих равных условиях луч-
ше использовать конденсатор малой емкости, работающий при высоких
напряжениях. Однако проблемы, связанные с изоляцией проводов и со-
ответствующее увеличение индуктивности цепи L, обычно ограничи-
вают рабочее напряжение до 20-25 кВ. Уменьшить индуктивность цепи
можно, сократив длину проводов, соединяющих элементы цепи (конден-
сатор, коммутатор и лампы), а также используя низкоиндуктивный
коммутатор.
При постоянной индуктивности цепи всякое увеличение максималь-
ной подводимой энергии Е приводит к увеличению длительности им-
пульса т. Если емкость конденсатора постоянна, то уменьшение индук-
тивности приводит к увеличению максимальной подводимой энергии
и уменьшению длительности импульса.
4.	Подбирают стандартный конденсатор, емкость которого наиболее
Рис. 3.85. Запускающий импульс [643] (воспроизводится с разрешения General
Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
132
Глава 3
Электрический
вентиль	Резистор К
лллмлл
4*
Трансформатт р
Упер
^пер
Высоко- w
волыпный
вольтметр
'пост!
Конденсатор —
Импульсная
/Лампа
Электрический
вентиль
• |— Коммутатор
Рис. 3.86. Простая высоковольтная разрядная схема питания импульсной
лампы.
близка к рассчитанной и который способен выдерживать соответствую-
щее расчетное напряжение. После этого по формуле (3.5) производят
перерасчет максимальной подводимой энергии Е: Е = (1/2) CV2 (Вт с).
5.	Если необходимо, чтобы цепь состояла из п одинаковых секций,
то полуширина светового импульса будет определяться по формуле
Н1/2 = 2и ]/(ЕС)	(3.12)
6.	Рассчитывают мощность лампы Р по формуле
P = EF Вт	(3.13)
где Е-максимальная подводимая энергия (Вт-с), Е-количество вспы-
шек в секунду (частота вспышек). На рис. 3.86 показана схема типично-
го источника питания импульсной лампы. В установках импульсного
фотолиза используются трансформаторы, повышающие напряжение до
25 кВ при токе до 10 мА, а также схемы удвоения и учетверения напря-
жения. Сопротивления, используемые в таких схемах, состоят обычно из
20-40 последовательно соединенных резисторов, которые часто герме-
тизируют, помещая в эпоксидную смолу или масло. Расположение эле-
ментов такой схемы должно быть хорошо продумано и тщательно вы-
полнено для того, чтобы избежать коронных разрядов между элемента-
ми, а также сделать источник питания безопасным в работе.
Выбор конденсатора определяется энергетическими параметрами
импульсной лампы и длительностью вспышки т. Для того чтобы до-
биться быстрого разряда, необходимо максимально уменьшить индук-
тивность цепи и индуктивность контактов конденсатора. Срок службы
конденсатора возрастает, если придерживаться следующих правил:
1) конденсатор должен работать при напряжениях, меньших номиналь-
ного допустимого значения; 2) обратное напряжение невелико; 3) кон-
денсатор быстро заряжается и разряжается. Примечание: заряженный
Импульсная лампа
Запускающий
электрод
Импульсная лампа
с водяным охлаждением
в
Схема запуска	, „
।------------------- / Многозвенная схема
Йюст =It00-1000B ~ ।	I / формирования импульса
1 Запускающий I
L _ jnRUHC^qpMamqp J
Источник
высокого
постоян-
ного
напряже-
ния—}
г
Рис. 3.87. Схемы запуска импульсных ламп [627, 629] (воспроизводится с разре-
шения EG & G, Inc., Electro Optics Division, Salem, Mass., USA).
а-последовательное включение запуска; б-внешний запуск; в-работа лампы в режиме повышенного напря-
жения с запуском через искровой промежуток (такие схемы используются для возбуждения лазеров, когда
требуется получить короткую вспышку при напряжении 10-15 кВ), г-внешний запуск импульсной лампы
с водяным охлаждением.
134
Глава 3
Рис. 3.88. Параллельное включение импульсных ламп [643] (воспроизводится
с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
конденсатор потенциально опасен, поэтому необходимо тщательно изо-
лировать электрические установки, конденсаторные батареи и собствен-
но импульсные лампы; прежде чем дотрагиваться до какого-либо
устройства, надо убедиться, что на нем нет электрического потенциала
(для этого обычно пользуются хорошо изолированным закорачиваю-
щим стержнем).
Коммутатор предохраняет импульсную лампу от самопроизвольно-
го запуска в ходе зарядки конденсатора и обеспечивает запуск лампы
в нужный момент. Тип используемого коммутатора зависит от следую-
щих факторов: 1) энергии, запасенной в конденсаторе; 2) разрядного
напряжения; 3) максимального тока; 4) давления газа в импульсной
трубке. В фотолизных лампах используются следующие типы коммута-
торов: 1) ручной механический контактный выключатель; 2) упра-
вляемый разрядный промежуток; 3) игнитроны, работающие как кон-
тролируемые выпрямители с полупроводниковым электродом-игнайте-
ром, погруженным в ртуть, которая служит катодом; 4) тиратроны,
представляющие собой трехэлектродные разрядные трубки, сопротивле-
ние которых резко уменьшается, когда напряжение на сетке достигает
некоторого порогового уровня.
На рис. 3.87 показаны более подробно некоторые схемы запуска им-
пульсных ламп. При параллельной работе нескольких импульсных ламп
можно использовать схему, приведенную на рис. 3.88. При этом, для
Источники оптического излучения
135
того чтобы подобрать адекватные условия запуска каждой лампы,
в цепь запуска каждой из них нужно включать отдельный запускающий
трансформатор и отдельный запускающий конденсатор. Все лампы
в такой цепи должны быть одного и того же типа для того, чтобы запа-
сенная в конденсаторе энергия приблизительно поровну распределялась
между ними.
Полная энергия, запасаемая в разрядном конденсаторе, не должна
превышать номинальную максимальную энергию Е каждой из ламп.
Такое ограничение предотвращает перегрузку ламп в условиях, когда
функционирует только одна из них. Перегрузка лампы всего на 25% мо-
жет разрушать некоторые из них уже за одну вспышку.
3.2.10.4.3. Криптоновые импульсные лампы
Литература: 621.
Криптоновые импульсные лампы являются высокоинтенсивны-
ми источниками инфракрасного излучения (рис. 3.89). Охлаждаемые во-
дой лампы (рис. 3.90) могут работать при максимальной средней мощ-
ности до 15 000 Вт. Их используют для накачки ND : YAG-лазеров, при
работе в лазерных радиотехнических устройствах. Схема питания крип-
тоновых дуговых разрядных ламп приведена на рис. 3.91.
Длина волны, нм
Рис. 3.89. Типичное спектральное распределение мощности излучения криптоно-
вой дуговой лампы (тип FK-99C-3, мощность 2 кВт, давление криптона 2 атм)
[621] (воспроизводится с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics Division,
Salem, Mass., USA).
Вода.
Рис. 3.90. Криптоновые дуговые лампы постоянного тока [621] (воспроизводит-
ся с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics Division, Salem, Mass., USA).
а-схема, б -внешний вид ламп типа FK-111C-3
Г
Источник
постоянного
напряжения
(2 кВ, 10мА) г\^-
Источник
постоянного
напряжения
(гоо-зоов,
30-60А)
I----И—и—<•-
I Пусковые
диоды г
Схема запуска
।—)|--•----•-----VvW-------оВ Упосгп ~^00 -1500В
J>	Кнопка
Ifo г /^Рип,Рон запуска
Упосгп = Z0-30B
-шж
Криптоновая
дуговая лампа
Рис. 3.91. Принципиальная схема питания криптоновых дуговых ламп постоян-
ного тока [621] (воспроизводится с разрешения EG & G, Inc., Electro Optics
Division, Salem, Mass., USA).
Источники оптического излучения
137
3.2.10.4.4. Выход из строя импульсных ламп
Литература. 1012, 1123, 1324, 1466
Импульсные лампы выходят из строя, как правило, в двух
случаях:
1. В результате взрыва, обусловленного ударной волной в газе, воз-
никающей при запуске лампы, а также при перегреве лампы или мест
спая электрода и корпуса (вследствие чего это место разрушается).
Взрыв определяется энергией импульса и его длительностью, а пере-
грев-средней мощностью, рассеиваемой в лампе.
2. При уменьшении световой отдачи лампы, вызванном разруше-
нием ее электродов и кварцевого корпуса (волосные трещины и мо-
лочный налет), а также постепенным образованием поглощающих свет
отложений на внутренней стенке корпуса импульсной лампы.
3.2.10.5	. Металлогалогенные лампы
Литература 576, 642.
Добавление одного или более металлов к ртутной дуге улуч-
шает как характеристики излучения, так и общий его выход (полный по-
ток излучения). Металлы вводятся внутрь ртутных разрядных трубок
в виде галоидных солей, обычно иодидов натрия, таллия и индия. Кон-
струкция этих ламп (рис. 3.92) напоминает конструкцию обычных
ртутных ламп (рис. 3.31). Основное отличие металлогалогенных ламп
от ртутных состоит в том, что у них имеется биметаллический переклю-
чатель, который замыкает накоротко стартовый электрод и прилегаю-
щий к нему основной электрод после того, как разгорается основная ду-
га. Такое замыкание предотвращает возможное образование небольшой
разности потенциалов между этими электродами, которая может вызы-
вать их разрушение. Это биметаллическое реле должно располагаться
в наиболее горячем месте внутри разрядной трубки, а именно в верхней
части трубки, если в рабочем положении лампы ее основание обращено
вниз, или в нижней части, есчи основание лампы обращено вверх. Та-
ким образом, очевидно, что эти лампы не универсальны по конструкции
и рабочему положению; работают они только в сети переменного тока.
Мощность металлогенных ламп изменяется от нескольких сотен
ватт до нескольких киловатт; они не нуждаются в охлаждении. Для
нормального протекания иодного цикла температура стенки колбы дол-
жна быть намного выше комнатной. При повышении температуры дуги
происходит испарение иодидов металлов и разложение их в дуге на иод
и металл. При этом образуются ионы ртути, натрия, таллия и индия,
которые обусловливают все излучение лампы. Пары различных метал-
лов создают вокруг ртутной дуги многослойную оболочку. Сначала ис-
паряется индий и образует вокруг ртутной дуги голубой слой; затем ис-
паряется таллий и создает вокруг индиевой оболочки зеленый слой;
138
Глава 3
Сеть
Воль сррамовъ je
электроды
Белое
отралсаюсцее
покрытие
Кварцевая
разрядная
трубка
Балласт
Напряжение
на лампу
Разряд в парах
ртути и иодидов
металлов
Стартовый
электрод
Биметаллическое
реле
Цоколь
Стартовое
сопротивление
а
Рис. 3.92. Лампа на парах нескольких металлов (металлогалогенная лампа).
а-схема конструкции лампы [642] (воспроизводится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio,
USA); б-внешний вид ртутной разрядной лампы высокого давления типа НР/АВ 400 W, содержащей иодиды
свинца и галлия (лампы такого типа используются в различных фотохимических процессах) [690] (воспроиз-
водится с разрешения N. V Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands)
и наконец, испаряется натрий и образует вокруг таллиевой оболочки
желто-красный слой.
Благодаря свойствам добавленных металлов излучение происходит
на разных длинах волн. На рис. 3.93, 3.94 и 3.95 показаны спектральные
распределения мощности излучения некоторых металлогалогенных
ламп, выпускаемых промышленностью. Эти лампы, выпускаемые фир-
мой General Electric, USA под названием Multi-Vapor ® , имеют мощ-
ность 400, 1000 и 1500 Вт. Срок службы этих ламп составляет от
10000 ч (для ламп мощностью 1000 Вт) до 14 000 ч (для ламп мощ-
Источники оптического излучения
139
Рис. 3.93. Спектральное распределение абсолютной мощности излучения метал-
логалогенной (иодной) лампы [642] (воспроизводится с разрешения General
Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
ностью 400 Вт). Металлогалогенные лампы находят широкое примене-
ние для освещения промышленных и торговых помещений и дорог.
В некоторых случаях они находят применение в фотохимических
исследованиях.
Рис. 3.94. Спектральное распределение абсолютной мощности излучения стан-
дартной лампы на парах нескольких металлов с люминофорным покрытием
[642] (воспроизводится с разрешения General Electric, Nela Park. Cleveland, Ohio,
USA).
140
Глава 3
Рис. 3.95. Спектральное распределение абсолютной мощности излучения гал-
лиево-иодной лампы типа НР/АВ 400 W (см. рис. 3.92) [690] (воспроизводится
с разрешения N. V. Phillips Gloeilampenfabriken, Eindhoven, the Netherlands).
3.2.10.6	. Натриевые лампы высокого давления
Литература. 642, 1158
Конструкция, характеристики, условия работы и параметры из-
лучения натриевых ламп высокого давления и других высокоинтен-
сивных разрядных ламп существенно различаются. Схема конструкции
этих ламп показана на рис. 3.96. Разрядные трубки натриевых ламп вы-
сокого давления изготавливают из светопропускающей керамики на ос-
нове окиси алюминия, поскольку этот материал не вступает в химиче-
ское взаимодействие с натрием при высоких температуре и давлении.
Керамика на основе окиси алюминия может работать при температурах
до 1300°С, что выше, чем у кварца (1000°С) или боросиликатного стекла
(400°С). В отличие от многих других керамических материалов такая ке-
рамика обладает высоким светопропусканием в видимой области. В ней
также нет мелких пор, которые уменьшают механическую прочность
других типов керамики и могут способствовать миграции натрия за
пределы разрядной трубки.
Электрические выводы разрядной трубки выполняются в виде кон-
цевых колпачков, изготавливаемых из ниобия. Части каждого из кол-
Источники оптического излучения
141
пачков (штенгель, покрытый вольфрамом спиральный электрод,
и экран, препятствующий образованию обратной дуги) скрепляются
вместе с помощью электронно-лучевой сварки; колпачки затем спе-
каются с оболочкой разрядной трубки. После этого разрядную трубку,
открытую с амальгамного конца, откачивают и очищают, а затем в нее
вводят амальгаму и ксенон. Вслед за этим припаивают колпачок
с амальгамного конца трубки, разрядную трубку монтируют на держа-
тель и помещают в колбу лампы. Для того чтобы демпфировать меха-
нические напряжения, которые могут возникнуть в лампе в результате
расширения разрядной трубки при нагревании или сжатия при охлажде-
нии, используют крепление с плавающим кольцом.
Амальгама внутри разрядной трубки находится в специальном
амальгамном резервуаре (рис. 3.97), который располагается в наиболее
«холодном» месте разрядной трубки. Пары амальгамы конденсируются
там, и жидкость удерживается в резервуаре под действием силы тяже-
сти. Интенсивность испарения амальгамы зависит от полной энергии
дуги и от температуры среды, окружающей разрядную трубку. Наряду
с натрием разрядная трубка содержит также ртуть и ксенон, который
выполняет роль «стартового» газа. Ртуть находится в виде амальгамы
с натрием. В состав балласта натриевых ламп высокого давления вхо-
дит специальная запускающая цепь, формирующая высоковольтные,
низкоэнергетические импульсы, которые ионизируют ксенон между ос-
новными электродами лампы. Такие запускающие импульсы подаются
в каждый период или полупериод колебаний основного питающего
напряжения.
Типичный запускающий импульс имеет амплитуду около 2500 В
и длительность около 1 мкс. Для более надежного запуска лампы этот
Откачанный штенгель
с резервуаром для амальгамы
Рис. 3.96. Схема конструкции натриевой лампы Lucalox [642] (воспроизводится
с разрешения General Electric, Nela Park. Cleveland, Ohio, USA).
142
Глава 3
Электрод
Отверстие,
через которое
пары натрия
попадают
в лалту
Ртутно-
натраевая
амальгама
Резервуар для
амальгамы
Рис. 3.97. Детали внутреннего устрой-
ства натриевой лампы типа Lucalox
[642] (воспроизводится с разрешения
General Electric, Nela Park, Cleveland,
Ohio, USA).
Рис. 3.98. Спектральное распределение абсолютной мощности излучения на-
триевой лампы Lucalox [642] (воспроизводится с разрешения General Electric,
Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
Источники оптического излучения
143
импульс не должен отличаться по фазе более чем на 20° от положения
максимума напряжения холостого хода. Короткий запускающий им-
пульс обладает малой энергией, однако он способен ионизовать некото-
рое количество-ксенона. Л осле этого между основными электродами, на
которые подается сравнительно небольшое напряжение холостого хода,
может возникнуть постоянная дуга и начаться процесс разогревания
лампы. Большинство балластов сконструировано таким образом, что
после разгорания ксеноновой дуги подача запускающих импульсов пре-
кращается. По мере того как температура и давление в трубке повы-
шаются, все больше и больше натрия начинает испаряться и принимать
участие в дуговом разряде.
На рис. 3.98 показано спектральное распределение мощности излуче-
ния натриевой лампы высокого давления. Фирма General Electric, USA
выпускает натриевые лампы высокого давления мощностью 0,1-1 кВт
под названием Lucalox ®. Натриевые лампы являются одним из самых
эффективных источников видимого излучения. Они обладают самой вы-
сокой световой отдачей среди всех газоразрядных ламп. Срок службы
этих ламп меняется от 14 000 ч (для ламп мощностью 1 кВт) до
18 000-20 000 ч (для ламп мощностью 400 Вт).
3.2.10.6.1	. Балласты натриевых ламп
Литература. 642
Особенности электрических характеристик натриевых ламп
обусловливают существенные различия балластных схем этих ламп
и других высокоинтенсивных разрядных ламп (разд. 3.2.10.1.1). Бал-
ласты натриевых ламп, как правило, больше по габаритам и выше по
стоимости, чем балласты других ламп. Для нормальной работы лампы
необходимо, чтобы коэффициент амплитуды по току для этих балла-
стов не превышал 1,8.
Напряжение запуска натриевых ламп значительно выше, чем у дру-
гих высокоинтенсивных разрядных ламп. Поэтому в состав балластов
для натриевых ламп входит дополнительная запускающая схема, кото-
рая формирует высоковольтные импульсы с малой энергией. Для на-
триевых ламп мощностью 100, 150, 250 и 400 Вт запускающий импульс
должен иметь амплитуду не менее 2500 В, а для ламп мощностью
1 кВт-не менее 3000 В. Кроме того, поскольку падение напряжения на
лампе по мере ее старения довольно существенно возрастает, то кон-
струкция балласта должна обеспечивать стабилизацию мощности
лампы в узком диапазоне. Напряжение запуска натриевых ламп остает-
ся постоянным в течение всего срока службы.
Если напряжение в цепи не равно номинальному (при котором до-
стигается номинальная мощность), то изменится количество испаряю-
щейся внутри лампы амальгамы и соответственно напряжение, падаю-
щее на лампе. Рабочая характеристика лампы представляет собой
зависимость мощности излучения лампы от напряжения на ней
144
Глава 3
(рис. 3.99). Балластные схемы всех натриевых ламп имеют в таких
координатах не просто рабочую точку, а характеристическую кривую,
отличающуюся от прямой линии. На рис. 3.99 показана такая характе-
ристическая кривая балласта, накладывающаяся на рабочую характери-
стику лампы. Форма балластной характеристической кривой опреде-
ляется только конструкцией балласта. Для ламп мощностью 400 Вт эта
кривая обычно не строится для напряжений ниже 80 В и (или) мощно-
сти 300 Вт, поскольку в таких режимах лампы находятся только в про-
цессе нагрева. Обрыв с другой стороны кривой означает, что в этой
точке для стабилизации разряда в лампе на нее необходимо подать на-
пряжение, превышающее напряжение на выходе балласта. В этой точке
лампа гаснет и не может зажечься вновь до тех пор, пока от нее не бу-
дет отключен источник питания.
Точка пересечения характеристической балластной кривой и рабочей
характеристики лампы представляет собой рабочую точку для данной
комбинации балласта и лампы в данный конкретный момент срока ее
службы. По вопросам конструкции балластов можно обращаться по
адресу General Electric Lamp Sales Department, Lighting Business Group,
Nela Park, Cleveland, Ohio, 44112, USA. Фирма General Electric по требо-
ванию заказчика предоставляет список балластов, осветительной аппа-
ратуры и необходимых для их установки деталей и оборудования.
Индуктивный балласт. При использовании индуктивного балласта с со-
ответствующим блоком запуска и в надлежащем диапазоне напряжений
холостого хода (рис. 3.100) удается получать достаточно хорошую ста-
билизацию мощности лампы во всем номинальном диапазоне рабочих
Рис. 3.99. Рабочие характеристики натриевой лампы и балласта [642] (воспроиз-
водится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
Источники оптического излучения
145
I------------------------------1
Дроссель
Напряжение
сети
I Конденсатор,
корректирующий
коэффициент
мощности
'Устройтво	( Хлампа
запуска	I )
Рис. 3.100. Индуктивный балласт для натриевой лампы Lucalox [642] (воспроиз-
водится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
напряжений на ней. Коэффициент амплитуды по току для таких балла-
стов невелик и составляет 1,4-1,5.
Линейные индуктивные балласты можно применять в тех случаях,
когда напряжение в сети достаточно для нормальной работы лампы.
В противном случае для компенсации разности напряжений следует ис-
пользовать автотрансформатор.
Срок службы лампы обычно кончается, когда рабочее падение на-
пряжения на ней достигает точки десинхронизации. При этом лампа на-
чинает периодически гаснуть и вновь зажигаться через равные проме-
жутки времени.
Магнитный регуляторный балласт. Для работы с натриевыми лампами
нельзя использовать обычные балласты ртутных ламп, поскольку эти
балласты стабилизируют выходной ток, вследствие чего увеличение на-
пряжения на натриевой лампе в процессе ее старения будет сопрово-
ждаться увеличением ее мощности. При работе с таким балластом на-
триевые лампы будут быстро выходить из строя.
Магнитный регуляторный балласт (рис. 3.101) не только компенси-
рует изменение напряжения на лампе, но и корректирует флуктуации
напряжения сети. Такой балласт позволяет подключать лампу к сети,
нестабильность напряжения в которой равна ± 10%. Этот балласт экви-
валентен регулирующему и стабилизирующему напряжение трансфор-
матору, который подключается к лампе через индуктивность, причем
элементы балласта конструктивно собраны на одном сердечнике. Коэф-
фициент амплитуды по току для таких балластов составляет 1,6-1,7.
Авторегуляторный балласт. Авторегуляторные балласты натриевых
и ртутных ламп (рис. 3.102) в целом подобны, однако в сердечнике
трансформатора балласта для натриевых ламп имеются специальные
щели, а комплексное сопротивление проводов подобрано, чтобы обеспе-
10-644
146
Глава 3
Рис. 3.101. Магнитный регуляторный балласт для натриевой лампы Lucalox
[642] (воспроизводится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio,
USA).
нить специфическую форму рабочей характеристики, необходимую для
работы натриевой лампы. Авторегуляторный балласт может работать
в сети, нестабильность напряжения которой равна + 10%. Такие бал-
ласты выпускаются на все номинальные напряжения сети. Коэффициент
амплитуды по току для них составляет 1,6-1,8.
Напряжение
сети
Устройство
запуска
^Вторичная
>одмотка
хПервич- Я и
\одмотка^
Лампа
Последовательный,
конденсатор
Рис. 3.102. Авторегуляторный балласт для натриевой лампы Lucalox [642] (во-
спроизводится с разрешения General Electric, Nela Park, Cleveland, Ohio, USA).
Источники оптического излучения
147
3.2.10.7	. Кожухи для источников излучения,
работающих под высоким давлением
Литература: 70, 657.
Для предохранения оператора, работающего с лампой, от дей-
ствия интенсивного УФ излучения и видимого света, а также от воз-
можных повреждений и травм вследствие взрыва лампы, эти лампы не-
обходимо помещать в специальные кожухи. При работе лампы
в кожухе также легко контролировать температуру окружающего возду-
ха и создавать оптимальные для светоотдачи условия. На рис. 3.103 по-
Рис. 3.103. Кожух и детали крепления источника излучения, работающего под
высоким давлением (воспроизводится с разрешения Kratos GmbH, Schoeffel
Instrument, FRG).
10*
148
Глава 3
казана конструкция типичного кожуха, предназначенного для ртутной
или ксеноновой лампы высокого давления. Поверхность кожуха лампы
должна быть такой, чтобы на каждый ватт мощности лампы приходи-
лось 4 см2 поверхности. Изнутри кожух должен быть окрашен в черный
цвет для того, чтобы увеличить диссипацию тепла. Отверстия в верхней
и нижней частях кожуха предназначены для регулируемой вентиляции.
Конструкция такого кожуха должна быть достаточно хорошо рассчита-
на, поскольку слишком малый внутренний объем может привести
к перегреву лампы и сокращению срока ее службы, а слишком большой
объем может вызвать принудительное воздушное переохлаждение, что
не позволит лампе нагреться до необходимой температуры и достичь
необходимого внутреннего давления.
Рабочее положение ламп высокого давления - вертикальное (откло-
нение от вертикали ни в коем случае не должно превышать 45°), причем
катод должен находиться вверху. Однако некоторые выпускаемые про-
мышленностью источники излучения (например, производимые фирмой
Schoeffel Instrumentation Со., Westwood New Jersey, USA) работают в го-
ризонтальном положении. Конструкция источника света должна обеспе-
чивать как можно более быстрый нагрев лампы до рабочей темпера-
туры, поскольку всякий раз при разогреве лампа проходит через стадию
распыления, которое разрушает как электроды, так и внутреннюю по-
верхность кварцевой разрядной трубки. Для обеспечения нормального
срока службы лампы необходимо свести к минимуму длительность
этой фазы разгорания лампы. По этой же причине лампу не надо вы-
ключать, если следующее включение будет через 30 мин или ранее.
Прохождение лампы через стадию распыления при очередном включе-
нии приводит к большему ее износу, чем дополнительные минуты
горения.
Изоляция электрических проводов и соединений, по которым к лам-
пе подается высоковольтный запускающий импульс, должна выдержи-
вать напряжение не менее 12-20 кВ. Невозможность запуска лампы,
особенно при повышенной температуре, часто бывает связана с элек-
трическим пробоем проводов в месте ненадежной изоляции. Промыш-
ленностью выпускаются источники питания для ламп высокого давле-
ния.
3.2.10.8	. Качество охлаждающей воды
Вода, которая используется для охлаждения источников УФ из-
лучения, работающих дод высоким давлением, должна быть достаточно
чистой. В ней практически не должно содержаться примесей, которые
могут осаждаться на разрядной трубке или на отражателе. Если в си-
стеме используются алюминиевые отражатели, то контактирующая
с ними вода во избежание химического воздействия на отражатель дол-
жна иметь нейтральную реакцию. Необходимо также удалить из си-
стемы водяного охлаждения такие потенциально вредные вещества, как
Источники оптического излучения
149
цинк, железо и др. Поэтому трубки охлаждающей системы предпочти-
тельно изготавливать из таких материалов, из которых не вымываются
примеси (например, из пластика). Для предотвращения окисления охла-
ждающая вода должна содержать как можно меньше растворенного
воздуха. Вода для охлаждающей системы требованиям:	*	должна отвечать следующим
общая жесткость (мг СаО + мг MgO на 100 мл) временная жесткость сухой остаток остаток после прокаливания pH удельное сопротивление	не более 3,21 мкг-экв/л не более 2,86 мкг-экв/л 250 мг/л 250 мг/л 7-8 3 • 103 Ом/см
3.2.10.9	. Очистка источников излучения,
работающих под высоким давлением
Наилучший способ очистки ламп состоит в следующем. Раз-
рядную трубку и отражатель тщательно протирают мягкой щеткой,
смоченной в очищающей жидкости, и прополаскивают чистой водопро-
водной водой. Перед этим, конечно, нужно снять чехол с отражателя.
Чехол отражателя также надо обработать очищающей жидкостью, про-
мыть чистой водой и затем поставить на место. В состав очищающей
жидкости входят: 1 ч. фосфорной кислоты (технич., уд. вес 1,75), 1 ч.
спирта, 2 ч. чистой воды. Примечание: необходимо следить за тем,
чтобы очищающая жидкость не вступала в контакт с электрической
изоляцией проводов и узлов лампы.
3.2.11.	Безэлектродные разрядные фотохимические лампы
Литература- 986
В лампах этого типа излучение с длиной волны 253,7 нм обра-
зуется в результате микроволнового или радиочастотного возбуждения
смеси паров ртути и гелия или неона. Такой источник света предста-
вляет собой кварцевую трубку, наполненную инертным газом под да-
влением 5-10 мм рт.ст. и содержащую капельку ртути. Эта лампа поме-
щается непосредственно в сосуд с образцом, который в свою очередь
находится в охлаждающей рубашке (рис. 3.104). Вся эта система поме-
щается внутрь антенной катушки. Для подбора комплексного сопротив-
ления антенного контура и настройки его на частоту радиопередатчика
(13,56 МГц) или микроволнового генератора (2450 МГц) в цепь включен
конденсатор переменной емкости С2.
Величину выхода световой энергии у такой лампы можно варьиро-
вать путем изменения выходной мощности передатчика и введения свя-
зи между антенной и передатчиком с помощью конденсатора С\
150
Глава 3
Рис. 3.104. Безэлектродное устройство для фотохимического облучения [986]
(воспроизводится с разрешения Journal of Chemical Education).
(рис. 3.104). Интенсивность свечения лампы можно также контролиро-
вать, вводя в жидкость, циркулирующую через охлаждающую рубашку,
разбавленные ионные растворы. Для достижения максимальной све-
тоотдачи лампы необходимо использовать непроводящий раствор, на-
пример смесь воды и этиленгликоля. Такая смесь позволяет охлаждать
систему до — 20°С. При более низких температурах светоотдача лампы
резко понижается. Такие источники света оказываются особенно по-
лезными и удобными для небольших лабораторных установок фотоли-
за растворов органических соединений и для облучения газов при да-
влениях, превышающих 20 мм рт. ст.
3.2.12.	Источники излучения в диапазоне
вакуумного ультрафиолетового света
Литература: 70, 340, 442, 1237, 1238, 1485
Источники излучения в диапазоне вакуумного ультрафиолета
(ВУФ) могут работать как в непрерывном режиме (разд. 3.2.12.1), так
и в импульсном режиме (разд. 23.1.4). Излучение как импульсных, так
и непрерывных источников может иметь:
1. Линейчатый спектр, полученный при разряде в разреженном газе:
водород-121,57 нм; гелий-58,44 нм; неон-73,69 нм и 74,37 нм; ар-
Источники оптического излучения
151
гон-104,82 нм и 106,67 нм; криптон-116,49 нм (22%) и 123,58 нм (78%);
ксенон-129,55 нм (2%) и 146,96 нм (98%). На рис. 3.105 показаны ти-
пичные линии излучения криптонового разряда.
2. Сплошной спектр, на который накладываются отдельные линии
излучения разряда при высоком давлении газа: водород-170-350 нм;
гелий-58,4-100 нм; неон - 74,4-79,0 нм; аргон-106,7-160,0 нм; крип-
тон-123,6-150,0 нм; ксенон-147,0-170,0 нм. На рис. 3.106 показан ти-
пичный спектр гелиевого разряда.
Отличительной чертой источников с непрерывным спектром излуче-
ния является то, что давление газа в них выше, чем в источниках с ли-
нейчатым спектром. При высоком давлении образуется больше ста-
бильных возбужденных молекул газа, излучение которых образует
непрерывный спектр, тогда как при низком давлении преимущественно
образуются возбужденные атомы с линейчатым спектром излучения.
Квантовый выход вакуумного ультрафиолетового излучения составляет
около 1016 квант/(с-см2). Трубки таких ламп изготавливаются из квар-
ца или стекла пирекс со специальными окнами, пропускающими ВУФ
(разд. 8.6).
Длина волны, нм
Рис. 3.105. Индуцированное микроволновым полем излучение резонансной
лампы, наполненной криптоном:---------лампа без «геттера»; ------- лампа
с «геттером» [1485] (воспроизводится с разрешения Американского оптического
общества).
152
Глава 3
Рис. 3.106. Излучение разряда в гелии при высоком давлении [1237, 1238] (вос-
производится с разрешения Американского оптического общества).
3.2.12.1. Источники света, работающие
в непрерывном режиме
Литература: 753, 762, 770, 990, 1088, 1114, 1263, 1323, 1327, 1485, 1500, 1512, 1749.
Лампы ВУФ диапазона можно условно подразделить на:
1. Разрядные лампы с подогреваемым катодом (рис. 3.107), которые
работают как на переменном, так и на постоянном токе.
2. Безэлектродные разрядные лампы, возбуждаемые микроволновым
излучением. Эти лампы представляют собой трубки, изготовленные из
кварца или стекла Vycor, со специальными окнами (разд. 8.6). Трубки
заполняют инертным газом и помещают в разрядную камеру, подклю-
ченную к микроволновому генератору с частотой 2450 МГц (рис. 3.108).
Такие лампы могут быть проточными (поток инертного газа)
(рис. 3.107) или запаянными (рис. 3.108).
Рис. 3.107. Проточная разрядная лампа для генерации ультрафиолетового излу-
чения вакуумного диапазона.
Источники оптического излучения
153
Рис. 3.108. Запаянная безэлектродная лампа для генерации ультрафиолетового
излучения вакуумного диапазона.
В зависимости от давления газа внутри трубки, спектр излучения
этих ламп может быть: 1) непрерывным, если давление превышает
500 Н/м2 (так называемые конденсированные лампы); 2) линейчатым,
если давление составляет 1-10 Н/м2 (резонансные лампы). Для обеспече-
ния необходимой чистоты излучения необходимо удалить воду из раз-
рядной трубки. Это достигается путем применения так называемых пле-
ночных «геттеров» (например, из барий-алюминий-никелевого сплава)
и (или) путем глубокого охлаждения (например, при помещении верти-
кального колена лампы в жидкий азот) (рис. 3.108).
3.2.13. Выбор источника излучения
для фотохимического процесса
Выбор наиболее подходящего источника излучения для данной
фотохимической реакции в первую очередь зависит от спектров дей-
ствия реагентов или системы в целом.
На первом этапе выбора такого источника определяются спектры
поглощения в УФ и (или) видимой области для реагентов (и раствори-
телей, если они присутствуют в системе). Определение спектров погло-
щения желательно проводить для такого физического состояния, в ко-
тором эти компоненты участвуют в фотохимической реакции.
На втором этапе осуществляется поиск подходящего источника из-
лучения (лампы). Выбор источника излучения должен проводиться на
основе его спектрального распределения энергии излучения, причем
спектральные полосы поглощения реагентов должны соответствовать
некоторым полосам в спектре излучения источника.
Глава 4.
Оптические системы
Литература 47, 60, 111, 118, 152, 154, 159, 164, 165, 206, 237, 264, 305, 309, 310, 313, 328, 329, 346.
359, 372, 373, 429, 436, 470, 473, 481, 482, 490, 505, 538, 551, 582, 584, 691.
Оптические системы можно разделить на два основных вида:
1) преломляющие (диоптрические) системы, т.е. линзы; 2) отражающие
(катоптрические) системы, т. е. зеркала. Комбинируя преломляющие
(диоптрические) элементы и отражающие (катоптрические) элементы
можно получить катадиоптрическую систему.
4.1. ЛИНЗЫ И СИСТЕМЫ ЛИНЗ
Литература: 105, 261, 691.
Линза—это оптическая система, ограниченная двумя или более
преломляющими поверхностями, имеющими общую ось: 1) если линза
имеет только две поверхности, она называется простой; 2) если линза
имеет более двух поверхностей, она называется составной. Все высоко-
качественные линзы составные, т. к. они изготовлены из нескольких про-
стых линз, расположенных на одной оптической оси. Оптическая осъ-
это воображаемая линия, проходящая через центры кривизны элемен-
тов сцентрированной оптической системы. Поверхности линз могут как
находиться в контакте друг с другом, так и разделяться воздушными
промежутками.
Луч, проходящий через простую линзу, отклоняется на обеих поверх-
ностях (за исключением случая нормального падения на одну из поверх-
ностей). У многих простых линз толщина по оси столь мала, что можно
считать, что полное отклонение луча происходит в одной плоскости/
проходящей через центр линзы. Когда такое приближение выполняется,
линза называется тонкой. Любая линза, простая или составная, не
являющаяся тонкой, для краткости называется толстой.
4.1.1. Кривизна поверхности
Литература 132
Кривизна К линии определяется как величина, обратная радиу-
су кривизны г:
К = 1/г
(4.1)
Оптические системы
155
Единица измерения кривизны - градусы дуги на единицу длины дуги. На
рис. 4.1 направление однородно искривленного сегмента с длиной дуги
S изменяется на угол 0. Соответственно кривизна равна
К = 0/5
Поскольку 5 = г0,
К = 0/г0 = 1/г
(4.2)
(4.3)
В соответствии с геометрией Эйлера на любой искривленной поверхно-
сти существует малый участок, где кривизна определяется выражением
К (0) = KY cos2 0 + К2 sin2 0
(4.4)
где 0-угол между нормальной плоскостью, содержащей главное напра-
вление кривизны К, и другой нормальной плоскостью, Кг и
К2- максимальная и минимальная кривизна в данной точке. Если Кх и
К2 одного знака, то поверхность либо вогнутая, либо выпуклая (напри-
мер, каждая точка на поверхности эллипсоида). Если Кг и К2 имеют
противоположные знаки, то полная кривизна имеет седлообразную
форму [например, каждая точка на поверхности однополостного гипер-
болоида (рис. 4.2)].
Средняя кривизна Кт в любой точке на поверхности выражается как
среднее двух значений главной кривизны:
Kw = (K1 + K2)/2
(4.5)
Полная кривизна (или гауссова кривизна) Кд в точке равна произведе-
нию значений главной кривизны:
кд = к1к2
(4.6)
Средний радиус кривизны рш-величина, обратная средней кривизне:
(4.7)
Рт — 1/Кт
Рис. 4.1. Кривизна: г-радиус,
5-элемент дуги, 0-угол.
Парабола
Круг
Эллипс
Парабола
Пересекающиеся
лилии (целик
лежат на
поверхности )
Гипербола
Гипербола
Фокальные кривые,
получающиеся при
сечении однополостного
гиперболоида
плоскостью
Рис. 4.2. Фокальные кривые [132] (воспроизводится с разреше-
ния John Wiley & Sons Inc.).
Оптические системы
157
4.1.2. Параксиальные формулы линзы
Формулы, представленные в этом разделе, основаны на рассмо-
трении параксиальных лучей; они оказываются полезными при выборе
и применении стандартных линз.
Параксиальные лучи-это лучи, распространяющиеся почти парал-
лельно оптической оси на малом расстоянии от нее. В этой области по-
верхность линзы всегда почти перпендикулярна оптической оси и, сле-
довательно, все углы падения и преломления малы. Поэтому синусы
углов падения и преломления можно приближенно заменить на сами
углы, выраженные в радианах. Параксиальные формулы не включают
эффектов, которые возникают вследствие сферической аберрации, обус-
ловленной лучами, проходящими через линзу вблизи ее края.
Параксиальные фокусные расстояния -это расстояния, которые мож-
но измерить на оптической скамье при очень малых апертурах линзы,
достигаемых, например, с помощью ирисовой диафрагмы (разд. 4.1.3.2).
Фокусное расстояние f определяется следующими уравнениями:
f=m(s + s')/(m+ I)2	(4.8)
f=sm/(m + l)	(4.9)
f= (s + s')/(m + 2 + 1/m)
l//= 1/s+l/s'
(4.Ю)
(4.И)
где m = s'/s — увеличение, равное отношению сопряженных расстояний
(говорят, что оно бесконечно, если либо s, либо s' бесконечно); s-рас-
стояние до объекта, положительное для объекта (действительного или
мнимого), расположенного слева от главной точки Н (рис. 4.3); s'-рас-
стояние до изображения (положительное независимо от того, какое изо-
бражение-действительное или мнимое), расположенного справа от
главной точки Н' (рис. 4.3). Расстояния s и s' называются сопряженны-
ми расстояниями, так что объект и изображение, лежат в сопряженных
плоскостях, а сумма s + s' приблизительно равна расстоянию от объекта
до изображения. Справедливо соотношение
V/ = (и -1) (1 Al - 1/Гг) + (и - Iftc/nr^	(4.12)
где и-показатель преломления; tc- толщина линзы в центре; -радиус
кривизны первой поверхности (положителен, если выпуклость обращена
влево) (рис. 4.3); г2-радиус кривизны второй поверхности (отрицателен,
если выпуклость обращена вправо) (рис. 4.3); г2 = — для симметрич-
ной линзы.
Для тонких линз tc = 0, а для плоско-выпуклых или плоско-вогнутых
линз либо г15 либо г2 бесконечно. Тогда второй член в уравнении (4.12)
158
Глава 4
Рис. 4.3. Схема формирования изображения простой линзой при конечном от-
ношении сопряженных расстояний [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
h-высота объекта; h'-высота изображения; ф-диаметр линзы; п -радиус кривизны первой поверхности (по-
ложительный, если выпуклость обращена влево); г2-радиус кривизны второй поверхности (отрицательный,
если выпуклость обращена вправо), г2 = — И для симметричной линзы; т = s'/s-увеличение, равное отноше-
нию сопряженных расстояний (говорят, что т бесконечно, если либо s, либо s' бесконечно); 0 =
= arctgф/2х-угол, образуемый краевым лучом с осью; $-расстояние до объекта, положительное для объекта
(действительного или мнимого), расположенного слева от главной точки Н ; s'-расстояние до изображения,
положительное для изображения (действительного или мнимого), расположенного справа от главной точки
Н', fF-толщина линзы на крае. te-толщина в центре,/-эффективное фокусное расстояние (может быть поло-
жительным, как показано на рисунке, или отрицательным;/равно FH и — F'H.', если считать, что линза окру-
жена средой с показателем преломления 1,0).
можно опустить и оно примет вид
(4.13)
Примечание: справедливость приведенных в этом разделе формул
линзы зависит от выполнения следующих условий: s положительно для
объекта слева от Н; s отрицательно для объекта справа от Н; s' поло-
жительно для изображения справа от Н'; s' отрицательно для изображе-
ния слева от Н'; положителен, когда центр кривизны расположен
справа от поверхности; отрицателен, когда центр кривизны располо-
жен слева от поверхности; г2 положителен, когда центр кривизны рас-
положен справа от поверхности; г2 отрицателен, когда центр кривизны
расположен слева от поверхности.
Увеличение, или отношение сопряженных отрезков, т определяется
уравнениями
т = s'/s
т =f/(s -f)
т = («' ~f)/f
или m = h'/h
(4.14)
(4.15)
(4.16)
(4.17)
Оптические системы
159
где h- высота объекта (или кратчайшее расстояние от вершины объекта
до оси):
h = stgG	(4.18)
/1'-высота изображения (или кратчайшее расстояние от оси до вершины
изображения):
h' = s'tge	(4.19)
0-половина угла зрения линзы (рис. 4.3).
Расстояние от объекта до первой главной точки линзы (называемое
просто расстоянием	до	объекта)	s-приблизительное	расстояние от
линзы до объекта:
5 = s'/m	(4.20)
s=/(l/m+l)	(4.21)
s = 577(5' -У)	(4.22)
Расстояние от	второй	главной точки	линзы	до	изображения	(назы-
ваемое просто расстоянием до изображения) s'-приблизительное рас-
стояние от линзы до изображения:
5' = sm	(4.23)
s'=/(m+l)	(4.24)
s' = sf/(s -f)	(4.25)
Сумма сопряженных расстояний	приблизительно	равна	расстоянию
между объектом и изображением:
s + s' = f(m 4- 1/т + 2)	(4.26)
Значение диафрагмы, или	относительное	отверстие,	определяется
следующим образом:
значение диафрагмы =//0	(4.27)
где 0-угол между оптической осью и краевыми лучами (рис. 4.3), опре-
деляемый выражением
0 = arctg (<p/2s)	(4.28)
<р- диаметр линзы.
Числовая апертура NX-параметр, описывающий количество света,
собираемого линзой или системой линз и, в частности, определяющий
яркость изображения. Он равен
NA = п sin 0
(4.29)
160
Глава 4
где и-показатель преломления среды (воздух, вода и т.д.), окружающей
линзу. В воздухе числовая апертура не может быть больше 1,0. На
оправе объектива вторым числом обычно гравируется числовая аперту-
ра.
В пределах малого угла (когда расстояние до объекта стремится
к бесконечности) числовая апертура и значение диафрагмы связаны при-
ближенным соотношением
значение диафрагмы = 1/(2 NA)	(4.30)
4.1.3. Фокусные расстояния и главные плоскости
4.1.3.1. Фокусное расстояние
Существуют два вида фокусных расстояний, связанных с лин-
зой или системой линз:
1. Эффективное фокусное расстояние (ЭФР), или эквивалентное фо-
кусное расстояние, f определяет увеличение и, следовательно, размер
изображения. Это фокусное расстояние (ЭФР, или/) является расстоя-
нием от передней фокальной точки F до первой главной точки Н или
расстоянием от второй главной точки Н' до задней фокальной точки F'.
Оно измеряется относительно главных точек Н или Н', обычно распо-
ложенных внутри линзы (рис. 4.3 и 4.4), что означает невозможность
точного определения / при визуальной проверке линзы.
2. Переднее фокусное расстояние f/~ расстояние от передней фокаль-
ной точки F до первой вершины А (рис. 4.4), определяемое формулой
ff=f+ г^с/\п(г2 - rj + tc(n - 1)]
Если радиус бесконечен, то
ff=f~ tc/n
(4.31)
(4.32)
Заднее фокусное расстояние />-расстояние от второй вершины А' до
задней фокальной точки F' (рис. 4.4), определяемое формулой
fb =f- r2tc/[n (r2 - Г1) + tc (п - 1)]
Если радиус г2 бесконечен, то
fb =f- tc/n
(4.33)
(4.34)
Фокальные точки F и F' можно определить, используя то обстоя-
тельство, что лучи, проходящие через фокальную точку или выходящие
из нее, распространяются параллельно оптической оси на противопо-
ложной стороне линзы.
Главная поверхность-геометрическое место точек пересечения про-
долженных сегментов внешнего луча. Главная поверхность перпендику-
Первая главная точна Вт^ы	то™а
Первая главная плосность	Вторая главная плоскость
Передняя фокальная
плоскость
Личи от объекта,
находящегося на оесконечь
Передняя фокальная
точка
Оптическая ось
Оптическая ось
Задняя фокальная
плоскость
Обращенный луч указывает
положение передней фокальной
точки или первой главной
поверхности
Вторая-
верш, ин а
Задняя фокальная точка
Рис. 4.4. Определения фокусных расстояний [691] (воспроизводится с разреше-
ния Melies Griot, Arnhem, Holland).
/-эффективное фокусное расстояние (может быть положительным, как показано на рисунке, или отрица-
тельным), /--переднее фокусное расстояние, /-заднее фокусное расстояние, te-толщина линзы на крае,
te- толщина в центре. Задняя фокальная плоскость является плоскостью изображения для объекта, располо-
женного слева на бесконечности.
Рис. 4.5. Положения главных точек [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
11-644
162
Глава 4
лярна оптической оси в главных точках; ее кривизной обычно пренебре-
гают. Существуют две главные плоскости-первая и вторая (рис. 4.4).
Первая главная точка Н- точка пересечения первой главной
поверхности с оптической осью.
Вторая главная точка Н' - точка пересечения второй главной поверх-
ности с оптической осью.
Точное положение главных точек (рис. 4.5) зависит от показателя
преломления материала, из которого изготовлена линза, и ее радиуса
кривизны; эти положения можно определить либо из расчетов, либо
экспериментально, использовав оптическую скамью с узловым столи-
ком (разд. 4.1.3.2).
Для линзы в воздухе узловые точки и главные точки совпадают.
В крайнем случае (мениск с большой кривизной) обе главные точки мо-
гут оказаться вне линзы. Для симметричных линз главные точки делят
часть оптической оси между вершинами на три приблизительно равных
сегмента. Для линзы с плоской поверхностью одна главная точка рас-
положена на вершине, а другая-на расстоянии приблизительно одной
трети толщины линзы от плоскости.
4.1.3.2. Измерения фокусного расстояния
Литература: 105.
Для прямого и точного измерения фокусного расстояния линзы
требуется оптическая скамья (рис. 4.6).
Линза устанавливается в прецизионном держателе, закрепленном на
салазках (разд. 9.1.3). Коллимированный точечный источник света поме-
щают на объектной стороне линзы, а столик с микроскопом устанавли-
вают таким образом, чтобы в окуляр микроскопа наблюдалось резкое
точечное изображение. Изображение внимательно наблюдают, повора-
чивая при этом линзу на несколько градусов вперед и назад. Регулиров-
ка должна производиться таким образом, чтобы при этих небольших
наклонах не наблюдалось перемещения изображения в поперечном на-
правлении. Когда эт<^ условие выполняется, вертикальная ось держателя
линзы будет проходить через вторую главную точку (Н') линзы, а фокус
микроскопа совпадает с ее задней фокальной точкой F'. Положение ос-
нования микроскопа отмечают на шкале, прикрепленной к оптической
скамье.
Затем линзу снимают и заменяют на вертикальный стержень, закан-
чивающийся острием, расположенным на высоте линии зрения микро-
скопа. Каретка регулируется таким образом, чтобы острие совпадало
с вертикальной осью держателя. Затем каретка микроскопа устанавли-
вается так, чтобы получался резкий фокус острия. При этом фокальная
точка микроскопа фактически смещается из точки F' в точку Н'. Поло-
жение каретки снова отмечается на шкале. Фокусное расстояние линзы
равно разности показаний на шкале.
Другие методы определения фокусного расстояния описаны в сле-
дующих документах: 1) Стандарт ANSI PH 3.13-1958, Focal Length
Оптические системы
163
Точечное
Коллими- —►
рованныи, —►
свет	—►
Г1]Г11Пр,1Т11[Т1111|11111|1ПП|1ТП1|11111|11111|11111|||||1|11111| 11111|11111|11111|11111|11111|11111|ПТ1Т]11Т11|11111|111П|11111|11111|11111||1111|
Оптическая скамья
Рис. 4.6. Измерение фокусного расстояния [105] (воспроизводится с разрешения
John Wiley & Sons Inc.).
Marking of Lenses; 2) Стандарт ANSI PH 3.35-1960, Methods of Designat-
ing and Measuring Focal Distances of Photographic Lenses; 3) Стандарт
ANSI PH 22.88-1967, Focal Lengths and Markings of 35 mm
Motion-Picture Projection Lenses.
4.1.4. Формулы для комбинации линз
Можно описать любое число линз, рассмотрев комбинацию
двух линз, объединив затем эту комбинацию со следующей линзой
и т. д. до тех пор, пока не будут учтены все линзы, входящие в систему.
Эта процедура, включающая определение положения обеих главных
плоскостей комбинации, полезна по следующим причинам:
1.	Соотношение между сопряженными расстояниями комбинации
можно найти с помощью простой формулы
l//=l/s+l/s'	(4.35)
2.	Можно найти такие расстояния между элементами, при которых
получаются заданные характеристики комбинации.
3.	Можно определить необходимый компонент и допуски на его
положение.
Эффективное фокусное расстояние комбинации (ЭФР), или эквива-
лентное фокусное расстояние комбинации, f в любом случае независимо
от того, каковы расстояния между компонентами и каковы значения f±
и f2 и их знаки, равно
(4.36)
или 1//= 1/Л + l/f2 - d/fj2	(4.37)
где f положительная величина, если результирующая фокальная точка
комбинации оказывается справа от вторичной главной плоскости си-
стемы, и отрицательно в противном случае; /i-фокусное расстояние
(ЭФР) первого элемента, /2-фокусное расстояние (ЭФР) второго эле-
164
Глава 4
Субсистема аз
п - Г го элемента
Первый
элемент
Комбинация из
двух элементов
Второй
элемент
z из формулы (4.39)
— Вторая главная плоскость
комбинации
Третий элемент
Вторая главная плоскость
субсистемы
Для получения полной системы
добавляется п-й элемент
Полная система
(главные плоскости
не пересекаются)
—d
из формулы (4.39)
---Вторая главная плоскость
системы
|------------Первая главная плоскость системы
(вторая главная плоскость системы
расположена при z, определенном из
формулы для обращенной системы)
Комбинации линз или систем могут иметь „пересекающиеся"
главные плоскости, чего не бывает у одиночных линз
Вторая главная плоскость
субсистемы
Для получения полной
системы добавляется
п-й элемент
Субсистема из
п-1-го элемента,
(главные плоскости
находятся внутри,
но „пересекаются")
Первая главная плоскость
субсистемы
Рис. 4.7. Переход от комбинации к системе [691] (воспроизводится с разреше-
ния Melies Griot, Arnhem, Holland).
мента; d-расстояние от второй главной плоскости первого элемента до
первой главной плоскости второго элемента (положительно, если пер-
вая главная плоскость находится справа от второй главной плоскости,
и отрицательно в противном случае). Примечание: уравнения (4.36)
и (4.37) симметричны относительно взаимозамены линз (поворот комби-
нации на 180°) при постоянном d.
Положение фокальной точки комбинации s^-расстояние от второй
главной плоскости второго элемента до результирующей фокальной
точки комбинации (положение результирующего изображения для
объекта, находящегося слева на бесконечности). Для всех случаев
S2=f2(f!-d)/(f^f2-d)	(4.38)
где s2' положительно, если фокальная точка находится справа от второй
главной плоскости второго элемента.
Оптические системы
165
Рис. 4.8. Отрицательное значение d у системы из двух менисков с внешними
главными плоскостями [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
Когда линзы контактируют друг с другом, могут получаться отрицательные значения d (масштаб на рисунке
искажен).
Положение второй главной плоскости комбинации z (рис. 4.7) для
всех случаев равно
Z = s'-f	(4.39)
Примечание: первую главную плоскость комбинации можно найти, ис-
пользовав те же формулы для оптической системы, которая получается
с помощью полного обращения слева направо (поворот на 180°) данной
системы.
Для некоторых комбинаций линз главные плоскости отстоят далеко
от комбинации, и в таких случаях могут получаться отрицательные зна-
чения d [как, например, у пары менисков, вершины которых находятся
в контакте (рис. 4.8)]. Примеры комбинаций динз:
1.	Две положительные линзы, находящиеся на расстоянии d, боль-
шем / -I- f2 (рис. 4.9). В этом случае симметрии линз не требуется. Ве-
личина f отрицательна, a s2 и z положительны.
2.	Комбинация, образующая телеобъектив (рис. 4.10). Симметрии
линз не требуется. Эффективное фокусное расстояние и, следовательно,
размер изображения, могут быть больше, чем расстояние от комбина-
ции до изображения. Если fr положительно и f2 = —,/г/2, то f отрица-
тельно при d <fY/2, бесконечно при d=fJ2 (расширитель пучка) и поло-
жительно при d >/i/2.
3.	Две идентичные плоско-выпуклые линзы с соприкасающимися
вершинами, используемые в качестве конденсатора. Линзы могут быть
также плоско-асферическими (рис. 4.11). В этом случае благодаря кон-
такту d — 0, /=/1/2 = /2/2 = s2 и z = 0. Вторые главные точки второго
166
Глава 4
Рис. 4.9. Две положительные линзы, разделенные расстоянием d, большим +
+/2 [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
элемента и комбинации совпадают с точкой Н', расположенной на рас-
стоянии tjn от плоской поверхности второго элемента, где tc-толщина
элемента в центре и и-показатель преломления материала, из которого
он изготовлен. Исходя из соображений симметрии можно показать, что
первая главная точка комбинации занимает аналогичное положение
в первом элементе. Сопряженные расстояния комбинации оптических
элементов следует измерять относительно этих точек.
4.	Ахроматическая комбинация (рис. 4.12). Комбинации оптических
элементов могут быть сделаны ахроматическими в том смысле, что
производная фокусного расстояния по длине волны может быть исче-
зающе малой на нужной длине волны и достаточно малой в ее окрест-
ности даже в том случае, когда оба элемента изготовлены из одного
материала. Именно на этом принципе основаны конструкции окуляров
Гюйгенса (рис. 4.12) и Рамсдена. Это обстоятельство может также ока-
заться, полезным в применении к расширителям широкополосного ла-
зерного излучения.
Рис. 4.10. Комбинация, образующая телеобъектив [691] (воспроизводится с раз-
решения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Оптические системы
167
Рис. 4.11. Две идентичные плоско-вы-
пуклые линзы [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
Рис. 4.12. Ахроматический окуляр
Гюйгенса [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
Для получения ахроматизма в этом смысле требуется (в приближе-
нии тонкой линзы) лишь выполнение условия
^ = (/1+Л)/2	(4.40)
Это приближение выполняется также и для большинства систем, со-
стоящих из толстых линз. На знаки f\, f2 и d не накладывается никаких
ограничений, хотя величина d должна обеспечивать воздушный проме-
жуток между линзами. На форму элементов ограничений также не на-
кладывается, и, следовательно, после того как приведенный выше крите-
рий выполнен, можно выбрать форму, позволяющую скомпенсировать
другие аберрации.
4.1.5. Аберрации линз
Аберрация-это неправильный ход лучей света, приходящих от
объекта (или точки объекта) и проходящих через систему линз. Аберра-
ция препятствует образованию простого идеального изображения (или
точечного изображения), подчиняющегося законам параксиальной опти-
ки. Все линзы и системы линз обладают двумя основными типами абер-
раций: 1) регулярные аберрации, которые зависят от апертуры, поля зре-
ния и размера изображения (табл. 4.1); 2) нерегулярные аберрации,
вызываемые неоднородностями в оптическом материале, отклонениями
от идеальной формы поверхности, неправильной юстировкой и т. д. Су-
ществуют следующие основные типы аберрации линз:
1. Сферическая аберрация. Краевые лучи, проходящие параллельно
оптической оси вблизи края линзы, фокусируются на расстояниях, отли-
чающихся от расстояний фокусировки лучей, проходящих через цен-
тральную зону линзы (рис. 4.13).
168
Глава 4
Таблица .1. Изменение аберраций в зависимости от размеров апертуры и из-
ображения, а также от поля зрения [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland)
Аберрация
Размер аперту- Угол зрения,
ры, х	* у
Размер изображе-
ния, z
Поперечная сферическая	х3	—	—
Продольная сферическая	х2 3 4 5	—	—
Кома	х2	У	Z
Астигматизм	—	у2	z2
Кривизна поля	—	У2	Z2
Дисторсия	—	У3	Z3
Хроматическая	—	—	—
2. Кома. Краевые лучи, не параллельные оптической оси, пересекают
плоскость изображения на высоте, отличающейся от той, которая со-
ответствует лучам, проходящим через центр апертуры; в результате
изображение точечного объекта имеет вид кометообразного пятна (ко-
матическая окружность) (рис. 4.14).
3. Астигматизм. Расстояние, на котором фокусируются лучи, не па-
раллельные оси, проходящие через линзу в вертикальной плоскости, от-
личается от расстояния, на котором фокусируются лучи, проходящие
через линзу в горизонтальной плоскости. В результате изображение рас-
плывается (рис. 4.15).
4. Кривизна поля. Изображение формируется не в плоскости, а на ис-
кривленной поверхности. В зависимости от конструкции линзы кривиз-
на может быть направлена либо в сторону линзы, либо в противопо-
ложную от нее сторону (рис. 4.16).
5. Дисторсия. Это отклонение высоты изображения от ее теоретиче-
ского (параксиального) значения. Если края изображения прямоугольни-
Рис. 4.13. Сферическая аберрация [105, 576] (воспроизводится с разрешения
John Wiley & Sons Inc.).
Оптические системы
169
ка искривлены вовнутрь, то такая аберрация называется положительной
или подушкообразной дисторсией. При искривлении наружу она назы-
вается отрицательной или бочкообразной дисторсией (рис. 4.17).
6.	Хроматическая аберрация. Световые лучи с различной длиной
волны фокусируются на различных расстояниях от линзы. Для видимо-
го диапазона спектра и для положительной линзы синий свет будет фо-
кусироваться ближе к линзе, а красный-дальше от нее (рис. 4.18).
4.1.5.1.	Предпочтительные фокальные плоскости
и отношения сопряженных расстояний
Большинство линз и систем линз проектируются так, чтобы по-
лучить оптимальные характеристики при определенных отношениях со-
пряженных расстояний. При использовании таких систем или линз
с другими отношениями сопряженных расстояний разрешение ухуд-
Линза	Второе изображение Первое изображение 	Оптическая ось
Рис. 4.15. Астигматизм.
170
Глава 4
Рис. 4.16. Кривизна поля [105, 576] (воспроизводится с разрешения John Wiley
& Sons Inc.).
шается. Для простых линз это показано на рис. 4.19. Аберрациями, на
которые сильнее всего влияет форма линзы, являются сферические абер-
рации и кома.
На рис. 4.19 предполагается, что свет приходит слева и фокусируется
справа, а форм-фактор q определяется как
q = (r2 + r1)/(r2-r1)	(4.41)
т.е. является функцией только радиусов кривизны поверхностей линзы.
Из рис. 4.19 видно, что плоско-выпуклая линза, выпуклая сторона кото-
рой обращена в сторону коллимированного пучка света, обладает очень
хорошими характеристиками в случае ее использования при бесконеч-
ном отношении сопряженных расстояний. Обращая направление лучей,
Оптические системы
171
Рис. 4.17. Дисторсия [105, 576] (воспроизводится с разрешения John Wiley &
Sons Inc.).
Рис. 4.18. Хроматическая аберрация.
/-луч белого света; 2-луч красного света; 3-луч синего света; 4-синий фокус; 5-красный фокус.
172
Глава 4
Рис. 4.19. Как сферическая аберрация, так и кома зависят от формы линзы
(коэффициент q) при бесконечном отношении сопряженных расстояний [691]
(воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Кома показана в масштабе, в десять раз превышающем масштаб для сферической аберрации.
видим, что та же линза при той же ориентации пригодна для получения
коллимированного пучка из точечного источника.
Однако когда линзы используются с протяженными объектами или
при расстояниях, меньших бесконечности, относительный вклад раз-
личных аберраций будет изменяться, что в свою очередь приводит к из-
менению формы идеальной линзы. Крайним случаем является отноше-
ние, равное единице, обычное для оборачивающих линз. При использо-
вании симметричных линз, таких, как двояковыпуклые и двояковог-
нутые, кома, дисторсия и продольные хроматические аберрации будут
исчезать при отношении сопряженных расстояний, равном единице.
В этом случае и сферическая аберрация будет минимально возможной
для одного элемента. Единственная форма, при которой минимизирует-
ся сферическая аберрация, называется «лучшей формой», поскольку не-
редко наиболее заметной, особенно вблизи оптической оси, оказывается
именно сферическая аберрация. Эта форма будет изменяться с измене-
нием отношения сопряженных расстояний и показателя преломления
материала. При бесконечном отношении и для наиболее распростра-
ненных оптических стекол наилучшая форма близка к плоско-выпуклой.
При этом же отношении наилучшей формой для германиевых линз, рас-
считанных для работы с излучением с длиной волны 10,6 мкм, является
мениск, поскольку показатель преломления германия велик (и х 4,0).
Критерием для определения наилучшей формы при любом отношении
сопряженных расстояний является равное отклонение краевых лучей на
обеих поверхностях линзы.
Оптические системы
173
Для приложений, связанных с большим полем зрения, одна линза
оптимальной формы не будет наилучшим решением проблемы, особен-
но при бесконечном отношении сопряженных расстояний, когда полу-
чается максимальная кривизна поля. Для таких приложений обычно вы-
бирают дублетные или триплетные линзы.
Для положительных синглетов и дублетов (используемых в видимом
диапазоне спектра и изготовленных из материалов с обычными показа-
телями преломления) предпочтительной фокальной плоскостью (пло-
скостью, для которой аберрации минимальны и получаются наилучшие
характеристики при бесконечном отношении сопряженных расстояний),
как правило, является плоскость, расположенная вблизи поверхности
линзы с наименьшей кривизной. Из этого правила следует, например,
что расширитель лазерного пучка, изготовленный из двух плоско-вы-
пуклых линз, будет работать лучше, если плоские поверхности обра-
щены друг к другу.
4.1.5.2.	Пересчет аберраций
Аберрации, показанные на рис. 4.13, можно масштабировать,
применив для этого значение диафрагмы, равное 5,0, или соответствую-
щую высоту луча для линз любого размера. Аберрация просто умно-
жается на новое фокусное расстояние, деленное на 10 см. И хотя абер-
рации становятся сильнее при меньших значениях диафрагмы или
большей высоте луча, относительное качество различных форм линзы,
определенное при //5,0, можно использовать при всех значениях диа-
фрагмы.
4.1.5.З.	Центрирование линз
У линз имеются: 1) оптические центры, определенные из спрое-
цированного изображения; 2) механические центры, определяемые края-
ми линзы. Если эти центры не расположены достаточно близко друг
к другу, аберрации могут оказаться значительно большими, чем пред-
сказывает простая теория. При изготовлении линз эти центры всегда
сводятся с точностью 0,1 мм с помощью шлифовки и контроля краев
линзы. Указанная величина несколько меньше для линз радиусом менее
100 мм, поскольку в этом случае легче установить точный оптический
центр.
4.1.6. Размер пятна
Размер изображения точечного источника, расположенного на
оси и находящегося на бесконечности, указывает на минимальный раз-
мер детали, которую может разрешить линза.
Полный угловой радиус изображения точки или пятна 0 приблизи-
тельно можно определить по формуле
0 ~ K(ri)D3 /2f3 + 1,22 Х/Р (радиан)
(4.42)
174
Глава 4
где D-диамегр линзы или соприкасающейся с ней диафрагмы,
К(п)- функция показателя преломления п и формы линзы, X-длина во-
лны излучения монохроматического источника. Первый член в правой
части формулы (4.42) описывает вклад аберрации, а второй-вклад ди-
фракции. При значении диафрагмы 3,0 ошибка, обусловленная членом
сферической аберрации третьего порядка, составляет около 10%, причем
она увеличивается с уменьшением диафрагмы или увеличением D. При-
мечание: D, X и / должны быть выражены в одинаковых единицах.
Линейный радиус равен произведению расстояния до изображения
и тангенса углового радиуса.
4.1.7. Оптимальный диаметр и значение диафрагмы
Дифракционный член [второй член в правой части формулы
(4.42)] обратно пропорционален диаметру D, в то время как вклад сфери-
ческой аберрации [первый член в правой части формулы (4.42)] увели-
чивается как D3. Должен существовать оптимальный диаметр Dopl или
оптимальное значение диафрагмы (f/D)opt, для которого угловой радиус
размытого пятна минимален.
Оптимальное значение D для бесконечного отношения сопряженных
расстояний равно
Dopt = [2- 1,22Х/ЗК(и)]1/4/3/4	(4.43)
а соответствующее оптимальное значение диафрагмы равно
(//£)opt = [3/К(п)/(2.1,22Х)]1/4	(4.44)
Оба этих значения зависят от фокусного расстояния f. Однако опти-
мальное значение диафрагмы зависит от f очень слабо (пропорциональ-
но корню четвертой степени из /). Вблизи минимума размер пятна не
чувствителен к размеру диафрагмы.
При конечных отношениях сопряженных расстояний эти формулы
усложняются, но правильный результат с точностью до порядка вели-
чины можно получить и без изменения приведенных выше формул.
Функция К(п) для линз трех различных форм будет иметь вид:
1.	Линза наилучшей формы (асимметричная, минимальные сфериче-
ские аберрации):
К (и) = [и2 - п(2п + 1)2/4(и + 2)]/32(и - I)2	(4.45)
2.	Плоско-выпуклая линза (искривленная поверхность обращена
к бесконечному отрезку):
К(п) = (и2 - 2п + 2/и)/32(и - I)2	(4.46)
3.	Симметричная двояко-выпуклая линза:
К(п) = (п2-п- 1/4 + 1/2и)/32(и- I)2
(4.47)
Оптические системы
175
Таблица 4.2. Приближенные угловые радиусы пятна для некоторых видов линз
(и = 1,52288 и X = 587,6 нм) [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland)
Форма линзы	Фокусное рас- стояние, мм	Приближенное оптимальное значение D, мм	Приближенное оптимальное значение диафрагмы	Приближенный угловой радиус пятна, 10“4 рад
Асимметричная наилучшей формы	55	5,96	9,22	1,60
Плоско-выпук- лая	8,0	1,38	5,79	6,92
»	55	5,87	9,37	1,63
»	1000	51,67	19,35	0,185
Симметричная	55	5,31	10,36	1,80
двояковыпук-
лая
В табл. 4.2 приведены приближенные угловые радиусы пятна для
линз некоторых видов.
Иногда удобным параметром для оценки качества линз и систем
линз, имеющих равные эквивалентные фокусные расстояния, является
оптимальное значение диафрагмы для осевого и внеосевого расположе-
ния источника. Чем меньше нормированное оптимальное значение диа-
фрагмы (чем больше размер рабочей апертуры), тем лучше рабочие
характеристики.
Из табл. 4.2 видно, что диаметр линзы наилучшей формы с фокус-
ным расстоянием 55 мм, работающей при оптимальном диаметре апер-
туры, лишь на 1,5% превышает диаметр плоско-выпуклой линзы с тем
же фокусным расстоянием. Угловой радиус пятна при аксиальном распо-
ложении источника для этого фокусного расстояния уменьшается только
на 1,8%. Из приведенных выше приближенных соотношений можно оп-
ределить, что полный угловой радиус пятна для линзы с Dopt равен 4/3
дифракционного вклада, а это минимальная физически достижимая ве-
личина. В общем случае при произвольном значении диафрагмы этот
радиус изменяется от 4/3 до (1 + ос4/3), где
& = D/Dopt	(4.48)
На рис. 4.20 показано возрастание размера пятна при увеличении
поля зрения для плоско-выпуклых линз в предпочтительной ориента-
ции. Каждая линза используется при оптимальной величине D (когда
источник расположен на оси) и бесконечном отношении сопряженных
176
Глава 4
расстояний. Размер пятна вне оси на естественно искривленной фокаль-
ной поверхности (искривленное поле) намного меньше, чем в случае па-
раксиальной фокальной плоскости (плоское поле).
На рис. 4.20 в качестве единицы измерения углового радиуса пятна
выбран радиус диска Эйри l,22/DOpt- Для разных линз он имеет раз-
личные значения, и поэтому оказывается, что линзы с большим фо-
кусным расстоянием при расположении источника вне оси ведут себя не
так, как линзы с меньшим фокусным расстоянием. Однако диск Эйри
для больших линз очень мал. Если вместо него ввести согласованные
единицы углового радиуса (например, 10” 4 рад) для всех линз, то луч-
шие характеристики при работе с внеосевым расположением объекта
будут получаться для линз с наибольшим фокусным расстоянием.
Расстояние до объекта, при котором симметричная двояковыпуклая
линза и плоско-выпуклая линза (с обращенной к объективу выпуклой
стороной) обладают равными сферическими аберрациями, приблизи-
§
to
Рис. 4.20. Угловые радиусы пятна как
функции поля зрения для плоско-вы-
пуклых линз в предпочтительной
ориентации при бесконечном отноше-
нии сопряженных расстояний [691]
(воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
В контакте с каждой линзой находится сцентриро-
ванная диафрагма оптимального размера (миними-
зирующая угловой радиус внеосевого пятна).
Оптические системы
177
S
I
Получение мнимого
изображения
реальных
объектов
В этой области, где размер пятна в основном определяется
дифракцией, форма и ориентация линзы не играют роли
Оптимальный уровень значения диафрагмы-------------
Получение действа- Получение действи- Получение действи-
тельного изображе- -------*---- ---------- J
ния реальных объектов
при промежуточных
расстояниях
тельного изображе- >
пая реальных объектов i
при промежуточных
расстояниях
тельного изображе-
нияреальных объектов
при больших
расстояниях
’<»	5,0	0,2
Отношение сопряженных расстояний
6Р
1,Zf
Расстояние до объекта
Рис. 4.21. Форма линзы, предпочтительная с точки зрения минимизации сфери-
ческой аберрации для объекта, расположенного слева [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Предполагается, что n = 1,523 на длине волны 587,6 нм, хотя все результаты справедливы во всем видимом
и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. При очень больших углах зрения становятся заметными другие
аберрации, особенно кривизна поля.
тельно равно 8/(и2 — 1)/(4и2 — п — 6) и не зависит от величины диа-
фрагмы, хотя, конечно, следует сравнивать линзы с равными значения-
ми диафрагм.
На рис. 4.21 показаны предпочтительные формы линз при раз-
личных отношениях сопряженных расстояний для случая расположения
объекта на оси. При значениях диафрагм, больших оптимальных, когда
размер пятна в основном определяется дифракцией, а не аберрацией, на
выбор формы линзы накладывается меньше ограничений.
4.1.8.	Плоско-выпуклые линзы
Плоско-выпуклые линзы (рис. 4.22) имеют положительные фо-
кусные расстояния, собирают падающий свет и образуют как действи-
тельные изображения, которые можно сфокусировать на экране, так
и мнимые изображения, наблюдаемые через линзу при применении ее
в качестве увеличительного стекла. Они достаточно хорошо аппрокси-
мируют линзу наилучшей формы для бесконечных или очень больших
отношений сопряженных расстояний, причем предпочтительная фокаль-
ная плоскость располагается рядом с плоской поверхностью.
Эти линзы широко применяются в оптических приемниках, увеличи-
телях, коллиматорах и конденсорах. Когда требуется передавать свет от
источника с максимальной эффективностью, используются пары пло-
12-644
178
Глава 4
ско-выпуклых линз, ориентированных сферическими поверхностями
друг к другу. Отношение сопряженных расстояний конденсора можно
изменять, используя пары плоско-выпуклых линз с различающимися
фокусными расстояниями.
4.1.9.	Двояковыпуклые линзы
Двояковыпуклые линзы (рис. 4.23) имеют положительные фо-
кусные расстояния и могут формировать действительные и мнимые
изображения. Все стандартные двояковыпуклые линзы симметричны.
Если отношение сопряженных расстояний равно единице (s = s' = 2f),
то кома, дисторсия и поперечная хроматическая аберрация (разд. 4.1.5)
почти полностью гасятся. Эффективность гашения уменьшается при
отклонении этого отношения от единицы. При единичном отношении
сферические аберрации не гасятся, но они оказываются минимально
возможными для одного элемента, что соответствует наилучшей форме
линзы для данного отношения сопряженных расстояний.
Рис. 4.23. Двояковыпуклая линза.
Оптические системы
179
Рекомендуется применять симметричные двояковыпуклые линзы для
получения мнимых изображений реальных объектов и при положи-
тельных отношениях сопряженных расстояний, равных 0,2-5. За пре-
делами этого интервала предпочтительнее плоско-выпуклые линзы,
если только короткие фокусные расстояния обеспечивают достаточно
резкое изображение. Поскольку оптическая сила симметричной линзы
определяется обеими ее поверхностями, можно изготовить такую линзу
с фокусным расстоянием, меньшим, чем у плоско-выпуклой линзы,
при одинаковых диаметре и радиусе кривизны поверхности.
4.1.10.	Плоско-вогнутые линзы
Плоско-вогнутая линза (рис. 4.24) имеет отрицательное фокус-
ное расстояние; она формирует расходящийся световой пучок из колли-
мированного и образует только мнимые изображения, которые наблю-
даются через линзу. Она часто используется для расширения световых
пучков или для увеличения фокусных расстояний при заданных аберра-
циях.
Сферические аберрации плоско-вогнутой линзы близки к минималь-
но возможным при отрицательных, бесконечных или близких к беско-
нечным отношениях сопряженных расстояний, когда вогнутая поверх-
ность обращена в сторону большего из сопряженных расстояний.
Коллимированный пучок, попадающий на искривленную поверхность,
преобразуется в расходящийся на выходе из плоской поверхности. Рас-
ходящийся пучок воспринимается как исходящий из виртуального то-
чечного источника меньшего размера (почти дифракционно ограничен-
ного), чем в случае попадания коллимированного пучка на плоскую
поверхность.
Если изменить ход лучей, то сходящийся пучок будет преобразовы-
ваться в коллимированный при падении на плоскую поверхность; при
преобразовании такого рода будут появляться дополнительные аберра-
ции, поскольку сходящийся пучок уже может содержать сферические
Рис. 4.24. Плоско-вогнутая линза.
12*
180
Глава 4
аберрации. В зависимости от их знака плоско-вогнутая линза может ли-
бо увеличивать, либо уменьшать суммарные аберрации системы линз.
Таким образом в некоторых случаях противоположная ориентация эле-
мента позволяет уменьшить суммарные аберрации системы линз.
4.1.11.	Двояковогнутые линзы
Двояковогнутая линза (рис. 4.25) имеет отрицательные фо-
кусные расстояния; она формирует расходящийся пучок из коллимиро-
ванного и образует только мнимые изображения, наблюдаемые через
линзу. Она часто используется для расширения световых пучков или
для увеличения фокусных расстояний в оптических системах и, как пра-
вило, применяется в комбинации с другими линзами. Все стандартные
двояковогнутые линзы симметричные. В продаже имеются разно-
образные отражающие, частично отражающие и антиотражающие по-
крытия, которые можно наносить на линзы.
4.1.12.	Мениски
Мениски (рис. 4.26) широко применяются в проекторах, фо-
тоаппаратах, увеличителях и других оптических системах. Особенно
удобны они для быстрой сборки оптических систем. Фокусные расстоя-
ния системы изменяются ступенчато при замене одного мениска на дру-
гой либо плавно путем изменения расстояния от мениска до используе-
мой в паре с ним линзы. Положительные мениски уменьшают фокусное
расстояние системы линз, а отрицательные увеличивают. Для получения
наилучших характеристик системы при использовании одного мениска
и положительные, и отрицательные линзы следует ориентировать так,
чтобы поверхность с меньшим радиусом кривизны была обращена
в сторону большего из сопряженных расстояний. У менисков всегда од-
на, а иногда и обе главные точки лежат вне линзы.
Рис. 4.25. Двояковогнутая линза.
Оптические системы
181
Рис. 4.26. Положительный (а) и отрицательный (б) мениски.
Для того чтобы найти приближенное фокусное расстояние комбина-
ции линза-близкорасположенный мениск, надо проделать следующие
операции:
1.	Вычислить оптическую силу линзы по формуле
оптическая сила = 1000/фокусное расстояние (мм) (диоптрии) (4.49)
2.	Прибавить оптическую силу мениска, выраженную в диоптриях,
к оптической силе линзы.
3.	По сумме оптических сил с помощью формулы (4.49) найти фо-
кусное расстояние комбинации.
4.1.13.	Цилиндрические линзы
Цилиндрические линзы (рис. 4.27) используются тогда, когда
требуется получить увеличение только вдоль одной оси, как, например,
в случае преобразования точечного изображения в изображение линии
или при изменении высоты изображения без изменения его длины. Все
сведения, касающиеся аберраций и отношения сопряженных расстояний
(разд. 4.1.5) для плоско-выпуклых линз, применимы также и к цилин-
дрическим линзам, хотя создаваемое ими изображение одномерное, а не
двумерное.
Стандартные цилиндрические линзы-это плоско-выпуклые линзы
прямоугольной формы. Для получения линзы круглой формы стандарт-
182
Глава 4
Рис. 4.27. Цилиндрические линзы.
ную линзу можно перешлифовать, закруглив края до заданного диамет-
ра. Выпускаются также отрицательные цилиндрические линзы.
4.1.14.	Ахроматические линзы
Ахроматические дублеты (объективы) обычно состоят из поло-
жительного элемента, изготовленного из крона, и отрицательного эле-
мента, изготовленного из флинта (рис. 4.28), которые склеиваются вме-
сте. Каждый элемент точно компенсирует хроматическую аберрацию
другого на двух различных, далеко отстоящих друг от друга длинах
Рис. 4.28. Ахроматический дублет.
Оптические системы
183
Рис. 4.29. Преломление света в ахроматическом дублете.
волн. Этими длинами волн являются спектральные линии F и С водо-
рода (486,1 и 656,3 нм, синяя и красная соответственно). Для остальных
длин волн фокусное расстояние мало меняется по сравнению с его вели-
чиной для указанных двух спектральных линий (рис. 4.29). В большин-
стве случаев этим изменением можно пренебречь и для всего видимого
спектра использовать одно значение фокусного расстояния.
4.1.15.	Ахроматические триплеты Хастингса
Ахроматический триплет Хастингса (рис. 4.30) включает сим-
метричный двояковыпуклый элемент, изготовленный из флинта
с малым показателем преломления. Этот элемент вклеивается оптиче-
ски между двумя идентичными менисками, изготовленными из крона.
Поскольку структура таких триплетов симметрична, они удовлетворяют
«принципу симметрии», когда отношение сопряженных расстояний рав-
но единице. В частности, кома, дисторсия и поперечная хроматическая
аберрация равны нулю при таком отношении. В отличие от ахромати-
ческих дублетов эти линзы имеют очень хорошие параметры во всем
интервале отношений сопряженных расстояний (от единицы до беско-
нечности), а также для мнимых изображений. Они ахроматизированы
на красную и синюю линии водорода (С и F соответственно) и скон-
струированы (с учетом ограничений, накладываемых симметрией) так,
чтобы получить минимальную сферическую аберрацию, кому, кривизну
Рис. 4.30. Симметричная ахроматическая тройная линза (триплет Хастингса).
184
Глава 4
поля и дисторсию при бесконечном отношении сопряженных расстоя-
ний. Благодаря симметрии они обладают свойством обратимости, у них
нет предпочтительной фокальной плоскости при бесконечном отноше-
нии сопряженных расстояний и отсутствуют предпочтительные сопря-
женные плоскости при других значениях этого отношения. Из них полу-
чаются хорошие оборачивающие объективы, и они превосходят
дублеты по своим характеристикам, особенно при внеосевом располо-
жении объекта.
4.1.16.	Асферические линзы
Асферическая линза (рис. 4.31) имеет намного меньшее фокус-
ное расстояние, чем сферическая стеклянная линза равного диаметра и
с такой же сферической аберрацией. Такая линза имеет только одну ас-
ферическую поверхность, другая поверхность либо плоская, либо сфери-
чески вогнутая или выпуклая. Правильно изготовленная асферическая
поверхность линзы либо полностью устраняет сферическую аберрацию,
либо сильно уменьшает и сферическую аберрацию, и кому (в этом слу-
чае система называется апланатической). Таким образом можно скон-
центрировать больше энергии на участке малого размера. В отсутствие
асферической поверхности краевые лучи, входящие в линзу или выходя-
щие из нее вблизи края, могут претерпеть значительные аберрации и не
будут участвовать в освещении мишени. С помощью асферической по-
верхности эти лучи сводятся на мишень, что позволяет использовать
всю светособирающую поверхность линзы при значениях диафрагмы
менее 0,6.
Асферические линзы идеально подходят для приложений, требую-
щих низких значений диафрагмы и большого выхода света. Так, напри-
мер, их можно использовать в качестве элементов, расположенных
вблизи источника света в конденсорных, проекционных (рис. 4.32) и ос-
ветительных системах, а также в установках для оптической связи,
устройствах контроля загрязнений окружающей среды и химического
состава и т.д.
Рис. 4.31. Асферическая линза.
Оптические системы
185
Рис. 4.32. Использование асферической линзы в проекционной системе [691]
(воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
/-вогнутое зеркало, 2-источник света, 3 - асферическая линза; 4 -тепловой фильтр; 5-плоско-выпуклая лин-
за; б-плоскость фотопленки; 7-проекционная линза; 8-лучи в этой области почти параллельны оси.
На рис. 4.32 показана типичная проекционная система, в которой ис-
пользуется асферическая линза в комбинации с плоско-выпуклой сфери-
ческой линзой. Асферическая поверхность, обращенная в сторону беско-
нечного сопряженного отрезка, позволяет получить почти одинаковые
отклонения лучей на обеих поверхностях. В результате минимизируют-
ся потери на отражение. Отношение сопряженных расстояний комбина-
ции с помощью изменения фокусного расстояния плоско-выпуклого
элемента можно подобрать таким, чтобы получились минимальные
аберрации. Для отношений, близких к единице, плоско-выпуклую линзу
следует заменить на вторую асферическую линзу, ориентированную та-
ким образом, чтобы асферические поверхности были обращены друг
к другу. Для отношений, намного меньших единицы, следует поменять
местами оба оптических элемента.
Асферические линзы используются либо в оптических системах, по-
казанных на рис. 4.32, либо отдельно при больших и бесконечных отно-
шениях сопряженных расстояний. Когда требуется получить резкий фо-
кус, особенно эффективна асферическая линза с плоской второй
поверхностью; она дает очень малое пятно и резкое изображение на
оси. Используется она отдельно или в комбинации даже при полной
апертуре.
Такие линзы выпускаются с тремя различными вторыми поверхно-
стями: плоской, сферической выпуклой и сферической вогнутой
(рис. 4.33). Каждый тип обладает своими достоинствами:
1.	Асферическая линза со второй плоской поверхностью имеет мини-
мальные аберрации.
2.	Асферическая линза со сферической выпуклой второй поверх-
ностью имеет самые низкие значения диафрагмы и наибольшее пропус-
кание, поскольку в этом случае получаются равные отклонения краевых
лучей. Такая линза характеризуется большими допусками на источник
света и для нее требуется принудительное воздушное охлаждение.
186
Глава 4
Рис. 4.33. Сечений трех типов стан-
дартных асферических линз с вогнутой
(1), выпуклой (2) и плоской (3) задней
поверхностью [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
3.	Асферическая линза с вогнутой сферической второй поверхностью
нагревается однороднее других линз при установке вблизи мощного ис-
точника света.
Стандартные асферические линзы работают при температурах до
177°С, но выпускаются и такие линзы, которые могут работать при тем-
пературах до 370°С. При всех температурах (особенно вблизи допу-
стимых границ) тепловые удары, неоднородные тепловые нагрузки
и внешние механические напряжения следует сводить к минимуму. На-
несение покрытий позволяет значительно улучшить пропускание всех
асферических линз.
Для асферических линз можно использовать параксиальные фор-
мулы линзы, поскольку радиус кривизны асферической поверхности
является плавной функцией положения на ней и имеет одно значение
у вершины. Для описания идеального профиля асферической поверхно-
сти необходимо более сложное выражение, если линза находится внутри
оптической системы. Асферические линзы проектируются с помощью
вычислительных машин, которые также управляют работой станков
с алмазным инструментом.
4.1.17.	Линзы Френеля
Поверхность асферической линзы Френеля (рис. 4.34) состоит из
множества круговых концентрических участков. Каждое кольцо
изготовляется таким образом, чтобы лучи отклонялись точно в точку
желаемого фокуса, благодаря чему линза Френеля может быть значи-
тельно тоньше простой асферической линзы. На рис. 4.34 показано со-
отношение между простой асферической поверхностью и асферической
поверхностью Френеля. Исходная асферическая поверхность разделяет-
ся на достаточно большое число колец с плоской поверхностью, причем
наклоны поверхностей соседних колец несколько различаются. В этом
случае линза в разрезе выглядит как ряд трапеций. Преломляющая по-
верхность каждого кольца асферической линзы Френеля смещена вниз
относительно исходной асферической поверхности, а для компенсации
этого смещения необходимо несколько изменить наклон поверхности.
Наклон поверхности О (рис. 4.35) определяется следующим уравнением:
О = arctg [(sin рх + sin р2)/|/п2 — sin2 рх — cos р2]	(4.50)
где pi = arctg (h/s), р2 = arctg (h/sf)
(4.51)
Оптические системы
187
Поверхность Френеля с трапецеидальным профилем
Рис. 4.34. Переход от простой асферической линзы к асферической линзе Френе-
ля [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Отдельная трапеция
Рис. 4.35. Действие асферической линзы Френеля, ее отдельная трапеция и связь
между соседними элементами [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
/-главные плоскости центральной зоны; 2-угол немного больше 0; 3-стенка штриха; 4-грань штриха;
5-угол немного меньше 0.
К оптической оси
188
Глава 4
и-показатель преломления, значение других символов показано на
рис. 4.35. Примечание: радиус зоны h измеряется от оптической оси до
пересечения продолжения падающего луча с первой главной пло-
скостью Н центральной зоны.
Асферическая линза Френеля обладает следующими достоинствами:
1.	Можно получить маленькие фокусные расстояния при очень боль-
ших диаметрах (низкие значения диафрагмы).
2.	При одинаковых низких значениях диафрагмы пропускание на-
много выше, чем у простых линз без покрытия. Это особенно ярко вы-
ражено для случая коллимации.
3.	Линзы Френеля изготавливаются из легких и прочных акриловых
полимеров.
4.	Все асферические линзы Френеля полностью исправлены на сфе-
рические аберрации.
5.	Благодаря исправлению сферических аберраций разрешение на
оси при полной апертуре лучше, чем у сферических плоско-выпуклых
линз с равным значением диафрагмы.
Линзы Френеля конструируются таким образом, чтобы получить оп-
тимальные характеристики, соответствующие показателю преломления
п = 1,49 приблизительно при 635 нм. Спектральная зависимость показа-
теля преломления акрилового полимера, из которого изготавливаются
линзы Френеля, показана на рис. 4.36. На рис. 4.37 показана зависи-
мость пропускания от длины волны для этого полимера.
Таким образом, полное пропускание линзы Френеля больше, чем
у простой линзы (без покрытия), при одинаковых значениях диафрагмы.
Рис. 4.36. Зависимость показателя преломления от длины волны для акрилово-
го полимера, из которого изготавливают линзы Френеля [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Оптические системы
189
Длина волны, нм
Рис. 4.37. Зависимость пропускания от длины волны для акрилового полимера,
из которого изготавливаются линзы Френеля [691] (воспроизводится с разреше-
ния Melies Griot, Arnhem, Holland).
На рис. 4.38 показано пропускание асферических линз Френеля в зави-
симости от значения диафрагмы. Сплошной линией показано суммар-
ное пропускание, т.е. отношение полной выходящей энергии к полной
входящей, в предположении, что линза целиком освещена неполяризо-
ванным белым светом. При коллимировании предполагается, что осве-
щение производится изотропным точечным источником, располо-
Рис. 4.38. Зависимость пропускания асферических линз Френеля от значения
диафрагмы [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
1 -штрихи от источника света, 2-штрихи к источнику света.
Исполъзуется
как коллиматор
Используется
как коллектор
190
Глава 4
женным в фокусе, а при сборе излучения-что освещение однородное.
Штрихпунктирными кривыми показано пропускание для краевых лучей.
Это пропускание в обоих случаях меньше полного пропускания, по-
скольку для краевых лучей углы падения и, следовательно, потери на
отражение максимальны. Полное пропускание при коллимировании вы-
ше, чем при сборе излучения, по двум причинам. Освещение точечным
изотропным источником неоднородно, причем больший вклад дают
центральные части линзы. Кроме того, при сборе излучения в линзе
проявляются эффекты затенения, которые отсутствуют при коллимиро-
вании. Именно вследствие внутреннего затенения краевое пропускание
ниже при сборе излучения, чем при коллимировании.
Для линз Френеля необходимо различать диаметр полезной «чистой
апертуры» (линованная или гравированная область) и внешний диаметр
акрилового блока, так как штрихи наносятся не на всю поверхность.
Линзы Френеля следует брать только за оправу и не допускать образо-
вания царапин. Максимальная рабочая температура для линз, изгото-
вленных из акрилового полимера, равна 80-90°С, пропускание в диапа-
зоне 400-1100 нм составляет 90%.
4.1.18.	Одинарные линзы для фокусировки
лазерных линий
Эти линзы предназначены для фокусировки лазерного пучка
в пятно минимального размера и максимально возможной интенсивно-
сти без использования асферических элементов. При оптимальном зна-
чении диафрагмы /opt (рис. 4.39) эти линзы будут создавать искажения
волнового фронта размером только около Х/20 в центральной области,
составляющей 80% сечения пучка:
/opt = |/ЗК(и)В4/(2-1,22Х)	(4.52)
где К (и)-функция показателя преломления, D- диаметр лазерного пуч-
ка (рис. 4.39), X-длина волны лазерного излучения.
Для лазерных пучков с гауссовым распределением интенсивности
удобно выбирать в качестве D диаметр контура в сечении пучка, в кото-
ром сосредоточено 99% мощности излучения; диаметр этот равен 3/2
диаметра контура по уровню интенсивности 1/е2 (рис. 4.39). Если цен-
тральная зона диаметром D освещается однородной плоской волной, то
радиус сфокусированного пятна (в микронах) будет равен
г = 4000(1,22X)/opt/3D	(4.53)
где yopt, X и D выражаются в миллиметрах.
Значения радиуса пятна приведены в табл. 4.3. Размеры пятен для
многомодовых лазеров или для пучков излучения с большой расходи-
мостью будут больше, чем приведенные в табл. 4.3. В таких случаях
к выражению (4.53) для г надо добавлять член вида 103/opttg0fe, где
0^-угловой радиус лазерного пучка.
Оптические системы
191
Рис. 4.39. Одинарная линза для фокусировки лазерной линии [691] (воспроизво-
дится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Показана связь между размером гауссова пучка, диаметром D зоны, для которой оптимизировано значение
диафрагмы, и диаметром ф. Для пучков, более однородных, чем гауссов, диаметр D все еще остается равным
диаметру контура, в котором сосредоточено 99% мощности излучения.
Таблица 4.3. Характеристики синглетных линз для фокусировки лазерных ли-
ний [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland)
Длина волны, нм	Тип лазера	Диаметр пучка по уровню 1/е2, мм	D, мм	ф, мм Материал		f, ММ	Радиус пятна, мкм
265,0	Nd/4		а	47	50	Супрасил	1 1150	10,5
325,0	HeCd	1,5	2,3	10	99	20	4,5
*325,0	HeCd		а	47	50	99	1100	12,3
337,1	n2		б	25	30	99	450	10,2
337,1	n2		а	47	50	99	1100	12,6
351,1	Ar	1,6	2,4	10	99	20	4,8
351,1	Ar		а	47	50	UBK-7	1000	12,3
363,8	Ar	1,6	2,4	10	Супрасил	1	20	4,9
363,8	Ar		а	47	50	UBK-7	1000	12,6
488,0	Ar	1,6	2,4	10	ВК-7	18	5,8
488,0	Ar		а	47	50	99	900	15,5
514,5	Ar	1,6	2,4	10	99	17	6,0
514,5	Ar		а	47	50	99	900	16,1
530,0	Nd/2		а	47	50	99	900	16,4
632,8	HeNe	0,8	1,2	5	99	7	5,5
632,8	HeNe	1,0	1,5	5	99	9	5,9
632,8	HeNe	1,2	1,8	5	99	И	6,3
632,8	HeNe	2,0	3,0	10	99	22	7,4
632,8	HeNe		а	47	50	99	850	18,6
694,3	Рубиновый		б	10	15	99	100	11,8
694,3	Рубиновый		а	47	50	99	800	19,9
905,0	GaAsB		а	47	50	99	750	23,7
1060,0	Nd		3.	47	50	99	700	26,4
& Линзы приемника; диаметр по уровню 1/е2 использовать нельзя.
Выходной пучок излучения лазера не гауссов.
в При 300 К.
192
Глава 4
Для облегчения работы с линзами и применения крепежных колец
в оправе диаметры линз выбираются несколько большими. Важно,
чтобы входной пучок лазерного излучения был точно сцентрирован
с линзой, а диаметр его был приблизительно таким, для которого пред-
назначена линза.
Подобные линзы применяются в таких областях, как сварка, сверле-
ние, резание (тканей, пиломатериалов, стали, алмазов), накачка других
лазерных систем, получение нелинейных эффектов (генерация гармоник,
параметрическая генерация, нелинейная спектроскопия), получение сти-
мулированного рассеяния Рамана и Бриллюэна, изучение многофо-
тонных процессов (возбуждение и эмиссия электронов, диссоциация мо-
лекул), получение плазмы, исследование стойкости к разрушению под
действием лазерного излучения и т.д.
4.1.19.	Расширители пучка лазерного излучения
(часть 1)
Диаметр выходного пучка типичного лазера не превышает не-
скольких миллиметров, что недостаточно для многих приложений, а по-
этому выходной пучок необходимо расширять. Для значительного рас-
ширения пучка используются объективы с малыми фокусными расстоя-
ниями (называемые расширителями), такие, как микрообъективы
(рис. 4.40).
Благодаря увеличению т, создаваемому расширителем, диаметр пуч-
ка возрастает в т раз, а угловая расходимость одновременно умень-
шается в т раз. Простейший расширитель пучка состоит из двух эле-
ментов. Если входной элемент положительный и формирует действи-
тельный сфокусированный пучок для второго элемента, то расширитель
называется кеплеровским. Если входной элемент отрицательный и фор-
мирует виртуальный фокус пучка для второго элемента, такой расшири-
тель называется галилеевским. Преимущества галилеевского расширите-
ля: 1) минимальная длина системы; 2) минимальный риск возникнове-
ния индуцированного лазерным излучением пробоя газа между
элементами; 3) лучшее подавление сферической аберрации по сравне-
нию с кеплеровскими расширителями, хотя пространственная фильтра-
ция возможна только при использовании кеплеровских расширителей.
Расширенный таким способом лазерный пучок испытывает дифрак-
ционные возмущения и оказывается непригодным для большинства
лазерных приложений. Эти возмущения в основном вызываются части-
цами пыли и царапинами на оптических поверхностях, но могут возни-
кать также и вследствие неидеальности изготовления оптических компо-
нентов и многократных отражений на поверхностях линз. Все это
приводит к образованию вторичных волн, проходящих через фокальные
плоскости объектива в различных местах и с другими распределениями
интенсивности по сравнению с требуемой волной. Эти нежелательные
вторичные волны интерферируют с первичной волной, и в результате
Оптические системы
193
Рис. 4.40. Ход лучей в микрообъективе [691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
Экспериментально найдено, что оптимальное положение пространственного фильтра соответствует его уста-
новке вблизи задней фокальной плоскости входной линзы (В-расстояние между линзами)
по сечению пучка образуются возмущающие интерференционные кар-
тины.
Поскольку эти вторичные волны проходят через фокальную плос-
кость не в том месте, где располагается фокальное пятно, их можно за-
держать, установив круглую точечную диафрагму (фильтр мод) (разд.
9.6.1) в фокусе объектива. Пучки, выходящие из расширителя, образуют
дифракционную картину с круглой центральной областью высокой ин-
тенсивности. Апертура точечной диафрагмы должна быть сцентрирова-
на с фокусом объектива. Как правило, нецелесообразно использовать
точечную диафрагму, меньшую чем
dmin = 2/X/tdv	(4.54)
где /-фокусное расстояние входного элемента, X- длина волны лазерно-
го излучения (в тех же единицах, что и / и w), w-радиус контура в сече-
нии пучка по уровню интенсивности 1/е2 на первом элементе. Чаще все-
го используются точечные диафрагмы диаметром 5, 10, 20 и 30 мкм.
Система, состоящая из расширителя (микрообъектива) и точечной
диафрагмы, называется пространственным фильтром. Строго говоря,
пространственным фильтром является только апертура точечной диа-
фрагмы.
Оба элемента расширителя пучка работают при одинаковом значе-
нии диафрагмы и, следовательно, не могут одновременно работать при
оптимальном значении диафрагмы. Размер действительного или мни-
мого фокального изображения (светового пятна), создаваемого первым
элементом для второго, значительно меньше размера, разрешаемого
вторым элементом. Лучше работать с оптимальным для большого эле-
мента значением диафрагмы, определяемым формулой для одинарной
линзы (разд. 4.1.4), в которую вместо фокусного расстояния одинарной
линзы подставляется сумма + /2 фокусных расстояний элементов, со-
ставляющих систему.
13-644
194
Глава 4
Угловой радиус расширенного пучка в дальнем поле превышает
определяемое дифракцией значение для расширенного пучка в 4/3 раза;
этот результат не зависит от коэффициента расширения. При тщатель-
ной разработке можно получить превосходные характеристики у про-
стых двухэлементных расширителей с уменьшенной полной длиной.
Распределение интенсивности большинства расширенных пучков ла-
зерного излучения гауссово. В табл. 4.4 приведены диаметр гауссова
лазерного пучка по уровню 1/е2, доля полной мощности лазерного пуч-
ка, проходящая через расширитель, доля мощности в круге радиусом
0,7 мм, для которого был разработан расширитель (Melies Griot,
Arnhem, Holland), и доля мощности вне границ этого круга.
В пределе дифракционно ограниченных характеристик можно пока-
зать, что пучки лазерного излучения можно сколлимировать на расстоя-
нии
Z = 10 “ 3[7im2/(4X)] (2w)2	(4.55)
где Z-расстояние (м), т- коэффициент расширения, X-длина волны
(мм), 2w- диаметр входного пучка по уровню 1/е2 (мм). Такая коллима-
ция достигается благодаря слабой фокусировке расширителя на середи-
Таблица 4.4. Выходная мощность расширителя пучка, выраженная в процентах
входной мощности, как функция входного диаметра гауссова пучка по уровню
интенсивности 1/е2 [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland)
Диаметр входного
пучка по уровню
интенсивности (1/е2, мм
Выходная
мощность, %
Внутри оптими-
зированной
окружности, %
Вне оптимизи-
рованной
окружности, %
0,5	100,00	100,00	0,00
0,6	100,00	100,00	0,00
0,7	100,00	99,97	0,03
0,8	100,00	99,78	0,22
0,9	99,99	99,21	0,79
1,0	99,97	98,02	1,98
1,1	99,87	96,08	3,92
1,2	99,61	93,43	6,57
1,3	99,12	90,17	9,83
1,4	98,31	86,47	13,53
1,5	97,14	82,49	17,51
1,6	95,61	78,37	21,63
1,7	93,72	74,24	25,76
1,8	91,53	70,18	29,82
1,9	89,10	66,24	33,76
2,0	86,47	62,47	37,53
Оптические системы
195
ну отрезка. В этом случае диаметр контура 1/^-интенсивности расши-
ренного пучка равен 2mw на обоих концах отрезка, а в середине отрезка
он меньше в |/2 раз.
Расширители пучка лазерного излучения (пространственные
фильтры) описаны также в разд. 9.5 (часть 2).
4.2.	ЗЕРКАЛА
Литература: 22, 493, 691.
Зеркальные системы широко используются в ультрафиолетовой
и инфракрасной областях спектра. В зависимости от конфигурации зер-
кала в общем случае можно разделить на: 1) плоские; 2) сферические; 3)
асферические. Сравнение асферического и сферического зеркал показано
на рис. 4.41.
Зеркало состоит из покрытой металлом подложки из таких материа-
лов, как оптический крон, пирекс, плавленый кварц или германий (для
инфракрасного диапазона). Наилучшим отражающим покрытием
является алюминий, защищенный окисью кремния или фтористым маг-
нием (разд. 8.14). В специальных приложениях (например, в лазерах),
когда недопустимы даже малые потери на поверхности металла, отра-
жающие покрытия зеркал выполняются из многослойных диэлектриче-
ских пленок (разд. 8.15).
Рис. 4.41. Геометрия сферических
и асферических зеркал.
196
Глава 4
4.2.1.	Плоские зеркала
Плоские зеркала можно получить, покрыв переднюю или зад-
нюю поверхность плоской пластинки (рис. 4.42) каким-либо подходя-
щим металлическим отражающим покрытием (разд. 8.14). Плоскост-
ность -это максимальное допустимое отклонение от идеально плос-
кой поверхности, измеренное в долях длины волны зеленой линии
ртути (546 нм). Этот параметр часто называют полным отклонением от
идеала. Величина плоскостности задается для центральной области, со-
ставляющей 90% чистой апертуры. Качество внешних 10% поверхности,
как правило, хуже допустимой величины в один-два раза (вследствие за-
вала краев при обработке).
Все плоские зеркала обладают инверсией, т. е. преобразуют правую
координатную систему объектного пространства в левую в простран-
стве изображения. Для получения четного или нечетного числа инверсий
можно использовать системы, состоящие из нескольких плоских зеркал.
Если зеркало повернуть на угол а, отраженный пучок переместится на
угол 2а (рис. 4.43). Вращающиеся плоские зеркала применяются в моду-
ляторах, устройствах отклонения пучка и устройствах вращения изобра-
жения.
Рис. 4.42. Плоские зеркала.
а-зеркало на передней поверхности, б-зеркало на задней поверхности
Рис. 4.43. Пучок, отраженный от по-
вернутого зеркала.
Оптические системы
197
4.2.2.	Сферические зеркала
Литература 132
Сферическое зеркало (сферический отражатель)-это часть
твердой сферы, покрытой металлическим отражающим покрытием. Все
покрытия, применяемые для изготовления плоских зеркал, можно ис-
пользовать и для получения сферических зеркал. Сферические зеркала
подразделяются на: 1) вогнутые (рис. 4.44), 2) выпуклые (рис. 4.45). Лю-
бой параллельный внеосевой пучок лучей будет фокусироваться в точку
на фокальной плоскости, проходящей через точку F (рис. 4.44 и 4.45)
перпендикулярно оптической оси.
Фокусное расстояние f определяется уравнением
l/f=l/s+l/s'	(4.56)
где s- расстояние до объекта, s' - расстояние до изображения (рис. 4.46).
Примечание: формула для фокусного расстояния выполняется лишь
при соблюдении следующих правил знаков: 1) f положительно для во-
гнутых зеркал (радиус кривизны г < 0), и изображение, формируемое
перед зеркалом, действительное; 2) f отрицательно для выпуклых зеркал
(г > 0), и изображение, формируемое за зеркалом, мнимое; 3) s положи-
Рис. 4.44. Вогнутое сферическое зеркало на передней поверхности.
Рис. 4.45. Выпуклое сферическое
зеркало на передней поверхности.
198
Глава 4
тельно для действительного объекта, расположенного слева от Я; 4)
s отрицательно для мнимого объекта, расположенного справа от Н; 5)
s' положительно для действительного изображения, расположенного
слева от Н; 6) s' отрицательно для мнимого изображения, расположен-
ного справа от Н.
Основные свойства сферических зеркал перечислены в табл. 4.5.
Остальные их свойства аналогичны соответствующим свойствам линз
(разд. 4.1.2). Вогнутые сферические зеркала (отражатели) часто исполь-
зуются для увеличения выхода света в осветительных или проек-
ционных системах благодаря увеличению эффективности использования
светового источника. Для этой цели отражатель устанавливается так,
что центр его кривизны совпадает с источником, а сам отражатель на-
ходится на противоположной относительно конденсора стороне
(рис. 4.32).
Таблица 4.5. Основные свойства сферических зеркал
Положение объекта	Изображение, создаваемое вогнутым зеркалом			
	тип	положение	ориентация	относительный размер
оо > s > 2/	Действитель-	/<S'<2/	Перевернутое	Уменьшается
	ное			
5 = 2/	»	s'= 2/	»	Не изменяется
/< s < 2/	»	2f< s' < оо	»	Увеличивается
s =/		+ 00		
5</	Мнимое	1 s' I > s	Прямое	»
	Изображение, создаваемое выпуклым зеркалом			
Положение	тип	положение	ориентация	относительный
объекта				размер
Любое	Мнимое	1 5'1 <|/|	Прямое	Уменьшается
Оптические системы
199
4.2.3.	Асферические зеркала
Литература 132
Асферическое зеркало (асферический отражатель)-это часть
сплошного гиперболоида (рис. 4.47) или сплошного эллипсоида
(рис. 4.48), покрытая металлическим отражающим покрытием. Асфери-
ческие зеркала подразделяются на вогнутые (рис. 4.47, а и 4.48, а) и вы-
пуклые (рис. 4.47, б и 4.48,6). Эти зеркала дают идеальное изображение
между парой сопряженных точек на оси, соответствующих их двум
фокусам.
Асферические отражатели являются основой: 1) высокоэффективных
осветительных систем; 2) светособирающих систем; 3) светоконцентри-
рующих систем. Высокая эффективность достигается благодаря тому,
что сбор излучения или его концентрация могут производиться в очень
больших телесных углах, что вытекает из фундаментальных геометриче-
ских свойств параболы и эллипса:
1.	Параболический отражатель (рис. 4.49). Касательная к параболе
образует равные углы с осью параболы и линией, проведенной из фоку-
са в точку касания. В этом случае из закона отражения следует, что лу-
чи, проходящие через фокус, отражаются параллельно оси, и наоборот.
2.	Эллиптический отражатель (рис. 4.50). Лучи, проходящие через
одну фокальную точку эллипса (или исходящие из нее), после отражения
должны пройти через другую фокальную точку.
В таких ситуациях, когда геометрические фокусы являются оптиче-
скими сопряженными точками, и параболическая, и эллиптическая по-
верхности свободны от сферической аберрации. Полезное поле зрения
для получения изображения очень мало, поскольку внеосевые аберрации
велики. Для приложений, связанных с освещением и сбором излучения,
этого поля зрения вполне достаточно.
Изготовить элементы асферических поверхностей значительно труд-
нее, чем сферических. Такие отражатели получают с помощью процесса
электролитической репликации, в котором очень точно воспроизводится
Рис. 4.47. Сплошные гиперболические зеркала: вогнутое (а) и выпуклое (б).
200
Глава 4
Рис. 4.48. Сплошные эллиптические зеркала: вогнутое (а) и выпуклое (б)
Рис. 4.49. Параболический отражатель
[691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
Лучи, параллельные оси, отражаются в фокус, f из-
меряется относительно вершины, а не плоскости от-
верстия Положение фокуса лучше всего определять
экспериментально
Рис. 4.50. Эллиптический отражатель [691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
Лучи, проходящие через любой фокус, должны после отражения пройти через другой фокус. Фокусы являют-
ся сопряженными точками, а изображение стигматическое. Положение фокусов лучше всего определять
экспериментальнс
Оптические системы
201
геометрия и отделка точно выполненной эталонной поверхности. Реп-
ликация начинается с электролитического нанесения никелевой подлож-
ки такой толщины, при которой получаются нужные механические свой-
ства. После отделения от эталона на никелевую подложку электролити-
ческим способом наносится прочная и долговечная родиевая пленка
с высоким коэффициентом отражения. Эта пленка хорошо отражает
ультрафиолетовое, инфракрасное и видимое излучение (разд. 8.14). Она
хорошо прилипает к никелю в широком температурном диапазоне, не
окисляется и не тускнеет даже при высоких температурах и в атмосфе-
ре, обогащенной озоном. Такие отражатели идеально подходят для при-
менения в современных дуговых источниках высокой мощности и ин-
тенсивности и обычно хорошо работают при температурах до 260°С.
После отражения от реплики луч не будет отклоняться от идеального
направления более чем на-2 дуговые минуты.
Отражатели с подобными поверхностями можно применять во мно-
гих областях: 1) коллимирование источников большой мощности; 2)
флеш-фотолиз; 3) лазерная накачка; 4) сбор солнечной энергии; 5) моде-
лирование солнечного излучения; 6) волоконная оптика (в качестве
входного осветителя); 7) интерферометрия высокой интенсивности; 8)
эффективное освещение площадей, получаемое при контролируемой
расфокусировке.
Эллиптические отражатели применяются в конденсорных и освети-
тельных системах. Один простой эллиптический отражатель по суще-
ству может выполнять все функции конденсора. Объединенные в пару
такие отражатели могут почти полностью окружать источник и ми-
шень, благодаря чему достигается предельная эффективность переноса
излучения [например, в случае оптической связи в лазерах (разд.
16.3.1.3)].
Отверстия в параболических и эллиптических отражателях позво-
ляют применять короткие ртутные или ксеноновые лампы. Вследствие
различий размеров ламп их оптимальное положение следует определять
экспериментально, для чего держатели ламп снабжаются регулиро-
вочными элементами.
Фокусные расстояния отражателя определяются относительно его
вершин, не лежащих в плоскости отверстий. И по этой причине лучше
определять оптимальное положение лампы экспериментально. В связи
с таким определением для эллипсоидов особенно полезно знать рас-
стояние между фокусами s'-s (рис. 4.50). Когда источник и мишень на-
ходятся на этом расстоянии друг от друга, остается найти лишь опти-
мальное относительное положение лампы и отражателя.
Телесные углы, стягиваемые отражателями в их фокусах (первичных
фокусах в случае эллипсоидов), определяются векторным интегралом
о = (1/4тг)^ r~-f-dA
(4.57)
202
Глава 4
Рис. 4.51. Векторы п и г в эллиптическом отражателе.
где ю-телесный угол в долях поверхности сферы; п-внешний еди-
ничный вектор, нормальный к элементу поверхности отражателя dA;
г - радиус-вектор от фокуса к элементу поверхности dA; R -область ин-
тегрирования (весь отражатель). Векторы п и г показаны на рис. 4.51.
Телесные углы удобно использовать для измерения эффективности,
с которой могут быть использованы источники (или изотропные прием-
ники), расположенные в фокусах. После умножения на коэффициент от-
ражения поверхности телесные углы (выраженные в долях поверхности
сферы) непосредственно дают эффективность отражателя. При преобра-
зовании в стерадианы их нужно просто умножить на 4тс.
С помощью эллиптического отражателя большую часть излучения
точечного источника можно преобразовать в коллимированный пучок
(рис. 4.52).
4.2.4.	Внеосевые параболические зеркала
Внеосевые параболические зеркала вырезаются из параболиче-
ских зеркал большего размера. Таким образом, маленький параболоид
оказывается асимметричным относительно своей механической оси
(рис. 4.53). Оптическая ось большого зеркала, являющаяся также опти-
ческой осью маленького параболоида, проходит вблизи от последнего.
Оба фокуса и вершина маленького параболоида располагаются на этой
оси. Таким образом, вершина маленького параболоида не находится на
его поверхности.
Внеосевые параболические зеркала идеально подходят для использо-
вания в коллиматорах, ахроматических расширителях лазерных пучков,
спектрофотометрах и других устройствах. Они также очень удобны для
юстировки оптических систем. Поскольку ось параболоида не проходит
через него, пользователь получает удобный доступ к фокальной точке
Оптические системы
203
Отверстие
Эллиптический, отражатель
Точечный
источник
Линза
Сферический
отражатель
Эллиптический отражатель
Рис. 4.52. Применение эллиптического отражателя [691] (воспроизводится с раз-
решения Melies Griot, Arnhem, Holland).
С помощью этого отражателя большую часть энергии точечного источника можно преобразовать в колли-
мированный пучок.
и значительной по размерам области вокруг нее без риска затенения.
В изображениях, сформированных вблизи фокуса, отсутствуют кома
и астигматические аберрации. В любой точке изображение свободно от
сферических аберраций и является ахроматическим. Так как поверх-
ность является параболической с точностью Х/20 для длины волны из-
лучения гелий-неонового лазера (632,8 нм), изображение в фокусе можно
считать дифракционно-ограниченным независимо от значения диа-
фрагмы.
Рис. 4.53. Внеосевое параболическое зеркало [691] (воспроизводится с разреше-
ния Melies Griot, Arnhem, Holland).
204
Глава 4
4.3.	СВЕТОДЕЛИТЕЛИ
Светоделители бывают трех типов: 1) светоделительная
пластина; 2) светоделительный кубик; 3) пленочный светоделитель. Как
правило, важным моментом при выборе типа светоделителя является
учет возможности образования паразитных изображений (рис. 4.54). Та-
кие изображения можно минимизировать или полностью устранить
с помощью: 1) широкополосного антиотражающего покрытия на
обратной стороне светоделительной пластины (разд. 4.3.1); 2) светодели-
тельного кубика (разд. 4.3.2); 3) тонкопленочного светоделителя (разд.
4.3.3), в котором основное и паразитное изображения расположены так
близко, что оказываются неразличимыми даже в приложениях, характе-
ризующихся очень короткими сопряженными расстояниями.
4.3.1.	Светоделительная пластина
Вторая поверхность светоделительной пластины (рис. 4.55), как
правило, бывает без покрытия, поэтому наблюдается слабое отражение
от ее задней поверхности (рис. 4.54). Паразитные изображения по-
являются как в отраженных, так и в прошедших пучках. Лучи, уча-
ствующие в образовании паразитных изображений объектов, располо-
женных на очень больших расстояниях, будут практически параллельны,
если поверхности пластины параллельны. Таким образом, для многих
приложений паразитные изображения не оказывают заметного влияния.
Отсюда следует, что главный луч линзы или оптической системы (луч,
пересекающий одну главную точку и затем выходящий из другой) от-
клонения не испытывает. Если не учитывать аберраций, то линза будет
отображать все параллельные лучи в одну точку, положение которой
определяется начальным направлением лучей, а не местом, в котором
они попадают на линзу. Однако для близко расположенных объектов
при коротких сопряженных расстояниях и для сходящихся и расходя-
щихся пучков лучи, участвующие в образовании паразитных изображе-
Паразитные
изображения
Объект
Частично отражаю-
щая поверхность
Поверхностъ без покрытия\.
Рис. 4.54. Паразитные изображения [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
Рис. 4.55. Светоделительная пластина
[691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
Вторая поверхность,
покрытая просветляющим
слоем НЕВВАВ^
Пропускание
Отражающая
передняя
поверхность
с покрытием 45°
Отражение
Рис. 4.56. Спектры про-
пускания (Т) и отражения
(R) различных светодели-
тельных пластин [691]
(воспроизводится с разре-
шения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
Длина волны, нм
206
Глава 4
Рис. 4.57. Светоделительный кубик.
ний, могут создавать значительные помехи и будут приводить не толь-
ко к образованию ложных изображений, но и вызывать общее ухудше-
ние контраста изображения.
Спектры пропускания и отражения в неполяризованном свете для
различных типов светоделительных пластин при угле падения 45е пока-
заны на рис. 4.56.
4.3.2.	Светоделительный кубик
Светоделительный кубик состоит из двух идентичных прямо-
угольных призм, склеенных друг с другом гипотенузными гранями
(рис. 4.57). Перед склеиванием на одну из граней в вакууме наносится
металлическая диэлектрическая пленка. Светоделитель такого типа
имеет ряд преимуществ по сравнению со светоделительной пластинкой:
1) он меньше деформируется под воздействием внешних механических
нагрузок или внутренних напряжений; 2) не создает паразитных изобра-
жений; 3) обладает превосходными характеристиками в широком интер-
вале углов падения; 4) он прочный, легко крепится и идеально подходит
для приложений, связанных с наложением пучков. На входную и выход-
ную грани обычно наносят однослойное антиотражающее покрытие.
Спектры отражения и пропускания светоделительного кубика показаны
на рис. 4.58; схема применения такого кубика для совместного наблю-
дения нескольких источников данных показана на рис. 4.59.
4.3.3.	Пленочный светоделитель
Пленочный светоделитель изготавливается из оптической ни-
троцеллюлозы, имеющей высокую прочность на растяжение. Упругая
мембрана из этого материала натягивается на черный анодированный
каркас и крепится к его притертым краям (рис. 4.60). Толщина мем-
браны равна 7 мкм, так что расстояние между основным и паразитным
изображениями при угле падения 45° составляет только около 10 мкм,
в результате чего они неотличимы друг от друга. Благодаря малой тол-
щине мембраны пленочные светоделители обладают определенными
преимуществами по сравнению с светоделительной пластинкой: хрома-
Оптические системы
207
Рис. 4.58. Спектры пропускания (Т) и отражения (Я) имеющегося в продаже све-
тоделительного кубика [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
Окуляр
Источник
света
Трубка,
отображающая
данные
Линзы системы
регистрации
Нарта
с данными
Рис. 4.59. Применение светоделительного
кубика для совместного наблюдения не-
скольких источников данных [691] (вос-
производится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
- Плоскость
фотопленки
208
Глава 4
Рис. 4.60. Пленочный светоделитель.
тические и сферические аберрации в сходящихся пучках пренебрежимо
малы, поглощение очень низкое, а проблемы, связанные с паразитными
изображениями, практически устраняются.
Пленки без покрытия пропускают приблизительно 92% падающего
излучения и отражают около 8% излучения в видимом и ближнем ин-
фракрасном диапазонах. Материал мембраны (нитроцеллюлоза) погло-
щает излучение в ультрафиолетовом диапазоне и в инфракрасном диа-
пазоне при длине волны более 2 мкм. При изготовлении светоделителей
покрытия наносятся на одну сторону мембраны. Спектры пропускания
и отражения для покрытий различных типов показаны на рис. 4.61.
В сходящемся пучке вследствие интерференции отражений от передней
и задней поверхностей появляются низкоконтрастные интерферен-
ционные полосы. Поскольку коэффициент отражения поверхности с ме-
таллическим покрытием намного выше, чем у поверхности без покры-
тия, видность (или контраст) этих интерференционных полос очень
низкая.
Пленочные светоделители часто используются при неколлимирован-
ном свете (рис. 4.62). На рис. 4.63 показано применение такого светоде-
лителя в интерферометре с пучками, ориентированными под углом
Брюстера.
На пленки не влияют механические удары, передаваемые через опра-
ву, и изменения характеристик окружающей среды. Однако они акусти-
чески связаны с атмосферой и имеют низкие резонансные частоты. Для
400 500	600 700
to 1,4	1,8 г,г
I	I
Индекс покрытия/01
~~-----I	I
Индекс покрытия/0Z
Индекс покрытия/03
Индекс покрытия/ 04
Индекс покрытия /05
100 \	=========
80 -Т
60 —	Пленка без покрытия
40 -
___I___I___ ______I____I__
ЫО 500 600 700 10	74	1,8
Нанометры	Микрометры
Длина волны
Рис. 4.61. Спектры пропускания (Т) и отражения
(Я) для различных покрытий пленочного светодели-
теля [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
14-644
210
Глава 4
Рис. 4.62. Применение пленочного светоделителя для проекционной печати вы-
сокого разрешения [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
устранения колебаний поверхности пленки следует изолировать от ме-
ханических и акустических возмущений. Для удобства крепления в кар-
касе имеются два диаметрально расположенных отверстия с резьбой.
Однако плоскостность пленки не должна нарушаться вследствие слиш-
ком прочного крепления. К поверхности пленки прикасаться нельзя!
Очищать только слабым потоком чистого сухого воздуха.
Рис. 4.63. Применение пленочного светоделителя в интерферометре с пучками,
ориентированными под углом Брюстера [691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
Оптические системы
211
4.4.	ОКОШКИ
Окошки используются в тех случаях, когда требуется вывести
пучок излучения, переносящего информацию или энергию, из одной
среды в другую без контакта между этими средами. Параметры сред
(температура, давление, химический состав, фазовое состояние, чистота,
ток) могут изменяться в широких пределах. При выборе окошек могут
рассматриваться стойкость к воздействию окружающей среды, пропу-
скание, рассеяние, искажение волнового фронта.
Обычно окошки изготовляют из трех типов материалов: оптическо-
го стекла, синтетического плавленого кварца и синтетического сапфира.
Окошки из этих материалов, наклоненные под углом Брюстера к опти-
ческой оси, пропускают 100% света, линейно поляризованного в напра-
влении, параллельном плоскости падения. Оптические и физические
свойства оптических стекол, плавленого кварца и сапфира описаны
в гл. 8.
4.5.	ОПТИЧЕСКИЕ ПЛОСКОСТИ
Оптические плоскости используются для контроля поверхно-
стей других оптических элементов. В воздушном промежутке между
плоскостью и проверяемым объектом образуется интерференционная
картина, которую обычно легче наблюдать через плоскость, чем через
объект. Картина состоит из чередующихся светлых и темных областей,
или интерференционных полос, образующих контурную карту толщины
воздушного слоя между поверхностями плоскости и проверяемого
объекта. Если плоскостность поверхности оптической плоскости намно-
го лучше, чем у проверяемого объекта, интерпретация интерференцион-
ной картины как контурной карты поверхности объекта будет коррект-
ной. Интервал между контурами (расстояние между интерференционны-
Длина волны, нм
Рис. 4.64. Спектр пропускания пирекса [691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
14*
212
Глава 4
ми полосами одного типа, неважно какими, светлыми или темными)
соответствует разности оптических путей Х/2. Если исследуемая поверх-
ность сферическая, то из интерференционной картины можно легко по-
лучить радиус кривизны.
Если оптическая плоскость находится над объектом и интерферен-
ционная картина наблюдается через нее, то на верхней поверхности
плоскости, которая не соприкасается с исследуемым объектом, полезно
иметь антиотражающее покрытие. Оптические плоскости обычно изго-
товляются из пирекса или плавленого синтетического кварца. Спектры
пропускания пирекса и плавленого кварца показаны на рис. 4.64 и 8.5
соответственно.
4.6.	ПРИЗМЫ
Литература: 111, 470, 482, 493, 691.
4.6.1.	Отражающие призмы
Отражающие призмы чаще всего используются для изменения
ориентации изображения, смещения изображения в поперечном направ-
лении или изменения направления световых пучков, а иногда для деле-
ния или комбинирования изображений. Призмы сами по себе не могут
формировать действительных изображений (рис. 4.65). Ориентация из-
ображения дает важную информацию для разработки оптических сис-
тем, в которых используются призмы. Многие призмы работают с по-
лным внутренним отражением. Лучи, приходящие из стекла на границу
раздела воздух-стекло под углом падения, большим критического угла
<рс (измеренного от перпендикуляра к поверхности), отражаются с эф-
Точечный
источник
Система
линз
коллимированный
пучок
Входная грань
Прямоугольная
прагма
Объект (слайд с буквой В
в непрозрачной оправе')
Гипотенузная
грань
Выходная
грань
Действительное изображение объекта
(наблюдается на стеклянном экране)
Рис. 4.65. Ориентация изображения в отражающей призме [691] (воспроизво-
дится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Мнимое изображение
объекта (видно только
при наблюдении выходной
грани призмы)
Оптические системы
213
Рис. 4.66. Определение критического угла фс [691] (воспроизводится с разреше-
ния Melies Griot, Arnhem, Holland).
фективностью 100% независимо от их начальной поляризации
(рис. 4.66). Критический угол <рс определяется из уравнения
sin срс = п0/п = 1/п
(4.58)
и равен
<рс = arcsin (1 /п)	(4.59)
где п0- показатель преломления воздуха (и0~1)> и-зависящий от длины
волны показатель преломления стекла.
Если на некоторой длине волны показатель преломления становится
меньше |/2^ 1,414, то критический угол будет превышать 45° и полное
внутреннее отражение не будет наблюдаться для коллимированного
пучка, падающего изнутри под углом 45° на гипотенузную грань пря-
моугольной призмы (пучок падает извне на призму перпендикулярно
к любой из ее катетных граней). Как показано на рис. 4.67, коэффициент
отражения быстро уменьшается (и становится зависящим от поляриза-
ции) при углах падения, меньших критического угла.
Полное внутреннее отражение (ПВО) не будет наблюдаться для схо-
дящихся и расходящихся пучков, а также в том случае, когда гипотенуз-
ная поверхность не идеально чистая. Например, почти невидимые отпе-
чатки пальцев на поверхности могут привести к нарушению ПВО. Для
таких приложений, когда к прямоугольной призме ПВО требуется часто
прикасаться и ее нельзя поддерживать в чистом состоянии, а также при
использовании сильно сходящихся или расходящихся пучков рекомен-
дуется алюминировать или серебрить гипотенузную поверхность.
214
Глава 4
Угол падения <р, град
Рис. 4.67. Коэффициент отражения света, поляризованного параллельно (гр)
и перпендикулярно (rs) плоскости падения, как функция угла падения ф [691]
(воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
В этом случае при всех углах падения потери составляют лишь несколь-
ко процентов, а критический угол отсутствует. Для многих приложений
такие потери допустимы.
Призмы, используемые в оптической системе со сходящимися или
расходящимися пучками, будут вводить аберрации, которых нет в па-
раллельном пучке. Эти аберрации можно устранить или минимизиро-
вать, применяя только коллимированные или почти коллимированные
пучки. Сопряженные расстояния при использовании призм должны
быть большими. Альтернативным решением является конструирование
других элементов систем так, чтобы они компенсировали аберрации,
вводимые призмами вследствие сходимости или расходимости пучков.
Система в целом (включая, в частности, и призмы) должна быть рассчи-
тана на приемлемый уровень аберраций.
4.6.2.	Прямоугольные призмы
Прямоугольная призма часто оказывается более подходящей,
чем наклоненное зеркало, в тех приложениях, которые связаны со зна-
чительными акустическими или внутренними нагрузками, поскольку
крепить ее легче, а деформируется она под действием внешних нагрузок
меньше. При использовании поверхности гипотенузной грани в усло-
виях полного внутреннего отражения и нанесении на входную и выход-
ную поверхности антиотражающего покрытия можно получить очень
высокие коэффициенты пропускания. Другим решением является ис-
пользование внешнего отражения на гипотенузной поверхности, кото-
Оптические системы
215
Рис. 4.68. Различные способы нанесения покрытий и схемы применения прямоу-
гольных призм [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
1 -просветление; 2-полное внутреннее отражение; 3-алюминий, покрытый защитным слоем, 4-внутреннее
отражение от серебра.
рая для этого покрывается слоем металла или диэлектрической отра-
жающей пленкой.
Одним из преимуществ использования полного внутреннего отраже-
ния на гипотенузной грани является возможность получения плоскост-
ности этой поверхности в пределах 1/20. Искажения волнового фронта
без учета неоднородности среды могут поддерживаться в пределах Х/10.
При использовании отражения с внешней стороны гипотенузной грани
можно приклеить малую грань к механической опоре, избавившись та-
ким образом от аберраций призмы. Различные способы покрытия
и схемы применения прямоугольной призмы показаны на рис. 4.68.
Если нужно использовать гипотенузную грань при полном внутрен-
нем отражении, но требования, связанные с обеспечением достаточного
поля зрения этого сделать не позволяют, или если окружающая среда
такова, что гипотенузная грань не может поддерживаться такой чистой,
как это требуется для полного внутреннего отражения, то решением
проблемы может оказаться алюминирование гипотенузной грани.
В этом случае слой алюминия защищается снаружи черной краской, ко-
торая растворяется в ацетоне, благодаря чему при необходимости ее
можно легко снять.
До тех пор пока угол ввода светового пучка удовлетворяет требова-
ниям существования полного внутреннего отражения от малых (ка-
тетных) граней, прямоугольная призма может использоваться в каче-
стве ретроотражателя (рис. 4.69). Если гипотенузная грань просветлена,
Рис. 4.69. Прямоугольная призма в ка-
честве ретроотражателя [691] (вос-
производится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
216
Глава 4
то эффективность отражения очень высока и не зависит (в пределах,
определяемых условием полного внутреннего отражения) от ориентации
относительно оси, перпендикулярной гипотенузной грани. Эффектив-
ность отражения сильно зависит от ориентации светового пучка относи-
тельно оси, лежащей в плоскости, параллельной гипотенузной грани,
внутри призмы.
4.6.3. Призма Порро
Призма Порро широко используется в качестве оборачивающе-
го элемента в ряде оптических устройств. Это прямоугольная призма
полного внутреннего отражения. Обычно две призмы Порро скрепляют
вместе по гипотенузным граням, ориентируя ребра перепендикулярно
друг другу (рис. 4.70). При таком креплении необходимо устанавливать
ребра призм точно под углом 90° друг к другу. Любое отклонение от
угла 90° приведет к повороту получаемого изображения на угол,
равный двойной ошибке установки. Призма Порро обычно работает
при полном внутреннем отражении, поэтому катетные поверхности дол-
жны быть чистыми.
4.6.4. Призма Дове
Призма Дове используется во многих оптико-механических сис-
темах в качестве элемента, поворачивающего изображение. При враще-
нии призмы изображение на ее выходе будет вращаться с удвоенной
угловой скоростью (рис. 4.71). Входящий в призму Дове свет должен
быть коллимированным, поскольку обычно длина призмы в 4-5 раз
превосходит размер А. Гипотенузная грань призмы-это грань с макси-
Рис. 4.70. Призма Порро [691] (вос-
производится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
Оптические системы
217
Рис. 4.71. Призма Дове [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
мальной площадью (основание призмы на рис. 4.71). Обычно призма
Дове используется в режиме полного внутреннего отражения с гипоте-
нузной гранью без алюминиевого покрытия, и поэтому важно, чтобы
эта грань была чистой.
Полезная апертура призмы может быть увеличена в два раза путем
алюминирования или серебрения гипотенузной грани и склеивания этой
грани с гипотенузной гранью другой призмы Дове (вторая грань без
покрытия). Длина полученной комбинации будет такой же, как и оди-
ночной призмы. Суммарное пропускание несколько снижается вслед-
ствие замены поверхности с полным внутренним отражением на метал-
лическую отражающую пленку.
4.6.5.	Крышеобразная призма
Крышеобразная призма или призма Амичи отклоняет изображе-
ние на угол 90°. На рис. 4.72 показано ее влияние на ориентацию из-
ображения. Как правило, крышеобразная призма представляет собой
прямоугольную призму, гипотенузная грань которой заменена на кры-
шеобразную поверхность с углом 90°, работающую при полном внут-
реннем отражении. Форма ее еще более усложняется в связи с тем, что
стекло, не дающее вклада в полезную апертуру, снимается с целью
уменьшения размера и веса. Очень важным фактором являются чистота
Рис. 4.72. Крышеобразная призма [691] (воспроиз-
водится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
218
Глава 4
и качество крышеобразной поверхности в условиях работы при полном
внутреннем отражении. На 90° отклоняются только лучи, в точности
перпендикулярные входной и выходной граням; остальные лучи будут
отклоняться на другие углы точно так же, как в случае обычной пря-
моугольной призмы (разд. 4.6.2).
Крышеобразная призма применяется в ситуациях, когда требуются
и отклонение под прямым углом, и обращение изображения (комбина-
ция изменения направления слева направо и инверсии сверху вниз экви-
валентна повороту на 180° относительно оптической оси).
4.6.6.	Пентапризмы
Пентапризмы имеют два важных свойства: 1) отсутствие ин-
вертирования, реверсирования изображения при отклонении на 90°
(рис. 4.73); 2) постоянный угол отклонения [все лучи, прошедшие через "
входную апертуру, отклоняются точно на угол 90° независимо от углов
между ними и оптической осью (или нормалями к входной и выходной
граням)]. Таким образом, отклонение не зависит от ориентации пента-
призмы, благодаря чему она особенно важна для таких приложений,
в которых ее ориентацию нельзя точно контролировать (например,
вследствие вибраций).
4.6.7.	Равнобочные дисперсионные призмы
Равнобочные дисперсионные призмы применяются в качестве
диспергирующих элементов в системах, в которых должно осущест-
вляться хроматическое разделение светового пучка. Угол 60° между бо-
ковыми прямоугольными гранями обеспечивает хороший компромисс
между дисперсией и потерями на отражение. Проходя через призму,
световые лучи испытывают два преломления, в результате чего полу-
чается угол отклонения D (рис. 4.74), равный
Р = Ф1 +(р3- А
(4.60)
Рис. 4.73. Пентапризма [691] (воспроизво-
дится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
Оптические системы
219'
Рис. 4.74. Отклонение света дисперсионной призмой.
где (pi и ф3-углы падения на первую и вторую поверхности соответ-
ственно; А-угол при вершине призмы. Угол отклонения-функция по-
казателя преломления п и, следовательно, длины волны:
sin<p2 = sinq^/n
sin<p3 = nsin<p4
<p4 = A - <p2
(4.61)
(4.62)
(4.63)
С учетом уравнений (4.61)-(4.63) угол отклонения D определяется
формулой
D =	— А 4- sin 1 [(и2 — sin2<p1)1/2sin А — cos A sin cpj
(4.64)
При уменьшении угла падения фг от больших значений угол откло-
нения D сначала уменьшается, а затем увеличивается, проходя через ми-
нимум, соответствующий симметричному прохождению призмы лучом
(фх = ф2)} т. е. распространению луча параллельно ее основанию
(рис. 4.75). В этом случае угол отклонения D называется углом мини-
Рис. 4.75. Получение угла минимального отклонения в дисперсионной призме.
220
Глава 4
мального отклонения (Dm), который связан с углом призмы и показате-
лем преломления п уравнением
п = sin [(A -F D^)/2]/sin (А/2)	(4.65)
Если угол при вершине призмы А мал, то угол минимального отклоне-
ния Dm тоже мал и
п = (А + Dm)/A
(4.66)
или Dm = (п - 1) А	(4.67)
будет хорошим приближением.
Говорят, что материал, в котором скорость световой волны изме-
няется с длиной волны, обладает дисперсией. Дисперсия призмы опреде-
ляется из уравнения
AD = [(cos <p4tg ф2 + sin ф4)/со8 ф3] An	(4.68)
Угловая дисперсия AD-это разность отклонений для лучей света с раз-
личными длинами волн (рис. 4.76). Если обе части уравнения (4.68) поде-
лить на d\ то получится связь производной угла отклонения по длине
волны dD/dX с дисперсией материала dn/'dK, из которого изготовлена
призма. Для описания угловой дисперсии AD произвольно выбираются
три длины волны: Хр (синий цвет), Хд (желтый) и Хс (красный). Соответ-
ствующие показатели преломления обозначаются как ир, пр и пс.
Относительная дисперсия со призмы определяется соотношением
a = (nF- nc)/(nD - 1)
(4.69)
или со = (Df — Dc)/(Dd — 1)	(4.70)
Рис. 4.76. Угловая дисперсия дисперсионной призмы.
Оптические системы
221
где Df, Dd и Dc- соответствующие угловые отклонения, найденные из
уравнения (4.64) или (4.67). Например, относительная дисперсия силикат-
ного стекла (флинт), у которого пр = 1,623, nD = 1,620 и пс = 1,613, равна
Юфлинт = (1,632 - 1,613)/(1,620 - 1) = 0,031
(4.71)
в то время как для крона, у которого пр = 1,513, nD = 1,508 и пс = 1,504,
она равна
юкрон = (1,513 - 1,504)/(1,508 - 1) = 0,018
(4.72)
В общем случае желательно иметь большую угловую дисперсию AD,
так как это обеспечивает высокое разрешение прибора при фиксирован-
ной ширине щели. С помощью призмы нельзя получить в точности ли-
нейную угловую дисперсию AD, так как показатель преломления нели-
нейно зависит от длины волны, а отклонение D (а также Dm) является
нелинейной функцией показателя преломления.
4.6.8. Дисперсионные призмы Брюстера и Литтрова
Литература: 172, 305, 691.
Луч неполяризованного света, падающего на диэлектрическую
границу раздела двух сред, например воздуха и стекла, удобно предста-
вить как суперпозицию двух лучей линейно поляризованного света рав-
ной интенсивности (разд. 6.1). Один из лучей поляризован таким обра-
зом, что вектор электрического поля параллелен плоскости падения
(плоскости, содержащей падающий луч и нормаль к поверхности); он
называется р-поляризованным. Другой луч поляризован так, что вектор
электрического поля перпендикулярен плоскости падения; он называет-
ся s-поляризованным.
Для определенного угла падения (называемого углом Брюстера), ко-
торый зависит от показателей преломления сред по обе стороны гра-
ницы раздела, р-поляризованный луч проходит границу без отражения,
а s-поляризованный испытывает частичное отражение. Отраженный луч
имеет только s-поляризацию. Прошедший луч представляет собой
смесь лучей двух видов поляризации.
Угол при вершине призмы Брюстера (рис. 4.77) выбирается таким,
чтобы для одной определенной длины волны лучи с минимальным от-
клонением (проходящие внутри призмы параллельно основанию) входи-
ли в призму и выходили из нее под углом Брюстера. Свет с этой дли-
ной волны оказывается линейно поляризованным, так что он входит
в призму и выходит из нее под углом Брюстера практически без потерь
на отражение.
Призмы Брюстера можно использовать в резонаторах лазеров, ра-
ботающих на лазерных переходах с очень низким усилением, когда да-
222
Глава 4
Рис. 4.77. Равнобочная дисперсионная приз-
ма Брюстера (А-угол при вершине).
же малые потери на отражение могут оказаться недопустимыми. Эти
призмы в основном используются для перестройки (селекции длины вол-
ны) таких лазерных систем, как перестраиваемые лазеры на красите-
лях, лазеры на ионах аргона, гелий-селеновые и гелий-неоновые лазеры.
В таких системах наблюдается тенденция к генерации нескольких длин
волн одновременно или тенденция к концентрации выходного излуче-
ния на длинах волн, соответствующих максимальному усилению (для
гелий-неонового лазера в инфракрасной области, а не в видимой).
Такие призмы оказываются незаменимыми в том случае, когда нуж-
но получить лазерное излучение с длиной волны, соответствующей
сравнительно низкому усилению. Обычно призмы устанавливаются вну-
три резонатора, но вне разрядной трубки (рис. 4.78). Перестройка осу-
ществляется путем наклона призмы на небольшой угол.
Другие применения призм Брюстера включают выделение гармоник
и фильтрацию выходного сигнала оптического параметрического гене-
ратора (рис. 4.79). При изготовлении призмы из супрасила можно полу-
чить высокое пропускание (особенно в ультрафиолетовом диапазоне),
высокую стойкость по отношению к лазерному излучению и низкое
рассеяние, требуемое для использования внутри резонатора.
Поскольку коэффициент отражения для р-поляризованного излуче-
ния мал и слабо зависит от значений углов и длин волн при углах паде-
ния, близких к углу Брюстера, призма обычно рассчитывается на длину
волны 488 нм, что приблизительно соответствует середине видимого
спектра. При длинах волн 350,7 и 676,5 нм и при минимальном отклоне-
Рис. 4.78. Использование дисперсионной призмы Брюстера в перестраиваемом
лазере [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Оптические системы
223
Зеркало осповное излучение
плюс гармоники
Активный
злемент
лазера
Призма
Брюстера
Только
гармоники
Зеркало
(излучатель
гармоник}
Нелинейным
кристалл I
Выдранные
гармоники
Рис. 4.79. Использование дисперсионной призмы Брюстера при генерации гар-
моник [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
нии для этих длин волн коэффициент отражения р-поляризованного из-
лучения на одной поверхности равен только 3 10~5 и 7-10“6 соответ-
ственно. Таким образом, эту призму можно применять с хорошими
результатами во всем указанном интервале длин волн и в ближней ин-
фракрасной области.
Если равнобочную дисперсионную призму Брюстера (рис. 4.77) раз-
резать пополам вдоль бисекторной плоскости между входной и выход-
ной гранями, то получатся две призмы Литтрова (рис. 4.80); получаю-
щиеся в результате поверхности обычно покрываются многослойной
диэлектрической пленкой с большим коэффициентом отражения, рас-
считанной для почти нормального падения и на нужный диапазон длин
волн.
Призма Литтрова используется в качестве планарного элемента по-
лусферического лазерного резонатора (рис. 4.81). Перестройка произво-
дится с помощью наклона призмы на небольшие углы. Две призмы
Литтрова обычно рассчитываются для длин волн 488 и 632,8 нм (с
целью предотвращения нежелательной генерации инфракрасного излу-
чения в гелий-неоновом лазере). При использовании подходящих по-
крытий любая из этих призм может применяться в широком диапазоне
длин волн.
Рис. 4.80. Призма Литтрова (Л-угол при верши-
не).
224
Глава 4
Рис. 4.81. Использование призмы Литтрова в качестве устройства ввода пучка
лазерного излучения [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
Если три показателя преломления приблизительно равны, то пучок с р-поляризацией можно ввести в под-
ложку с малыми потерями.
4.6.9. Клиновидная призма
Клиновидная призма (рис. 4.82) используется в качестве элемен-
та для управления пучком в оптических системах и для калибровки
шлирен-систем. Минимальное отклонение D луча при прохождении че-
рез тонкий клин с углом при вершине А приблизительно равно
D = (n—1)A	(4.73)
где и-показатель преломления. Оптическая сила призмы А определяет-
ся как
Д= lOOtgD	(4.74) Угол клина А Угол отклонения!)
Рис. 4.82. Клиновидная призма.
Оптические системы
225
Рис. 4.83. Комбинация из двух клиновидных призм [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
и измеряется в призменных диоптриях. Призменная диоптрия опреде-
ляется как отклонение на 1 см на расстоянии 1 м от призмы.
Комбинируя два клина с равной оптической силой (равные отклоне-
ния) и независимо поворачивая их относительно оси, приблизительно
параллельной нормалям к их соседним поверхностям, можно напра-
влять лучи, проходящие через эту комбинацию, в любом направлении
в пределах узкого конуса с осью, совпадающей с траекторией неоткло-
ненного луча (рис. 4.83). Угловой радиус этого конуса приблизительно
равен 2D.
Отклонения для других длин волн можно вычислить из уравнения
(4.73) и соответствующих допусков на номинальное значение показателя
преломления. Углы отклонения определяются в предположении, что
входной пучок перпендикулярен соответствующей грани. При других
входных углах отклонение будет иным. Определение угла отклонения
для того же входного направления, но других длин волн, производится
по уравнению
D = arcsin (и sin А) — А	(4.75)
где D-угол отклонения, и-показатель преломления, А-угол при вер-
шине.
4.6.10. Ретроотражатели
Трехгранный ретроотражатель, или уголковый отражатель,
обладает следующим свойством: любой луч, входящий в эффективную
апертуру, будет отражаться и выходить из входной/выходной поверхно-
сти параллельно самому себе, но в обратном направлении (рис. 4.84).
Падающий пучок, точно попадающий в эффективную апертуру, отра-
жается точно в обратном направлении. Эти свойства с учетом ограниче-
ний, накладываемых углом ввода, не зависят от ориентации ретроотра-
жателя. Поэтому такие отражатели часто используются в случаях, когда
ориентацию трудно или невозможно проконтролировать, т.е. когда
нельзя использовать зеркало.
Работа ретроотражателя, как и в случае прямоугольной призмы, ос-
15-644
226
Глава 4
Рис. 4.84. Ретроотражатель [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
нована на полном внутреннем отражении. Подобно прямоугольным
призмам полного внутреннего отражения ретроотражатели имеют огра-
ничения на углы. Вследствие сложной геометрии ограничения на угол
ввода нельзя описать простыми уравнениями. Обычно можно выбрать
такую ориентацию ретроотражателя, при которой для практических це-
лей ограничений на угол ввода нет. Путем выбора соответствующей
ориентации соседних элементов в цепочке ретроотражателей всегда
можно добиться, чтобы часть системы функционировала даже при
очень больших углах падения. Ограничения на угол ввода света можно
снять за счет уменьшения эффективности отражения на несколько про-
центов, нанеся отражающие покрытия на задние поверхности призм,
в результате чего выполнение условий полного внутреннего отражения
не обязательно.
Поверхности ретроотражателя должны быть идеально чистыми.
Когда ретроотражатель используется в качестве элемента резонатора
лазера высокой мощности, его сохранность может зависеть от чистоты
этих поверхностей. Когда невозможно обеспечить идеальную чистоту
поверхностей ретроотражателя и когда пропускаемые световые мощно-
сти не настолько велики, чтобы разрушалось покрытие, три задние по-
верхности можно покрыть защищенным алюминием или серебром
с медным слоем поверх него, инконелем или краской. Это гарантирует
надежное отражение света и снимает ограничения на угол его ввода.
Когда небольшое уменьшение эффективности отражения неприемлемо,
можно использовать многослойные отражающие покрытия. На входные
и выходные поверхности элементов можно наносить просветляющие
покрытия.
Глава 5.
Фильтры*
Литература: 116, 118, 205, 305, 540, 656, 691.
5.1.	ЭЛЕМЕНТЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ТЕПЛОВЫЕ
ПОТОКИ
Элементы, регулирующие тепловые потоки, используются в ос-
ветительных системах для уменьшения локальных рабочих температур
до приемлемого уровня. Это осуществляется путем разделения инфра-
красного излучения и излучения видимого диапазона, после чего инфра-
красное излучение либо не пропускается на те участки, где его присут-
ствие нежелательно, либо направляется на те участки, с которых может
быть легко отведено тепло. Эти элементы бывают двух типов: 1) те-
пловые фильтры, изготовленные из теплопоглощающих или непроз-
рачных для инфракрасного излучения материалов (разд. 5.1.1); 2) «горя-
чие» или «холодные» зеркала, представляющие собой спектрально
селективные отражатели, изготовленные на основе многослойных пле-
нок (разд. 5.1.2 и 5.1.3).
5.1.1.	Тепловые фильтры
Формы тепловых фильтров показаны на рис. 5.1. Спектры про-
пускания тепловых фильтров Schott типа KG1 (^ = 0,92), KG2 (fxf2 =
= 0,92), KG3 (fxf2 = 0,92) и KG4 = 0,92) толщиной 3 мм приведены
на рис. 5.2. Умножая поправочный коэффициент txt2 на кривую вну-
треннего пропускания, получаем кривую внешнего пропускания, учиты-
вающую потери на отражение. Поправочный коэффициент применяется
для всего видимого спектра, где показатель преломления изменяется
слабо; этот коэффициент одинаков для фильтра любой толщины. Обо-
значение поправочного коэффициента ttt2 объяснено в разд. 5.3.1.
Хотя максимальная рабочая температура тепловых фильтров соста-
вляет 250°С, специально отпущенные тепловые фильтры могут работать
при 300°С.
* Почти все описанные в этой главе фильтры производятся в СССР
и в ГДР (фирмой Karl Zeiss)-Прим. ред.
15*
A
Рис. 5.1. Формы тепловых
фильтров.
а

Расширенный диапазон
0,99
0,98
0,97
0,96
6,95
0,90
0,80
0,70
0,60
0,40
0,20
0,10
0,05
0,01
10'0
1^
- KG4
- KGZ
- KG1
•• KG3
3,0	3,4
0,6 1,0	1,4	1,8 г,г
Длина волны, мкм
Рис. 5.2. Спектры пропускания тепловых фильтров [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Фильтры
229
100
WO 500 600 700 800 900 1000 1100 1ZOO
Длина волны, нм
Рис. 5.3. Спектры пропускания теплоотражающих горячих зеркал для падения
по нормали и под углом 45° [691 ] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
5.1.2.	Горячие зеркала
Горячие зеркала представляют собой многослойные диэлектри-
ческие зеркала и обладают определенными преимуществами по сравне-
нию с тепловыми фильтрами, поскольку они отражают, а не погло-
щают тепло. Тепло может быть выведено из системы путем отражения
либо может быть отведено в такое место в системе, где диссипация осу-
ществляется более эффективно. Спектры пропускания теплоотражаю-
щих горячих зеркал приведены на рис. 5.3 для углов падения 0 и 45°.
5.1.3.	Холодные зеркала
Холодные зеркала дают больше возможностей при решении во-
проса о выборе наиболее приемлемого места удаления тепла из оптиче-
ской системы. Они отражают видимый свет и пропускают инфракрас-
ное излучение (тепло). Спектры пропускания теплопропускающих
холодных зеркал для углов падения 0 и 45° показаны на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Спектры пропускания теплопропускающих холодных зеркал для паде-
ния по нормали и под углом 45° [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
230
Глава 5
5.1.4.	Вогнутые холодные зеркала
Вогнутые холодные зеркала (рис. 5.5.) используются в освети-
тельных и проекционных системах. Эти зеркала одновременно увеличи-
вают освещенность и уменьшают тепловую нагрузку на освещаемый
элемент (например, фильмовый канал кинопроектора). Они представ-
ляют собой сферические зеркала с полированной вогнутой поверх-
ностью и предназначаются для установки за источником света, распо-
ложенным в центре кривизны (разд. 4.2.3). На вогнутую поверхность
наносится специальное многослойное диэлектрическое покрытие, обла-
дающее высоким пропусканием для ближней инфракрасной области
и большим коэффициентом отражения для видимого света (рис. 5.6).
Задняя поверхность также полируется для того, чтобы получить мак-
симальное пропускание инфракрасного излучения. При использовании
вогнутых холодных зеркал тепловые нагрузки на освещаемые элементы
значительно уменьшаются. Уменьшаются нагрузки и на стеклянные
тепловые фильтры, установленные в системе.
Рис. 5.5. Вогнутое холодное зеркало.
Рис. 5.6. Спектр пропускания вогнутого холодного зеркала [691] (воспроизво-
дится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Фильтры
231
5.2.	НЕЙТРАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ
Литература: 110, 656, 673, 691.
Нейтральные фильтры могут быть: 1) селективными, т.е. ней-
тральными визуально, но селективными спектрально; 2) неселективны-
ми, т. е. нейтральными визуально и неселективными спектрально. Опти-
ческая плотность D определяется как десятичный логарифм величины,
обратной пропусканию Т:
D = lg(l/T)	(5.1)
или T=10-D	(5.2)
Величина, обратная пропусканию (1/Т), называется коэффициентом не-
прозрачности. Плотность 1 соответствует пропусканию 10%, плотность
2-пропусканию 1%, плотность 3-пропусканию 0,1%. Шкала пропуска-
ния логарифмическая, тогда как шкала плотности линейная. Оптическая
плотность D- величина безразмерная. Обозначение 0,50 D иногда ис-
пользуется для величины 0,50 «единиц плотности» или просто плотно-
сти 0,50. Таблицы преобразования плотности в пропускание и пропуска-
ния в плотность приведены в приложениях Д и Е соответственно.
Другим способом представления характеристик пропускания фильтра
является гистограмма, которая может быть легко построена по спектру
пропускания (рис. 5.7).
И Пропускание менее 1°А Е) от 7 до 70%
□ 10 °/о и долее
Рис. 5.7. Спектр пропускания и гистограмма для фильтра Kodak Wratten № 48
[656] (воспроизводится с разрешения Eastman Kodak Со., Rochester, USA).
232
Глава 5
Относительная оптическая плотность Dr определяется как разность
между плотностью подложки с покрытием D и плотностью подложки
без покрытия Do:
Dr = D - Do	(5.3)
или D = Dr + Do	(5.4)
Используя показатель преломления подложки и, получаем
Do = 21g [(и + 1)2/4и]	(5.5)
Примечание: Do = 0,0376 для оптического стекла ВК-7 при Х= 550 нм;
Do = 0,0309 для синтетического плавленого кварца при X = 550 нм. В ми-
кроденситометрах, снабженных ступенчатыми или клиновидными ней-
тральными фильтрами, обычно регистрируется величина Dr (относи-
тельная оптическая плотность). Это объясняется тем, что для многих
применений ступенчатых или клиновидных фильтров необходимо по-
стоянство положения фокальной плоскости или аберраций пластины,
что не позволяет удалять или перфорировать подложку (это требуется
делать для получения точной величины D = 0,0). В таких применениях
важны разности плотностей, а не сами плотности.
Большинство неселективных нейтральных фильтров гетерогенны.
Они содержат диспергированные маленькие частицы, рассеивающие
свет. Значения пропускания и плотности, подобно значениям коэффи-
циента отражения, могут относиться либо к малому полю зрения (зер-
кальные или неотклоненные величины), либо к очень большому полю
зрения (диффузные или полусферические величины). Измерения, в ко-
торых определяются полусферические величины, включают и направ-
ленную составляющую, и вклад от рассеяния. Степень рассеяния в гете-
рогенном материале называется добротностью Калье Q, которая
определяется как
Q = Ds/Dd	(5.6)
где D$ направленная плотность, Dp-диффузная плотность материала.
Добротность нейтральных фильтров зависит от: 1) длины волны; 2)
концентрации малых диспергированных частиц; 3) размера частиц; 4)
углового распределения потока излучения. Добротности некоторых
нейтральных фильтров, измеренные при X = 500 нм, приведены в
табл. 5.1. Добротность, равная 1,00, показывает, что материал одно-
роден.
Чаще всего для нейтральных фильтров используют следующие ма-
териалы: 1) коллоидный углерод (разд. 5.2.1); 2) фотографическое сере-
бро (разд. 5.2.2); 3) металлические пленки (разд. 5.2.3); 4) смеси органиче-
ских красителей. Нейтральные фильтры могут применяться в комбина-
циях из двух или более фильтров с целью получения промежуточных
Фильтры
233
Таблица 5.1. Добротность Калье Q для некоторых
нейтральных фильтров (при X = 500 нм) [576] (вос-
производится с разрешения John Wiley & Sons
Inc.)
Фильтр	Ds	DD	Q
Смеси красителей в желатине 1,00		1,00	1,00
Инконель	1,02	1,00	1,02
Углерод, Kodak Wratten	№ 96 1,06	1,00	1,06
Поляроид, один элемент	0,19	0,17	1,И
Проволочный экран, 100	меш 0,45	0,415	1,20
Углерод	1,28	1,00	1,28
Фотографическое серебро	1,40	1,00	1,40
величин пропускания или плотности. Если они устанавливаются таким
образом, что многократные отражения в нужном направлении отсут-
ствуют, то пропускания будут мультипликативными величинами, а оп-
тические плотности-аддитивными. Нейтральные фильтры позволяют
ослаблять, сравнивать, делить или складывать световые пучки в широ-
ком интервале отношений энергетических освещенностей без значитель-
ного изменения цветности. Эти фильтры широко применяются для пре-
цизионного ослабления или регулировки света. Например, световые
пучки можно ослабить до уровня, при котором фотометры и радио-
метры имеют максимальную точность и линейность, в результате чего
расширяется полезный рабочий диапазон этих приборов.
Облученность Ее (в радиометрических единицах) и освещенность Ev
(в фотометрических единицах) (разд. 2.2) можно вычислить по форму-
лам
\gEe = \gEeo-D Вт/м2
lgEv = lgEt0 — D	лм/м2 или люкс
(5.7)
(5.8)
где Ее- облученность с фильтром, Ее 0- облученность без фильтра.
Ev-освещенность с фильтром, Ег>0-освещенность без фильтра, D-оп-
тическая плотность фильтра.
5.2.1.	Нейтральные фильтры на основе
коллоидного углерода
Имеется два типа таких фильтров:
1.	Селективные фильтры, которые содержат коллоидный углерод
в желатине и красители с соответствующими спектральными характери-
стиками поглощения (например, Kodak Wratten № 96) (рис. 5.8). Эти
фильтры пригодны только для диапазона видимого спектра
234
Глава 5
Рис. 5.8. Спектр пропускания фильтра Kodak Wratten № 96 [656] (воспроизво-
дится с разрешения Eastman Kodak Со., Rochester, USA).
(400-700 нм). В ультрафиолетовом или инфракрасном диапазонах их
применять не рекомендуется. Фильтры Kodak Wratten № 96 позволяют
уменьшать интенсивность света в определенном отношении (табл. 5.2)
и поэтому широко применяются в научной фотографии и сенситоме-
трии.
2.	Неселективные фильтры, в которых размер частиц диспергирован-
ного углерода имеет порядок длины световой волны (например, М-
фильтры, изготавливаемые по специальным заказам фирмой Eastman
Таблица 5.2. Нейтральные фильтры Kodak Wratten
№ 96	[656] (воспроизводится с разрешения
Eastman Kodak, Rochester, USA)
Нейтральная Пропускание, Коэффициент Увеличение
плотность %	фильтра выдержки
(диафрагмы)
о,1	80	5/4	1/3
0,2	63	3/2	2/3
о,з	50	2	1
0,4	40	5/2	4/3
0,5	32	3	5/3
0,6	25	4	2
0,7	20	5	7/3
0,8	16	6	8/3
0,9	13	8	3
1,0	10	10	10/3
2,0	1	100	20/3
з,о	0,1	1000	10
4,0	0,01	10000	40/3
Фильтры
235
Kodak Со. USA). Нейтральность этих фильтров очень хорошая в види-
мом, УФ-А и ИК-А (табл. 1.1.) диапазонах. Вследствие большого разме-
ра углеродных частиц, приводящего к гораздо большему рассеянию све-
та, чем в фильтре Kodak Wratten № 96, углеродный фильтр М-типа
нельзя помещать в световом пучке, формирующем изображение.
Поскольку в фильтрах обоих типов в качестве подложки использует-
ся желатин, на них действуют вода и большинство растворителей и их
нельзя применять при температуре выше 54°С.
5.2.2.	Нейтральные фильтры на основе
фотографического серебра
Фотопленка, однородно экспонированная и обработанная, по-
зволяет получить хороший и относительно недорогой ослабитель для
видимого и инфракрасного диапазонов. Вследствие очень высокого све-
торассеяния ослабитель такого типа нельзя помещать в световом пучке,
формирующем изображения.
5.2.3.	Металлические нейтральные фильтры
Большинство нейтральных фильтров изготавливается с по-
мощью вакуумного напыления тонкой пленки некоторых специальных
металлических сплавов (например, инконеля) на подложку из тонкого
отожженного оптического стекла (например, ВК-7) или оптического пла-
вленого кварца (гл. 8). Нейтральные фильтры можно применять на лю-
бой длине волны между 200 и 2500 нм. Их характеристики определяют-
ся поглощением в тонкой металлической пленке и отражением от нее.
При помещении в световые пучки высокой интенсивности ней-
тральные фильтры нужно ориентировать таким образом, чтобы
металлическая пленка была направлена к источнику; это уменьшает по-
глощение в подложке и ее нагрев. Слипание пленок сплавов с подлож-
ками очень прочное; на него не влияют влага и большинство раствори-
телей в температурном интервале от —73 до + 150°С. Более высоких
температур следует избегать, так как пленка будет окисляться и пропу-
скание увеличится. В любом наборе нейтральных фильтров обычно
имеется чистая (без покрытия) подложка, такая же, как подложки
у остальных фильтров. Такой фильтр часто оказывается весьма по-
лезным при юстировке и фокусировке оптической системы до установки
нужного нейтрального фильтра. На рис. 5.9 показаны спектры оптиче-
ской плотности для типичных нейтральных фильтров.
5.2.4.	Ступенчатые нейтральные фильтры
Ступенчатый нейтральный фильтр представляет собой под-
ложку, на которую нанесено покрытие в виде нескольких дискретных
областей с различными значениями относительной оптической плотно-
236
Глава 5
Рис. 5.9. Спектры оптической плотности типичных нейтральных фильтров [691]
(воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
сти Dr. Таким образом, один ступенчатый фильтр можно рассматривать
как набор фильтров. При использовании комбинаций таких фильтров
можно получить разнообразные значения оптической плотности. Кроме
тех приложений, в которых обычно используются наборы нейтральных
фильтров, важными областями применения ступенчатых фильтров
являются фотография и спектроскопия. В фотолабораториях ступен-
чатые фильтры используются для определения оптимальной экспозиции
при печати.
На ступенчатом нейтральном фильтре нет промежутков между сег-
ментами с различными относительными плотностями; на границе сег-
мента плотность изменяется скачком. В местах пересечения с подлож-
кой края сегментов перпендикулярны ее краю с точностью в пять
дуговых минут. На подложку ступенчатых фильтров наносят металли-
ческие пленки, покрытые защитным слоем с целью увеличения долго-
вечности и стабильности характеристик. К каждому ступенчатому филь-
тру прилагается записанный на микроденситометре профиль относи-
тельной оптической плотности Dr (рис. 5.10). Точные значения Dr для
каждого сегмента могут быть определены по этому графику и преобра-
зованы в точные значения абсолютной оптической плотности путем
прибавления плотности для подложки без покрытия Do.
5.2.5.	Прямоугольные линейные клинообразные
нейтральные фильтры
Прямоугольные линейные клинообразные нейтральные
фильтры -это нейтральные фильтры прямоугольной формы, относи-
тельная оптическая плотность которых линейно зависит от расстояния
от одного из концов фильтра. С помощью фильтра можно выбрать лю-
бую желаемую относительную оптическую плотность в пределах рабо-
Фильтры
237
Рис. 5.10. Относигельная плотность Dr ступенчатого нейтрального фильтра
[691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
чего диапазона. Обозначения номинальных относительных плотностей
состоят из одной из шести букв (А-F) и заводского номера клино-
образного фильтра.
К каждому клинообразному фильтру прилагается профиль относи-
тельной оптической плотности, зарегистрированный с помощью микро-
денситометра (рис. 5.11). Относительная плотность в любой точке на
клине может быть точно определена из этого графика. Относительная
оптическая плотность может быть преобразована в абсолютную путем
добавления плотности для подложки без покрытия Do. На подложки
этих фильтров наносят металлические пленки, покрытые защитным
слоем с целью увеличения долговечности и стабильности характери-
стик.
Клинообразные фильтры можно представить себе как набор ней-
тральных фильтров, имеющий непрерывный диапазон значений оптиче-
Рис. 5.11. Относительная плотность Dr прямоугольного линейного клинообраз-
ного нейтрального фильтра [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
238
Глава 5
ской плотности. Плотности неизвестных образцов могут быть непо-
средственно определены с помощью микроденситометрической кривой
из положения фильтра, при котором плотность фильтра и плотность
неизвестного образца, зарегистрированные фотоэлектрическим спосо-
бом, равны. Клинообразные фильтры полезны также для регулировки
интенсивности узких световых пучков или широких пучков, сфокусиро-
ванных в узкие линии на плоскости фильтра.
5.2.6.	Круговые линейные клинообразные
нейтральные фильтры
Круговые линейные клинообразные нейтральные фильтры (рис.
5.12)-это нейтральные фильтры круглой формы, относительная оптиче-
ская плотность Dr которых является линейной функцией угла, измеряе-
мого относительно фиксированного радиуса. Любая желаемая плот-
ность в пределах рабочего диапазона фильтра может быть получена
в секторе 300°, примыкающем к этому радиусу (рис. 5.13). Обозначения
номинальных диапазонов относительной оптической плотности вклю-
чают одну из шести букв (А-F) и заводской номер клинообразного
фильтра.
К каждому клинообразному фильтру прилагается профиль относи-
тельной оптической плотности, зарегистрированный с помощью микро-
денситометра. Относительная оптическая плотность в любом месте
300°-ного сектора клина может быть точно определена из этого графи-
ка. Относительная оптическая плотность может быть преобразована
в абсолютную путем добавления плотности подложки без покрытия Do.
На подложки этих фильтров наносят металлические пленки, покрытые
защитным слоем с целью увеличения долговечности и стабильности
характеристик.
Оптическую плотность неизвестного образца можно легко опреде-
лить по углу, при котором плотность фильтра и плотность образца, за-
регистрированные фотоэлектрическим способом, равны. Круговые ли-
нейные клинообразные нейтральные фильтры широко используются
Рис. 5.12. Круговой линейный кли-
нообразный нейтральный фильтр.
Фильтры
239
Рис. 5.13. Относительная плотность Dr кругового линейного клинообразного
нейтрального фильтра [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
в спектрофотометрах и других приборах. Фильтр плавно поворачивают
вокруг его оси и при равенстве плотностей неизвестного образца
и фильтра (что определяется фотоэлектрическим способом) производит-
ся считывание показаний дешифратора угла поворота вала. По этим по-
казаниям неизвестная плотность автоматически вычисляется при каж-
дом повороте. Для таких измерений пучки часто фокусируются в узкие
линии на плоскости фильтра. Цилиндрические линзы (разд. 4.1.13) очень
эффективны для преобразования света от точечного источника или све-
тового пучка в фокальную линию.
5.3.	СТЕКЛЯННЫЕ ФИЛЬТРЫ
Литература: 673, 691.
Окрашенные стеклянные фильтры изготавливаются из окра-
шенных оптических стекол высшего качества (Schott, Ноуа, Coming
и т. д.). Спектральные характеристики этих фильтров однородны по всей
площади и не изменяются со временем при температурах ниже 250°С.
Некоторые свойства этих фильтров нечувствительны к углу падения
света. Стандартные фильтры имеют квадратную форму (50 х 50 мм)
и толщину 3 мм (по заказу поставляются и фильтры другой формы и
с другими размерами). Обе поверхности фильтров шлифованные и оп-
тически отполированные. Поверхности параллельны с точностью в две
дуговые минуты. При толщине 3 мм обеспечивается достаточная меха-
ническая прочность и хорошее поглощение коротковолнового излучения
для резкоотсекающих фильтров.
5.3.1.	Интерпретация кривой пропускания
При любой фиксированной длине волны пропускание Т окра-
шенного стеклянного фильтра описывается приближенной формулой
240
Глава 5
T—t^t2 exp( - Рос)	(5.9)
где tr -коэффициент пропускания первой границы раздела воздух-стек-
ло, t2- коэффициент пропускания второй границы раздела воздух-сте-
кло, Р-положительная константа, определяемая длиной волны, с-кон-
центрация пигмента в стекле, х-толщина фильтра. В этой формуле не
учитываются возможные многократные отражения между границами
раздела. Величина ехр( —Рсх) называется внутренним коэффициентом
пропускания. Коэффициенты пропускания границ раздела и t2 равны;
их произведение ГХГ2 называется поправочным коэффициентом. Он свя-
зан с показателем преломления стекла п соотношением
trt2 = 1 - 2(п - 1)2/(и + I)2 + (п - 1)4/(и + I)4	(5.10)
Номинальные кривые пропускания фильтров, приведенные в прило-
жении Ж, являются графиками зависимости внутреннего коэффициента
пропускания от длины волны для толщины 3 мм. Эти кривые не учиты-
вают эффектов, связанных с отражениями на границах раздела воздух-
стекло. На каждом графике приведены поправочные коэффициенты, ко-
торые могут использоваться для определения номинального пропуска-
ния.
У всех окрашенных стекол пропускание меняется от партии к пар-
тии. Для резкоотсекающих фильтров кривые пропускания могут отли-
чаться на + 7,0 нм от номинальных кривых, приведенных в приложении
Ж. Обычно все изготовители прилагают к каждому фильтру кривые
пропускания, записанные с помощью спектрофотометров для того,
чтобы можно было внести поправки.
Резкоотсекающие фильтры обнаруживают обратимый длинновол-
новый сдвиг края полосы поглощения (удобным индикатором является
точка, соответствующая уменьшению пропускания в два раза относи-
тельно максимума) с ростом температуры. Этот сдвиг приблизительно
постоянен в интервале температур 10-90°С; для таких фильтров он про-
табулирован [в приложении Ж он обозначен как Д1/ДТ нм/°С].
5.4.	ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ
Литература: ПО, 201, 305, 313, 373, 691, 891, 999, 1000, 1275, 1526, 1672, 1741.
Интерференционные фильтры -это многослойные тонкопле-
ночные структуры. Хотя многие интерференционные фильтры можно
рассматривать как «полностью диэлектрические», металлические слои
очень часто присутствуют в их вспомогательных блокировочных струк-
турах. Широкополосные интерференционные фильтры всегда содержат
металлические слои. Интерференционные фильтры бывают двух типов:
1) широкополосные интерференционные фильтры с резким краем полосы
пропускания, пропускающие коротковолновое или длинноволновое из-
лучение; 2) полосовые фильтры, пропускающие желаемый интервал длин
Фильтры
241
Рис. 5.14. Схема интерференционного филь-
Полупрозрачные
волн и одновременно подавляющие излучение с большими и меньшими
длинами волн.
Кривые пропускания или отражения интерференционного фильтра
получаются в результате интерференции падающего света и света, отра-
жаемого на границах раздела множества тонких пленок (рис. 5.14). Эта
интерференция может быть усиливающей для некоторых длин волн
и ослабляющей для других. Иногда в зависимости от структуры филь-
тра и направления наблюдения-на пропускание или на отражение-ха-
рактеристика может иметь очень сильный резонанс. Путем выбора под-
ходящих конструкционных материалов поглощение фильтра в заданной
спектральной области может быть сделано пренебрежимо малым, так
что вся энергия, не прошедшая через фильтр, будет зеркально отра-
жаться. Ориентация для фильтра такого типа несущественна.
Скорректированный оптически полосовой фильтр при наблюдении
на отражение выглядит, по крайней мере с одной стороны, как блестя-
щий металл, даже если металлические пленки в нем не используются.
Спектры отражения двух поверхностей интерференционного фильтра
могут значительно различаться вследствие разного расположения
и влияния поглощающих материалов, используемых для оптической
коррекции пропускания. Как правило, «металлическая» сторона фильтра
должна быть обращена в сторону источника света с целью уменьшения
тепловой нагрузки. Уменьшение максимального коэффициента пропу-
скания ниже 100% для фильтра в целом в основном может быть припи-
сано поглощению во вспомогательных оптических материалах. Поло-
совые интерференционные фильтры можно представить как тонкие
твердотельные интерферометры Фабри-Перо с фиксированными про-
межутками.
Интерференционные фильтры применяются в различных областях,
включая спектральную радиометрию, колориметрию и спектральное
разделение радиации. Полосовые интерференционные фильтры с пере-
менной полосой пропускания можно применять в любом диапазоне ви-
16-644
242
Глава 5
димого спектра; они дают спектральное разрешение, изменяющееся
в широком интервале в пределах такого диапазона.
Узкополосные интерференционные фильтры позволяют выделять
интервалы длин волн шириной порядка нанометра без применения дис-
пергирующих элементов, таких, как призмы или дифракционные решет-
ки.
5.4.1.	Полосовые интерференционные фильтры
Литература. 691, 1557-1561.
Простейшие полосовые интерференционные фильтры иногда на-
зывают резонаторами (по аналогии с интерферометрами). Два или бо-
лее таких фильтров можно установить друг за другом или нанести один
на другой (разделив «отсутствующими» слоями оптической толщиной
в половину длины волны) в течение одного процесса вакуумного напы-
ления с целью образования многорезонаторного фильтра. Получаю-
щаяся в результате полоса пропускания равна произведению полос про-
пускания резонаторов, из которых состоит многорезонаторный фильтр.
Многорезонаторные структуры дают более крутой спад полосы пропу-
скания, улучшенное подавление в ее окрестности и «прямоугольную» (не
гауссову или лоренцеву) вершину полосы. Последняя особенность очень
желательна для фильтров с промежуточной шириной полосы пропуска-
ния; достигается она, в частности, за счет уменьшения коэффициента
отражения стопы (рис. 5.15), в результате чего уширяются полосы про-
пускания отдельных резонаторов.
На рис. 5.15 показана схема типичного двухрезонаторного интерфе-
ренционного фильтра; графически проиллюстрировано влияние числа
резонаторов на форму окончательной полосы пропускания с фиксиро-
ванной полушириной (шириной на уровне половины максимума) 10 нм.
Примечание; оптическая толщина всех слоев в отражательных стопах
точно равна четверти длины волны; другие стопы, в которых оптиче-
ская толщина слоя значительно отличается от четверти длины волны,
важны для конструкции кратных интерференционных фильтров с рез-
ким краем полосы пропускания.
Нормированные кривые пропускания для полосового интерферен-
ционного фильтра с полушириной полосы пропускания 10 нм, изготов-
ленного из ZnS/Na3AlF6, показаны на рис. 5.16 как функция числа резо-
наторов, использованных в конструкции фильтра. В табл. 5.3 показана
функциональная зависимость формы нормированной полосы пропуска-
ния от числа резонаторов в фильтре при произвольной, но фиксирован-
ной полуширине. Пропускание нормировано на его значение в максиму-
ме, так что табл. 5.3 можно применять как для корректированных
фильтров, так и для «чистых» фильтров. При использовании таблицы
для любого конкретного фильтра приведенные в ней величины просто
умножаются на пропускание в максимуме. Для различных уровней нор-
Фильтры
243
Рис. 5.15. Схема двухрезонаторного полосового интерференционного фильтра
[691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Детально показана структура пленки полностью диэлектрического полосового фильтра. Я-слой с оптиче-
ской толщиной, точно равной четверти длины волны [изготовлен из материала с большим показателем пре-
ломления (ZnS)J; L-слой с такой же оптической толщиной, что и Н [изготовлен из материала с низким пока-
зателем преломления (криолит, NaaAlF^)]. Слои формируются путем напыления в вакууме. Для защиты
пленок от влаги и скрепления полосового фильтра с блокировочным применяется эпоксидная смола. В зави-
симости от центральной длины волны и полуширины фильтр может иметь намного больше слоев, чем пока-
зано на рисунке.
мированного пропускания приведены минимальное и максимальное
значения полной ширины полосы.
Разница между максимальным и минимальным значениями ширины
полосы пропускания обусловлена использованием различных материа-
лов для изготовления прослойки и изменениями характеристик от-
дельных фильтров. Свет должен падать нормально к поверхности.
Обычно двух-, трех- и четырехрезонаторные фильтры снабжаются изго-
товителями (например, Melies Griot Arnhem, Holland) селективно погло-
щающими накладками, ограничивающими абсолютное пропускание
(вне полосы) до уровня менее 10 "4. Трехрезонаторный фильтр на уров-
244
Глава 5
(в единицах полуширины) л=(Л- Амане)/полу-
ширина
Рис. 5.16. Нормированные кривые пропускания в логарифмическом масштабе
как функция числа резонаторов, использованных в конструкции полосового ин-
терференционного фильтра с полушириной полосы пропускания 10 нм, изгото-
вленного из ZnS/Na3AlF6 [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
Кривые можно применять в интервале 400-1950 нм. Нормировка производится на пропускание в максимуме.
При использовании для любого конкретного фильтра такого типа кривая просто умножается на пропускание
в максимуме. Затененные области указывают номинальные границы разброса характеристик фильтра при
нормальном падении с учетом возможности изготовления прослойки из двух разных материалов и изменения
характеристик от фильтра к фильтру.
не 1% нормированного пропускания (1% его значения в максимуме)
имеет номинальную полную ширину (полная ширина на уровне 1% мак-
симума) от 1,9 до 2,2 полуширины. Если полуширина равна 5,0 нм, то
полная ширина на уровне 1% максимума будет лежать между 8,5 и 11,0
нм. Имеются специальные фильтры различного размера с разными зна-
чениями ширины полосы пропускания для наиболее важных лазерных
линий; они пригодны для подавления нежелательного фонового излуче-
ния (например, фильтры Melies Griot, Arnhem, Holland).
5.4.2.	Зависимость длины волны от угла падения
Общей характеристикой многослойных и однослойных диэлек-
трических покрытий, так же как и интерференционных фильтров,
является сдвиг в коротковолновую область спектра пропускания и спек-
Фильтры
245
Таблица 53. Функциональная зависимость формы
нормированной полосы пропускания от числа резо-
наторов в фильтре; полуширина произвольная, но
постоянная [691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland)3
Число резонаторов	Нормирован- ное пропус- кание (в про- центах от максималь- ного)	Множитель для полной ширины полосы при указанном пропускании	
		минимум (в единицах полуширинь	максимум (в единицах [) полуширины)
1	90	о,з	0,35
1	10	2,5	з,о
1	1	8,0	10,0
2	90	0,5	0,6
2	10	1,6	2,0
2	1	2,8	3,5
2	од	5,5	6,3
2	0,01	10,0	15,0
3	90	0,7	0,8
3	10	1,2	1,5
3	1	1,9	2,2
3	о,1	2,9	3,2
3	0,01	4,9	5,4
4	90	0,85	0,9
4	10	1,1	1,25
4	1	1,5	1,65
4	0,1	2,0	2,25
4	0,01	3,5	4,25
a Эта таблица, строго говоря, применима только в интер-
вале 400-1950 нм, но ультрафиолетовые фильтры Melies
Griot имеют очень похожие спектральные характеристики.
тра отражения при отклонении от нормального угла падения. Это пра-
вило применимо как для кратных интерференционных фильтров с рез-
ким спадом полосы пропускания, так и для узкополосных фильтров.
Для малых углов падения сдвиг осуществляется без искажения полос.
При больших углах наблюдается значительное искажение полосы про-
пускания и уменьшение пропускания в максимуме. В узкополосных
фильтрах, изготовленных из металлических слоев, происходит также
расщепление пика на выходе фильтра на два отдельных ортогонально
поляризованных пика, смещающихся при увеличении угла падения в ко-
ротковолновую область в разной степени. Такое расщепление не наблю-
дается в узкополосных фильтрах, полностью состоящих из диэлектриче-
ских слоев.
246
Глава 5
Коротковолновый сдвиг при наклонном падении света очень полезен
для перестройки полосовых фильтров по длинам волн или регулировки
положения точки, соответствующей половине максимального пропуска-
ния широкополосных фильтров в коллимированном свете. Если длина
волны максимума пропускания излишне велика, то она может быть
скорректирована наклоном. Это значительно увеличивает эффектив-
ность наборов интерференционных фильтров, особенно наборов с варь-
ируемой полосой пропускания. Любой фильтр из такого набора при из-
менении его наклона может быть использован до длины волны,
соответствующей максимуму пропускания при нормальном падении
для следующего фильтра из того же набора.
Длина волны X в максимуме пропускания и для интерферометра Фа-
бри-Перо, и для полосовых интерференционных фильтров с точки зре-
ния наблюдателя, расположенного внутри резонатора или прослойки,
определяется уравнением
2net cos 0 = ink	(5.11)
где пе-показатель преломления прослойки, Г-толщина прослойки,
0-внутренний угол падения (измеренный внутри резонатора или про-
слойки), т- порядок интерференции (целое положительное число),
к-длина волны для конкретного максимума пропускания. Уравнение
(5.11) часто называется монослойным приближением. Оно может одно-
временно удовлетворяться для множества различных комбинаций по-
рядка интерференции и длины волны. В принципе для каждой такой
комбинации получается свой максимум пропускания для непокрытого
фильтра. Из них только один, выбранный пик остается в выходном
спектре полностью скорректированного интерференционного фильтра.
Можно показать, что при малых углах падения длина волны в мак-
симуме пропускания, выраженная через внешний угол падения ср, равна
= ^-макс |/1 - (n0/ne)2sin2<p	(5.12)
где и0-показатель преломления внешней среды (и0 = 1 для воздуха),
-эффективный показатель преломления прослойки, ф-внешний угол
падения. Эффективный показатель преломления прослойки пе зависит
от длины волны, материала, из которого изготовлена пленка, и порядка
интерференции. Эффективный показатель преломления и реальный по-
казатель преломления не эквивалентны. В принципе при малых углах
падения с помощью подгонки кривой, описываемой уравнением (5.12),
к соответствующей экспериментальной кривой можно определить и эф-
фективный показатель преломления, и угол, при котором становится
значительным смещение максимума. В отсутствие контрольных измере-
ний уравнение (5.12), вероятно, не следует использовать при углах, пре-
вышающих 5-10°. При соответствующей интерпретации это уравнение
можно применять для описания характерных точек спектров отражения
Фильтры
247
и пропускания широкополосных фильтров, многослойных и одно-
слойных покрытий и всех интерференционных фильтров.
Во многих приложениях угловым сдвигом максимума пропускания
можно без большой ошибки пренебрегать. Сложные радиометры тре-
буются только в том случае, если одновременно необходимы широкое
поле зрения и узкая полоса пропускания. Например, при использовании
фильтра с очень малой полушириной (например 1,0 нм) и одновремен-
ном выполнении условия, согласно которому пропускание для желаемо-
го монохроматического сигнала должно составлять по крайней мере
90% величины 7^акс по всему полю зрения, получаем, что поле зрения
должно иметь угловой радиус не более 2,5°.
В большинстве фильтров для минимизации углового сдвига обычно
используется прослойка из материала с высоким показателем прелом-
ления (обычно из сульфида цинка). В ряде других фильтров для получе-
ния более высоких значений пропускания или более узких полос пропу-
скания применяется прослойка из материала с низким показателем
преломления (обычно из криолита).
5.4.3.	Широкополосные фильтры
Коротковолновые и длинноволновые широкополосные
фильтры в отличие от полосовых фильтров не содержат явно выра-
женных резонаторов. Они сложнее полосовых фильтров по конструкции
и принципу работы. Легче всего представить широкополосные фильтры
как набор различных четвертьволновых стоп. Простейшим широкопо-
лосным фильтром является длинноволновый фильтр, в котором такая
стопа скомбинирована со специальной подложкой и другими стопами
несколько отличающейся структуры, предназначенными для предотвра-
щения пропускания излучения с длиной волны, меньшей ее значения
в максимуме отражения первого порядка (самые длинные волны). Для
достижения этого подбирается определенная комбинация поглощения
подложки и отражений более высокого порядка стопы. Излучение
с большей длиной волны проходит без потерь на резонансное отраже-
ние, и обычно оно почти не поглощается до тех длин волн, при которых
начинается поглощение в материале. Для любой выбранной длины вол-
ны обычно можно подобрать материалы, которые будут пропускать из-
лучение с длиной волны, в несколько раз превышающей ее значение
в максимуме первого порядка отражения.
Коротковолновые широкополосные фильтры изготовить труднее.
Они обычно содержат намного больше слоев, чем полосовые, а оптиче-
ская толщина отдельных слоев должна отличаться от четверти длины
волны особым образом. Коротковолновый полосовой фильтр должен
иметь высокое пропускание в интервале, начинающемся при заданной
длине волны и продолжающемся так далеко, насколько это возможно,
в коротковолновую область (рис. 5.17). Участок с высоким пропуска-
нием продолжается только до максимума отражения второго порядка
248
Глава 5
Рис. 5.17. Типичный коротковолновый отсекающий интерференционный фильтр.
Уменьшение пропускания около 400 нм объясняется поглощением в материале покрытия; это типично для
фильтров данного спектрального диапазона. Обратите внимание на резкий спад кривой по сравнению с аб-
сорбционными фильтрами.
или до границы, определяемой поглощением материала, в зависимости
от того, что проявляется ранее. Интервалы между пиками отражения
высоких порядков не используются, поскольку они уже интервала меж-
ду максимумами первого и второго порядков.
Кривые пропускания интерференционных широкополосных филь-
тров спадают намного круче соответствующих кривых для поглощаю-
щих материалов, и поэтому в большинстве приложений, связанных
с выделением коротковолнового или длинноволнового участка спектра,-
предпочтительнее использовать широкополосные интерференционные
фильтры, а не абсорбционные. Применения широкополосных интерфе-
ренционных фильтров включают регулировку теплового излучения (го-
рячие и холодные зеркала) и цветоделение. Широкополосные фильтры
используются в комплектах фильтров с переменной полосой пропуска-
ния, обеспечивая необходимую гибкость при экспериментальных иссле-
дованиях и конструировании прототипов оптических систем. Они при-
годны для работы на отражение и на пропускание в качестве
спектрально селективных отражателей, делителей пучков и устройств
сведения пучков.
Синий
Красный
Рис. 5.18. Пучки, отраженные отсекающими фильтрами.
Фильтры
249
Спектры отражения у двух противоположных поверхностей широко-
полосного фильтра могут значительно различаться вследствие разного
расположения и влияния поглощающих материалов, использованных
для их корректировки. При совместном использовании двух фильтров
для синтеза нужной полосы пропускания широкополосные фильтры мо-
гут раздельно перестраиваться с помощью наклона для изменения как
полосы пропускания, так и положения ее максимума. Пучки, отра-
женные от широкополосных фильтров, используются в разнообразных
приложениях. Система, состоящая из диэлектрических слоев, обладает
коэффициентом отражения в полосе режекции свыше 90% (рис. 5.18).
5.4.4.	Корректное использование
интерференционных фильтров
При использовании интерференционного фильтра в условиях
повышенного нагрева или соляризации, обязательна такая его ориента-
ция, при которой блестящая («металлоподобная») и в большинстве слу-
чаев бесцветная сторона обращена в сторону источника излучения. При
такой ориентации минимизируется тепловая нагрузка на поглощающие
стеклянные блокировочные компоненты. Изменение этой ориентации
фильтра на противоположную не будет влиять на его пропускание в по-
лосе пропускания и вблизи нее. Спектр пропускания интерференционно-
го фильтра слабо зависит от температуры. Например, при увеличении
температуры толщина всего слоя увеличивается. В то же время изме-
няются показатели преломления всех слоев. Эти эффекты комбинируют
таким образом, что спектр пропускания при увеличении температуры
немного сдвигается в длинноволновую область. Температурный коэф-
фициент сдвига длины волны является функцией длины волны
(табл. 5.4).
Таблица 5.4. Температурный коэффициент сдвига
длины волны как функция длины волны [691] (во-
спроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland)
Длина волны, нм	Температур-	Длина	Температур- ный коэффи-	волны,	нм	ный коэффи- циент, нм/°С	циент, нм/°С
400	0,016	608	0,023
476	0,019	630	0,023
508	0,020	643	0,024
530	0,021	710	0,026
557	0,021	820	0,027
250
Глава 5
Большинство интерференционных фильтров, выпускаемых промыш-
ленностью, можно применять при температурах до — 50°С; ниже
— 50°С различное тепловое сжатие компонентов приводит к поврежде-
нию фильтра. Высокотемпературные границы зависят от конструкции
фильтра; температура + 70°С является безопасной и достаточно надеж-
ной границей для многих фильтров (всегда проверяйте по инструкции,
прилагаемой к данному фильтру). Для всех фильтров нежелательно воз-
действие резких перепадов температур. В частности, при приближении
к низкотемпературной границе — 50°С скорость изменения темпера-
туры не должна превышать 5°С/мин.
Узкополосные интерференционные фильтры наиболее чувствительны
к углу падения света. Полуширина полосы пропускания 1,0 нм (полная
ширина на уровне половины максимального пропускания) увеличивает-
ся на 10% при углах поля зрения около 2,5°, а пропускание на желаемой
длине волны уменьшится на 10%. Для углов поля зрения 5° пропускание
снижается на 90%. Поэтому важно использовать узкополосные интерфе-
ренционные фильтры в таких положениях, при которых обеспечивается
максимальное коллимирование пучков.
На рис. 5.19 приведена схема спектрорадиометра с узким полем зре-
ния, предназначенного для использования в режиме бесконечного отно-
шения сопряженных расстояний, а также показано правильное положе-
ние интерференционного фильтра. Радиометр состоит из интерферен-
ционного фильтра, объектива, полевой линзы, полевой диафрагмы
и детектора. Полевая линза, создающая изображение объектива на чув-
ствительной области детектора, обеспечивает равномерное и неподвиж-
ное освещение последнего. Поле зрения определяется полевой диафраг-
мой, расположенной вблизи полевой линзы.
5.4.5.	Список терминов, относящихся
к интерференционным фильтрам [695]*
Граница пропускания. Для полосовых фильтров-длина волны,
при которой пропускание уменьшается до 5% максимальной величины
при движении по кривой в направлении увеличения длины волны от
максимума пропускания. Для широкополосных фильтров-длина волны,
при которой абсолютное пропускание равно 5%.
Дельта-фильтр. Полосовой фильтр, для которого полуширина мень-
ше 1% центральной длины волны.
Длина волны максимума. Длина волны, соответствующая макси-
мальному пропусканию. Не обязательно совпадает с центральной дли-
ной волны.
Длинноволновый фильтр. Широкополосный интерференционный
фильтр, пропускание которого резко возрастает при сканировании из
коротковолновой области в длинноволновую. Интервал длин волн, при
Воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland.
Фильтры
251
Рис. 5.19. Схема узкополосного спектрорадиометра [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
которых пропускание велико, определяется свойствами материала. Бла-
годаря присутствию корректирующего материала пропускание очень
мало при длинах волн, меньших точки перехода, вплоть до рентгенов-
ского диапазона.
Коротковолновый фильтр. Широкополосный интерференционный
фильтр, пропускание которого резко изменяется от очень высоких до
очень низких значений при сканировании в длинноволновую область.
Корректировка. Способность фильтра отражать или поглощать из-
лучение с длиной волны, не попадающей в указанную полосу пропуска-
ния, особенно с такой, которая может соответствовать нежелательным
порядкам пропускания. Корректировка обычно осуществляется с по-
мощью добавления к базовой структуре интерференционного фильтра
отсекающих абсорбционных фильтров, других интерференционных
фильтров или же и тех и других одновременно.
Криолит Na3AlF6. Материал, часто используемый для изготовления
пленок с низким показателем преломления в интерференционных филь-
трах.
Наклон. Мера скорости, с которой пропускание изменяется при при-
ближении к максимуму полосы пропускания полосового фильтра, или
же скорость, с которой изменяется пропускание в переходной области
широкополосного фильтра:
наклон (%) = 100% х (Х80 - Х5)Д5О	(5.13)
где Х80, Х5 и Х50-длины волн, при которых пропускание составляет 80,5
и 50% соответственно.
Начало пропускания. Для полосовых фильтров, длина волны, при ко-
торой пропускание увеличивается до 5% максимального значения при
приближении к полосе пропускания с коротковолновой стороны. Для
широкополосных фильтров-длина волны, при которой абсолютное
пропускание составляет 80%.
Оптическая толщина. В применении к тонким пленкам произведение
толщины слоя и показателя преломления пленки на определенной дли-
252
Глава 5
не волны. Показатели преломления пленки и массивного блока из того
же материала могут различаться.
Отношение подавления. Отношение мощности излучения, прошедше-
го в полосе пропускания, к полной его мощности, прошедшей вне этой
полосы. Это отношение очень чувствительно к уровням начала пропу-
скания и границы пропускания.
«Отсутствующий» слой. Слой, используемый для разделения незави-
симых стоп, резонаторов или конструкций и не оказывающий никакого
влияния на работу фильтра. Можно показать, что с той точностью,
с какой можно пренебречь поглощением внутри этого слоя, он не изме-
няет коэффициента отражения при нормальном падении света на резо-
натор, стопу или конструкцию, на которую он нанесен, независимо от
их структуры.
Период. Последовательность тонкопленочных слоев, повторяющаяся
при формировании стопы-отражателя.
Полевая линза. В радиометре (рис. 5.19) специальная линза, располо-
женная в фокальной плоскости или плоскости изображения объектива
и имеющая такое фокусное расстояние, при котором изображение
объектива формируется на детекторе. Предназначена для получения
близкого к однородному освещения чувствительной области детектора.
Полоса пропускания. В полосовом фильтре интервал длин волн ме-
жду границей пропускания и началом пропускания.
Полуширина. Для кривых пропускания полосовых фильтров, полная
ширина полосы на уровне половины максимального пропускания. Аль-
тернативными определениями, часто имеющими тот же смысл, являют-
ся ширина полосы по уровню половины мощности и просто ширина
полосы.
Порядок. Значение целого положительного числа т, входящего
в формулу (5.11) для длины волны максимального пропускания интер-
ференционного фильтра.
Прослойка. Воздушная прослойка, предназначенная для разделения
отражающих стоп резонатора.
Резонатор. Элементарный интерференционный фильтр, состоящий
из двух отражающих стоп и твердого прозрачного разделительного
слоя между ними.
Спектральная неравномерность. Изменение пропускания в заданном
спектральном диапазоне.
Стопа. Любая из двух многослойных отражающих пленок, исполь-
зованных в конструкции резонатора интерферометра Фабри-Перо,
фильтре-эталоне или в интерференционном фильтре.
Точка 50%. Длина волны, на которой пропускание фильтра имеет
значение 50%. Под пропусканием 50% здесь подразумевается абсолют-
ное (не нормированное) пропускание.
Трехрезонаторная конструкция. Фильтр, содержащий три резонатора
и два «отсутствующих» слоя, которые нанесены на одну подложку
в одном цикле вакуумного напыления. Многие из фильтров с полуши-
риной 10 нм имеют трехрезонаторную конструкцию.
Фильтры
253
Угловой сдвиг. Сдвиг в коротковолновую область в спектрах пропу-
скания и отражения диэлектрических однослойных и многослойных тон-
ких пленок (включая интерференционные фильтры) при их отклонении
от нормали.
Узкополосный фильтр. Интерференционный фильтр с полушириной
менее 5% центральной длины волны.
Центральная длина волны. Длина волны в центре интервала, равного
полной ширине полосы на уровне половины максимального пропу-
скания.
Четвертьволновая стопа. Многослойная диэлектрическая пленка,
каждый слой которой имеет оптическую толщину, точно равную че-
тверти заданной длины волны; показатель преломления одного из двух
последовательно расположенных слоев имеет высокое значение и друго-
го-низкое.
Ширина полосы в процентах. Полуширина, выраженная в процентах
от центральной длины волны.
Ширина полосы на уровне 90%. Полная ширина полосы на уровне
90% максимального пропускания.
Широкополосный фильтр. Интерференционный фильтр, у которого
пропускание резко изменяется от очень низких до очень высоких значе-
ний (или наоборот) при сканировании из коротковолновой области
в длинноволновую (см. длинноволновый фильтр и коротковолновый
фильтр).
Эффективный показатель преломления. Число, которое при подста-
новке в формулу (5.12) для углового сдвига дает наилучшее совпадение
с измерениями углового сдвига при малых углах падения. Это число
обычно отличается от показателя преломления любой пленки, которая
может входйть в состав многослойной системы или фильтра.
5.4.6.	Наборы интерференционных фильтров
Наборы интерференционных фильтров применяются для бы-
стрых измерений спектрального распределения яркости, определения
спектральных характеристик, измерения трехцветных компонентов цве-
та в колориметрии, а также для конструирования и определения харак-
теристик прототипов оптических систем (например, современных радио-
метрических и фотометрических систем). Наборы широкополосных
и полосовых фильтров могут использоваться для выделения и иденти-
фикации конкретных спектральных областей. Наборы полосовых филь-
тров перекрывают ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапа-
зоны спектра с равномерно расположенными интервалами длин волн
и фиксированными значениями полуширины около 10, 40 и 80 нм. В на-
борах цветовых аддитивных и субтрактивных фильтров имеются также
фильтры, изменяющие кажущуюся цветовую температуру источника.
К каждому фильтру любого набора интерференционных фильтров
должна прилагаться кривая зависимости внешнего пропускания Т от
254
Глава 5
Рис. 5.20. Границы пропускания пяти длинноволновых отсекающих фильтров
[691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
длины волны X, записанная на точном спектрофотометре. Каждая такая
кривая представляет собой исходную характеристику, предназначенную
для калибровки и измерений. Каждый полосовой фильтр и его характе-
ристика обозначаются номинальной центральной длиной волны. Широ-
кополосные фильтры и их характеристики в наборах с переменной по-
лосой пропускания аналогично маркируются значениями номинальных
длин волн, соответствующих пропусканию 50%. Такое обозначение по-
зволяет не путать характеристики и фильтры в наборе. Широкопо-
лосные фильтры дополнительно обозначаются цветовым кодом. Для
облегчения поиска нужного фильтра, края всех длинноволновых филь-
тров окрашиваются в красный цвет, а коротковолновых-в синий.
Из индивидуальных характеристик можно определить точные значе-
ния центральной длины волны и длины волны, отвечающей пропуска-
нию 50%, а также пропускание на любой длине волны. Для того чтобы
не путать фильтры и их характеристики, каждая кривая и соответствую-
щий фильтр маркируются серийным номером. В каждом наборе дол-
жна также иметься чистая подложка (например, из материала ВК-7),
размеры и толщина которой такие же, как у фильтров, входящих в на-
бор. Эта подложка часто оказывается очень полезной при юстировке
и фокусировке оптических систем, в которые входят интерференционные
фильтры. В набор фильтров, выпускаемый фирмой Melies Griot,
Arnhem, Holland, входят следующие фильтры:
1. Пять длинноволновых широкополосных фильтров с полосами
пропускания шириной 50 нм, равномерно покрывающими область
450-650 нм (рис. 5.20), а также ультрафиолетовый абсорбционный
фильтр с полосой пропускания при 400 нм. Изменение наклона филь-
тров позволяет плавно перекрывать весь видимый спектр.
2. Пять коротковолновых широкополосных фильтров с полосами
пропускания, равномерно расположенными в области 450-650 нм
(рис. 5.21), а также тепловой стеклянный фильтр.
Фильтры
255
Рис. 5.21. Границы пропускания пяти коротковолновых отсекающих фильтров
[691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Полосу пропускания шириной 100 нм в видимом диапазоне можно
получить с длинноволновым фильтром 500 нм и коротковолновым
фильтром 600 нм (рис. 5.22). Таким способом можно выделить любой
участок спектра. Наклон фильтра позволяет изменять полосу пропуска-
ния и положение границы пропускания, а также исследовать влияние
этих изменений на сигнал или разрешение (рис. 5.23). При наклоне ко-
ротковолнового фильтра относительно положения нормального паде-
ния ширина полосы уменьшается. Наклон длинноволнового фильтра
увеличивает ширину полосы.
Имеется ряд наборов узкополосных интерференционных фильтров,
предназначенных для специальных целей (они также выпускаются фир-
мой Melies Griot, Arnhem, Holland):
1.	Набор ультрафиолетовых фильтров (рис. 5.24) применяется в диа-
пазоне ближнего ультрафиолетового излучения для выделения нужных
Рис. 5.22. Выбор ширины полосы пропускания от 50 до 250 нм с помощью уста-
новки длинноволнового фильтра (рис. 5.20) последовательно с коротковолновы-
ми (рис. 5.21) [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
256
Глава 5
Рис. 5.23. Изменение полосы пропускания с помощью наклона фильтра [691]
(воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
спектральных областей. Его можно использовать с такими источника-
ми, как водородная и дейтериевая лампы. Этот набор особенно полезен
при измерениях флуоресценции, так как с его помощью можно устра-
нить излучение возбуждения ультрафиолетового диапазона, попадаю-
щее на детектор.
2.	Набор фильтров ультрафиолетовых линий ртутной лампы
(рис. 5.25) разработан специально для выделения этих линий и приме-
няется в большинстве спектрографических, аналитических и фотохими-
ческих лабораторий.
3.	Набор фильтров видимого диапазона (рис. 5.26) используется при
измерениях распределения спектральной плотности интенсивности излу-
чения и энергетической яркости, спектральных характеристик фото-
приемников, фотохимических характеристик, колориметрических трех-
цветных компонент. цвета, а также для конструирования и оценки
параметров прототипов оптических систем.
40
200	220	240	260	280	300	320	340	360	380	400
Длина волны, нм
Рис. 5.24. Полосы пропускания набора ультрафиолетовых фильтров [691] (вос-
производится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Рис. 5.25. Полосы пропускания набора фильтров ультрафиолетовых линий ртут-
ной лампы [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Длина, волны, нм
Рис. 5.26. Полосы пропускания различных наборов фильтров видимого диапа-
зона [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
17-644
258
Глава 5
Рис. 5.27. Полосы пропускания набора инфракрасных фильтров [691] (воспроиз-
водится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
4.	Набор инфракрасных фильтров (рис. 5.27) разработан для измере-
ния спектральных распределений, исследования характеристик детекто-
ров и оценки параметров прототипов оптических систем в ближней ин-
фракрасной области.
5.5.	НАБОРЫ ФИЛЬТРОВ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ЦВЕТА
В эти наборы входят интерференционные и абсорбционные
фильтры. В одном наборе содержатся три аддитивных цветных интер-
ференционных фильтра, а в другом-три субтрактивных цветных интер-
ференционных фильтра. В оба набора включены шесть специальных аб-
сорбционных фильтров, предназначенных для преобразования цветовой
температуры источника. Три из шести этих фильтров могут использо-
ваться для повышения цветовой температуры источника на различную
величину, а остальные-для ее понижения. С помощью таких наборов
можно быстро изменить цветовую температуру, оценить последствия
изменения цветовой температуры с точки зрения селективности или чув-
ствительности прототипа устройства для обработки цвета и установить
границы, вне которых требуются дополнительные коррективы, не свя-
занные с оптическими методами. Область применения этих фильтров
включает цветное телевидение, цветную фотографию, печать цветных
фотоснимков, изготовление цветных репродукций, проверку и сортиров-
ку продуктов в соответствии с цветом.
Аддитивные цветные фильтры-это полосовые интерференционные
фильтры с большой полосой пропускания и широкополосные отсекаю-
щие интерференционные фильтры, которые пропускают один из трех
основных цветов (красный, синий или зеленый). Эти цвета, скомбиниро-
ванные в нужном соотношении, дают большую часть цветовых оттен-
ков, воспринимаемых человеческим глазом. Субтрактивные цветные
Фильтры
259
400	450	500	550	600	650 700
Длина волны, нм
Рис. 5.28. Кривые пропускания аддитивных цветовых фильтров [691] (воспроиз-
водится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
фильтры помещаются под углом 45° к направлению падения света; они
отражают основные цвета-красный, синий или зеленый. На выходе
фильтров получаются цвета, дополнительные к основным: циан (минус
красный), желтый (минус синий) и магента (минус зеленый). Дополни-
тельные цвета часто используются для получения основных цветов с по-
мощью электронных или фотографических методов.
На рис. 5.28 показаны номинальные кривые пропускания адди-
тивных цветовых фильтров при нормальном падении. Полоса пропуска-
ния определяется как интерференционными, так и абсорбционными
фильтрами. На рис. 5.29 показаны номинальные кривые пропускания
субтрактивных цветных фильтров для угла падения 45°. Эти фильтры
представляют собой диэлектрические многослойные пленки с пренебре-
жимо малым поглощением. Участки низкого пропускания соответ-
ствуют областям сильного отражения.
Рис. 5.29. Кривые пропускания субтрактивных цветовых фильтров [691] (вос-
производится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
260
Глава 5
5.6.	ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЦВЕТОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
Фильтры для преобразования цветовой температуры позво-
ляют повысить или понизить цветовую температуру источника на опре-
деленную величину. В фотофизике и колориметрии принято указывать
цветовую температуру не в градусах Кельвина, а в миредах [акроним
английского названия micro reciprocal degrees (обратные микрогра-
дусы)]. Для преобразования абсолютной температуры Т9 выраженной
в градусах Кельвина, в миреды величину 1/Т надо умножить на 106
(табл. 5.5). Фильтры для преобразования цветовой температуры класси-
фицируются в соответствии с создаваемым ими сдвигом в миредах s:
s= 106(l/T2-l/7])	(5.14)
где 7]-начальная цветовая температура источника, Т2-цветовая темпе-
ратура после фильтрации. Сдвиг в миредах положителен для желто-
ватых фильтров, понижающих цветовую температуру, и отрицателен
для синеватых фильтров, повышающих цветовую температуру. Напри-
мер, если = 2500 К, то
сдвиг -I-100 миред дает температуру источника Т2 = 2000 К
сдвиг -I- 60 миред дает Т2 = 2137 К
сдвиг — 100 миред дает Т2 = 3333 К
сдвиг — 60 миред дает Т2 = 2941 К
В каждом наборе фильтров для изменения цвета имеется шесть
фильтров для преобразования цветовой температуры, рассчитанных на
+ 20, +60, + 120, —20, — 60 и — 120 миред (рис. 5.30 и 5.31). Эти
фильтры можно использовать по отдельности и в комбинациях, если
требуются другие значения сдвига. Сдвиг в миредах, как и оптические
плотности, является аддитивной величиной, если в нужном направлении
отсутствуют многократные отражения. При использовании отдельных
Таблица 5.5. Переход от абсолютной температуры
Т, выраженной в градусах Кельвина, к величине 1/Т,
выраженной в миредах [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland)
Абсолютная температура, К	Миреды	Абсолютная температура, К	Миреды
Бесконечность	0	3333	300
106	1	2500	400
104	100	2000	500
5000	200		
Фильтры
261
Рис. 5.30. Спектры пропускания фильтров, понижающих цветовую температуру
[691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
фильтров и их комбинаций можно получить следующие номинальные
значения сдвига: —200, — 180, — 160, — 140, — 120, —80, —60, —20,
+ 20, +60, +80, + 120, +140, + 160, + 180 и + 200. Это позволяет
ступенчато изменять цветовую температуру источника с исходной цве-
товой температурой 2500 К от 1667 до 5000 К.
Номограмма для преобразования цветовой температуры в интерва-
ле 2000-10 000 К показана на рис. 5.32. Любые три точки, соединенные
прямой линией, будут удовлетворять формуле (5.14), связывающей 7],
Т2 и s, что позволяет легко оценить изменение цветовой температуры
для каждого фильтра или их комбинации. Фильтры, предназначенные
для изменения цветовой температуры, работают в интервале темпера-
тур окружающей среды от 250 до — 50°С.
Рис. 5.31. Спектры пропускания фильтров, повышающих цветовую температуру
[691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Исходная			
температура 7}			
	-10,000 ; 9000		
	- 8000		
	I- 7000		
	6000	Величина сдвига	
		в миредах S	
	? 5000		г +200
	- 4000		- +100
			0
	- 3000		
			- -100
	- 2500		L -200
Преобразованная
температура Т%
2000-J
2500-
3000-
t- 2000
4000-
5000 -
6000
7000 Н
8000-
9000-
10,000 -3
Рис. 5.32. Номограмма для преобразования цветовой температуры в интервале
2000-10000 К [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
Фильтры
263
Рис. 5.33. Пропускание полосовых фильтров в интервале 120-300 нм [592] (вос-
производится с разрешения Acton Research Со., Acton, Mass., USA).
а-фильтр на a-линию Лаймана водорода, используемый в вакуумной УФ спектроскопии и для калибровки
(подложка из MgF2), б-фильтр на резонансную линию ртути 184,9 нм с достаточно высоким подавлением
линии 253,7 нм, в-широкополосный фильтр для подавления рассеянного света Аналогичные фильтры
имеются для 180, 240, 260 нм и т д.
5.7.	ОПТИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ВАКУУМНОГО
И ОБЫЧНОГО
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Литература: 592
В продаже имеется ряд фильтров для интервала 120-300 нм.
Они изготовлены из материалов, прозрачных для вакуумного ультра-
фиолетового излучения (разд. 8.6), и покрыты многослойной интерфе-
ренционной пленкой из Al-MgF2. Узкополосные фильтры имеют про-
пускание в максимуме 10-15% при полуширине 20-27,5 нм в зависимо-
сти от длины волны в максимуме. Пропускание широкополосных
фильтров составляет 30% при ширине полосы 45-60 нм. На рис. 5.33
показаны характеристики некоторых фильтров для вакуумного и обыч-
ного ' ультрафиолетового излучения, выпускаемых фирмой Acton
Research Со., USA.
Глава 6.
Поляризационные компоненты
Литература: 12, 30, 155, 228, 463, 464, 691.
6.1.	ПРИРОДА ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА
Большинство источников излучают электромагнитные волны,
в которых векторы магнитного и электрического полей осциллируют
с равными амплитудами по всем направлениям, ортогональным
направлению распространения (рис. 6.1, а). Такое излучение называется
неполяризованным светом или естественным светом. Если какая-либо
материальная среда по-разному изменяет амплитуду неполяризованно-
го излучения в разных направлениях, то получающееся в результате
электромагнитное излучение будет поляризованным. Когда колебания
происходят только в одном направлении, получается линейно-поляризо-
ванное (или плоскополяризованное) излучение (рис. 6.1,6).
Можно считать, что поляризованный свет представляет собой век-
торную сумму света двух типов: 1) света, электрический вектор которо-
го параллелен плоскости падения (р-поляризованный свет); 2) света,
электрический вектор которого перпендикулярен плоскости падения (s-
поляризованный свет).
Вектор, описывающий колебания электрического поля, может не-
прерывно вращаться по или против часовой стрелки, т.е. световой пу-
чок может быть право- или яевоциркулярно-поляризованным (рис. 6.1, в).
Электрический вектор циркулярно-поляризованной волны вращается,
описывая в пространстве спираль, а при наблюдении вдоль оси спирали
его траектория выглядит как эллипс (рис. 6.1, г). Световой пучок в такой
проекции называется эллиптически-поляризованным. Линейно-поляризо-
ванный свет можно получить из двух циркулярно поляризованных
в разных направлениях волн с равными амплитудами. И линейно-поля-
ризованный, и циркулярно-поляризованный свет можно рассматривать
как частный случай эллиптически-поляризованного света (рис. 6.2). Свет
будет циркулярно-поляризованным, когда относительная разность фаз
между волнами £ равна тс/2 или Зя/2. Относительные интенсивности
двух ортогонально поляризованных компонент в пучке излучения мож-
но определить с помощью двух поляризаторов-поляризатора и анали-
затора (разд. 6.3). Они разлагают свет на две ортогонально поляризо-
ванные компоненты и избирательно подавляют одну из них.
Поляризационные компоненты
265
Рис. 6.1. Траектория вектора электрического поля в электромагнитной волне
при различных состояниях поляризации.
а-неполяризованный свет; б-линейная поляризация; в-круговая поляризация; г-эллиптическая поляриза-
ция.
€ — О 7г/4	7г/2 Зтг/4 тг 5тг/4
Рис. 6.2. Различные конфигурации поляризации, соответствующие конкретным
значениям е.
Зтг/2 7г/4 2тг
6.2.	ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ОТРАЖЕНИИ
За исключением случая нормального падения, отражение от
диэлектрической поверхности (такой, как стекло), многослойной пленки
или металлической поверхности будет изменять состояние поляризации.
Коэффициент отражения однослойного просветляющего покрытия при
наклонном падении излучения зависит от ориентации плоскости поля-
ризации плоскоцоляризованного света относительно плоскости падения.
В большинстве приложений поляризационными эффектами можно пре-
небречь. Но в ряде случаев, например при записи голограмм и в спект-
рофотометрии высокой точности, они требуют тщательного рассмотре-
ния. Поляризационные эффекты могут порождаться входной и выход-
ной гранями призм, зеркалами, узкими щелями и особенно дифрак-
ционными решетками.
Падающее излучение удобно представлять в виде суперпозиции двух
плоскополяризованных пучков: 1) поляризованного параллельно пло-
скости падения (р-поляризация); 2) поляризованного перпендикулярно
плоскости падения (s-поляризация). При наклонном отражении измене-
ние состояния поляризации может быть обусловлено двумя различны-
ми причинами: 1) различной интенсивностью отражения s- и р-пучков;
2) изменением при отражении их относительных фаз. Такие фазовые из-
266
Глава 6
менения имеют место даже в процессе полного внутреннего отражения,
когда происходит полное отражение энергии пучков обеих поляризаций.
Обычно коэффициент отражения для «-поляризованного света больше,
чем для р-поляризованного. Например, р-поляризованный свет слабо
отражается при угле Брюстера в случае диэлектриков, а для некоторых
металлов коэффициент отражения его заметно снижается при угле, на-
зываемом главным углом падения.
6.3.	ПОЛЯРИЗАТОРЫ
Поляризатор -это оптическое устройство, на вход которого по-
ступает естественный свет (неполяризованный свет), а на выходе полу-
чается поляризованный. В зависимости от типа поляризации выходного
излучения поляризаторы можно разделить на: 1) линейные; 2) цирку-
лярные; 3) эллиптические. Принцип действия всех поляризаторов осно-
ван на одном из четырех фундаментальных механизмов: 1) дихроизм
(или селективное поглощение); 2) отражение; 3) рассеяние; 4) двулуче-
преломление.
При падении на поляризатор естественного света (рис. 6.3) пропу-
скается только линейно-поляризованный свет. Пунктирной линией на
поляризаторе показано направление электрического вектора прошедше-
го света, называемое осью пропускания поляризатора. Если поляризатор
на рис. 6.3 поворачивать относительно оси z, то сигнал на детекторе
(например, фотоэлементе) не будет изменяться вследствие однородного
Поедающий.
естественный свет
Рис. 6.3. Линейный поляризатор.
Поляризационные компоненты
267
пространственного распределения неполяризованного света на входе
устройства. Если при повороте поляризатора наблюдаются какие-либо
изменения сигнала детектора, то падающий свет не является есте-
ственным и говорят, что он частично поляризован. Степень поляризации
Р определяется как
Р = (/макс — /мин)/(/макс "Ь Длин)	(6.1)
в то время как поляризация в процентах равна
Р = (Адаке “ /мин)/(/макс + Адин) х 100%	(6.2)
где /Макс и /МИн - максимальная и минимальная интенсивности света, по-
падающего на фотодетектор.
Если между поляризатором и детектором установить в световой пу-
чок второй поляризатор (называемый анализатором} (рис. 6.4), то он бу-
дет пропускать только линейно-поляризованный свет, плоскость поля-
ризации которого параллельна оси пропускания анализатора. Линейно-
поляризованный свет, прошедший через поляризатор, можно разделить
на две компоненты: параллельную и перпендикулярную оси пропуска-
ния анализатора. Через анализатор пройдет только параллельная ком-
понента с амплитудой Е cos 0; амплитуда прошедшего света максималь-
на при 0 = 0, амплитуда прошедшего света равна нулю при 0 = 90°
Падающий
естественный свет
Рис. 6.4. Линейный поляризатор и анализатор.
268
Глава 6
(поляризатор и анализатор скрещены). Интенсивность света при проме-
жуточных углах 0 определяется законом Малюса:
I — Лиакс COS2 0	(6.3)
где 0-угол между осями пропускания поляризатора и анализатора.
6.4.	ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИЕ КРИСТАЛЛЫ
Дву лучепреломление-это оптическое явление, обусловленное
наличием у кристалла различных показателей преломления для двух
взаимно перпендикулярных ориентаций плоскости поляризации света.
Двулучепреломляющие кристаллы разделяют на два типа:
1.	Одноосные кристаллы (гексагональная, тетрагональная и триго-
нальная кристаллографические системы) имеют только одну оптиче-
скую ось. Такие кристаллы имеют два различных главных показателя
преломления (например, для кальцита: п0 = 1,6584, пе = 1,4864; для квар-
ца: п0= 1,5443, пе= 1,5534).
2.	Двухосные кристаллы (орторомбическая, моноклинная и триклин-
ная кристаллографические системы) имеют две оптические оси. Такие
кристаллы, как, например, слюда KH2A13(SO4)3, имеют три различных
главных показателя преломления.
Оптическая ось в кристалле соответствует направлению, в котором
атомы расположены симметрично. Разность
Аи = пе — п0	(6.4)
является мерой двулучепреломления. Если Аи положительна, то говорят,
что кристалл положительный одноосный (например, кварц, у которого
Ди = 0,0011). Если разность Аи отрицательна, то говорят, что кристалл
отрицательный одноосный (например, кальцит, у которого Аи =
= —0,172). Двулучепреломляющий кристалл разделяет входящий луч
монохроматического излучения на два луча, всегда поляризованных
взаимно ортогонально и распространяющихся обычно по двум раз-
личным направлениям. В одноосном кристалле будут распространяться
волны двух типов (рис. 6.5): 1) сферические о-волны (обыкновенный луч,
или о-луч); 2) эллиптические е-волны (необыкновенный луч, или е-луч).
Скорости распространения этих волн определяются ориентацией поля
относительно оптической оси: 1) если электрическое поле перпендику-
лярно оптической оси, то соответствующая часть волны распростра-
няется со скоростью Vj_; 2) если электрическое поле параллельно опти-
ческой оси, то соответствующая часть волны распространяется со.
скоростью Гц. Отметим, что о-волна всегда нормальна к оптической
оси, и поэтому она движется со скоростью v± во всех направлениях,
в то время как е-волна имеет скорость v± только в направлении оптиче-
ской оси, где она всегда касательна к о-волне.
Поляризационные омпоненты
269
Рис. 6.5. Волновые фронты в отрицательном (а) и положительном (б) одноосных
кристаллах.
Одноосные кристаллы имеют два главных показателя преломления,
определяемых как
Пе = С/Гц
По = c/v±
(6.5)
(6.6)
где с-скорость света. В отрицательном одноосном кристалле Гц > и
п0 > пе. В положительном одноосном кристалле v± > Гц и п0<пе.
Главные показатели преломления зависят от длины волны (рис. 6.6).
Длина волны, нм
Рис. 6.6. Зависимость показателей преломления кристаллического кварца (при
18°С) от длины волны [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
270
Глава 6
Отметим, что показатель преломления по имеет единственное значение
при данной длине волны, в то время как величина пе зависит от напра-
вления распространения волны относительно направления оптической
оси кристалла.
6.5.	ФАЗОВЫЕ ПЛАСТИНКИ
Замедлители (фазовые пластинки или фазосдвигатели)-эт:ъ оп-
тические элементы, предназначенные для изменения поляризации па-
дающего света. Простейшая фазовая пластинка изготавливается из
одноосного кристалла (например, кальцита, слюды или кварца) с граня-
ми, параллельными оптической оси. При этом условии разность скоро-
стей обыкновенного (о) и необыкновенного (е) лучей, составляющих не-
поляризованный свет, падающий нормально к этой пластинке, будет
максимальной. После прохождения пластинки возникает разность фаз
между о- и е-лучами, пропорциональная пройденному ими расстоянию
в пластинке. На выходе о- и е-лучи, соединяясь, образуют новый пучок
света.
Относительная разность фаз (или замедление) Аф определяется
уравнением
А<р = 2nd (|n0 - пе\ )fk0	(6.7)
где d- толщина фазовой пластинки, Х() - длина световой волны в вакуу-
ме, п0 = c/v_l и пе = с/гц- показатели преломления одноосной фазовой
пластинки (с-скорость света, скорость в направлении, перпендику-
лярном оптической оси, гц-скорость в направлении, параллельном оп-
тической оси). При прохождении о- и е-волн через фазовую пластинку
их относительная разность фаз Аф увеличивается и, таким образом, со-
стояние поляризации волны изменяется (рис. 6.2). Состояние поляриза-
ции вышедшего из пластинки света зависит от: 1) амплитуд входящих
в пластинку ортогонально поляризованных компонент; 2) разности фаз
Аф.
Фазовые пластинки подразделяются на следующие типы:
1.	Полноволновая пластинка (или полноволновая пластинка первого
порядка)-оптический элемент, который вводит относительную разность
фаз Аф между о- и е-компонентами волны, равную 360° (разд. 6.5.1).
2.	Полуволновая пластинка (или полуволновая пластинка первого по-
рядка)-оптический элемент, который вводит разность фаз Аф между о-
и е-компонентами волны, равную 180° (разд. 6.5.2).
3.	Четвертьволновая пластинка (или четвертьволновая пластинка
первого порядка)-оптический элемент, который вводит разность фаз Аф
между ортогональными о- и е-компонентами волны, равную 90°
(разд. 6.5.3).
Если относительная разность фаз на выходе кратна четверти или по-
ловине длины волны, пластинка называется пластинкой высшего поряд-
Поляризационные компоненты
271
ка. Примечание: названия фазовых пластинок относятся именно к раз-
ности фаз, а не к физической толщине пластинки.
Для изготовления фазовых пластинок обычно используются слюда
и кварц, и реальная толщина даже четвертьволновой пластинки первого
порядка составляет много длин волн. Обычно пластинка имеет вид пло-
ского тонкого диска. Диски из слюды с целью увеличения прочности
с обеих сторон закрываются стеклами. Фазовые пластинки изгото-
вляются также из листов поливинилового спирта, которые растяги-
ваются таким образом, чтобы ориентировать макромолекулы. Посколь-
ку показатели преломления е- и о-лучей в большинстве материалов
сильно зависят от длины волны, фазовый сдвиг, накапливающийся при
прохождении пластинки заданной толщины, также сильно зависит от
длины волны. Если нужно получить конкретный фазовый сдвиг, то при
нормальном падении это достигается только на одной длине волны, ко-
торую тоже следует указывать. Исключительным материалом в этом
смысле является слюда, главные показатели преломления которой сла-
бо изменяются по видимому спектру.
Таким образом, фазовая пластинка, изготовленная для длины волны
550 нм и нормального падения, будет создавать приблизительно одина-
ковые фазовые сдвиги на других длинах волн видимого диапазона. Фа-
зовые пластинки первого типа изготавливаются для длины волны
550 нм с допуском на фазовый сдвиг + 10%. Они используются в тех
случаях, когда нужны более точные значения фазового сдвига (особенно
на других длинах волн), чем создаваемые замедлителями второго типа
(с учетом величины фазового сдвига и длины волны, на которой он по-
лучается). Допуск на фазовый сдвиг для фазовых пластинок второго ти-
па составляет + 2%. Оптическую ось кристалла и нормальную к ней
ось, лежащие в плоскости фазовой пластинки, часто называют быстрой
и медленной осями; конкретное название данной оси зависит от того,
является кристалл положительным или отрицательным:
1. Оптическая ось в отрицательном одноосном кристалле (например,
кальците), из которого изготовлена фазовая пластинка, называется бы-
строй осью, а перпендикулярная ей ось -медленной осью.
2. Оптическая ось в положительном одноосном кристалле (например,
кварце), использованном для изготовления фазовой пластинки, назы-
вается медленной осью, а перпендикулярная ей ось -быстрой осью.
Слегка поворачивая фазовую пластинку относительно одной из этих
осей, можно отрегулировать получающийся фазовый сдвиг. Поворот
вокруг кристаллической оси увеличивает эффективную толщину плас-
тинки, но не влияет на разность скоростей е- и о-лучей, в результате че-
го разность фаз при прохождении кристалла увеличивается. Поворот
вокруг другой оси и увеличивает эффективную толщину, и уменьшает
разность скоростей о- и е-лучей. Последний эффект оказывается доми-
нирующим для поворотов на малый угол, в результате чего фазовый
сдвиг на выходе пластинки уменьшается. Таким способом узкополосная
фазовая пластинка (или их комбинация) может перестраиваться по огра-
272
Глава 6
ничейному диапазону фазовых сдвигов на фиксированной длине волны
или по ограниченному диапазону длин волн при фиксированном фазо-
вом сдвиге.
Влияние фазовой пластинки на пучок поляризованного света зависит
от трех параметров: 1) начального состояния поляризации; 2) ориента-
ции фазовой пластинки относительно перпендикулярной ей оси (изме-
ряется относительно осей поляризации падающего пучка); 3) чистого
фазового сдвига. Главная плоскость фазовой пластинки-это плоскость,
проходящая через ось диска и оптическую ось кристалла.
6.5.1.	Полноволновая фазовая пластинка
В полноволновой фазовой пластинке относительная разность
фаз Аф равна 2л. Пройдя такую пластинку о- и е-волны снова оказы-
ваются в фазе, т.е. она оказывает влияние на поляризацию падающего
монохроматического пучка. Если такую пластинку установить между
скрещенными линейными поляризаторами, весь падающий на нее свет
будет линейно поляризован. Излучение только с одной определенной
длиной волны, удовлетворяющей уравнению (6.7), будет проходить че-
рез пластинку без изменения и затем будет поглощаться в анализаторе.
Свет с другими длинами волн после прохождения пластинки будет эл-
липтически поляризован вследствие появления фазового сдвига. Часть
такого света пройдет через анализатор, что приведет к появлению цве-
та, дополнительного к поглощенному. Говорят, что такая фазовая пла-
стинка является хроматической.
6.5.2.	Полуволновая фазовая пластинка
Толщина полуволновой фазовой пластинки первого порядка
такова, что разность фаз на ее выходе (замедление медленного луча по
сравнению с быстрым) составляет половину длины волны. Толщина по-
луволновой пластинки должна удовлетворять следующему соотноше-
нию [см. уравнение (6.7)]:
d(|n0 — ne|) = (2m + 1)Х0/2	(6-8)
где т = 0, 1, 2, .... Разность фаз Аф на выходе полуволновой пластинки
равна л, Зя, 5л и т.д.
Если мы имеем полуволновую пластинку (первого или высшего по-
рядка) и если угол (острый) между электрическим вектором, лежащим
в плоскости линейно-поляризованного падающего пучка, и главной пло-
скостью пластинки равен 0, то вектор электрического поля выходящего
пучка (также линейно поляризованного) будет расположен также под
углом 0 к главной плоскости фазовой пластинки. Таким образом, влия-
ние полуволновой фазовой пластинки проявляется в повороте плоско-
сти поляризации на угол 20 (рис. 6.7). Так как угол 0 можно плавно из-
менять (зафиксировав плоскость поляризации падающего пучка
Поляризационные компоненты
273
Направление опта ческой
ори кристалла
Рис. 6.7. Влияние полуволновой пластинки на линейно поляризованный пучок
лазерного излучения [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
Плоскость поляризации пучка можно поворачивать без поворота лазера. Плоскость поляризации как бы ис-
пытывает отражение в плоскости, содержащей оптическую ось кристалла, и плоскость поляризации выходно-
го излучения поворачивается на удвоенный угол, образуемый плоскостью поляризации входного пучка и оп-
тической осью кристалла
и поворачивая пластинку относительно оси, перпендикулярной плоско-
сти пластинки), плоскость поляризации выходящего пучка можно также
плавно поворачивать. Полуволновая фазовая пластинка будет изме-
нять: 1) конфигурацию поляризации эллиптически-поляризованного све-
та (рис. 6.2); 2) направление вращения электрического вектора цирку-
лярно- и эллиптически-поляризованного света, преобразуя его из
правополяризованного в левополяризованный и наоборот.
Полуволновые пластинки используются в «устройствах вращения
плоскости поляризации лазерного излучения», позволяющих поворачи-
вать плоскость поляризации пучка лазерного излучения, направление
которой определяется углом Брюстера выходных окошек, без физиче-
ского поворота самого лазера. Такой же результат можно получить,
установив пару одинаково ориентированных четвертьволновых пласти-
нок. Полуволновая пластинка, установленная перед поляризационным
кубиком (разд. 6.9), позволяет получить светоделитель с переменным
коэффициентом деления для монохроматического линейно-поляризо-
ванного входного света. Полуволновая пластинка будет преобразовы-
вать циркулярно-поляризованный против часовой стрелки свет в цирку-
лярно-поляризованный по часовой стрелке свет и наоборот (при
изменении направления распространения). Аналогично она будет пре-
образовывать левоэллиптически-поляризованный свет в правоэллипти-
чески-поляризованный свет и наоборот. При этом происходит зеркаль-
ное отражение большой оси эллипса в плоскости фазовой пластинки.
При установке двух полуволновых пластинок друг за другом с одинако-
вой ориентацией получается полноволновая или «цветовая» пластина,
18-644
274
Глава 6
аналогичная используемым при исследовании напряжений поляриза-
ционно-оптическим методом. Подобным же образом полуволновую
пластинку можно составить из двух четвертьволновых.
6.5.3.	Четвертьволновая фазовая пластинка
Толщина четвертьволновой фазовой пластинки первого порядка
такова, что разность фаз (замедление медленного луча по сравнению
с быстрым) составляет четверть длины волны. Толщина четвертьволно-
вой пластинки должна удовлетворять следующему условию [см. урав-
нение (6.7)]:
d(|n0-ne|) = (4m+1)Х0/4	(6.9)
Линейно-поляризованный свет, электрический вектор которого образует
угол 45° с главной осью четвертьволновой пластинки, будет выходить
из нее циркулярно-поляризованным (рис. 6.8).
Комбинация из ориентированных соответствующим образом линей-
ного поляризатора и четвертьволновой фазовой пластинки называется
круговым поляризатором (рис. 6.9). Направление вращения выходящего
света, поляризованного по кругу, зависит от того, образует ли ось про-
пускания линейного поляризатора угол 4- 45 или — 45° с направлением
распространения быстрого луча в фазовой пластинке. Добавление еще
одной четвертьволновой пластинки к круговому поляризатору позво-
45°
Входная (или выходная)
плоскость поляризации
Направление
оптической оси
кристалла
Циркулярно-поляризо-
ванный входной или
выходной пучок
Линейно-поляризованнъ
входной или выходной
пучок
Рис. 6.8. Четвертьволновая фазовая пластинка [691] (воспроизводится с разре-
шения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Преобразование линейно-поляризованного света в циркулярно-поляризованный (или наоборот) осуществляет-
ся в том случае, когда угол между плоскостью линейной поляризации и оптической осью кристалла точно
равен 45° Для других углов происходит преобразование из линейной поляризации в эллиптическую (или
наоборот)
Поляризационные компоненты
275
ляет получить линейно-поляризованный свет, направление поляризации
которого будет перпендикулярно направлению поляризации падающего
света (рис. 6.10). Имеющийся в продаже одноэлементный круговой по-
ляризатор имеет обозначение CP-HN. Это сандвич из поляроида HN
и четвертьволновой пластинки, представляющей собой натянутую плен-
ку из поливинилового спирта (разд. 6.6).
Падающий
естественный
свет
Рис. 6.10. Система, преобразующая циркуляр-
но-поляризованный свет в линейно-поляризо-
ванный.
18*
276
Глава 6
6.5.4.	Применение четвертьволновых фазовых пластинок
1.	Оптический изолятор -это комбинация поляризатора и че-
твертьволновой пластинки с углом 0, равным либо 4- 45°, либо — 45°
(рис. 6.11). Падающий пучок сначала линейно поляризуется поляризато-
ром, а затем циркулярно поляризуется четвертьволновой пластинкой.
Направление распространения циркулярно-поляризованного пучка из-
меняется на обратное с помощью отражения от зеркала или от другой
поверхности при нормальном падении. После повторного прохождения
через фазовую пластинку распространяющийся в обратном направле-
нии циркулярно-поляризованный пучок оказывается линейно-поляризо-
ванным, причем его плоскость поляризации ортогональна плоскости
поляризации падающего поляризованного пучка. Этот отраженный пу-
чок затем гасится поляризатором, непрозрачным для зеркально отра-
женного излучения.
Изоляторы используются для устранения обратной связи интерферо-
метров с лазерами, являющейся причиной трудноустранимого затягива-
ния мод и расстройки лазеров. Для таких приложений весьма суще-
ственно наличие на обеих поверхностях поляризующего элемента
просветляющих покрытий, рассчитанных на длину волны излучения ла-
зера; в противном случае этот элемент необходимо наклонять таким
образом, чтобы пучок лазерного излучения не падал на его поверхность
перпендикулярно. Поверхность фазовой пластинки, обращенная в сто-
рону лазера, должна обрабатываться аналогично. В интерферометре
Твимана-Грина с лазерным освещением (разд. 10.3.1.2) четвертьвол-
новые пластинки часто используются для подавления нежелательных
свет
Рис. 6.11. Оптический изолятор.
Поляризационные компоненты
277
Падающий
естественный
свет
Рис. 6.12. Электрооптический модулятор.
отражений (на фоне рабочих отражений); схема подавления отражений
основана на тех же принципах, что и оптический изолятор.
2.	Электрооптический модулятор -это комбинация поляризаторов,
четвертьволновой пластинки и электрооптической ячейки [например,
ячейки Покельса или ячейки Керра (разд. 16.3.1.6)] (рис. 6.12). Входной
пучок линейно поляризуется поляризатором и проходит через элек-
трооптическую ячейку. Угол 0 между электрическим вектором света
и фазовой пластинкой можно модулировать в ячейке приблизительно
на 45°. Пучок, выходящий из электрооптической ячейки, эллиптически
поляризован. Проходя через четвертьволновую пластинку он преобра-
зуется в линейно-поляризованный пучок, плоскость поляризации кото-
рого ортогональна плоскости поляризации падающего пучка.
3.	Оптический метод исследования напряжений.
6.5.5.	Фазовые пластинки из слюды
Поскольку слюда имеет относительно высокий коэффициент
поглощения, изготовленные из нее фазовые пластинки обычно приме-
няются при работе с низкими мощностями, например с гелий-неоновым
лазером. При работе с большими мощностями рекомендуется приме-
нять кварцевые пластинки. Четвертьволновые или полуволновые пла-
стинки из слюды типа 1 представляют собой широкополосные фазовые
пластинки, предназначенные для изменения поляризации излучения ви-
278
Глава 6
димого спектра (400-700 нм). Четвертьволновые или полуволновые пла-
стинки из слюды типа 2 также являются широкополосными фазовыми
пластинками, пригодными для использования с лазерами низкой мощ-
ности в интервале 400-250 нм.
6.5.6.	Кварцевые фазовые пластинки
Кварцевые фазовые пластинки-это четвертьволновые или по-
луволновые пластинки, которые пригодны для работы с лазерами высо-
кой и низкой мощности; эти пластинки бывают первого порядка или
высших порядков. Кварцевые фазовые пластинки высокого порядка из-
готавливаются из одной кристаллической пластины, а фазовые пластин-
ки первого порядка собираются из двух кристаллических кварцевых
пластин, находящихся на оптическом контакте; каждая из этих пластин
частично компенсирует влияние другой. Фазовый сдвиг, создаваемый
пластинками первого порядка, практически не зависит от температуры,
а для пластинок высокого порядка он зависит от температуры слабо.
Температурный коэффициент фазового сдвига (разности фаз между о-
и е-лучами на выходе) для таких пластинок приблизительно равен
0,07 нм/°С.
6.6.	ПЛЕНОЧНЫЕ (ДИХРОИЧНЫЕ) ПОЛЯРИЗАТОРЫ
Пленочные или дихроичные поляризаторы изготавливаются из
дихроичных материалов-материалов, обладающих дву лучепреломле-
нием и сильно поглощающих излучение с одной из двух ортогональных
поляризаций (либо обычный луч, либо необычный), в то время как излу-
чение с другой поляризацией не поглощается. В продаже имеется не-
сколько типов пленочных поляризаторов.
1.	Пленочный поляризатор F-muna (устаревший тип) состоит из суб-
микроскопических иголочек герапатита (периодид сульфата хинина),
ориентированных в пленке из ацетата целлюлозы параллельно друг
другу. Недостатком поляризатора этого типа является рассеяние света
вследствие микрокристаллической структуры.
2.	Пленочные поляризаторы Н-типа (новый тип) изготавливают из
пленки поливинилового спирта, которую сначала растягивают с целью
ориентирования молекул в направлении растяжения, а затем пропиты-
вают иодом. Молекулы /2 образуют комплекс с полимером и в резуль-
тате оказываются ориентированными. Компонента падающего света
с плоскостью колебаний электрического вектора, параллельной оси
связывания молекул /2, поглощается, а перпендикулярная компонента
проходит через поляризатор.
3.	Пленочный поляризатор К-типа (новый тип) изготавливается пу-
тем нагрева листа поливинилового спирта в присутствии катализатора
с целью удаления части молекул воды и получения дихромофорного по-
ливинилена. Селективное поглощение получается благодаря параллель-
ной ориентации двойных связей полимера при растяжении.
Поляризационные компоненты	279
4.	HR-поляроид -это другой тип поляризующей пленки, предста-
вляющей собой комбинацию Н- и К-типа; он имеет максимум поглоще-
ния в инфракрасной области около 1,5 мкм.
Поляризаторы изготовляются из пластмассовой дихроичной поляри-
зующей пленки, покрытой пластинами из шлифованного и полирован-
ного стекла. Поскольку дихроичный материал обладает селективным
поглощением, такие поляризаторы нельзя использовать с лазерными
пучками большой мощности. Эти поляризаторы обладают следующими
достоинствами: 1) большие апертуры; 2) большие входные углы; 3) пре-
восходный коэффициент гашения; 4) малый вес; 5) низкая стоимость; 6)
простота крепления.
Пропускание Т однопленочного поляризатора в пучке линейно-поля-
ризованного падающего света дается выражением
Т= kr cos2 0 + k2 sin2 0	(6.10)
где 0-угол между плоскостью поляризации падающего пучка (пло-
скостью электрического вектора падающего пучка) и плоскостью макси-
мального пропускания поляризатора, ориентация которой указывается
с помощью выгравированной метки на оправе поляризатора; kr и
к2- главные значения пропускания поляризатора, зависящие от длины
волны (в идеале kr = 1 и к2 = 0; на самом деле кг всегда несколько
меньше единицы, а к2 всегда мало, но не равно нулю).
Если падающий световой пучок неполяризован и если угол 0 есть
угол между плоскостями максимального пропускания (плоскостями по-
ляризации) двух близко расположенных пленочных поляризаторов, то
можно легко показать, что пропускание такой пары поляризаторов
описывается выражением
Тпары = ktk2 sin2 0 + [(/с? + к22) cos2 0]/2	(6.11)
Если ввести определения
Я9о = ТпарЫ(90°) = ^2	(6.12)
но = Тпары (0°) = (к2 + к2)/2	(6.13)
то уравнение (6.11) можно упростить:
Гпары = н9о sin2 0 + Но cos2 0	(6.14)
или Тпары = Н90 + (Но - Н90) cos2 0	(6.15)
Величина Н90 называется пропусканием в закрытом состоянии или
коэффициентом гашения, а величина Но называется пропусканием в от-
крытом состоянии (рис. 6.13). Обе эти величины зависят от длины во-
лны (рис. 6.14). Из-за больших различий пропусканий в открытом и за-
280
Глава 6
Рис. 6.13. Пропускания в закрытом и открытом состояниях в системе анализа-
тор-поляризатор [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
Рис. 6.14. Оптические плотности в открытом и закрытом состояниях [691] (вос-
производится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Поляризационные компоненты
281
крытом состояниях для построения графиков удобно использовать
оптические плотности, а не сами пропускания (рис. 6.14). Оптические
плотности в открытом и закрытом состояниях определяются следую-
щим образом:
£>90 = lg(l/H90)
£>0 = lg(l/H0)
(6.16)
(6.17)
Пленочные поляризаторы применяются, в частности, для получения
и (или) анализа света с различными поляризациями, подавления бликов,
изготовления оптических изоляторов, а также электрооптических и маг-
нитооптических модуляторов.
6.7.	КОМПЕНСАТОРЫ
Компенсатор-это оптическое устройство, позволяющее полу-
чать любой желаемый сдвиг фаз (в интервале 250-3500 нм, если оптиче-
ским материалом является кварц). В продаже имеются компенсаторы
двух типов: 1) компенсатор Бабине (разд. 6.7.1); 2) компенсатор Солей-
ля-Бабине (разд. 6.7.2).
6.7:	1. Компенсатор Бабине
Компенсатор Бабине состоит из двух кварцевых клиньев, выре-
занных таким образом, что оптические оси кристаллов параллельны по-
верхностям клиньев. Клинья накладываются друг на друга так, что оп-
тические оси кристаллов оказываются перпендикулярны друг другу
(рис. 6.15). Фазовый сдвиг в выходящем пучке пропорционален разности
толщин клиньев. Суммарная разность фаз равна
Аф = 2п (dr — d2) (п0 — ие)/Х0
Рис. 6.15. Компенсатор Бабине.
(6.18)
282
Глава 6
где d± и d2- толщина верхнего и нижнего клиньев соответственно.
В центре, где dr = d2, эффект, создаваемый одним клином, полностью
гасится другим и Аф = 0 для всех длин волн.
Компенсатор Бабине с двумя клиньями из MgF2 или CdS можно ис-
пользовать в инфракрасном диапазоне.
6.7.2. Компенсатор Солейля-Бабине
Компенсатор Солейля-Бабине состоит из двух клиньев и пло-
скопараллельной пластинки, оптическая ось которой перпендикулярна
ее плоскости (рис. 6.16). Один клин находится в оптическом контакте
с пластинкой, а другой, отделенный от первого небольшим воздушным
промежутком, перемещается с помощью микрометрического винта. Фа-
зовый сдвиг в выходящем пучке пропорционален разности величин dr и
d2 (рис. 6.16). Неизвестный фазовый сдвиг можно измерить, отрегулиро-
вав компенсатор так, чтобы полностью устранить этот сдвиг.
Компенсатор Солейля-Бабине можно использовать:
1.	Для определения плоскостей поляризации, разностей фаз и отно-
шений интенсивностей линейно-поляризованных пучков, из которых мо-
жет быть получен любой эллиптически-поляризованный пучок.
2.	Для выявления любого желаемого поляризационного состояния.
3.	В эллипсометрии, с помощью которой можно определять свой-
ства поверхностей и толщину очень тонких пленок (до малых долей
длины волны).
4.	В измерительном оборудовании, основанном на явлении поляри-
зации и применяющемся в минералогическом анализе, в органической
химии, для определения молекулярной структуры, для анализа тканей,
в медицинской диагностике, в исследованиях фазового равновесия в ке-
рамических материалах и при контроле загрязнения окружающей
среды.
Рис. 6.16. Компенсатор Солейля-Ба-
бине.
Поляризационные компоненты
283
Рис. 6.17. Компенсатор Сол ей ля-Бабине [691] (воспроизводится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
5.	В анализе напряжений поляризационно-оптическим методом
с целью точного измерения двулучепреломления, индуцированного
деформациями.
На рис. 6.17 показан выпускаемый промышленностью компенсатор
Солейля - Бабине.
6.8.	ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ
ОТ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
Рассматривая геометрические соотношения для отражения
и преломления света в диэлектрической среде (рис. 6.18), мы обнару-
жим, что при определенном угле 0/ = 0р (угол поляризации или угол Брю-
стера) свет, отраженный под этим углом от поверхности, полностью
поляризован таким образом, что его электрическое поле перпендикуляр-
но плоскости падения. Это происходит в том случае, когда
0p + 0t = 9O°	(6.19)
и tg ер = п2/п1	(6.20)
где -показатель преломления воздуха, и2-показатель преломления
диэлектрической среды. Если падающий пучок распространяется в воз-
духе и пропускающей средой является стекло, то п1 = 1, п2~ 1,5; в этом
случае угол поляризации 0р » 56°. Полностью поляризованный отра-
женный пучок очень слабый, в то время как прошедший пучок, хотя он
и сильный, поляризован только частично. Эффективный поляризатор
такого типа состоит из стопы, насчитывающей десятки пластинок
(рис. 6.19).
284
Глава 6
Рис. 6.18. Поляризация при отраже-
нии.
Коэффициенты отражения двух ортогонально поляризованных ком-
понент определяются уравнениями Френеля:
К|! = tg2 (О,- - ef)/tg2 (О, + Or)	(6.21)
R± = sin2 (0,- - 0t)/sin2 (0,- + 0t)
(6.22)
Заметим, что Ki никогда не становится равным нулю, а Кц принимает
нулевое значение, когда знаменатель равен бесконечности, т.е. когда
el + et = 9o°.
р-поляризовсснный свет,
вектор Е которого параллелен
плоскости падения
Нормаль
S-поляризованный свет,
вектор Е которого перпенди-
кулярен плоскости падения
Падающий,
естественный свет
Рис. 6.19. Разделение естественного света на два пучка линейно-поляризованно-
го света при отражении от стопы пластинок.
Поляризационные компоненты
285
Рис. 6.20. Зависимость коэффициентов отражения от угла падения.
Коэффициент отражения естественного света выражается формулой
К = (Кц + К1)/2	(6.23)
Зависимость коэффициентов отражения от углов падения в стекле пока-
зана на рис. 6.20. Срединная кривая, соответствующая падающему есте-
ственному свету, показывает, что только около 7,5% этого света отра-
жается при 0/ = 0р. В таком случае прошедший свет будет частично
поляризованным. При 9/ / и прошедший, и отраженный лучи частич-
но поляризованы.
6.9.	ПОЛЯРИЗУЮЩИЕ СВЕТОДЕЛИТЕЛИ
ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Поляризующие светоделители для лазерного излучения рабо-
тают как поляризаторы либо светоделители или выполняют обе эти
функции одновременно. Они состоят из двух прямоугольных призм,
приклеенных друг к другу гипотенузными гранями, между которыми
помещается специальная многослойная диэлектрическая пленка
(рис. 6.21). Монохроматический неполяризованный свет, нормально па-
дающий на внешние грани получающегося в результате склейки кубика
(внутри кубика свет падает под углом 45° к многослойной пленке), раз-
деляется на два поляризованных пучка, выходящих через соседние гра-
ни в направлениях, образующих друг с другом угол 90°. Пучок, прохо-
дящий через кубик прямо, выходит линейно-поляризованным со
286
Глава 6
Падающий
естественный
свет
Рис. 6.21. Поляризующий светоделитель для лазерного излучения.
Рис. 6.22. Светоделитель с переменным коэффициентом деления [691]
(воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
Полуволновая пластинка вращается с угловой скоростью со, а плоскость поляризации выходного излучения
вращается со скоростью 2со. Выходящие из кубика поляризованные пучки имеют указанные интенсивности /,
и 1Р. При других ориентациях пластинки наблюдаются промежуточные значения интенсивностей.
Поляризационные компоненты
287
степенью поляризации 98% и более; его плоскость поляризации парал-
лельна плоскости падения, определенной для многослойной пленки (р-
поляризация). Пучок, выходящий из кубика под прямым углом к па-
дающему пучку (отраженный диэлектрической пленкой), также линейно
поляризован со степенью поляризации 98% и более; плоскость поляри-
зации этого пучка перпендикулярна плоскости падения, определенной
для многослойной пленки («-поляризация).
Падающий пучок линейно-поляризованного монохроматического
света делится аналогичным образом, но отношение интенсивностей вы-
ходящих пучков будет зависеть от ориентации вектора электрического
поля падающего пучка. Если перед поляризующим кубиком установить
полуволновую пластинку (рис. 6.22), то получится светоделитель с пере- ч
менным коэффициентом деления для линейно-поляризованного моно-
хроматического света. Отношение интенсивностей выходных пучков
можно плавно изменять от 1:49 до 49 :1 путем поворота полуволновой
пластинки на соответствующий угол вокруг оси, перпендикулярной ее
плоскости. Легко получается и отношение 1:1. Для неполяризованного
монохроматического света и без использования фазовых пластинок
подобные светоделители всегда очень точно дают отношение 1 :1 неза-
висимо от ориентации кубика. Поляризующие кубики пригодны для
большинства приложений, связанных с использованием монохроматиче-
ского света [в них могут применяться и другие поляризаторы (такие,
как поляризаторы из кальцита)], среди которых: 1) изготовление изоля-
торов; 2) изготовление электрооптических и магнитооптических модуля-
торов; 3) модуляция добротности лазеров (разд. 16.3.1.6).
6.10.	ДЕПОЛЯРИЗАТОР КОРНЮ
Деполяризатор Корню, который изготавливают из оптического
кварца, можно использовать для моделирования деполяризации света,
излучаемого лазером или иным монохроматическим источником. В дей-
ствительности это устройство является псевдодеполяризатором в том
в	Рис. 6.23. Деполяризатор Корню.
288	Глава 6
смысле, что эффект деполяризации достигается при изменении сложным
образом состояния поляризации на выходной грани призмы. Деполяри-
затор Корню состоит из двух фазовых пластинок переменной толщины,
склеенных вместе (рис. 6.23); одна из пластинок создает левосторон-
нюю, а другая-правостороннюю круговую поляризацию. При установ-
ке деполяризатора между двумя скрещенными поляризаторами будут
наблюдаться полосатые спектры (полосы изменяющегося цвета). По-
лезный угловой диаметр этих устройств составляет приблизительно
2 дуговых, градуса; его можно точно определить по угловой ширине
центральной темной полосы. Деполяризаторы Корню будут давать
сильно деполяризованное выходное излучение, если их апертура запол-
няется пучками диаметром не менее 1 мм. Чем больше диаметр пучка,
тем меньше остаточная поляризация.
Глава 7.
Световоды
Литература: 29, 85, 118, 187, 233, 328, 349, 465, 534, 674, 675, 810, 1396, 1535.
7.1. КОНСТРУКЦИЯ СВЕТОВОДОВ
Оптические волокна -это маленькие нитевидные оптические
элементы или длинные волокна, используемые в качестве волноводов
для электромагнитного излучения оптического диапазона частот.
Световоды (рис. 7.1) состоят из пучка проводящих свет одиночных
волокон, изготовленных из оптического стекла или пластмассы; концы
волокон упакованы с максимально возможной плотностью в муфте
и скреплены с помощью синтетической смолы. После закрепления
концы шлифуются и полируются до получения оптической плоскости.
Все оптические волокна состоят по крайней мере из двух компонен-
тов:
1. Сердцевина. Внутренняя часть волокна с большим показателем
преломления nt.
2. Покрытие (или оболочка). Окружающая сердцевину волокна обо-
лочка из стекла или пластмассы с меньшим показателем преломления
п2. Применение такого покрытия с меньшим, чем у сердцевины показа-
телем преломления обеспечивает полное внутреннее отражение на гра-
нице раздела между сердцевиной и оболочкой и предотвращает
проникновение света в соседние волокна. Без такой оболочки большин-
ство волокон применять нельзя.
В основном световоды можно разделить на следующие типы:
1. Не передающие изображения. Концы волокна в основном распре-
делены по всей площади заданной геометрии (например, в виде круга,
прямоугольника или другой геометрической фигуры) с целью согласо-
вания конфигураций источника и приемника. Типичные диаметры воло-
кон 25-75 мкм.
2. Передающие изображение. В таких световодах концы волокон
располагаются одинаково с обеих сторон. Пучки волокон этого типа
(называемые согласованными пучками) передают согласованные распоз-
наваемые изображения.
Световоды, передающие изображение, можно разделить на две
группы.
1. Гибкие конструкции, в которых волокна скреплены только на кон-
цах и весь световод можно свободно изгибать и скручивать. Для полу-
19-644
290
Глава 7
Оболочка (ила покрытие)
Рис. 7.1. Световод.
чения изображения необходимо устанавливать соответствующим обра-
зом только концы.
2. Жесткие конструкции, в которых волокна располагаются в основ-
ном согласованно по сечению в любой точке пучка. Обычно для полу-
чения жесткого световода волокна сплавляют вместе, нагревая их до та-
кой температуры, при которой происходит слияние оболочек. Типичны-
ми сплавленными связками являются светопроводы (жесткий многово-
локонный стержень), волоконные пластины или мозаики (сплавленные
согласованные блоки из множества волокон, используемые в качестве
окошек в трубках, видиконах, усилителях изображения и т.д.), воло-
конные конусы и волоконные поворачивающие устройства.
Мозаика, состоящая из миллионов сплавленных с оболочками воло-
кон обладает механическими свойствами, почти идентичными свой-
ствам однородного стекла. Лист сплавленных сужающихся волокон мо-
жет либо увеличивать, либо уменьшать изображение в зависимости от
направления входа света-на конец волокна меньшего или большего се-
чения. Мозаику можно отшлифовать и отполировать таким образом,
чтобы одна из ее поверхностей соответствовала контуру изображения,
а другая - согласовывалась с детектором.
Оптические волокна изготавливаются из материалов двух типов:
1. Оптическое стекло. Волокно вытягивается из разогретого стекла,
благодаря чему оно обладает очень гладкой полированной поверх-
ностью, необходимой для достижения оптических характеристик. Про-
пускание стеклянных волокон выше, чем у пластмассовых (особенно
в ближнем инфракрасном диапазоне спектра), интервал значений пока-
зателя преломления шире и лучше термостабильность. С другой сто-
роны, они более хрупкие и дорогие, чем пластмассовые. Для защиты от
механических повреждений волокна помещают в гибкие трубки из по-
ливинилхлорида или металлическую оплетку. Для специальных приме-
нений в продаже имеются многохвостовые световоды (рис. 7.2) с раз-
нообразными длинами и диаметрами.
2. Пластмассы. Волокна получают путем выдавливания через узкое
отверстие расплавленного полимера. Для изготовления пластмассовых
Световоды
291
Рис. 7.2. Многохвостые свето-
воды [675] (воспроизводится
с разрешения Schott Glaswerk,
Mainz, FRG).
волокон используются: 1) полистирол в качестве сердцевины и полиме-
тилметакрилат для оболочки; 2) полиметилметакрилат для сердцевины
и политетрафторэтилен для оболочки. Пластмассовые волокна соеди-
няются в более длинные волокна путем спайки подобно электрическим
кабелям.
Световоды в виде стержня, покрытого оболочкой-это намного бо-
лее прочные волокна большего диаметра. В основе их действия лежит
принцип полного внутреннего отражения на защищенной границе, и по-
этому они передают свет очень эффективно. Несколько стержней, по-
крытых оболочкой, можно соединить в один световод, обладающий
нужной геометрией (круг, квадрат, шестиугольник и т. д.). Этот световод
состоит из нескольких различающихся каналов, каждый из которых
имеет свою оболочку, предназначенную для оптической изоляции. Та-
кие световоды известны под названием многоэлементных волокон или
мультиволокон.
Светопередающие блоки содержат миллионы маленьких, точно рас-
положенных волокон; они могут передавать изображение с одного свое-
го конца на другой. Такие блоки изготавливаются путем сплавления
множества волокон при высокой температуре под давлением.
7.2.	ОПТИКА ВОЛОКОН
Когда свет, распространяющийся внутри волокна, падает на
границу раздела между сердцевиной и оболочкой, обладающими разны-
ми показателями преломления, он испытывает полное внутреннее отра-
жение в среде с большим показателем преломления (сердцевина)
(рис. 7.3) при всех углах падения, превышающих критический угол <рс,
который определяется из формулы
sin (ре = п2/п1	(7.1)
Откуда (pc = arcsin(n2/n1)
(7.2)
19*
292
Глава 7
Сердцевина (nt)
Рис. 7.3. Меридиональный луч, входящий в торец простого (а) и суженного (б)
волокон.
Здесь пг-показатель преломления сердцевины, п2-показатель прело-
мления оболочки, фс-критический угол, т.е. минимальный угол паде-
ния в оболочке, при котором свет испытывает полное внутреннее
отражение.
Меридиональный луч (т.е. луч, лежащий в одной плоскости с оптиче-
ской осью) на пути через волокно может испытать несколько тысяч от-
ражений. Длина пути I, проходимого лучом, дается выражением
/ = L/cos <рс
(7.3)
или / = Lnr (nj — sin2 а) 1/2
(7.4)
где L- длина волокна, а-угол, под которым луч падает на торец волок-
на. Существует максимальный угол амакс, для которого внутренний луч
падает под критическим углом <рс; лучи, падающие на торец под угла-
ми, большими амакс, будут попадать на внутреннюю стенку под углами,
меньшими <рс. При каждом таком попадании на границу раздела между
сердцевиной и оболочкой они будут отражаться только частично и бы-
стро уйдут из волокна. Следовательно, аМакс определяет половину угла
раскрыва конуса ввода волокна (рис. 7.4). Угол ввода 2амакс-это макси-
Tun W
Tun A, A1
Tun B, B1
Tun HZ
TunVV
Tun 7R1
100 у-
80 -
60 -
40 -
Z0 -
tfL	____
J004005V030010001400 18V°°
100 р
80 -
60 -
40 -
20 -
О ____________________________
™400 5006о1009оА0001400 18V°°
100
80
60
40
20
о_____________________________
300 400 5W001400 18V°°
100
во
60
40
20
О
200 300 ^5ОО^7О$О%)^01400
100
80
ВО
40
20
°	600 1000 1400 1800 2200 2600
100 у-
80 -
60 -
40-
20- .
Длина световода (мм)
юо
250
500
ЮОО
1800
3000
Длина световода
(мм)
. JOO
-Z5O
500
lOOO
3*000
5000
Длина световода (мм)
--- ------ 100
-ZZ>----——soo
--1500
™00
?--<&Р5&;3000
Длина световода (aim)
500
Длина световода (мм)
250
500
WOO
1800
ООО
Длина световода (мм)
Оч
TunR1
(спектры пропускания о_____
до и после облучения) 300 400 500 600 700 600 10001100
Длина волны, нм
а
б
Рис. 7.4. Угловое распределение выходного излучения (а) и спектры пропуска-
ния (б) некоторых выпускаемых промышленностью световодов [674] (воспроиз-
водится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
294
Глава 7
мальный угол падения, измеренный относительно оси волокна, при ко-
тором свет в волокне будет распространяться в результате полного вну-
треннего отражения.
Число отражений N равно
N = /sincpc/D±l	(7.5)
или N = Lsin oc/[D (nj - sin oc)1/2] ± 1	(7.6)
где D- диаметр волокна. Член + 1 появляется в зависимости от места
попадания луча на торец волокна (при больших N им можно прене-
бречь).
Числовая апертура NA-параметр, описывающий светособирающую
способность волокна:
NA = п0 sin амакс = (nj - nj)il2	(7.7)
где п0- показатель преломления воздуха, п0 = 1,00028 л 1:
осмакс-половина угла ввода (также называется апертурным углом). Мак-
симальное значение числовой апертуры равно единице; в этом случае
апертурный угол амаКс равен 90° и весь свет, попадающий на вход во-
локна, испытывает полное внутреннее отражение. В продаже имеются
волокна с разнообразными значениями числовой апертуры от 0,2 до 1,0
и с различными апертурными углами (табл. 7.1).
Угловое распределение выходного излучения (рис. 7.4, а) при равно-
мерном освещении волокна является функцией качества оптического
контакта между сердцевиной и оболочкой. Спектры пропускания волок-
на (рис. 7.4,6) зависят от: 1) характеристик пропускания материалов, ис-
пользуемых для изготовления сердцевины и оболочки; 2) качества гра-
ницы раздела, на которой происходит отражение; 3) степени проника-
ния остаточного света через оболочку; 4) различных потерь на торце
(например, френелева отражения от входной и выходной поверхности
волокна). Постоянные начальные потери при пропускании излучения
приблизительно составляют 38%. Спектральное пропускание быстро
уменьшается с ростом длины волокна (рис. 7.5).
Отношение полезной площади сердцевины волокна к полной площа-
ди передней поверхности световода называется упаковочным коэффи-
циентом. Пятнами в оптическом световоде называются любые локали-
зованные участки, пропускающие свет хуже, чем волокно в целом.
Области, занимаемые оболочкой или нормальные участки между хоро-
шо упакованными волокнами не считаются пятнами. Появление пятен
в основном обусловливают: 1) несовершенства упаковки (пустоты); 2)
разорванные волокна; 3) волокна с внутренними дефектами (серые). Все
они носят, как правило, случайный характер. При описании допусков на
такие дефекты обычно указывают их размер, число и случайное
распределение.
Световоды
295
Таблица 7.1. Световоды [674] (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk,
Mainz, FRG)
Тип волок- NA на		Угол 2а, град	Спектраль- ный диапа- зон	Свойства
W	0,87	120	Видимый - ближний ИК	Очень большой апертурный угол (80° под водой)
Al	0,65	81	То же	Высокое пропускание при большом апертур- ном угле, оттенки света
A	0,56	69	»	Высокое пропускание
В	0,55	67	»	Стандарт для всех оптико-волоконных компо- нентов-гладкая кривая пропускания, свет подкрашивается при больших длинах волн
Bl	0,43	52	»	Гладкая спектральная кривая пропускания
K2 UV	0,21	24	» УФ-види- мый- ближний ИК	Малые апертурные углы Единственное волокно для световодов с удов- летворительным пропусканием УФ излуче- ния до 200 нм. Сердцевина изготовлена из плавленого квар- ца, оптически изолированного пластмассой. В связи с этим апертурный угол не опре- делен так резко, как у волокон из опти- ческого стекла. Обладает хорошей стойкостью к воздействию радиоактивного и рентгеновского излучений
IR1	0,38	45 при X = 588 нм, 0,35	41 при Х = = 2325 нм		Видимый - средний ИК	Удовлетворительное оптическое пропускание в ИК области до X = 2,7 мкм без пог- лощения ОН
R1 Ла- зер- ный	0,45	53	Видимый - ближний ИК	В отличие от волокон других типов удовле- творительная стойкость к радиоактивному и рентгеновскому излучениям вплоть до 1•105 рад Стекло сердцевины световодного волокна ле- гируется Nd2O3 и испускает лазерное из- лучение с длиной волны 1,06 мкм. Накачка в поперечном направлении. Лазерное излучение выходит из концов волокон рас- ходящимся пучком
296
Глава 7
Рис. 7.5. Зависимость спектрального пропускания для белого света от длины во-
локна [675] (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
7.3.	ИСТОЧНИКИ СВЕТА СО СВЕТОВОДАМИ
Литература: 671, 672.
Источники света со световодами (рис. 7.6) используются для
селективного освещения светом большой мощности. Большинство та-
Рис. 7.6. Источник света со световодом типа KL 150В [671] (воспроизводится
с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
Световоды
297
Рис. 7.7. Спектр пропускания световодной оптики источника KL150B [671] (вос-
производится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
а, град
Рис. 7.8. Угловое распределение выходного излучения источника со световодной
оптикой типа KL150B [671] (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk,
Mainz, FRG).
ких источников дает свет только в видимом диапазоне спектра
(рис. 7.7). Угловое распределение излучения различается для источников
разных типов (рис. 7.8). Они используются в микроскопии, фотографии,
для освещения рабочих мест и т.д.
7.4.	СОЕДИНИТЕЛИ ВОЛОКОН
Литература: 29, 881, 907, 934, 1147, 1178, 1706.
Существуют два основных вида соединения волокон: 1) по-
стоянное; 2) разборное. Торец подсоединяемого волокна должен иметь
плоскую поверхность, в противном случае свет будет рассеиваться или
отражаться. Поэтому для получения плоской гладкой поверхности, нор-
мальной к оси волокна, его конец необходимо обработать, для чего ис-
пользуются два основных метода:
298
Глава 7
1. Метод надрезания и вытягивания, при котором сначала на по-
верхности волокна делается надрез, а затем волокно растягивается.
2. Полировка. Полируемый конец волокна необходимо закрепить,
чтобы готовая поверхность была перпендикулярна к оси волокна. Креп-
ление должно быть достаточно прочным для того, чтобы не происходи-
ло отслаивание или разрушение края волокна.
С помощью сращивания оптических волокон достигается постоянное
их соединение. Для юстировки волокон при сращивании используются
следующие приспособления:
1.	Трубки (рис. 7.9). Стеклянные трубки имеют в центре отверстие
для ввода клея. Для соединения волокон и согласования показателей
преломления используются эпоксидная смола или термопластики.
2.	Подложки с углублением (рис. 7.10). Эти подложки обеспечивают
высокую точность юстировки и широко применяются при сращивании
многих волокон.
3.	Прецизионные штифты (рис. 7.11). Дешевые прецизионные
стальные штифты, изготовляемые с точностью до + 0,5 мкм, продают-
ся изготовителями роликовых подшипников. Эти штифты помещаются
вокруг юстируемых волокон и удерживаются на месте трубками, сжи-
мающимися при нагревании, или металлическими зажимами.
Рис. 7.9. Юстировка волокон с помощью трубки [29, 255] (воспроизводится
с разрешения Plenum Press).
Рис. 7.10. Сращивание с использованием подложки с углублением [29, 255] (во-
спроизводится с разрешения Plenum Press).
Световоды
299
Трубка, сжимающаяся
при нагревании
Рис. 7.11. Сращивание с использованием прецизионных штифтов [29, 255] (вос-
производится с разрешения Plenum Press).
После того как волокна отъюстированы, они либо скрепляются
клеем или зажимами, либо свариваются с помощью расплавления кон-
цов. Для соединения волокон из плавленого кварца подходит электриче-
ская дуга (рис. 7.12). Сначала волокна юстируют с использованием ми-
кропозиционеров, а затем концы волокон нагреваются и они спла-
вляются. Для обеспечения наилучшего сращивания торец волокна
должен быть перпендикулярным оси волокна, плоским и зеркально
гладким. Введение между концами волокон при их сращивании мате-
риала, согласующего показатели преломления, уменьшает потери, свя-
занные с отражением на торцах и их несовершенством.
Разборное соединение волокон осуществляется с помощью соедини-
телей. Конструкции таких соединителей аналогичны конструкциям
электрических разъемов (рис. 7.13).
Рис. 7.12. Сплавление волокон с помощью электрической дуги [29, 255] (вос-
производится с разрешения Plenum Press).
300
Глава 7
Розетка	Вилксе
Волокно Волокно
с покрытием без покрытия
Разъем в сборе
Рис. 7.13. Соединитель с формирующими элементами [29, 255] (воспроизводит-
ся с разрешения Plenum Press).
7.5. ОПТИКОВОЛОКОННЫЕ ЛИНЗОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Литература. 255, 1225.
Применение твердых линз сопровождается трудностями, так
как, например, при этом требуется установка волокна точно в фокус
линзы, появляются проблемы, связанные с аберрациями и т.д. Эти
трудности можно обойти, применив линзы, заполненные жидкостью
с соответствующим показателем преломления (рис. 7.14).
7.6. ВОЛОКОННЫЕ СОЕДИНИТЕЛИ
Литература: 255, 1277, 1280
Волоконные соединители-состоят из трех или более волокон;
в них свет поступает на все волокна или же направляется из одних во-
локон в другие. Существуют два основных типа соединителей для све-
Рис. 7.14. Преобразователь на основе жидких линз [29, 255] (воспроизводится
с разрешения Plenum Press).
Входная
ветвь
Выходная
ветвь
Боновая ветвь
а
Пропускающее волокно

Отверстие *
передающей
линии N- 7
< Отверстие
передающей линии N-Z
Волокна
отвода
Боковое отверстие
6
Рис. 7.15. Ответвители с заданным отношением площадей [29, 255] (воспроиз-
водится с разрешения Plenum Press).
а-направленный ответвитель, б - Тютветвитель
Стекло
полное сердцевины
внутреннее отражение / Стекло оболочки
Одиночные
волокна или
пучки волокон <
от передатчиков
77/h///>77777
Блок смесителя
Одиночные волокна
или пучки волокон
к приемникам
а
Рис. 7.16. Соединители с заданным отношением площадей [29, 255] (воспроиз-
водится с разрешения Plenum Press).
а-передающий звездообразный соединитель, б-отражающий звездообразный соединитель.
302
Глава 7
Рис. 7.17. Соединитель с дисперсионной призмой [29, 255] (воспроизводится
с разрешения Plenum Press).
Рис. 7.18. Соединитель с дисперсионной решеткой [29, 255] (воспроизводится
с разрешения Plenum Press).
товодных систем: 1) направленные ответвители, имеющие три или четы-
ре входа в зависимости от метода изготовления (рис. 7.15); 2)
распределенные соединители (рис. 7.16). В некоторых приложениях ис-
пользуются ответвители на несколько длин волн, в которых световой
пучок разделяется на две или более группы длин волн с помощью: 1)
дисперсионных призм (рис. 7.17); 2) дисперсионных дифракционных ре-
шеток (рис. 7.18); 3) обладающих дихроизмом многослойных диэлек-
трических интерференционных фильтров (рис. 7.19); 4) обладающего
дихроизмом многослойного диэлектрического интерференционного от-
ражателя (рис. 7.20).
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ Поглотитель
Рис. 7.19. Базовая конфигурация соединителя с разделением светового пучка на
две группы длин волн при использовании обладающих дихроизмом много-
слойных диэлектрических интерференционных фильтров [29, 255] (воспроизво-
дится с разрешения Plenum Press).
Паглогцссющая
Рис. 7.20. Конфигурации монолитного дихроичного соединителя с разделением
светового пучка на две группы [29, 255] (воспроизводится с разрешения Plenum
Press).
а-минимальное отражение от поверхности, б-минимальное преломление
Глава 8.
Оптические материалы
Литература: 105, 116, 118, 205, 222, 305, 575, 670, 691.
8.1.	ОПИСАНИЕ ТИПОВ ОПТИЧЕСКИХ СТЕКОЛ
Тип оптического стекла определяют следующие параметры:
1. Показатель преломления-отношение скорости света в вакууме
к скорости света в веществе для конкретной длины волны. Показатель
преломления обозначается буквой п; при необходимости указывается,
к какой длине волны он относится (например, по соответствует линии
натрия с длинами волн 589,0 и 589,6 нм, пс-водорода с длиной волны
656,3 нм, пр—линии водорода с длиной волны 486,1 нм). Значения пока-
зателя преломления могут указываться для 13 спектральных линий,
приведенных в табл. 8.1.
Во многих случаях необходимо знать показатель преломления для
длин волн, не приведенных в каталогах. В таких случаях его можно вы-
числить с помощью уравнения
п = ]/C4q 4-	4-	4" Х3Х * 4~	4~ А^Х ®	(8.1)
где Ао, ..., А5-дисперсионные постоянные данного оптического мате-
риала, определенные методом наименьших квадратов по измеренным
значениям п на шести или более длинах волн. Длина волны X измеряет-
ся в микрометрах.
2.	Дисперсия -изменение показателя преломления с длиной волны.
Относительная обратная дисперсия (называемая также коэффициентом
дисперсии) V определяется следующим образом:
V=(nM-l)/(ns~nL)	(8.2)
где пм, ns и ml-показатели преломления на средней, малой и большой
длинах волн соответственно. Примечание: в США величина V опреде-
ляется как
VD = (nD-l)/(nF-nc)	(8.3)
и в Европе-как
Vd = (nd - !)/(«f - «с)
(8.4)
Оптические материалы
305
Таблица 8.1. Тринадцать спектральных линий, используемых для определения
показателя преломления и дисперсии [670] (воспроизводится с разрешения
Schott Glaswerk, Mainz, FRG)
Длина волны,
нм
Спектральная линия
Длина волны, Спектральная линия
нм
УФ линия ртути i	365,1	Желтая линия натрия D 589,29
Фиолетовая линия рту- ти h	404,66	(центр дублета)
Синяя линия ртути g	435,84	Красная линия кадмия С 643,85
Синяя линия кадмия F'	479,99	Красная линия водоро-
Синяя линия водорода F	486,13	да С	656,27 Красная линия гелия г 706,52
Зеленая линия ртути е	546,07	ИК линия цезия s	852,11
Желтая линия гелия d	587,56	ИК линия ртути t	1013,98
где nj-показатель преломления, соответствующий линии гелия с дли-
ной волны 587,6 нм. Разность показателей преломления пр-пс назы-
вается главной дисперсией, но когда в качестве главной дисперсии ис-
пользуется пр-пс, коэффициент дисперсии записывается в виде
Уе = (пе- 1)/(hf - пс)	(8.5)
Дисперсию — п^2 можно определить с точностью ±3-10“ 6 в види-
мой области спектра и ±5-10“6 в остальных областях спектра. Отно-
сительная частная дисперсия для длин волн х и у определяется как
Рх, у = (пх- ny)/(nF - пс)	(8.6)
В каталогах оптического стекла (см., например, каталог оптических
стекол фирмы Schott Glaswerk [760]) оптическое стекло любого типа
обозначается шестизначным числом (например, ВК-7 обозначается как
517642), первые три цифры которого есть дробная часть показателя пре-
ломления (nj= 1,51680), а три последние-коэффициент дисперсии (И/ =
= 64,17). По традиции типы стекол с nj > 1,60, Рр > 50 и nj < 1,60, Рр >
> 55 называют кронами (К), а остальные -флинтами. Например, для из-
готовления оптических элементов (линз и призм) наиболее часто приме-
няются боросиликатные кроны, обозначаемые как стекла ВК (например,
ВК-7) (см. приложение 3). Значения показателей преломления и диспер-
сии, приводимые в каталогах оптического стекла-это номинальные ве-
личины, отклонения от которых не должны превышать ±0,1-±0,2%
для показателя преломления и ±0,08% для коэффициента дисперсии.
Многие поставщики могут выпускать стекла с меньшими отклонениями
по этим параметрам, но за дополнительную плату.
20-644
306
Глава 8
Рис. 8.1. Показатель преломления стекла ВК-7 в воздухе при температурах от
— 40°С до + 80°С [670] (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz,
FRG).
Показатель преломления материала обычно измеряется в воздухе
при комнатной температуре и, следовательно, определяется относитель-
но показателя преломления воздуха. Абсолютный показатель преломле-
ния получается путем умножения измеренной величины на 1,00027, т.е.
на показатель преломления воздуха для дневного света при нор-
мальных температуре и давлении. Температурный коэффициент показа-
теля преломления An/At зависит от длины волны X, температуры t и да-
вления р (рис. 8.1). Относительный температурный коэффициент (An/At)
(измеренный при одинаковых температурах стекла и воздуха и при ат-
мосферном давлении 760 мм рт. ст.) и абсолютный температурный
коэффициент (Аи/Аг)абс (измеренный в вакууме) различаются (рис. 8.2).
Особое внимание следует обратить на большее влияние температуры на
показатели преломления в УФ и ИК диапазонах спектра.
Показатель преломления изменяется также при сжатии и растяжении
(рис. 8.3). Оптические методы исследования напряжений позволяют
определять только двулучепреломление пх — пу. Фактические изменения
Температура, 9С
Рис. 8.2. Относительный и абсолютный температурные коэффициенты показате-
ля преломления стекла ВК-7 как функция температуры [670] (воспроизводится
с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
Напряжение сжатия, Н/ммг Напряжение растяжения,
Н/мм 2
Рис. 8.3. Зависимость показателя преломления от внешнего напряжения сжатия
или растяжения для боросиликатного крона ВК-7 [670] (воспроизводится с раз-
решения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
20*
308
Глава 8
Длина волны, нл$
Рис. 8.4. Пропускание синтетического сапфира [691] (воспроизводится с разре-
шения Melies Griot, Arnhem, Holland).
показателя преломления при наличии постоянных или изменяющихся
во времени деформаций можно определить интерферометрическими ме-
тодами (разд. 10.3).
В приложении 3 в качестве примера приведены все оптические и про-
чие свойства наиболее распространенного крона ВК-7 (выпускается фир-
мой Jenaer Glaswerk Schott & Gen, Mainz, FRG).
8.2.	СИНТЕТИЧЕСКИЙ САПФИР
Сапфир во многих отношениях является превосходным оптиче-
ским материалом. По твердости сапфир уступает только нескольким ве-
ществам (среди которых алмаз и нитрид бора). Химически инертный
и не растворимый почти во всех жидких веществах (исключая случаи
очень высоких температур) сапфир можно легко очистить от примесей.
Например, даже плавиковая кислота не действует на сапфир при темпе-
ратурах ниже 300°С. Пропускание сапфира в интервале 150-6000 нм
очень высокое (рис. 8.4).
8.3.	ПЛАВЛЕНЫЙ КВАРЦ
Синтетический плавленый кварц (аморфная двуокись кремния)
получается при окислении кремния, тогда как плавленый кварц-путем
размола и плавления природного кварца. Синтетический плавленый
кварц намного чище плавленого кварца, обладает лучшим пропуска-
нием в УФ диапазоне, более однороден и в нем отсутствуют окра-
шенные полосы и включения. По сравнению с оптическим кроном или
плавленым кварцем синтетический плавленый кварц обладает следую-
щими преимуществами: 1) большим пропусканием в УФ (рис. 8.5) и ИК
(рис. 8.6) диапазонах спектра; 2) низким коэффициентом теплового рас-
ширения, благодаря чему достигается стабильность и стойкость к теп-
ловым ударам в широком температурном интервале; 3) более высокими
Оптические материалы
309
Длина волны, нм
Рис. 8.5. Пропускание в УФ диапазоне супрасила 1 (кривая 7), синтетического
плавленого кварца оптического качества (кривая 2) и боросиликатного крона
ВК-7 (кривая 3) [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
рабочими температурами; 4) повышенной прочностью и стойкостью
к истиранию; 5) меньше темнеет под действием УФ, рентгеновского
и гамма-излучения и нейтронов.
При изготовлении плавленого кварца путем размола и плавления
природного кристаллического кварца или же плавления кварцевого пе-
ска получается гранулированная микроструктура и пузырьковые вклю-
чения. Из-за микроструктуры и примесей существуют локальные вариа-
ции показателя преломления, что при одновременном влиянии пузырь-
ков и непрозрачных частиц, снижает пропускание по всему спектру.
Синтетический плавленый кварц супрасил 1, изготавливаемый с по-
мощью гидролиза в пламени, бесцветен, не имеет кристаллической
структуры и содержит порядка 1 млн-1 примесей. Супрасил-это синте-
Рис. 8.6. Спектры пропускания в ИК диапазоне супрасила 1 и синтетического
плавленого кварца оптического качества (кривая 7) и боросиликатного крона
ВК-7 (кривая 2) [691] (воспроизводится с разрешения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
310
Глава 8
тический плавленый кварц высшего качества для использования в УФ,
видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Он обладает самым высо-
ким пропусканием (особенно в УФ диапазоне) и очень слабой флуорес-
ценцией (приблизительно 0,1% уровня флуоресценции природного плав-
леного кварца при возбуждении на длине волны 254 нм). Супрасил не
флуоресцирует при возбуждении на длине волны более 290 нм.
8.4.	СТЕКЛОКЕРАМИКА
Фирмой Jenaer Glaswerk Schott & Gen, FRG разработана сте-
клокерамика ZERODUR® для приложений, в которых необходима
очень высокая точность. Например, при использовании стержней из это-
го материала в качестве распорок для фиксации длины резонатора до-
стигается постоянство этой длины при любых температурных измене-
ниях, происходящих во время работы, благодаря чему улучшаются
характеристики лазера. Особые свойства стеклокерамике придает объе-
динение стеклообразной и кристаллической фаз. В этом материале
имеется 70-75 вес. % кристаллической фазы со структурой высокотемпе-
ратурного кварца. Эта фаза обладает отрицательным коэффициентом
теплового расширения, тогда как для стеклообразной фазы этот коэф-
фициент положителен. Таким образом достигается практически нулевое
линейное тепловое расширение. Такая стеклокерамика имеет высокую
прозрачность (рис. 8.7). Хорошая прозрачность получается благодаря
ограничению размеров зерен кристаллического кварца (до 50 нм)
и малой разницы между показателями преломления стеклообразной
и кристаллической фаз. Обе они имеют также одинаковые химические
свойства и твердость, поэтому керамику легко обрабатывать. Полирует-
ся она так же хорошо, как обычные оптические и технические стекла.
Длина волны, мкм
Рис. 8.7. Спектры пропускания образцов стеклокерамики Zerodur & толщиной
5 (кривая 1) и 25 мм (кривая 2) (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk,
Mainz, FRG).
Оптические материалы
311
8.5.	СТЕКЛО VYCOR®
Литература 689
Маркой VYCOR® обозначают серию высококачественных сте-
кол, аналогичных кварцу; они выпускаются фирмой Coming Glass
Works, USA. В табл. 8.2 приведен состав этих стекол, а также для срав-
нения составы плавленого кварца и пирекса. По сравнению со стеклами
высшего качества, используемыми в научных исследованиях, стекло
VYCOR® содержит много двуокиси кремния; основные оптические
Таблица 8.2. Состав стекол различного типа [689] (воспроизводится с разреше-
ния Optical Society of America)
Тип стекла
Компоненты
	SiO2	В2О3	А12О3	Fe2O3	Na2O	к2о	MgO	CaO
VYCOF^	96,3	2,9	0,4		0,02	0,02		
Стеклообраз- ный кварц	99,9		0,01	0,004	0,04	0,2	0,02	
Пирекс	80,5	11,9	2,0		4,4	0,1	0,1	о,3
свойства этого материала очень близки к свойствам чистого стойкого
стекла. Эти два материала особенно похожи по оптическим, тепловым
и химическим свойствам. Стекло VYCOR® может использоваться почти
со всеми термически и химически стабильными фотореакторами.
8.6.	ОКОШКИ ДЛЯ ВАКУУМНОГО УФ ИЗЛУЧЕНИЯ
Литература- 224, 340, 930, 1003, 1038, 1175, 1328, 1596, 1608, 1751, 1807
Для изготовления окошек, работающих в области вакуумного
УФ излучения, используются следующие материалы:
1.	Кристаллы (толщиной порядка 1 мм), такие, как кварц, супрасил,
сапфир (А12О3) и различные галогениды металлов, такие, как LiF,
MgF2, CaF2 и т.д. Спектры пропускания для сапфира показаны
на рис. 8.4, для кварца и супрасила-на рис. 8.5, для металлогалоидных
соединений-на рис. 8.8. Чаще всего используется фтористый литий LiF,
который пропускает самое коротковолновое излучение (около 104 нм)
по сравнению с другими известными кристаллами. Кристаллы фтори-
стого магния MgF2 более стойки, чем фтористый литий, к радиационно-
му разрушению, тепловым и механическим ударам, и, кроме того, они
не гигроскопичны.
312
Глава 8
Рис. 8.8. Спектры пропускания галогенидов металлов [340] (воспроизводится с
разрешения Marcel Dekker, Inc.).
2.	Тонкие пленки (толщиной 100-400 нм) из окиси кремния или та-
ких металлов, как алюминий, титан, серебро, золото, висмут, олово, ин-
дий или железо. Для повышения механической прочности пленки
Рис. 8.9. Спектры пропускания некоторых тонких пленок [340] (воспроизводит-
ся с разрешения Marcel Dekker, Inc.).
Толщина пленок (нм): Al-80, Ge-138, Bi-95, In-156, Sn-95, SiO-100.
Оптические материалы
313
© © © ©
Рис. 8.10. Металлические сетки.
закрепляются на металлической сетке. Спектры пропускания ряда пле-
нок показаны на рис. 8.9. Для получения тонкой пленки металл напы-
ляется на стеклянную подложку, покрытую растворимым в воде хло-
ристым натрием или сахаром. По завершении напыления хлористый
натрий или сахар растворяются в воде и пленка помещается на метал-
лическую сетку (рис. 8.10), подобную тем, которые используются в элек-
тронной микроскопии.
Окись кремния SiO можно получить, нагревая смесь из равных коли-
честв кремния и двуокиси кремния SiO2 в непрерывно откачиваемой
кварцевой трубке до температуры 600-700°С в течение нескольких ча-
сов. Пленки из окиси кремния приготовляют с помощью вакуумного
напыления окиси кремния при температуре 83О-93О°С на покровное
стекло для микроскопа, которое предварительно погружают в 10%-ный
водный раствор препарата Teepol. После напыления стекло погружают
в воду, препарат растворяется и пленка всплывает оторвавшись от стек-
ла. Окошки толщиной 100 нм и диаметром 10 мм могут выдержать
разность давлений 1000 Н/м2.
8.7.	СТЕКЛА ДЛЯ ИК ДИАПАЗОНА
Фирма Jenaer Glaswerk Schott & Gen, FRG выпускает следую-
щие стекла для ИК диапазона: 1) германиевое стекло IRG 2; 2) ланта-
новый тяжелый флинт IRG 3; 3) кальций-алюминиевое силикатное сте-
кло IRG N6; 4) свинцовое силикатное стекло IRG 7; 5) фторфосфатное
стекло IRG 9; 6) кальций-алюминиевое стекло IRG 11. Эти стекла зна-
чительно различаются по своим оптическим, химическим и механиче-
ским свойствам вследствие их различного химического состава. Все они
имеют высокое пропускание как в видимом, так и в ИК диапазонах
приблизительно до 5 мкм (рис. 8.11). Применяются для изготовления
окошек, линз и других оптических компонентов.
314
Глава 8
Длина волны, мкм
Длина волны, мкм
Рис. 8.11. Спектры пропускания стекол, прозрачных в ИК области (воспроизво-
дится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
tz-IRG 2; 6-IRG 3; e-IRG N6; г-IRG 7; d-IRG 9; e-IRG 11 Толщина образцов 5 мм
8.8.	МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИК ДИАПАЗОНА
Имеется ряд обладающих превосходными оптическими свой-
ствами материалов, пропускающих ИК излучение:
1.	Фтористый кальций CaF2- монокристаллический материал
с очень широким диапазоном пропускания (от УФ до ИК области) без
полос поглощения в этом диапазоне (рис. 8.12). Кристаллы фтористого
кальция применяются для изготовления призм, линз, окошек и т.д.
2.	Сульфид цинка ZnS-поликристаллический материал, имеющий
хорошее пропускание в видимом и ИК диапазонах спектра (рис. 8.13);
обладает высокой прочностью и твердостью, а также низкими показате-
лем преломления и коэффициентом теплового расширения.
3.	Селенид цинка ZnSe-поликристаллический материал с превос-
ходными оптическими свойствами (рис. 8.14). Селенид цинка исполь-
Рис. 8.12. Спектр пропускания фтористого кальция CaF2 (толщина образца
10 мм) (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
Рис. 8.13. Спектры пропускания образцов сульфида цинка ZnS толщиной 5,9 (а)
и 15 (б) мм (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
Рис. 8.14. Спектры пропускания образцов селенида цинка ZnSe толщиной 3,4 (а)
и 10 (б) мм (воспроизводится с разрешения Schott Glaswerk, Mainz, FRG).
316
Глава 8
Рис. 8.15. Спектр пропускания образца германия Ge толщиной 1,6 мм [575].
зуется в инфракрасных лазерах большой мощности и для изготовления
их компонентов, таких, как линзы, брюстеровские окошки, поляриза-
торы и светоделители.
4.	Германий Ge-монокристаллический материал, прозрачный в ин-
тервале 1,8-15 мкм (рис. 8.15). Германиевые линзы широко применяют-
ся в лазерной оптике.
8.9.	МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОКОШЕК И ЗЕРКАЛ ДЛЯ ЛАЗЕРОВ
Литература. 22, 122, 383, 1666
Материал для окошек лазеров большой мощности в идеале
должен обладать следующими свойствами: 1) низким коэффициентом
поглощения на длине волны излучения лазера, 2) высокой теплопровод-
ностью, 3) большой теплоемкостью, 4) низким коэффициентом теплово-
го расширения, 5) химической стабильностью (быть негигроскопичным),
6) хорошо полироваться, 7) допускать нанесение диэлектрических по-
крытий, 8) неизменностью показателя преломления с температурой. Не
существует материалов, удовлетворяющих всем перечисленным выше
требованиям, но многие материалы удовлетворяют им достаточно
хорошо.
8.10.	ПЛАСТМАССЫ КАК ОПТИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
Литература 105, 419.
Ряд органических полимеров и сополимеров, таких, как поли-
метилметакрилат, полистирол и акрилонитрилстирол, широко приме-
няются в качестве оптических материалов для изготовления линз, линз
Френеля, защитных окошек и пластин. Оптические свойства некоторых
полимеров проиллюстрированы на рис. 8.16.
Оптические материалы
317
Рис. 8.16. Спектры поглощения поли-
стирола (кривая 7), полиметилмета-
крилата (кривая 2) и поливинилацета-
та (кривая 3) [419] (воспроизводится
с разрешения John Wiley & Sons Ltd).
Есть ряд недостатков, сильно ограничивающих широкое применение
полимеров для изготовления оптических элементов:
1.	Температурный коэффициент расширения полимеров превосходит
температурный коэффициент расширения оптических стекол приблизи-
тельно в 10 раз.
2.	Температурный коэффициент показателя преломления полимеров
в 10-100 раз больше, чем у оптических стекол.
3.	Полимеры мягче, чем оптические стекла, и поэтому их легче
поцарапать.
4.	Литье под давлением трудно осуществить для больших линз
и для положительных линз с толстой центральной частью и тонкими
краями.
5.	При полировке труднее получить истинно сферическую поверх-
ность на полимере, чем на стекле, поскольку тепло, выделяющееся
в процессе полировки, приводит к неоднородному тепловому расшире-
нию полимера.
6.	При УФ облучении полимеры подвергаются фотодеструкции.
7.	Под воздействием тепла полимеры подвергаются термодеструк-
ции.
Оптические элементы из полимеров дешевле, легче и менее хрупки.
На полимерные линзы можно наносить просветляющие покрытия
с целью увеличения пропускания света и повышения стойкости к исти-
ранию ; их можно склеивать друг с другом эпоксидной смолой.
318
Глава 8
8.11.	ОТРАЖАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Литература. 132, 495.
При попадании электромагнитного излучения на поверхность
любого материала могут наблюдаться следующие явления: 1) отраже-
ние от поверхности (отражение), 2) проникновение излучения в поверх-
ностный слой и (или) глубже (пропускание), 3) поглощение в материале
(задерживание), 4) различная реакция на излучение с разными длинами
волн (селекция), 5) преобразование длины волны (вторичное излучение),
6) преломление (изменение направления распространения), 7) реакция на
положение плоскости волны (поляризация).
Отражение можно разделить на следующие типы: 1) зеркальное (от
гладкой и зеркальной поверхности), 2) диффузное (от матовой поверхно-
сти), 3) уширенное (от неоднородной поверхности). Ни один из суще-
ствующих материалов не обладает отражением какого-либо одного ти-
па, но лишь комбинациями различных типов отражений в различных
соотношениях. Серебряное зеркало дает почти полностью зеркальное
отражение (98% отражения), в то время как поверхность из окиси маг-
ния дает почти полностью диффузное отражение (см. рис. 8.18).
Отражатели -это материалы, отражающие более 50% падающего
света (рис. 8.17).
Поглотители-это материалы, поглощающие не менее 50% падаю-
щего света. Почти абсолютным поглотителем является сажа (рис. 8.17).
Зеркальные поверхности микроскопически гладкие, без заметной диф-
фузии (например, полированные или расплавленные металлы и особен-
но металлы, нанесенные вакуумным напылением на идеально гладкие
поверхности подложек). Наиболее полезными материалами для получе-
ния зеркальных поверхностей являются алюминий, серебро, золото,
медь и другие металлы (разд. 8.14).
Диффузные поверхности рассеивают свет, падающий на них под
любым углом, и отражают его в полную полусферу обычно с распреде-
лением интенсивности по закону косинуса. Совершенная диффузная по-
верхность выглядит одинаково яркой при наблюдении под любым
углом независимо от угла падения света. Наиболее полезными с точки
зрения практического применения диффузными поверхностями являют-
ся сталь, эмалированная фарфором, плоский слой белой краски, белая
бумага или пластмасса, окись магния MgO и окись титана ТЮ2, кото-
рая имеет очень высокий коэффициент отражения. Специально выпу-
скаемые матовые белые или черные краски очень сильно подавляют
зеркальное отражение.
При направленном отражении падающий луч преобразуется в рас-
ширенный световой пучок, ограниченный заранее определенными угла-
ми. Направленное отражение лучше всего получается и регулируется
с помощью нанесения рисунков, ковки, оребрения, чеканки или точно
контролируемой дробеструйной обработки зеркальных поверхностей.
С помощью выдавливания или формовки тщательно рассчитанных кар-
Оптические материалы
319
Полное отражение
Полированные поверх-
ности любого цвета
(от черного до белого) при
падении под скользящим
углом (10070-ное отражение)
Полированный
алюминий
(может быть
отрихтованным)
Высококачественное
зеркало, любой угол
падения
Белая окись
магния, любой
угол падения
Белая глянцевая
краска, только
нормальное
падение
Коэффициент отражения
>50%, отражатели
Полированное
железо,
нормальное
падение
Алюминиевая
краска,
нормальное
падение
Плоскость,
окрашенная
серой краской
Коэффициент отражения
<50%, поглотители
Полированное
черное стекло,
нормальное
падение
Черная
полуглянцевая
краска,
нормальное
падение
Черный
вельвет
Сажа
(светопоглоти
тель)
Полное поглощение
Рис. 8.17. Диаграмма отражений [132] (воспроизводится с разрешения John
Wiley & Sons Inc.).
тин на полированных зеркальных поверхностях почти всегда можно на-
править расширенный световой пучок любым желаемым способом.
Другими методами получения направленного пучка является химиче-
ское и электрохимическое травление, фототравление, пескоструйная
обработка или шлифовка абразивными материалами. При пескоструй-
ной обработке обычно остаются крошечные фрагменты поглощающего
материала, внедренные в поверхность отражателя. Характеристики раз-
личных отражателей приведены на рис. 8.18.
8.12.	ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗЕРКАЛ, СВЕТОДЕЛИТЕЛЕЙ,
ОКОШЕК, ОПТИЧЕСКИХ ПЛОСКОСТЕЙ, ПРИЗМ
И РЕТРООТРАЖАТЕЛЕЙ
Литература 105, 116, 151, 201, 205, 540
Изготовители оптических материалов пользуются разноо-
бразными отражающими, частично отражающими и просветляющими
покрытиями, предназначенными для нанесения на оптические компо-
~ 50 °/о
О
О
Зеркальность О	О
Рассеяние	О	О
Диффузия 100 °/о	~50 °/о
Поглощение	О	~50°/>
100 %
О
О
О
~50°/
Пример- Блок Мд О
(приближается)
Рассеяние	О
Диффузия	~50 °/о
Поглощение	О
Серебренное зеркало
( приближается)
Полированная
сталь
Пример: Травленный
алюминий
(приближается)
Рихтованный
алюминий
(приближается)
~ 5 °/>
~ 45 %
~4О%
~ 10 %
Рихтованный
алюминий
с напыленной
белой краской
Зеркальность	~ 40 °/>
Рассеяние	~ 40 %
Диффузия	~ 5 %
Поглощение	~ 15 °/о
Пример-. Зеркально отполи-
рованный алюминий,
неполностью отриато-
ванный
5°/о
О
85 °/о
1О°/>
Белая
фарфоровая
эмаль
Рис. 8.18. Набор характе-
ристик отражателя [132]
(воспроизводится с разре-
шения John Wiley & Sons
Inc.).
Оптические материалы
321
ненты при каком-либо определенном угле падения или в интервале та-
ких углов.
Коэффициент отражения (разд. 2.8) р стеклянной поверхности, по-
крытой однослойной пленкой, описывается уравнением
_ 7*1 4- 7*2(c°s2ср — isin2(p)	74 -F r2(cos2cp 4- i sin 2<р)
Р 1 — 747*2 (cos 2ср — i sin 2<р)	1 + r1r2(cos2(p + rsin2(p)
7*1 + 2747*2 COS 2<p + 7*2
1 + 2t*17*2 COS 2ф 4- rjrl
(8.7)
где (рис. 8.19) r{ -коэффициент отражения света от поверхности 1,
г 2 - коэффициент отражения света от поверхности 2, ср-разность фаз
между 74 и г2. Величины 74 и т*2 зависят от показателей преломления,
углов 0 и направления поляризации (разд. 6.1). Формулы Френеля для т\
и 7*2 в случае р-поляризо ванного света:
7*1 = (п0 COS 0! — nr COS 0о)/(Ио COS 0Х + Пг COS 0О)
Г2 = (щ COS 02 — T12COS 00/(711 cos 02 + п2 cos 0J
(8.8)
(8.9)
в случае «-поляризованного света:
(8.10)
= (и0 COS 0О — nt COS ©ОДИо COS 0О 4- 7Ц COS 0J
Рис. 8.19. Обозначения в формулах, которые описывают коэффициент отра-
жения материалов, покрытых однослойной тонкой пленкой [105, 576] (воспроиз-
водится с разрешения John Wiley & Sons Inc.).
21-644
322
Глава 8
Г2 = (nr COS 0t — п2 COS 02)/(nl COS 01 + П2 COS 01)	(8.11)
где (см. рис. 8.19) п0- показатель преломления среды, из которой прихо-
дит луч (обычно это воздух); пг-показатель преломления тонкой плен-
ки (просветляющего покрытия); п2 - показатель преломления основного
материала (оптическое стекло); 0о-угол падения светового пучка в сре-
де, из которой он приходит; 0г угол падения светового пучка в тонкой
пленке, 02-угол преломления пучка в основном материале.
Углы 0О, 0t и 02 связаны друг с другом следующим законом:
п0 sin 0О = sin 0t = п2 sin 02
Если 0О = 0г = 02 = 0, то уравнение (8.7) упрощается:
Р = [(Г1 - г2)/(1 - ПГг)]2 = [(иои2 - п?)/(иоп2 + и?)]2
(8.12)
(8.13)
Оптическая толщина пленки (обычно указывается в долях длины
волны света) определяется как nttl9 где ^-толщина пленки (рис. 8.19).
При оптической толщине, равной четверти длины волны,
(8.14)
Разность фаз 2ф между rt и г2 (рис. 8.19) определяется выражением
2ф = cos0i/X	(8.15)
где пг = ]/п0п2	(8.16)
Это условия получения нулевого коэффициента отражения стекла, по-
крытого однослойной четвертьволновой пленкой, при нормальном па-
дении света.
Если оптическое стекло покрыто просветляющей пленкой с оптиче-
ской толщиной = Хо/4 и если угол падения светового пучка на тон-
кую пленку равен нулю, то разность фаз
2ф =	= лХ0Д	(8.17)
Для различных значений разности фаз 2ф коэффициент отражения
р имеет вид
Р = [(п - Гг)/(1 - ПГг)]2 =
= [(«on2 - и1)/(«ои2 + «i)]2 Для ХоД=1,0
Р = [(П + Г2)/(1 + Г1Г2)]2 =
= Г(ио — пг)/(по + пг)]2 Для ^оА = О или 2
(8.18)
(8.19)
Оптические материалы
323
Уравнение (8.19) описывает также коэффициент отражения стекла без
покрытия. Когда Хо/Х = 2, пленка с оптической толщиной в четверть
длины волны Хо имеет оптическую толщину, равную половине длины
волны X, и на этой длине волны получается такой же эффект, как в от-
сутствие пленки. Зависимость коэффициента отражения р от 1/Х в воз-
духе при нормальном падении показана на рис. 8.20. Зависимость коэф-
фициента отражения от угла падения 0О показана на рис. 8.21. Угол 0О,
при котором рр равен нулю в случае стекла без покрытия, называется
углом Брюстера. Он определяется из формулы
tg0o = n2/no	(8.20)
Зависимость коэффициента отражения р от обратной длины волны
и угла падения показана на рис. 8.22. Примечание: графики на рис. 8.21
и 8.22 можно применять только для стекла с показателем преломления
п2 = 1,6; аналогичные графики для стекол с другими показателями пре-
ломления и для других углов падения можно построить с помощью
уравнений, приведенных в данном разделе.
В общем случае покрытия разделяются на две категории: 1) метал-
лические (разд. 8.13); 2) диэлектрические (разд. 8.15).
Рис. 8.20. Коэффициент отражения как функция 1/Х для стекла с показателем
преломления п2 = 1,6, покрытого пленкой MgF2 с оптической толщиной, равной
четверти длины волны 600 нм [105, 576] (воспроизводится с разрешения John
Wiley & Sons Inc.).
Пусть нужно получить коэффициент отражения для длины волны 400 нм при нормальном падении. Исполь-
зуя Хо = 600 нм и /. = 400 нм, получим Хо/Х = 1,5 и из рисунка определяем, что коэффициент отражения
равен 0,031.
21*
1,0
W'J
Без пленки
У
КГг
Ps
С пленкой
Рр
10'3
иг*1
О W Z0 30 40 50	60 70 80 90
Угол падения, град
Рис. 8.21. Зависимость коэффи-
циента отражения от угла па-
дения для стекла с показателем
преломления п2 = 1,6 при нали-
чии просветляющего покрытия
в виде пленки MgF2 с оптичес-
кой толщиной, равной четверти
длины волны [105, 576] (вос-
производится с разрешения John
Wiley & Sons Inc.).
В отсутствие покрытия для данного опти-
ческого стекла с п2 = 1,6 и при ло=1,0
угол 0о равен 58°. Для стекла с покрытием
величина рр минимальна (но не равна ну-
лю) приблизительно при 48°.
л
Рис. 8.22. Зависимость коэффи-
циента отражения от обратной
длины волны и угла падения
для покрытого просветляющей
пленкой стекла с показателем
преломления 1,6 [105, 576] (вос-
производится с разрешения
John Wiley & Sons Inc.).
Оптическая толщина пленки MgF2 равна
Mi = Хо/4. Кривые рр и р§ приведены для
углов падения 0, 15, 30, 45 и 60\ Для угла
падения 0° кривая для р идентична показан-
ной на рис. 8.20.
Оптические материалы
325
8.13.	ОТРАЖАЮЩИЕ И ЧАСТИЧНО ОТРАЖАЮЩИЕ
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ
Литература. 105, 116, 205, 691, 1183.
Металлические покрытия используются в основном для зеркал
и для поверхностей призм в тех случаях, когда не выполняется условие
полного внутреннего отражения или когда нельзя поддерживать поверх-
ность достаточно чистой, что требуется для полного внутреннего отра-
жения. Если металлические пленки сделать достаточно тонкими, то они
начинают частично пропускать свет и их можно использовать для деле-
ния и объединения световых пучков. Пропускание и отражение можно
легко контролировать, изменяя толщину пленки. Именно это свойство
лежит в основе конструкции нейтральных фильтров отражающего типа
(разд. 5.2).
Для получения максимального зеркального отражения эффективная
оптическая толщина тонкопленочного покрытия должна составлять по-
ловину длины волны. Оптическая толщина пленки с эффективной опти-
ческой толщиной Х/2 равна
И1Г1 = Х(1 + А/л)/4
(8.21)
где А-изменение фазы на границе пленка-металл, выраженное в ра-
дианах. Это изменение определяется из формулы
tg А = 2и1/с/[и2 — (п2 4- /с2)]
(8.22)
где п и /с-величины, входящие в уравнение n2 = n — ik; пг -показатель
преломления тонкой пленки; п2 - показатель преломления металла (ос-
новной материал); -толщина пленки. Значение tgA отрицательно,
и величина А лежит между л/2 и л радиан. В случае стеклянной подлож-
ки к = 0, А = л и эффективная оптическая толщина равна оптической
толщине. Эффективная оптическая толщина пленки описывается урав-
нением
и^^Щ-А/луД
(8.23)
Минимальное зеркальное отражение будет в том случае, когда эффек-
тивная оптическая толщина пленки равна 1/4. Оптическая толщина при
этом равна
nY tY = ХА/4л
(8.24)
На металлические покрытия можно поместить диэлектрические
пленки (однослойные или многослойные) с целью увеличения коэффи-
циента отражения в нужном интервале длин волн или интервале углов
падения (или с учетом обоих требований). В таком случае говорят, что
металлические покрытия усилены. Покрыв слой металла диэлектриче-
ским слоем с оптической толщиной, равной половине длины волны
326
Глава 8
(«отсутствующий» диэлектрический слой), можно намного увеличить
стойкость к истиранию и уменьшить потускнение пленок. Если предпо-
ложить, что диэлектрик имеет высокое пропускание на нужных длинах
волн, то оптические свойства металла изменяются незначительно.
8.14.	ЗЕРКАЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТИ
Литература: 691.
Для отражающих и частично отражающих покрытий чаще все-
го используют следующие металлы и композиции на их основе:
1. Алюминий. Отражающие пленки из алюминия имеют высокий
коэффициент отражения ближнего УФ, видимого и ближнего ИК излу-
чения (рис. 8.23). При окислении алюминия коэффициент отражения ва-
куумного УФ излучения значительно уменьшается, и, кроме того, воз-
никает небольшое рассеяние во всем спектре. Окись алюминия прочная
и коррозионно-устойчивая.
2.	Защищенный алюминий (алюминий, покрытый диэлектрической
пленкой окиси кремния SiO с оптической толщиной, равной половине
длины волны 550 нм). Защитная пленка предотвращает окисление и по-
зволяет сохранить высокий начальный коэффициент отражения. Она
также имеет достаточную твердость для того, чтобы предотвратить ис-
тирание алюминия. Защищенный алюминий-одно из лучших металли-
ческих покрытий для использования при внешнем отражении в види-
мом и ближнем ИК диапазонах спектра (рис. 8.24).
3.	Усиленный алюминий (алюминий, покрытый многослойной диэ-
лектрической пленкой, увеличивающей коэффициент отражения в широ-
ком интервале длин волн). Долговечное усиливающее многослойное по-
крытие позволяет получить максимальный коэффициент отражения 95%
при среднем по спектру его значении 93% (рис. 8.25). Это покрытие хо-
рошо подходит для приложений, требующих износоустойчивости' и на-
дежности защищенного алюминия при большом коэффициенте отраже-
ния в центре видимого диапазона.
4.	Усиленный алюминий для УФ диапазона [алюминий, покрытый
диэлектриком (обычно фтористым магнием), пропускающим УФ излу-
чение]. В интервале 180-400 нм коэффициент отражения в среднем со-
ставляет 85% и в видимом диапазоне-более 85% (рис. 8.26). Диэлектри-
ческий слой предотвращает окисление поверхности алюминия
и обеспечивает стойкость к истиранию.
5.	Коэффициент отражения серебра выше, чем у алюминия
(рис. 8.27), лишь в течение небольшого времени после напыления. По-
этому серебро в основном применяется для внутреннего отражения,
а для внешнего-редко. Окисление и потускнение предотвращают, по-
крывая внешнюю поверхность слоем инконеля или меди. В диапазоне
ближнего УФ излучения серебро имеет очень низкий коэффициент отра-
жения; для этого диапазона лучше использовать алюминий. В диапазо-
не от видимого до среднего ИК излучения серебро обладает наивыс-
Рис. 8.23. Коэффициент отра-
жения алюминия [691] (вос-
производится с разрешения
Melies Griot, Arnhem. Holland).
X WO
Рис. 8.24. Коэффициент отра-
жения защищенного алюми-
ния [691] (воспроизводится с
разрешения Melies Griot, Arn-
hem, Holland).
I 60 -
I
| w -
a
го-
t
t 01—
§ wo
Защищенный алюминий,
угол падения 30°
Рис. 8.25. Коэффициент отра-
жения усиленного алюминия
[691] (воспроизводится с раз-
решения Melies Griot, Arnhem,
Holland).
500	600	700
Длина волны, нм
Рис. 8.26. Коэффициент отра-
жения усиленного алюминия
для УФ диапазона [691] (вос-
производится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
WO
I so
I
| 60
I w
I
g zo
i»
ZOO ZOO 300	350	400
Длина волны, нм
Усиленный алюминий для
УФ диапазона, угол
падения 0 °
S'
g
I
wo
80
60
40
20
О
400	500	600	700
Длина волны, нм
Рис. 8.27. Коэффициент от-
ражения серебра [691] (вос-
производится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Hol-
land).
100}— f
80 -
60 -
40 -J
20
Золото,
угол падения 0 °
J_I_I_I_I_I_I_
23456789
Длина волны, нм
Рис. 8.28. Коэффициент от-
ражения золота [691] (вос-
производится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Hol-
land).
100 г —-----------------------------
80 -
Защищенное золото,
00 -	угол падения 0 °
40 -
20 -
47 I-1---1-L---1---1---1--1---1---
12	3	4	5	6	7	8	9
Длина волны, нм
Рис. 8.29. Коэффициент от-
ражения защищенного золо-
та [691] (воспроизводится с
разрешения Melies Griot, Arn-
hem, Holland).
г
I
100 —------------------------------------
80	____________________________
60 ~	Родий,
угол падения 0 °
40-
20 -
47 ---1---1-----1----1----1----1______I—
400	500	600	700
Рис. 8.30. Коэффициент от-
ражения родия [691] (вос-
производится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Hol-
land).
Длина волны, нм
Оптические материалы
329
Таблица 8.3. Коэффициент отражения свеженапы-
ленных зеркальных покрытий при нормальном па-
дении [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland)
Длина вдлтг, мм	Коэффициент отражения				
	А1	Ag	Au	Си	Rh
0,220	91,5	28,0	27,5	40,4	57,8
0,240	91,9	29,5	31,6	39,0	63,2
0,260	92,2	29,2	35,6	35,5	67,7
0,280	92,3	25,2	37,8	33,0	70,7
0,300	92,3	17,6	37,7	33,6	73,4
0,315	92,4	5,5	37,3	35,5	75,0
0,320	92,4	8,9	37,1	36,3	75,5
0,340	92,5	72,9	36,1	38,5	76,9
0,360	92,5	88,2	36,3	41,5	78,0
0,380	92,5	92,8	37,8	44,5	78,1
0,400	92,4	95,6	38,7	47,5	77,4
0,450	92,2	97,1	38,7	55,2	76,0
0,500	91,8	97,9	47,7	60,0	76,6
0,550	91,5	98,3	81,7	66,9	78,2
0,600	91,1	98,6	91,9	93,3	79,7
0,650	90,5	98,8	95,5	96,6	81,1
0,700	98,7	98,9	97,0	97,5	82,0
0,750	88,6	99,1	97,4	97,9	82,6
0,800	86,7	99,2	98,0	98,1	83,1
0,850	86,7	99,2	98,2	98,3	83,4
9,900	89,1	99,3	98,4	98,4	83,6
0,950	92,4	99,3	98,5	98,4	83,9
1,0	94,0	99,4	98,6	98,5	84,2
1/5	97,4	99,4	99,0	98,5	87,7
2,0	97,8	99,4	99,1	98,6	91,4
3,0	98,0	99,4	99,3	98,6	95,0
4,0	98,2	99,4	99,4	98,7	95,8
5,0	98,4	99,5	99,4	98,7	96,4
6,0	98,5	99,5	99,4	98,7	96,8
7,0	98,6	99,5	99,4	98,7	97,0
8,0	98,7	99,5	99,4	98,8	97,2
9,0	98,7	99,5	99,4	98,8	97,4
10,0	98,7	99,5	99,4	98,9	97,6
15,0	98,9	99,6	99,4	99,0	98,1
20,0	99,0	99,6	99,4		
30,0	99,2	99,6	99,4		
шим внутренним коэффициентом отражения среди всех металлических
покрытий.
6.	Золото. Этот металл имеет очень высокий коэффициент отраже-
ния в ближнем, среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра
(рис. 8.28) и чаще всего используется в качестве отражающего покрытия
для этих областей. Незащищенное золото мягкое, и на нем легко обра-
зуются царапины, поэтому зеркала с таким покрытием можно чистить,
330
Глава 8
только промывая их растворителями и чистой водой или обдувая
слабым потоком чистого сухого воздуха.
7.	Защищенное золото (золото, покрытое диэлектрической пленкой,
благодаря чему значительно повышается стойкость к истиранию). Это
прочное покрытие сохраняет преимущества золота как широкополосно-
го отражателя во всем ИК диапазоне (рис. 8.29). Для очистки этих по-
крытий используются обычные распространенные в оптике методы.
8.	Родий. Коэффициент отражения этого металла приблизительно
составляет 80% в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра (рис. 8.30);
родий не окисляется и не мутнеет даже при высоких температурах. По-
крытия из родия часто наносятся на параболические и эллиптические
отражатели.
Все эти покрытия, исключая родиевое, которое наносится электроли-
тическим способом, получаются с помощью вакуумного напыления на
различные гладкие основания или подложки-металлические или неме-
таллические. Коэффициент отражения хорошего покрытия, полученного
с помощью вакуумного напыления, всегда выше коэффициентов отра-
жения полированных или электрогальванических поверхностей из того
же металла. В табл. 8.3 приведены коэффициенты отражения свеженапы-
ленных зеркальных покрытий из некоторых металлов.
8.15.	ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ
ПОКРЫТИЯ
Диэлектрические просветляющие покрытия используются на
вторых поверхностях светоделителей, на нерабочих сторонах оптиче-
ских плоскостей, на обеих сторонах окошек и на входной и выходной
гранях всех призм. Такие покрытия служат как для увеличения пропу-
скания, так и для улучшения контраста изображения.
8.15.1.	Однослойное диэлектрическое
просветляющее покрытие
Это покрытие разработано для нормального падения излуче-
ния с длиной волны 550 нм и имеет оптическую толщину, равную че-
тверти этой длины волны. На рис. 8.31 показаны коэффициенты отра-
Рис. 8.31. Коэффициент отра-
жения подложки с однослой-
ным просветляющим диэлек-
трическим покрытием (углы
падения 0 и 45°) и .без него
(угол падения 0°) [691] (вос-
производится с разрешения
Melies Griot, Arnhem, Holland).
Оптические материалы
331
жения подложки с покрытием (для углов падения 0 и 45°) и подложки
без покрытия (для угла падения 0°). Сдвиг минимума кривой отражения
в коротковолновую область при наклоне подложки очень легко заме-
тить. У всех светоделителей покрытие предназначено для угла падения
45°. Обычно покрытие рассчитывается для нормального падения.
8.15.2.	Многослойное диэлектрическое просветляющее
покрытие
Существуют два различных типа многослойных диэлектриче-
ских просветляющих покрытий, коэффициенты отражения которых по-
казаны на рис. 8.32: 1) очень узкополосное V-покрытие, рассчитанное
для применения с лазерными линиями с целью минимизации поверх-
ностного отражения на одной конкретной длине волны; 2) высокоэф-
фективные широкополосные просветляющие покрытия HEBBAR^{
разработанные с целью минимизации отражения в интервале длин волн
400-720 нм для использования при углах падения 0 или 45°.
Рис. 8.32. Коэффициент отражения многослойных диэлектрических просветляю-
щих покрытий, предназначенных для угла падения 0° [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holland).
а, б, e-покрытие НеЬЬаг^^при углах падения 0, 30 и 45° соответственно; г, д, е- V-покрытие при углах паде-
ния 0, 30 и 45° соответственно.
332
Глава 10
8.16.	ОПТИЧЕСКИЕ СВЯЗЫВАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Литература. 1491.
Склеивающий (связывающий) материал, используемый для
склейки оптических элементов или для прикрепления детектора к под-
ложке, должен обладать следующими свойствами: 1) низким давлением
паров и хорошей адгезией; 2) отверждаться при комнатной температу-
ре; 3) прозрачностью в видимом и, по возможности, в УФ и ИК диапа-
зонах спектра; 4) высокой химической стабильностью и нераствори-
мостью.
Аралдит 6010-это торговое наименование легкой жидкой эпоксид-
ной смолы янтарного цвета, пропускающей видимое и ИК (2-14 мкм)
излучение. Эпоксидная смола аралдит 6010 отверждается при комнат-
ной температуре при добавлении ее 13 вес. частей на 100 вес. частей от-
вердителя HN951; при этом получается пленка с высокими химической
стабильностью и электрическим сопротивлением, очень хорошо сли-
пающаяся с оптическим стеклом, металлами, керамикой, полупроводни-
ками и другими материалами. Благодаря таким свойствам эта смола
очень хорошо подходит для прикрепления источников оптического из-
лучения к подложкам. Для некоторых приложений желательно исполь-
зовать иммерсионный ввод в детекторы, т.е. пропускать излучение на
детекторы через подложку и клей. При этом достигаются такие преиму-
щества, как уменьшение потерь на отражение или (в случае линз) увели-
чение чувствительности вследствие увеличения эффективной чувстви-
тельной области детектора (и, следовательно, сигнала) без возрастания
шума детектора.
8.17.	МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ЛИНЗ
Литература- 691.
Около 4% видимого света отражается на поверхностях линзы,
призмы или любого другого оптического компонента, если на этой по-
верхности нет покрытия или она не склеена с другими стеклянными по-
верхностями. В системах, состоящих из нескольких компонентов, со-
ответствующие потери могут возрастать очень сильно. Цо более
существенно то, что при этом соответственно уменьшается контраст
изображения из-за наложения слабых отраженных «паразитных» изо-
бражений. Коэффициент отражения поверхности зависит от разности
показателей преломления воздуха и стекла, которые равны 1,0 и 1,5 со-
ответственно, для видимого излучения. Выбрав материал с показателем
преломления между двумя этими величинами (около геометрического
среднего) и нанеся на поверхность покрытие с оптической толщиной,
приблизительно равной четверти длины волны, можно значительно
уменьшить коэффициент отражения.
Наиболее распространенным материалом для однослойных просвет-
ляющих покрытий (рис. 8.33) является фтористый магний MgF2, про-
Оптические материалы
333
Рис. 8.33. Однослойное просветляю-
щее покрытие из MgF2 с оптической
толщиной, равной четверти длины
волны [691] (воспроизводится с разре-
шения Melies Griot, Arnhem, Holland).
чное вещество с показателем преломления 1,38 на длине волны 550 нм.
После нанесения такого покрытия, вместо одного отражения на границе
раздела воздух-стекло будут возникать одно отражение на границе
раздела воздух-MgF2 и второе отражение на границе раздела
MgF2-стекло. Отраженные лучи будут интерферировать, взаимно осла-
бляя друг друга, и в результате минимальный коэффициент отражения
для видимого света будет составлять 1,5% (или меньше) вместо 4% для
стеклянной поверхности без покрытия. Это приведет к увеличению сум-
марного пропускания поверхности с покрытием, включая и обе границы
раздела. Такие покрытия работают очень хорошо в широких интерва-
лах длин волн и углов падения. Зависимости коэффициента отражения
поверхности с покрытием от длины волны угла падения и поляризации
показаны на рис. 8.34, 8.35 и 8.36 соответственно.
Можно минимизировать коэффициент отражения для любого угла
падения и любой длины волны, изменяя толщину покрытия. Однослой-
ное покрытие из фтористого магния служит также для защиты стекол
с высоким показателем преломления от химического окрашивания и за-
грязнений. При использовании дополнительных слоев и комбинаций
различных материалов можно резко уменьшить коэффициент отраже-
Рис. 8.34. Коэффициент отраже-
ния от поверхности, покрытой
MgF2, как функция длины во-
лны [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
334
Глава 8
Рис. 8.35. Коэффициент отражения от
поверхности, покрытой MgF2, как
функция угла падения [691] (воспроиз-
водится с разрешения Melies Griot,
Arnhem, Holland).
Длина волны, нм
Рис. 8.36. Коэффициент отражения от по-
верхности, покрытой MgF2, как функция
поляризации [691] (воспроизводится
с разрешения Melies Griot, Arnhem, Holla-
nd).
ния любой стеклянной поверхности в широком спектральном диапазоне
(многослойное широкополосное просветление) или сделать его равным
почти нулю на одной конкретной длине волны (Кпокрытия).
Оптические материалы
335
8.18.	ОТРАЖАЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ОБЛАСТИ
НИЖЕ 200 НМ
Литература: 593.
Применяемые в области ниже 200 нм покрытия с большим
коэффициентом отражения для вакуумного УФ излучения изготавли-
ваются путем напыления различных металлов, таких, как осьмий, золо-
то или платина, на алюминий (разд. 8.14). Зеркальные покрытия для ва-
куумного УФ излучения (a-линия Лаймана) изготавливаются также из
пленок Al-MgF2 (рис. 8.37).
Рис. 8.37. Потери на отражение от покрытий Al-MgF2 типа 1200 (кривая 1)
и 1600 (кривая 2), предназначенных для вакуумного УФ излучения (а-линия Лай-
мана) [539] (воспроизводится с разрешения Acton Research Со., Acton, Mass.,
USA).
Глава 9.
Оптико-механические компоненты
Литература: 661, 665.
Оптико-механические компоненты позволяют: 1) точно регули-
ровать пучок, 2) регулировать положение объекта и изображения, 3)
точно устанавливать пространственный фильтр, 4) разрабатывать лю-
бую оптическую систему для конкретных исследовательских нужд. Оп-
тико-механические компоненты очень полезны для работ, связанных
с получением изображения и манипуляций с пучками лазерного излуче-
ния.
9.1.	ОПТИЧЕСКИЕ СКАМЬИ
9.1.1.	Металлические оптические скамьи
Оптические скамьи чаще всего изготовляют из отпущенной не-
ржавеющей стали или сплавов алюминия. Оптические скамьи имеют X-
образный профиль (рис. 9.1). На рис. 9.2 показаны типичные оптические
скамьи и их комбинации. Некоторые оптические скамьи изготовляются
в виде полого цилиндра, усиленного четырьмя продольными ребрами
(рис. 9.3). Эти скамьи имеют очень высокий коэффициент весовой жест-
кости (отношение момента инерции к сечению). Х-образные ребра слу-
жат направляющими для оснований и салазок (держателей), которые
можно закрепить на любой стороне балки. Х-профиль оптических ска-
мей позволяет использовать самые разнообразные варианты крепления
оптико-механических компонентов.
9.1.2.	Соединители и опоры оптических скамей
Соединители-это компоненты, позволяющие комбинировать
элементы одинаковых или различающихся оптических скамей. Суще-
ствуют прямые, параллельные, угловые, Т-образные, поперечные и вер-
тикальные соединители (рис. 9.4). Соединители можно использовать для
объединения оптических скамей с одним и с двумя рельсами (рис. 9.5).
Некоторые скамьи (например, полые цилиндрические) в качестве
оконечного элемента имеют две опоры-одну одинарную и одну двой-
ную (рис. 9.6).
Рис. 9.1. Оптические скамьи с Х-образным профилем [665] (воспроизводится
с разрешения Physik Instrumente (PI) GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.2. Типичные оптические скамьи и их комбинации [665] (воспроизводится
с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
22-644
338
Глава 9
Рис. 9.3. Сечение скамьи в виде полого
цилиндра с четырьмя продольными реб-
рами [661] (воспроизводится с разреше-
ния Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine,
France).
Рис. 9.4. Различные типы соединителей и опорных конструкций для оптических
скамей [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
339
9.1.3.	Столики
Столики-это компоненты, устанавливаемые на рабочие по-
верхности различных оптических скамей. Они используются для крепле-
ния оптических компонентов к скамье и обеспечивают высокую гиб-
кость при комбинировании одинаковых или различающихся оптических
скамей (рис. 9.7).
9.1.4.	Гранитные оптические скамьи
Гранит и диабаз хорошо подходят для изготовления конструк-
ций с повышенной стабильностью, которые могут потребоваться для
специальных приложений в области оптических измерений. Основные
различия между двумя этими материалами следующие:
a-прямой, б-уголковый, e-T-образный, г-крестообразный.
340
Глава 9
Рис. 9.5. Соединитель для объединения оптических скамей с одним и двумя
рельсами [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
1. Гранит, включающий кварц, имеет серый или красноватый цвет
и кислую реакцию. В некоторые граниты входит в заметных количе-
ствах железо; чем его больше, тем темнее цвет гранита (до черного).
2. Диабаз имеет следующий состав: полевой пшат + биотит +
+ диорит (амфибол + пироксен). Диабаз всегда черный со слабыми
блестками слюды, и его реакция щелочная.
Старея в естественных условиях тысячелетиями, гранит и диабаз ос-
вободились от внутренних напряжений. На их равновесное состояние не
Рис. 9.6. Цилиндрические скамьи с одной и с двумя опорами [661] (воспроизво-
дится с разрешения Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
Оптико-механические компоненты
341
Рис. 9.7. Продольный столик [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente, GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
влияют ни внешние агенты, ни обработка; изменения определяются
только тепловым расширением. Коэффициент теплового расширения
гранита такой же, как у стекла (табл. 9.1). Из-за плохой теплопроводно-
сти и большой массы гранитные скамьи приходят в состояние теплово-
го равновесия в течение длительного времени. Благодаря большой твер-
дости гранит очень прочен, и в комбинации с превосходной коррозие-
устойчивостью это качество позволяет получить большое время
эксплуатации скамьи. Ниже приведена часть шкалы твердости Мооса:
алмаз-10, природный корунд-9, топаз-8, кварц (серый гранит)-7, диа-
баз-6. Стойкость гранита к локализованным ударам намного выше,
чем у чугуна. Удар, достаточно сильный для того, чтобы на чугуне
образовалась выбоина, приведет только к появлению трещины на
граните.
Гранит почти несжимаем. Прочность на разрыв у гранита относи-
тельно велика и изменяется от породы к породе. Благодаря разнице
между коэффициентами упругости при сжатии и растяжении нейтраль-
ная линия (линия неизменной длины) гранитной балки, подвергаемой
изгибу, расположена в области сжатия. По той же причине при расчете
отклонения балки необходимо использовать средний модуль упругости,
отличающийся от реальных модулей упругости для плоского сжатия
342
Глава 9
Таблица 9.1. Коэффициент теплового расширения гранита
и других материалов [661] (воспроизводится с разреше-
ния Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France)
Материал Коэффициент теплового расширения х 107
Диабаз Г ранита Стекло Металлы Инвар Кварц	40-60 40-90 Пирекс 32, боросиликатное 90 Чугун ПО, дюралюминий 232 9 5,4
d Коэффициент теплового расширения гранита такого же поряд-
ка, что и у стекла.
или плоского растяжения. Модуль упругости Е гранита равен
(6 4-8)-103 кг/мм2. Гранит имеет низкую удельную плотность
(2,6-3 кг/дм3), но изготовленные из него компоненты часто получаются
тяжелыми из-за больших размеров и трудности выполнения полых про-
филей. Гранит можно обрабатывать с помощью вытесывания, газопла-
менной резки или шлифования. При выпиливании получаются грубые
прямоугольные блоки с размерами от нескольких кубических метров до
кубического дециметра. Метод шлифовки, подобный применяемому для
обработки стекла, обеспечивает получение допусков, необходимых для
сочетания с другими механическими элементами конструкции. Возмож-
ности обработки ограниченны. Склеивание позволяет получать компо-
ненты сложной формы.
Начальная прямолинейность гранитной скамьи составляет 0,01 мм/м
(без нагрузки). Обычно эти скамьи снабжаются двумя опорами
(рис. 9.8). Основным преимуществом опоры, показанной на рис. 9.8,
является простота. Под нагрузкой, включая и собственный вес, балка
будет несколько прогибаться. В большинстве случаев прогиб незначите-
лен. Слишком большой прогиб можно устранить, использовав несколь-
ко опор. Отклонение f (в миллиметрах) для различного числа опор мож-
но вычислить следующим образом (рис. 9.9):	
1. Скамья на	двух опорах:
/= l,25I?/h2	для а = 0,544Ь	(9.1)
2. Скамья на	трех опорах:
f= 0,125L4//?	для a = O,35OL	(9.2)
3. Скамья на	п опорах:
/= %a2lh2	для a = 0,7L/(n-1).	(9.3)
Оптико-механические компоненты
343
Рис. 9.8. Гранитная скамья типа GN [661] (воспроизводится с разрешения
Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
Здесь L-длина скамьи, h-толщина скамьи, «-расстояние между опора-
ми.
Избыточные деформации можно устранить с помощью систем пнев-
матической подвески (разд. 9.2.1.1.6). Приспособления для регулировки
положения и вспомогательные элементы могут быть закреплены на гра-
нитной скамье либо с помощью крепежных пластин, привинчиваемых
к скамье, либо с помощью столиков, скользящих по направляющим
Рис. 9.9. Прогиб для различного количества опор [661] (воспроизводится с раз-
решения Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
Число опор: 1 -две, 2-три, 3-п
344
Глава 9
Рис. 9.10. Столик, перемещающийся вдоль скамьи GN [661] (воспроизводится
с разрешения Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
Рис. 9.11. Столик с поперечной консолью типа СТ [661] (воспроизводится с раз-
решения Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
(рис. 9.10). Столики могут быть зафиксированы в любом положении
с помощью поджима к нижнему выступу скамьи или стола. Столики
с направляющими позволяют установить два ряда оптических компо-
нентов очень близко друг к другу, что дает возможность получить две
оптические оси с помощью одного устройства для деления светового
пучка.
В продаже имеется множество различных типов столиков, например
с поперечной консолью (рис. 9.11) или с вращающейся консолью
(рис. 9.12). Некоторые столики можно перемещать по скамье с нужной
скоростью с помощью двигателей постоянного тока. Отсчет по вернье-
ру с точностью 0,1 мм позволяет точно располагать столики относи-
тельно шкалы, прикрепленной к скамье.
Оптико-механические компоненты
345
Рукоятка,
фиксирующая
высоту штанги
Установка
начала
координат
Толщина
скамьи
Отверстие для установки
" пластин модуля
Точная регулировка
по вертикали Рельс
Регулировка
параллельности
по горизонтали
Fcr
Крепление
я скамье
Отсчет углового
положения
Фиксатор точного
перемещения

Точная регулировка
по углу
Рукоятка фиксации центральной
штанги
Фиксация поворота центральной штанги
Рис. 9.12. Столик с вращающейся консолью типа BTR [661] (воспроизводится
с разрешения Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
9.2. СТОЛЫ И РАМНЫЕ СИСТЕМЫ
Во многих случаях экспериментальную установку нельзя распо-
ложить на одной скамье, а необходимо расставить компоненты на опре-
деленной площади. Для таких областей современной оптики, как ла-
зеры, интерферометрия и др., требуются очень точные, устойчивые
и свободные от вибраций столы и рамные системы. Современные столы
и рамы могут снабжаться регулируемыми опорами и приспособления-
ми для подавления вибраций (разд. 9.2.1.1). Такие столы и рамы можно
собрать за несколько часов и столь же быстро разобрать, так что после
выполнения конкретной серии измерений освободившиеся детали мож-
но использовать для сборки другой экспериментальной установки.
Рамы изготавливаются из немагнитного материала (алюминиевого
сплава). Рабочие поверхности столов и рам могут изготавливаться из
дерева, пластмассы, ферромагнитного материала, алюминия, пластмас-
совых сотовых конструкций или гранита. В качестве рабочих поверхно-
стей можно также использовать оптические скамьи (разд. 9.1).
346
Глава 9
Рис. 9.13. Комбинации столов и рамных систем с виброизоляторами [665] (вос-
производится с разрешения Physik Instrumente, GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
Основания столов и рам состоят из таких деталей, как уголки,
трубы, сплошные балки, болты, шпильки с резьбой, регулируемые
опоры и соединители, а также включают приспособления для подавле-
ния вибраций. На рис. 9.13 и 9.14 показаны различные комбинации сто-
лов и рамных систем. Если рабочая поверхность выполнена из ферро-
магнитного материала, то оптические компоненты можно закреплять
с помощью магнитов (рис. 9.15). Магнитное основание, предназначен-
ное для этой цели, показано на рис. 9.16. Оно состоит из собственно
магнитного основания, на котором закреплена алюминиевая крепежная
пластина. Магнитное основание снабжено разъединителем, с помощью
которого оно отсоединяется от ферромагнитной поверхности.
Рис. 9.14. Стол с виброизоляторами [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.15. Оптические компоненты, прикрепленные с помощью магнитов к фер-
ромагнитной пластине [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
348
Глава 9
Рис. 9.16. Магнитное основание [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
9.2.1. Собственные вибрации компонентов
стола
Каждая жесткая конструкция, включая отдельные компоненты
на столе или раме, оптические скамьи или рабочие поверхности на них,
а также все оптические компоненты могут совершать колебания с отно-
сительно высокими частотами. Высокочастотные собственные колеба-
ния этих индивидуальных компонентов не имеют ничего общего с резо-
нансными вибрациями стола или рамной системы в целом. Резонансные
вибрации всей системы наблюдаются в том случае, когда центр масс
системы, в которую входят стол или рамная система совместно с закре-
пленными на них компонентами, рассматриваемые как концентрирован-
ная масса, гармонически возбуждается собственными вибрациями от-
дельных компонентов стола и рамных систем. Эти составляющие виб-
раций слабо зависят друг от друга. Такие слабосвязанные вибрации
могут резонансно возбуждаться вибрациями центра масс системы
и акустическими возмущениями.
Каждое колебание определенной частоты затухает и в определенный
момент исчезает совсем. В конструкции без затухания имеется несколь-
Оптико-механические компоненты
349
ко доминирующих собственных вибраций, которые трудно устранить.
Это объясняется большим коэффициентом механического усиления при
малом затухании, что означает возникновение непропорционально
больших смещений вследствие малых возмущений с частотой, близкой
к резонансной. Для устранения этих собственных вибраций имеется ряд
средств. Во-первых, число компонентов между рабочей поверхностью
и виброизоляторами должно быть сведено к минимуму. Наилучшим ре-
шением является установка рабочей поверхности непосредственно на
изоляторы. Это общее правило установки изоляторов в системе для
устранения вибраций. Во-вторых, надо использовать (если это возмож-
но) материалы с большим собственным затуханием. Например, гранит
(разд. 9.1.4) обладает очень большим затуханием. Чугун имеет меньшее
затухание, а сталь-еще меньшее. Сотовые структуры дают превосход-
ное затухание. Обычная конструкция состоит из сотового алюминиево-
го материала, проложенного между идентичными металлическими ли-
стами. Ячейки сот ориентированы перпендикулярно покровным плас-
тинам.
Любое твердое тело обладает шестью колебательными степенями
свободы (см. рис. 9.36). Они включают линейные колебания вдоль осей
х, у и z и крутильные колебания вокруг этих же осей. При определенных
условиях может возникнуть связь между ортогональными колеба-
тельными модами, при этом колебательная энергия передается от
одной моды к другой. Такие условия нежелательны в виброизолирован-
ной системе, и по возможности их следует устранять. Степень связи ко-
лебаний в виброизолированной системе в основном зависит от положе-
ния центра масс. Следует различать два случая:
1)	центр масс изолированной системы расположен в плоскости дер-
жателя; 2) приведенное выше условие не удовлетворяется.
9.2.1.1.	Виброизоляция
9.2.1.1.1.	Механические возмущения
На многих оптических приборах можно проводить измерения
с разрешением и воспроизводимостью порядка 10“5 мм. Например, ин-
терферометрические измерения во многих случаях требуют точности та-
кого порядка. Вибрации, возбуждаемые даже очень слабыми возмуще-
ниями, могут помешать проведению подобных измерений. Такие
возмущения могут вызываться ходящими по зданию людьми либо рас-
положенными поблизости механическими устройствами или уличным
транспортом. Подобные возмущения создаются также акустическими
волнами, распространяющимися в воздухе в виде звука. Совместное
воздействие всех этих возмущений приводит к периодическим деформа-
циям оптико-механической конструкции, вызывающим малые, непреры-
вно изменяющиеся отклонения в оптическом тракте. Но эти отклонения
могут оказаться большими по сравнению с длиной волны излучения,
350
Глава 9
приводя к заметным эффектам. Окружающая нас среда «загрязнена»
механическими возмущениями до такой степени, что проведение многих
точных оптических измерений невозможно без использования адекват-
ной виброизоляции.
9.2.1.1.2.	Принципы виброизоляции и ее эффективность
На современном уровне развития техники можно хорошо за-
щитить конструкцию от механических возмущений, если установить ее
так, чтобы она могла совершать колебания. Конструкция может коле-
баться, если она опирается на пружины. Удачная виброизоляция приво-
дит к значительному ослаблению наиболее важной части частотного
спектра возмущения. Если изолируемая колебательная система разрабо-
тана таким образом, что ее собственные частоты намного отличаются
от частотного спектра возмущающих колебаний, амплитуда колебаний
системы уменьшается. Однако получить абсолютную виброизоляцию
нельзя.
Один из методов определения качества виброизолятора основан на
определении его пропускания. Коэффициент пропускания показывает,
какая часть внешнего возмущения проходит через виброизолятор.
Коэффициент пропускания вибраций изолятором зависит от частоты.
Для каждой частоты находится отношение амплитуд (или скорости, или
ускорения) прошедших и приходящих колебаний. Затем строится его за-
висимость от частоты. Величина, обратная коэффициенту пропускания,
называется коэффициентом изоляции. Для некоторых одночастотных
колебаний можно получить коэффициенты изоляции до 95-99%.
9.2.1.1.3.	Подавление периодических и апериодических
возмущений и их частотные характеристики
Существуют два типа возмущений: 1) непрерывные возмуще-
ния, возникающие, например, вследствие периодического перемещения
механизма; 2) нестационарные возмущения в форме короткого или
длинного апериодического импульса; они накладываются на периодиче-
ские возмущения. При непрерывном возмущении система на пружинах
будет колебаться с частотой возмущения. Для получения хорошей ви-
броизоляции собственная частота изолирующей системы должна быть
намного ниже частоты непрерывного возмущения. При возмущении им-
пульсного типа с широкополосным спектром система на опорных пру-
жинах пропускает частотные компоненты, близкие к ее собственной ре-
зонансной частоте, и ослабляет высокочастотные компоненты. Другими
словами, прошедшее возмущение тем меньше, чем ниже собственная ча-
стота системы на пружинах.
В качестве рабочего правила можно применить следующее: изоля-
ция будет удовлетворительной, если собственная частота системы более
чем в три раза ниже самой низкой частоты возмущения. Виброизоля-
ционные устройства имеют хорошие характеристики при частотах воз-
Оптико-механические компоненты
351
мущения, в 5-6 раз превышающих их собственную частоту. Возмущение
действует частично в вертикальном направлении, а частично в горизон-
тальном. Виброизолирующая система должна ослаблять обе компо-
ненты возмущения.
9.2.1.1.4.	Металлические и пневматические пружины
как виброизолирующие элементы
Для получения хороших виброизоляционных характеристик
подходят пружины двух типов: 1) металлические, 2) пневматические (ча-
сто наполняемые воздухом). Оба типа пружин имеют свои достоинства
и недостатки. Одной из основных целей применения пружин обоих ти-
пов является смещение собственных колебаний системы в сторону как
можно более низких частот. Другой важной задачей является получение
нужного демпфирования, такого, при котором система, получившая, не-
смотря на виброизоляцию, возмущение, быстро приходила бы в состоя-
ние покоя. Непрерывные возмущения, поступающие из окружающей
среды, в основном имеют частоты в диапазоне 8-50 Гц. Частоты возму-
щений, индуцированных механическими воздействиями, составляют
15-100 Гц. Отсюда следует, что для обеспечения виброизоляции си-
стемы необходимо, чтобы собственные частоты были низкие (1 Гц или
ниже). Такая величина может быть достигнута при использовании пнев-
матических пружин высшего качества. При соответствующим образом
спроектированных металлических пружинах получаются частоты со-
бственных колебаний около 2-3 Гц.
9.2.1.1.5.	Металлические пружины
В качестве виброизолирующих элементов чаще всего приме-
няются стальные спиральные пружины. Собственная частота колеба-
тельной системы с массой т выражается формулой
/= ]/с/т/2п	(9.4)
где /-собственная частота (Гц); с-упругая постоянная (податливость
пружины), т- масса. Требуется получить как можно более низкую соб-
ственную частоту. Спиральная пружина имеет неэквивалентные про-
дольную и поперечную упругие постоянные; это означает, что со-
бственные частоты для двух направлений различны. Собственная
частота колебаний системы / уменьшается пропорционально квадратно-
му корню из числа витков спирали. Такой же эффект получается при
помещении нескольких пружин одного типа друг на друга. Однако на
практике пружина не может иметь очень большое число витков вслед-
ствие ограничений по размерам и устойчивости. Чаще всего исполь-
зуемые для виброизолирующих элементов пружины имеют отношение
длины к диаметру около 2,5. Поперечная постоянная упругости (или по-
352
Глава 9
перечная жесткость) пружин с таким отношением равна 1/4-1/3 про-
дольной упругой постоянной. Это означает, что цилиндрические спи-
ральные пружины обладают более низкой собственной частотой
в поперечном направлении, чем в продольном. Пневматические пру-
жины таким свойством не обладают.
В соответствии с уравнением (9.4) для пружины с данной упругой по-
стоянной с более низкая частота колебаний получается при увеличении
массы т. Однако в действительности для больших нагрузок пружины
являются более жесткими, т.е. имеют большие упругие постоянные.
Другими словами, собственная частота не может быть сделана про-
извольно малой за счет изменения массы. С другой стороны, можно по-
лучить хорошую виброизоляцию для очень малых нагрузок при со-
ответствующем выборе размеров пружины. Для данной массы следует
выбирать пружину с минимально возможной упругой постоянной и до-
статочной нагрузочной способностью. При использовании металличе-
ских пружин следует обращать большое внимание на обеспечение демп-
фирования. Эти пружины сами по себе демпфирования практически не
обеспечивают. Если массу, соединенную с металлическими пружинами,
привести в колебательное движение, то она будет колебаться в течение
длительного времени после окончания действия возмущения. По этой
причине металлическую пружину надо демпфировать. Другой причиной
является необходимость устранения дополнительных резонансов в ре-
жиме резонансного колебания.
Существуют по крайней мере два способа демпфирования виброизо-
лятора на основе металлической пружины-фрикционное демпфирова-
ние и вязкое демпфирование. Фрикционное демпфирование можно полу-
чить, например, введя в цилиндрическую спиральную пружину аморти-
затор из металла с губчатой структурой, который частично или
полностью заполняет пространство между витками. При перемещении
пружины, например при нагрузке или вследствие внешнего возмущения,
она трется об эту амортизирующую прокладку, в результате чего и до-
стигается демпфирование. Для обеспечения демпфирования амортиза-
торы должны контактировать с витками пружин, вследствие чего воз-
мущения все же передаются. В действительности виброизоляции может
не быть совсем, если амортизатор из-за перегрузки целиком заполняет
пространство между витками пружины. Для вязкого демпфирования
пружин используется жидкость или газ. При жидкостном демпфирова-
нии пружина погружается в жидкость с высокой вязкостью. Перемеще-
ние пружины приводит к возникновению вихрей в жидкости, в результа-
те чего и возникает эффект демпфирования. Демпфирование такого
типа очень эффективно, но используется редко, поскольку жидкость
(обычно масло с высокой вязкостью) обладает нежелательными по-
бочными эффектами.
Лучшим и почти идеальным решением проблемы является пневма-
тическое демпфирование. При этом металлическая пружина помещается
в резиновый сильфон, внутренний объем которого связан с окружаю-
Оптико-механические компоненты
353
щей средой управляющим клапаном. Открывание клапана регулируется.
При сжатии пружины воздух выходит из сильфона, а при расширении
входит в него. Этот циклический процесс обеспечивает почти идеальное
демпфирование. Сопротивление воздушному потоку и, следовательно,
степень демпфирования можно регулировать с помощью клапана. Воз-
можен плавный выбор любого режима-от крайне слабого затухания до
апериодического демпфирования. Когда центр масс находится в плоско-
сти опоры, все колебания в главных направлениях не связаны. В этом
случае система колеблется только в одном главном направлении и воз-
мущения не передаются в других направлениях. Обычно, однако, центр
масс не расположен в плоскости опоры, в результате чего возникает
внутренняя связь различных колебательных мод. Соответственно при
возникновении, например, горизонтальных колебаний будут также воз-
буждаться и вертикальные. Эти условия выполняются при отсутствии
горизонтального изолятора над воздушным поршнем. Горизонтальный
изолятор очень помогает в развязывании колебаний.
Изложенные выше аргументы имеют силу тогда, когда колебания
гармонические; в противном случае необходимо рассматривать и более
высокие гармоники. С помощью фурье-анализа любая кривая, даже
кривая импульсного удара, может быть разложена на гармонические со-
ставляющие. Это означает, что внезапное возмущение можно синтези-
ровать из ряда синусоидальных колебаний. Поэтому возмущения будут
иметь компоненты и в окрестности резонансных колебаний изолирую-
щей системы. Эти компоненты передаются изоляторами. Эффективная
изоляция и демпфирование получаются только для колебаний с часто-
тами, значительно превышающими частоту собственных колебаний изо-
лирующей системы. Вышесказанное применимо к любому изолятору
и к любой колебательной системе. Абсолютная виброизоляция невоз-
можна, и на практике выбирается компромиссное решение.
Измерения вибраций предназначены для: 1) определения эффектив-
ности виброизоляции системы; 2) проверки вибрационного состояния
системы. Эффективность виброизоляции системы обычно измеряется
с помощью датчиков ускорений или датчиков вибраций. Один из наибо-
лее часто используемых датчиков основан на электродинамическом
принципе. Проволочная катушка перемещается в электрическом поле
в результате вибраций или ударов. Индуцированный в ней электриче-
ский ток измеряется, и данные измерений используются для определе-
ния амплитуды, скорости и ускорения. Для таких измерений требуются
два датчика, подключенных к двухлучевому осциллографу. Один датчик
устанавливается на изолированной части системы, а другой-на неизо-
лированной части или на опоре. Если опора вибрирует, то вибрации
передаются на изолированную часть системы. Если откалибровать чув-
ствительности двух каналов осциллографа, то отношение амплитуд от-
клонений двух лучей дает информацию об эффективности виброизоля-
ции. Упомянутые датчики пригодны также для измерения горизон-
тальных вибраций. Подобное сравнение можно провести при использо-
23-644
354	1 лава 9
вании спектров плотности мощности двух сигналов (представления
в частотной области). Для этого применяются низкочастотные анализа-
торы спектра, работающие в реальном масштабе времени; результат
отображается как отношение двух спектров.
Качество виброизоляции легче проверить с помощью ртутного зер-
кала. При вибрациях ртуть, налитая в чашку диаметром 40-50 мм, дви-
жется, что легко увидеть невооруженным глазом в отраженном свете.
Другой способ заключается в проецировании пучка лазерного излуче-
ния, отраженного от поверхности ртути, на экран. Амплитуды отклоне-
ний лазерного пучка являются мерой амплитуд вибраций. Вместо ртути
можно использовать любую другую жидкость. Жидкости с низким
удельным весом необходимо закрывать крышкой с целью защиты от
воздушных потоков. Более тонким способом наблюдения вибрационно-
го состояния является использование интерферометра, установленного
на изолированной рабочей поверхности. Для этой цели подходит интер-
ферометр Майкельсона (разд. 10.3.1.1) небольших размеров. Перемеще-
ния интерференционной картины воспроизводят имеющиеся вибрации.
Конструкция виброизолятора на основе стальной пружины с пневма-
тическим демпфированием показана на рис. 9.17. Пружина, на которую
приходится вся нагрузка, приклеплена к двум металлическим фланцам.
Рис. 9.17. Общий вид (а) и сечение (б) виброизолятора на основе стальной пру-
жины с пневматическим демпфированием [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
355
Рис. 9.18. Устройство для пневматического демпфирования вертикально напра-
вленных возмущений [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
На двух концах резинового сильфона, который также прикрепляется
к этим фланцам, имеются герметичные соединения. В одном из фланцев
находится клапан с регулируемым отверстием. На рис. 9.18 показано
устройство, обеспечивающее пневматическое демпфирование возмуще-
ний в вертикальном направлении. Возмущения в горизонтальном на-
правлении также ослабляются, но на практике этого ослабления не всег-
да достаточно. Следовательно, в данном случае требуется специальное
оборудование для горизонтального демпфирования. Для этого суще-
ствуют два метода:
1.	Виброизоляторы, показанные на рис. 9.17, а, устанавливаются так-
же в горизонтальном направлении. На рис. 9.19 показана виброизоли-
рованная конструкция, основание которой прикреплено, кроме верти-
кального изолятора, к двум горизонтальным изоляторам. Два таких
горизонтальных изолятора установлены взаимно перпендикулярно.
Обычно для минимизации горизонтальных компонент вибраций доста-
точно виброизолировать таким образом только одну стойку виброизо-
лированного стола.
2.	Применение демпфера специальной конструкции. Схема подходя-
щего гидравлического демпфера показана на рис. 9.20.
356
Глава 9
Рис. 9.19. Виброизолированная конструкция с двумя горизонтальными и одним
вертикальным виброизоляторами [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn / Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.20. Схема гидравлическо-
го демпфера [665] (воспроизво-
дится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Wald-
bronn / Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
357
Рис. 9.21. Гидравлический демпфер, соединенный с рамой стола [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
Этот демпфер состоит из контейнера с маслом. Контейнер жестко
соединен с неизолированной нижней частью рамы стола (рис. 9.21).
В контейнер погружен полый перфорированный поршень, прикре-
пленный к изолированной верхней части рамы стола. При относитель-
ном смещении поршня и контейнера получается очень эффективное
демпфирование горизонтальных смещений в результате вязкого течения
масла.
Недостатком виброизоляторов на основе стальных пружин является
их неспособность скомпенсировать асимметричные нагрузки. Пружина
сильнее сжимается там, где нагрузка больше. До некоторой степени
этот недостаток можно устранить, используя либо пружины с более вы-
сокой нагрузочной способностью, либо регулируемые по высоте основа-
ния в местах большей нагрузки. При использовании регулируемых ос-
нований можно приподнять те части, где в результате большей
358
Глава 9
нагрузки пружины сжались сильнее. Имеются стальные пружины с раз-
личными нагрузочными способностями. Лучше выбирать такую нагруз-
ку на изолятор, при которой сжатие пружины максимально, поскольку
в этом случае собственная частота системы минимальна. Если пружина
не сжимается до минимально возможного размера, то это означает, что
масса нагрузки недостаточна для достижения минимальной собствен-
ной частоты. Если пружина недостаточно сжата под воздействием ре-
альной нагрузки, то для уменьшения собственной частоты полезно ис-
пользовать дополнительные грузы. Балластные грузы также приме-
няются в тех случаях, когда необходимо сбалансировать асимметрично
нагруженный стол. При изоляции больших масс, которая невозможна
при использовании пружин, показанных на рис. 9.17, а, можно устана-
вливать вместе несколько изоляторов такого типа (рис. 9.19). Виброизо-
ляторы на основе стальных пружин обеспечивают эффективность изоля-
ции по крайней мере 95% для частот, превышающих резонансную
частоту системы в пять и более раз.
9.2.1.1.6.	Пневматические пружины
Самой подходящей упругой средой является газовая. Наиболее
эффективны газонаполненные виброизоляторы, для заполнения которых
лучше всего подходят воздух и сухой азот. Собственная частота пнев-
матического виброизолятора при малых отклонениях относительно по-
ложения статического равновесия определяется уравнением
/= с]/Г/7 Гц	(9.5)
где /-собственная частота виброизолятора, с-константа, F-площадь
опорной поверхности нагружаемой пружины (т.е. площадь основания
поршня, определяемая его диаметром (рис. 9.22), У-объем воздуха,
ограниченный пружиной. Отсюда легко получить низкую собственную
частоту пневматического виброизолятора путем выбора соответствую-
щей величины отношения F/V. В соответствии с уравнением (9.5) часто-
та собственных колебаний пневматического виброизолятора не должна
зависеть от нагрузки или давления. Однако на практике собственная ча-
стота и, следовательно, эффективность изоляции зависят также от
нагрузки.
Процесс демпфирования в пневматических изоляторах почти такой
же, как и в изоляторах на основе стальных пружин. Хорошее демпфиро-
вание можно получить, подсоединив к объему пружины другой объем
с помощью отверстия или трубки. При воздействии на конструкцию
вибраций воздух перетекает из объема пружины в балластный танк
и обратно в соответствии со смещениями под действием вибраций.
В этих разнонаправленных воздушных потоках происходит диссипация
энергии, что обеспечивает демпфирование. Степень демпфирования
определяется размером отверстия, что позволяет очень просто регули-
ровать коэффициент демпфирования. Упругая постоянная пневматиче-
О птико-механические компоненты
359
Рис. 9.22. Схема пневматического ви-
броизолятора [665] (воспроизводится
с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
ской пружины обратно пропорциональна ограничиваемому ею объему;
на практике пневматическая пружина достаточно жесткая, и сжатие вы-
зывает увеличение упругой постоянной. Жесткость пневматической пру-
жины устраняется с помощью балластного воздушного танка, увеличи-
вающего эффективный объем.
Пневматический виброизолятор работает как чисто пневматическая
пружина только в том случае, когда влиянием контейнера на его работу
можно пренебречь. Влияние контейнера необходимо сводить к миниму-
му, что достигается при изготовлении активной части изолятора-диа-
фрагмы (рис. 9.22)-из очень мягкого и эластичного материала, который
должен быть очень прочным даже при толщине в несколько десятых
долей миллиметра. Диафрагма поддерживает нагруженный поршень.
Когда поршень движется в вертикальном направлении, диафрагма рас-
тягивается и сжимается, однако ее влиянием на движение поршня мож-
но пренебречь. Фактически масса колеблется на воздушной опоре.
Использование гофрированной диафрагмы минимизирует упомяну-
тую выше проблему, но в то же время создает другую, а именно
худшую изоляцию в горизонтальном направлении вследствие высокой
жесткости гофрированной диафрагмы в горизонтальном направлении.
Как показано на рис. 9.22, в верхней части диафрагмы имеется узкий
цилиндрический гофр, сильно затрудняющий перемещение поршня в го-
ризонтальном направлении. По этой причине пневматическая пружина
плохо демпфирует горизонтальные возмущения. Для того чтобы сде-
лать систему, схема которой показана на рис. 9.22, пригодной и для
этой цели, в нее надо включить горизонтальный изолятор. Это дости-
гается путем использования шарикоподшипника (рис. 9.22), который по-
360
Глава 9
мещается в сферических углублениях, имеющихся в поршне и в пласти-
не. Когда такая система подвергается воздействию горизонтальных
возмущений, основание подшипника смещается в сторону, в то же вре-
мя его верхняя часть не меняет своего положения. Для того чтобы кон-
струкция перемещалась по вертикали на минимальное расстояние, ра-
диус углублений под шариками выбирается большим, т.е. углубления
делаются пологими. В результате перемещения составляют несколько
микрон.
Собственная частота виброизолятора f в большинстве случаев при-
близительно составляет 1 Гц, и для частот более 5 Гц достигается изо-
ляция не менее 95%. Поскольку нагрузочная способность пневматиче-
ской пружины зависит от давления воздуха, ее можно изменять
в широком интервале. Неравномерная нагрузка стола или рамы может
быть скомпенсирована соответствующей регулировкой давления. Систе-
ма, содержащая сжатый воздух, никогда не бывает абсолютно герме-
тичной, вследствие чего в ней будет наблюдаться спад давления. В ре-
зультате изменяется нагрузочная способность изолятора и, следователь-
но, вертикальное положение рабочей поверхности. Это изменение
можно устранить с помощью клапанов регулировки уровня, срабаты-
вающих при выходе стола за пределы рабочего вертикального положе-
ния. При увеличении нагрузки на рабочую поверхность регулирующие
клапаны открываются и увеличивают давление в изоляторах. При
уменьшении нагрузки на рабочую поверхность избыточное давление
устраняется. Клапаны регулируются вертикальным положением рабо-
чей поверхности, поддерживаемой пневматическими пружинами. В ре-
зультате этого регулирования рабочая поверхность остается горизон-
тальной на постоянном уровне назависимо от неравномерности ее
нагрузки. Точность регулировки уровня с помощью пневматических
систем составляет около 0,1 мм.
Рабочая поверхность может опираться на три точки (три пневмати-
ческих виброизолятора). При наличии более трех виброизоляторов до-
полнительные устройства включаются пневматически параллельно, так
что остаются только три их группы. В противном случае система будет
статистически переопределенной. Всегда достаточно трех регулирующих
клапанов. Возможно, а иногда и необходимо, в одной конструкции ис-
пользовать изоляторы с различными нагрузочными способностями. На
рис. 9.23 показан стол ячеистой структуры с пневматической виброизо-
ляцией. На рис. 9.24 показана схема другого типа пневматического ви-
броизолятора с пневматическим регулирующим клапаном фирмы
Micro-Controle, France, а на рис. 9.25-схема работы системы из четы-
рех пневматических виброизоляторов.
Часто для виброизоляции используют автомобильные камеры
(рис. 9.26). Обычно на них помещается плита, на которой собирается
экспериментальная установка. В соответствии с уравнением (9.5) такая
система не может работать достаточно хорошо, поскольку площадь по-
верхности F, на которую действует нагрузка, слишком велика по срав-
Оптико-механические компоненты
361
Рис. 9.23. Стол ячеистой структуры с пневматическими виброизоляторами [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
Рис. 9.24. Схема пневматического виброизоля-
тора типа WX95 [661] (воспроизводится с раз-
решения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
362
Глава 9
Рис. 9.25. Схема работы системы из четырех виброизоляторов [661] (воспроиз-
водится с разрешения Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
а-блокирующая кнопка; б-клапан, в-сброс давления, г-вход для сжатого газа. Давление в каждом изоля-
торе создается независимо, и игольчатый клапан закрыт Можно также подключить каждый изолятор по-
стоянно к источнику давления. При этом режиме работы устраняются проблемы, связанные с утечками Ис-
точником давления может быть компрессор или баллон с сжатым воздухом или азотом
нению с объемом V. Кроме того, нет демпфирования. Если требуется
получить малое отношение F/V при использовании автомобильной ка-
меры, то нагрузку необходимо передавать на элемент с малой пло-
щадью поверхности, как показано на рис. 9.26. В данном случае нагруз-
ка передается на камеру четырьмя штырями. Для обеспечения
демпфирования можно соединить две камеры; вторая будет работать
в качестве балластного резервуара.
9.3.	УСТАНОВКА ОПТИЧЕСКОЙ ОСИ
Выбор положения оптической оси относительно данного осно-
вания является ключевой экспериментальной задачей. От этого положе-
ния зависит тип оборудования, которое будет использоваться в даль-
нейшем для крепления отдельных оптических компонентов. Выбор этой
оси определяется следующими критериями: 1) расстояние от оптической
оси до поверхности скамьи должно быть минимальным; 2) число объе-
диненных компонентов должно быть минимальным; 3) для юстировки
системы один или два оптических компонента должны выбираться в ка-
честве опорных и их положение должно фиксироваться; 4) для переме-
щений компонентов, которые будут использоваться в эксперименте, не-
обходимо оставлять достаточно места. На практике положение
оптической оси определяется самым большим компонентом и (или)
Оптико-механические компоненты
363
опорным элементом, использованными в установке. Опорные элементы
должны иметь высокую устойчивость и хорошо определять оптическую
ось. Наиболее распространенным методом крепления оптических ком-
понентов для экспериментальных целей является крепление с помощью
модульных блоков различного типа (позиционеров) (разд. 9.3.1).
9.3.1.	Модульные блоки (позиционеры)
Модульные блоки, называемые также позиционерами, предста-
вляют собой механические компоненты, позволяющие получить точные
смещения с использованием микрометров. Микрометры включаются
в различные конструкции с целью получения фиксированной опорной
точки для измерений. Микрометры состоят из цилиндра с резьбой на
внутренней поверхности и шпинделя с резьбой на внешней поверхности;
резьба на шпинделе прецизионно согласована с резьбой в канале цилин-
дра. Резьба обоих компонентов шлифуется и минимизируется на сво-
Рис. 9.26. Использование для виброизоляции автомобильной камеры [665] (во-
спроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
364
Глава 9
бодный ход. Микрометр имеет шкалу для считывания перемещения
шпинделя. Типичные микрометры показаны на рис. 9.27. Применение
микрометров не ограничивается измерением расстояний. Они также ис-
пользуются в качестве приводов для получения малых линейных
и угловых перемещений, особенно при регулировке. Микрометры с вра-
щающимся шпинделем позволяют получать смещения в интервале
5-150 мм (например, микрометры фирмы Physik Instrumente GmbH,
FRG).
Существуют также дифференциальные микрометры (рис. 9.28).
Принцип работы такого микрометра прост; его сечение показано на
рис. 9.29. Две резьбы с несколько различающимся шагом приводят
в движение заклинивающийся шпиндель. Градуированный барабан, на
котором имеются обе эти резьбы, имеет такую форму, что происходит
взаимодействие между ними. При повороте барабана шпиндель сме-
щается на расстояние, соответствующее разности шагов резьбы. Если,
например, шаг одной резьбы равен 0,5 мм, а шаг другой-0,45 мм, то
с каждым оборотом градуированного барабана заклинивающийся
шпиндель смещается на 0,05 мм. Если на барабан нанесено 25 угловых
интервалов, то один интервал соответствует смещению шпинделя на
0,002 мм. В зависимости от выбора разности шагов, диаметра и интер-
Рис. 9.27. Микрометры [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
365
Рис. 9.28. Дифференциальные микрометры [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
вала грудуировки барабана можно получить перемещение в доли ми-
крона. Модульные блоки (позиционеры) предоставляют эксперимента-
тору широчайший выбор возможной конструкции, которая может быть
изготовлена из взаимозаменяемых деталей и затем разобрана для ис-
пользования в других экспериментах.
Рис. 9.29. Сечение дифференциального микрометра [665] (воспроизводится
с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
366
Глава 9
9.3.1.1.	Трансляционные столики
Трансляционный столик (линейный позиционер) (рис. 9.30) со-
стоит из основания в виде плиты, к которому прикреплены направляю-
щие планки. Регулируемая рабочая поверхность устанавливается на ша-
рикоподшипниках. Наиболее важным требованием, предъявляемым
к позиционеру, является отсутствие у системы свободного хода. В идеа-
ле этому требованию удовлетворяет позиционер магнитно-кинематиче-
ского типа (рис. 9.31). Позиционеры такого типа имеют по крайней ме-
ре два компонента, которые могут сдвигаться друг относительно друга
на шариковых или роликовых подшипниках. Компоненты системы
удерживаются вместе магнитными силами, действующими между маг-
нитом и вставками из ферромагнитного материала. Высокоточные по-
зиционеры могут создавать перемещения в субмикронном диапазоне
и должны одновременно удовлетворять следующим требованиям: 1) по-
лное отсутствие свободного хода; 2) легкость перемещения (т.е. переме-
щение под действием очень малых сил); 3) однородность перемещения,
т.е. перемещение позиционера по направляющим с постоянным уси-
лием.
При описании трансляционных столиков указывается размер устрой-
ства и диапазон перемещений в горизонтальном и (или) вертикальном
направлениях. Двухкоординатный трансляционный столик показан на
рис. 9.32.
9.3.1.2.	Поворотные столики
Поворотные столики имеют одну вращательную степень сво-
боды. В сущности они состоят из двух коаксиальных цилиндров; вну-
тренний несет на себе верхнюю пластину, внешний прикреплен к осно-
ванию (рис. 9.33).
Рис. 9.30. Сечение линейного позиционера [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
367
Напрявляющий
Подшипники Ферромагнитные Регулируемая стержень
Магнит	Основание Направляющие
стержни
Рис. 9.31. Сечение магнитно-кинематического позиционера [665] (воспроизво-
дится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
9.3.1.3.	Гониометрические опоры
Гониометрические опоры (рис. 9.34) предназначены для получе-
ния точного поворота относительно некоторой внешней точки. При
установке соответствующих моделей получается идеально ортогональ-
ное вращение относительно одной и той же внешней точки. Угол пово-
рота равен + 30°.
Рис. 9.32. Двухкоординатный трансляционный столик [665] (воспроизводится
с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.33. Поворотный столик [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.34. Гониометрическая опора [661] (воспроизводится с разрешения
Micro-Controle, Vitry-Sur-Seine, France).
Оптико-механические компоненты
369
9.3.1.4.	Наклонные столики
Наклонные столики (рис. 9.35) предназначены для получения
точно контролируемого наклона в пределах + 2°30'. При установке ми-
крометра на деление 5,00 плоскости столика параллельны. Специально
откалиброванный микрометр позволяет измерять перемещение с точ-
ностью до 0,01 мм.
9.3.1.5.	Держатели с несколькими степенями
свободы
Твердое тело имеет шесть степеней свободы (рис. 9.36). При ис-
пользовании различных модульных устройств можно получать системы
с многими степенями свободы (рис. 9.37). Положение каждого модуля
можно регулировать с помощью электродвигателей или пьезоэлектри-
ческих преобразователей. Можно назвать следующие преимущества ре-
гулировки с использованием электродвигателей или пьезопреобразова-
телей по сравнению с ручной регулировкой: 1) непрерывный
и однородный охват больших диапазонов координат (с электродвигате-
лями); 2) дистанционное управление; 3) высокое пространственное раз-
решение (в основном при использовании пьезоэлектрических преобразо-
вателей); 4) управление и наблюдение, свободные от вибраций; 5)
подключение систем цифрового контроля или вычислительных машин
к различным позиционерам, что позволяет осуществлять программи-
руемую и автоматизированную работу.
При проведении измерений в микронном или субмикронном диапа-
зоне измерительная система должна быть оборудована виброизолято-
Рис. 9.35. Наклонный столик [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
24-644
370
Глава 9
Рис. 9.36. Шесть степеней свободы
твердого тела.
Рис. 9.37. Модульный блок со многими
степенями свободы [665] (воспроизводит-
ся с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
371
/фН1рП1|!П1|1111|1111|1111|П1ЦН111|НЦ1
съ «в
Рис. 9.38. Двигатели постоянного тока [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
рами (разд. 9.2.1). Если при этих условиях системы установки положения
управляются вручную, то измерительная система подвергается воздей-
ствию таких вибраций, что во многих случаях измерения в разумном
масштабе времени становятся невозможными, несмотря на виброизоля-
цию. В таких случаях измерения можно проводить только в режиме че-
редования регулировки и наблюдения, т. е. сначала систему надо отрегу-
лировать и только потом, когда она оказывается в состоянии покоя,
проводить наблюдения. При таком режиме работы можно пропустить
наблюдение важных процессов. К тому же этот режим требует много
времени и крайне неудобен. Наблюдения в реальном масштабе времени
возможны только при использовании дистанционного управления;
в этом случае можно наблюдать все стадии процессов без лишних за-
трат времени. Во многих случаях места наблюдения и регулировки бы-
вают далеко пространственно разделены из-за того, что регулировка
должна производится в неблагоприятных условиях, например в вакууме,
где вручную ее произвести нельзя.
Электродвигатели и пьезоэлектрические преобразователи могут
быть приведены в действие различными способами. Так, например, ис-
точники питания образуют широкий класс функциональных устройств,
начиная от простейшего (батарея) и кончая наиболее сложными (цепь,
управляемая вычислительной машиной). Имеется множество маленьких
двигателей постоянного тока (рис. 9.38) и мини-редукторов (рис. 9.39),
предназначенных для согласования с двигателями. Двигатели можно
подключать к простым (источникам питания, таким, как батареи, при
24*
372
Глава 9
Рис. 9.39. Мини-редукторы [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
этом с помощью потенциометра можно просто регулировать скорость.
Двигатели постоянного тока работают плавно и вызывают минимум
вибраций. На рис. 9.40 показаны такие двигатели, присоединенные
к микрометрам линейного позиционера. Для приводов на основе элек-
тродвигателей имеются концевые выключатели. Набор концевых вы-
ключателей состоит из двух миниатюрных концевых выключателей
с держателями.
Вместо непрерывно вращающихся двигателей постоянного тока
иногда используются приводы с шаговыми двигателями (рис. 9.41), с по-
мощью которых шаги можно производить с различной степенью точно-
Рис. 9.40. Двигатели постоянного тока, присоединенные к микрометрам линей-
ного позиционера [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
373
Рис. 9.41. Шаговые двигатели [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
сти в зависимости от конструкции. Для работы шагового двигателя
нужно иметь источник постоянного напряжения, переключатель упра-
вления и генератор управляющих импульсов (цифровая информация).
Шаговый двигатель и его блок управления образуют единое устройство.
С каждым переданным в электронный переключатель импульсом вал
привода двигателя поворачивается на определенный угол. Шаговый
двигатель может вращаться по и против часовой стрелки. При подаче
постоянного управляющего напряжения двигатель приобретает механи-
ческий тормозной момент. Если изменять частоту управляющих им-
пульсов, то число шагов, совершаемых в единицу времени, также изме-
няется. Чем выше частота управляющих импульсов, тем более
последовательность отдельных шагов приближается к непрерывному
синхронному вращению.
При питании однофазным или двухфазным переменным напряже-
нием шаговый двигатель может работать как синхронный двигатель.
В этом случае шаговый двигатель обладает собственным тормозным
моментом и может останавливаться мгновенно.
Пьезоэлектрические преобразователи (рис. 9.42) содержат стопы кера-
мических элементов, расширяющихся при подаче на них напряжения.
При изменении напряжения расширение также меняется. Поскольку та-
ким способом можно получить расширение порядка 10 мкм, пьезоэлек-
трические преобразователи играют важную роль там, где требуется
374
Глава 9
Рис. 9.42. Пьезоэлектрические преобразователи [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
очень точное разрешение по изменениям длины. На практике возможно
достижение разрешения менее 100 А (0,01 мкм).
Рассмотрим теперь принцип и режимы работы пьезоэлектрических
элементов. При деформации некоторых анизотропных кристаллов с по-
мощью механического напряжения возникает электрическое поле, па-
раллельное направлению деформации. Существует и эффект, обратный
этому так называемому пьезоэлектрическому эффекту; тот же материал
изменяет свои размеры под действием электрического поля. Тради-
ционными пьезоэлектрическими материалами являются некоторые из
природных кристаллов, например кварц, турмалин и сегнетова соль.
Позднее стали использовать керамические пьезоэлектрические мате-
риалы, такие, как поликристаллический Pb-Zr (Physik Instrumente
GmbH, FRG). Они поляризованы искусственно. Такая поляризация по-
лучается при наложении сильного электрического поля при температуре
несколько выше точки Кюри; в этом случае объект удлиняется в напра-
влении электрического поля. Если объект охладить и снять поляризую-
щее поле, то в кристалле остается остаточная поляризация в направле-
нии, определяемом прилагаемым полем. Это постоянная поляризация
керамического материала, который таким образом сохраняет пьезоэлек-
трические свойства и может преобразовывать электрическую энергию
в механическую. Если на кристалл подать постоянное напряжение, по-
лярность которого противоположна полярности напряжения, вызвавше-
го постоянную поляризацию, то кристалл укорачивается; при сов-
падении же полярностей-еще более удлиняется. Если на материал
Оптико-механические компоненты
375
подается переменное напряжение, то он попеременно укорачивается
и удлиняется в соответствии с полярностью этого напряжения.
Свойства пьезоэлектрических элементов в большей или меньшей
степени зависят от времени и температуры. Поляризация снижается со
временем приблизительно по экспоненциальному закону, так что посте-
пенно ее изменения становятся все меньше и меньше. Кроме того, сле-
дует учитывать:
1.	Тепловую деполяризацию. Если материал нагреть до точки Кюри,
то происходит полная деполяризация. Поэтому если пьезоэлектриче-
ский элемент должен долго работать без ощутимой деполяризации, то
его рабочая температура должна быть намного ниже точки Кюри. Безо-
пасный температурный уровень находится примерно посередине между
0° и точкой Кюри. С другой стороны, материал сохраняет свои пьезоэлек-
трические свойства даже при охлаждении до температуры жидкого
гелия.
2.	Электрическую деполяризацию, происходящую под влиянием силь-
ного электрического поля, направление которого противоположно на-
правлению поля, вызвавшего постоянную поляризацию материала. На-
пряженность поля, приводящего к заметной деполяризации, зависит от
длительности воздействия и температуры; при обычных условиях она
составляет 500-1000 В/мм. Переменные поля тоже могут вызывать де-
поляризацию в течение того полупериода, когда электрическое поле
противоположно по направлению полю, вызвавшему постоянную поля-
ризацию.
3.	Механическую деполяризацию. Если создаваемые на пьезоэлектри-
ческом элементе механические напряжения становятся слишком боль-
шими, то возможна механическая деполяризация материала, в результа-
те которой пьезоэлектрические свойства элемента уменьшаются или
исчезают.
Пьезоэлектрический преобразователь обычно помещают в прямоу-
гольный алюминиевый кожух (PI-Physik Instrumente GmbH, FRG)
(рис. 9.42). Один из полюсов преобразователя (обычно положительный)
электрически заземлен, второй подсоединен к высоковольтному коак-
сиальному разъему, установленному на боковой стороне кожуха (рабо-
чее напряжение 1000 В, испытательное напряжение 2000 В). Пьезоэлек-
трические преобразователи подключаются к источникам питания
с максимальным напряжением 1000 В или к высоковольтному функцио-
нальному генератору (рис. 9.43). На рис. 9.44 показана полная система,
включающая электронные устройства управления для пьезоэлектриче-
ских преобразователей и электродвигателей.
9.4.	ДЕРЖАТЕЛИ
Держатели для оптических компонентов устанавливаются не-
посредственно вдоль оптического пути. Обычно они крепятся к штиф-
там или стойкам салазок. Наиболее важными элементами этой группы
являются простые и регулируемые держатели линз и зеркал, держатели
Рис. 9.43. Пьезоэлектрический преобразователь с функциональным генератором [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.44. Электронные устройства для управления пьезоэлектрическими преобразователями и электродвигателями [665] (во-
спроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.45. Держатели для зеркал (а), линз (б), призм (в) и фильтров (г) [665] (вос-
производится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
Оптико-механические компоненты
379
для поляризационных компонентов, затворов, щелей, ирисовых диа-
фрагм, держатели для фотокомпонентов и т.д. (рис. 9.45). Поворотные
держатели предназначены для крепления поляризационных и фазовых
пластинок, кристаллов, призм и других оптических элементов; закре-
пленные в таких держателях компоненты могут поворачиваться относи-
тельно оптической оси (рис. 9.46). Угловое положение определяется по
шкале с делениями через 2° по всей окружности. Некоторые держатели
позволяют независимо поворачивать два оптических компонента отно-
сительно одной оси. В такие двойные поворотные держатели могут
устанавливаться, например, две поляризационные пластинки или одна
поляризационная и одна фазовая пластинка (рис. 9.47) (разд. 6.5).
9.4.1.	Прецизионные держатели зеркал и линз
Для многих приложений желательно наклонять зеркало в пучке
относительно одной или двух осей (рис. 9.48). При наклоне зеркало не
должно совершать линейных перемещений, что возможно, если ось вра-
Рис. 9.46. Поворотный держатель для крепления кристаллов или призм [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
380
Глава 9
Рис. 9.47. Двойной поворотный
держатель поляризационной
пластинки [665] (воспроизво-
дится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Wald-
bronn/Karlsruhe, FRG).
щения зеркала лежит в его плоскости (при условии, что зеркало пло-
ское). Для выполнения этого требования зеркало должно устанавли-
ваться в углубление в держателе. Если в конструкции не предусмотрены
соответствующие защитные меры, держатель с зеркалом в углублении
при наклонах будет частично перекрывать излучение, падающее под
малым углом к поверхности. При использовании вогнутого зеркала ось
вращения держателя должна проходить через центр сферической по-
верхности зеркала. Поскольку применяются зеркала с различными ра-
диусами кривизны, желательно иметь возможность перемещать зеркало
в оправе в направлении оптической оси. Зеркала, оптическая поверх-
ность которых изготовлена с высокой степенью точности, должны под-
держиваться в трех точках с целью предотвращения деформации
оправой.
Держатель для зеркала должен быть таким; чтобы его деформации
под влиянием температуры, вибраций и т.д. были минимальны; в про-
тивном случае зеркало будет деформировано оправой. Держатели зер-
кала могут подвергаться деформациям во время регулировки, поэтому
Оптико-механические компоненты
381
Рис. 9.48. Прецизионный дер-
жатель зеркал и линз [665] (во-
спроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
должны прилагаться очень малые усилия и сводиться к минимуму тре-
ние. Трение можно уменьшить, использовав шарикоподшипники. Кроме
того, никакие усилия не должны передаваться с микрометров, с по-
мощью которых регулируется держатель. Важным требованием являет-
ся обеспечение слабой связи между микрометрами и держателем зерка-
ла. Эту проблему можно решить, применив пружинную или магнитную
связь. В тех случаях, когда изменения размеров и длины пути сравнимы
с долями длины световой волны, деформации в микронном диапазоне
очень легко возникают при прикосновении. В интерферометрической
системе (разд. 10.3) почти невозможно получить степень жесткости, при
которой предотвращаются деформации и возмущения при прикоснове-
нии к компонентам. Желательным и практически реализуемым является
дистанционное управление с использованием электродвигателей или
пьезопреобразователей (разд. 9.3.1.5). Однако эти методы не всегда
оказываются удовлетворительными, если система в целом не пол-
ностью изолирована от вибраций (разд. 9.2.1.1).
Изложенные выше требования становятся еще более жесткими в слу-
чае многоходовой интерферометрии, т. е. когда отражающие поверхно-
сти в держателях зеркал расположены очень близко друг к другу (от-
стоят на 0,1 или даже на 0,01 мм), например в интерферометрах
Фабри-Перо или Физо (разд. 10.3). Стандартные держатели зеркал не
позволяют получить такого малого расстояния. В подобных случаях
зеркала должны крепиться за края.
382
Глава 9
9.5.	РАСШИРИТЕЛИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА (ЧАСТЬ 2)*
Полный расширитель лазерного пучка (пространственный
фильтр), изготовленный из отдельных компонентов, показан на
рис. 9.49. Регулировка пространственного фильтра производится с по-
мощью установки точечной диафрагмы (рис. 9.50) в фокусе расширите-
ля пучка (микрообъектива) (рис. 9.51). Это осуществляется с помощью
последовательной регулировки ее положения по трем степеням сво-
боды. Правильно отрегулированный пространственный фильтр проеци-
рует пучок с однородным гауссовым распределением интенсивности. За-
труднения возникают при совмещении лазерного пучка с оптической
осью микрообъектива. Они устраняются в случае, когда лазерный пучок
можно точно смещать по горизонтали и вертикали; если же такая воз-
можность отсутствует, то центральная линия конуса расширенного пуч-
ка не будет совпадать с центральной линией пучка. При их больших
взаимных отклонениях проведение юстировки точечной диафрагмы тру-
доемко. Эта трудность устраняется, если можно регулировать положе-
ние микрообъектива в направлении, перпендикулярном лазерному пуч-
ку. Объектив устанавливается таким образом, чтобы ось конуса
расширенного пучка совпадала с осью входящего пучка. При таком ме-
тоде регулировка точечной диафрагмы осуществляется очень просто.
9.6.	ДИАФРАГМЫ
Элемент, определяющий количество света, достигающего из-
ображения, называется апертурной диафрагмой. Регулируемая ирисовая
(пластинчатая) диафрагма (разд. 9.6.2)-это апертурная диафрагма. Она
определяет светособирающие свойства оптической системы. Элемент,
ограничивающий размер или угловую ширину объекта, изображение ко-
торого может создаваться системой, называется полевой диафрагмой.
Она определяет поле зрения прибора (рис. 9.52). Зрачок-это изображе-
ние апертурной диафрагмы. Входной зрачок системы-изображение
апертурной диафрагмы, наблюдаемой из точки объекта, расположенной
на оптической оси, через элементы, находящиеся перед диафрагмой. Вы-
ходной зрачок системы-изображение апертурной диафрагмы, наблю-
даемой из расположенной на оптической оси точки изображения через
линзы, находящиеся между ними. Конус света, попадающего в оптиче-
скую систему, определяется входным зрачком, а конус света, выходяще-
го из системы, выходным зрачком (рис. 9.53 и 9.54). Площадь круглого
входного зрачка пропорциональна квадрату его диаметра D. Площадь
изображения пропорциональна квадрату фокусного расстояния f2. Та-
ким образом, плотность потока в плоскости изображения изменяется
как (D/f)2. Отношение D/f называется светосилой, а обратная вели-
Часть 1-разд. 4.1.19.
Рис. 9.49. Полный расширитель лазерного пучка [665] (воспроизводится с раз-
решения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.50. Точечные диафрагмы [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
384
Глава 9
Рис. 9.51. Микрообъективы для расширителей пучка лазерного излучения [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
Апертурная
диафрагма
Полевая
диафрагма
Рис. 9.52. Апертурная и полевая диафрагмы.
чина,-значением диафрагмы:
значение диафрагмы =f/D	(9.6)
Чем меньше значение диафрагмы, тем больше света приходит на
изображение.
Объективы фотоаппаратов обычно описываются их фокусными рас-
стояниями и максимально возможными апертурами, например на опра-
ве объектива может быть написано «50 мм,//1,2». Время экспозиции
пропорционально квадрату значения диафрагмы. Обычно объективы
имеют следующие значения диафрагмы: 1, 1,4, 2, 2,8, 4, 5,6, 8, 11, 16, 22.
Каждое последующее значение получается умножением предыдущего на
]/2. Это соответствует уменьшению светосилы в два раза и, следова-
тельно, такому же уменьшению светового потока. Таким образом, одно
и то же количество света будет попадать на фотопленку при любой из
Апертурная
диафрагма
Рис. 9.53. Входной и выходной зрачки.
Входной
25-644
386
Глава 9
следующих установок параметров фотоаппарата: 1) //1,4 при выдержке-
1/500 с; 2)//2 при выдержке 1/250 с; 3)//2,8 при выдержке 1/125 с. Т-чис-
ло- модифицированное значение диафрагмы для потерь на отражение
и поглощение в объективах; оно используется только при прецизионных
измерениях.
9.6.1.	Точечные диафрагмы
Точечные диафрагмы-это диски из нержавеющей стали
с точечным отверстием, высверленным лазерным пучком (рис. 9.55).
Диаметр точечной диафрагмы может составлять 2-1000 мкм. Эти диа-
фрагмы особенно полезны для таких областей, как физическая оптика,
лазерная технология, а также для приложений, связанных с простран-
ственными фильтрами и спектрографией. За достаточно большое время
даже при соблюдении всех мер предосторожности точечные диафрагмы
микронного диаметра будут забиваться частицами пыли. Рекомендуется
хранить точечные диафрагмы в футляре. Частицы пыли попавшие
в диафрагму, можно удалить обычными методами ультразвуковой
очистки.
9.6.2.	Ирисовые диафрагмы
Ирисовые диафрагмы (рис. 9.56) оказываются полезными для:
1) плавного изменения значения диафрагмы оптической системы; 2)
уменьшения или увеличения диаметра пучка при сохранении плотности
энергии; 3) использования в качестве регулируемой полевой диафрагмы.
Степень приближения формы отверстия к окружности зависит от числа
лепестков в диафрагме, но с увеличением этого числа возрастают
и трудности с поддержанием большого динамического диапазона. В та-
ких диафрагмах каждый зачерненный лепесток из пружинной стали кре-
пится на обеспечивающем плавное перемещение стальном опорном
штифте с низким коэффициентом трения.
Рис. 9.55. Точечная диафрагма в форме диска [691] (воспроизводится с разреше-
ния Melies Griot, Arnhem, Holland).
Оптико-механические компоненты
387
Рис. 9.56. Ирисовая диафрагма [691] (воспроизводится с разрешения Melies
Griot, Arnhem, Holland).
9.6.3.	Щели
Щели (рис. 9.57) используются для плавной регулировки пучка
излучения. Они могут быть прямыми или искривленными с радиусом
кривизны до 700 мм. Симметричное раскрытие регулируется с помощью
микрометра в пределах 0-3 мм.
Рис. 9.57. Щель [665] (воспроиз-
водится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/
Karlsruhe. FRG).
25*
388
Глава 9
9.7.	ЗАТВОРЫ
Литература: 35, 246, 665, 780, 789, 1270, 1401, 1680,
1704, 1790.
Затворы используются для точно контролируемого пропуска-
ния и перекрывания света. Хороший затвор должен: 1) точно
и воспроизводимо срабатывать; 2) обладать калиброванными на основе
физических измерений характеристиками; 3) мгновенно переходить из
закрытого состояния в открытое и обратно. Существуют затворы сле-
дующих типов:
1.	Затворы фотоаппаратов.
2.	Затворы, действие которых основано на использовании силы тя-
жести и которые могут представлять собой падающую пластинку с про-
пускающей свет щелью (рис. 9.58). Размеры затвора в форме падающей
пластинки могут быть вычислены исходя из желаемого времени экспо-
зиции Г (с) по уравнениям (9.7) и (9.8)
w = vs t + 490r2
vs = |/J 960s
(9.7)
(9.8)
где w-ширина щели (см), vs- скорость пластинки, сместившейся на рас-
стояние s (см) от исходного положения.
3.	Секторные "Затворы-диски или барабаны (рис. 9.59),-непрерывно
вращаемые синхронными двигателями через редуктор (рис. 9.60). Время
Рис. 9.58. Затвор в форме падаю-
щей пластинки.
\ Времязадающая
прорезь
6
Рис. 9.59. Секторные затворы в форме
диска (а) и барабана (6).
Оптико-механические компоненты
389
Рис. 9.60. Секторный затвор, поворачиваемый синхронным двигателем [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
экспозиции t(c) можно вычислить по уравнению
t = а/(6со)	(9.9)
где а-центральный угол сектора (град), ю-угловая скорость вращения
(об/мин). Центральный угол сектора, диаметр диска и его скорость в хо-
рошем секторном затворе должны быть как можно больше, а сам диск
должен располагаться как можно ближе к облучаемой плоскости. Боль-
шие размеры и скорость гарантируют, что: а) время облучения всех то-
чек облучаемой области одинаково; б) открывание и закрывание света
осуществляется резко. Секторные затворы позволяют получить времена
экспозиции в интервале 0,5-0,005 с.
4.	Шторные или лопастные затворы открываются и закрываются со-
леноидом. Часто они используются как дополнение к секторным затво-
390
Глава 9
Рис. 9.61. Затвор с электронным управлением [665] (воспроизводится с разреше-
ния Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
рам. Они открываются и закрываются синхронно с диском с помощью
синхроконтактов (рис. 9.61). Обычно доступны скорости срабатывания
32, 16, 8, 4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/15, 1/30 и 1/60 с. Имеются затворы, сек-
торы которых покрыты хромом или золотом с целью уменьшения тер-
мической нагрузки при воздействии пучка лазерного излучения с высо-
кой плотностью мощности. Схема управления для открывания
и закрывания вспомогательного затвора показана на рис. 9.62.
5.	Затворы с движущейся лентой - электромагнитные затворы, в ко-
торых бериллий-медная лента движется в магнитном поле под дей-
Соленоид
затвора
ZZOB
Вал двигателя
замкнутый)
мд\
Реле
—\ Кнопочный
выключатель
(кратковременное
замыкание)
R
МЛМЛг

Рис. 9.62. Схема управления для открывания и закрывания вспомогательного
затвора.
Оптико-механические компоненты
391
ствием прямоугольных импульсов тока. Время нарастания составляет
10 с, а диапазон пропусканий равен 5-95%.
6.	Затворы с раздельным включением и выключением предназна-
чены для получения большого времени экспозиции (0,5 с и больше). За-
творы открываются и закрываются отдельными сигналами от электри-
ческого или механического таймера. Время перехода в открытое или
закрытое состояние должно быть малым по сравнению с полным вре-
менем экспозиции.
7.	Быстродействующие затворы (разд. 18.8).
9.7.1.	Применение вращающихся секторов
Вращающиеся секторы могут использоваться:
1.	Как нейтральные фильтры, предназначенные для уменьшения ин-
тенсивности потока излучения. Среднее пропускание через открытый
вращающийся сектор можно измерить с помощью: а) актинометриче-
ского метода (разд. 27.2); б) фотодетектора с NC-цепочкой, обладающей
большой постоянной времени и предназначенной для усреднения пуль-
саций вследствие модуляции (разд. 27.1.1.4); в) вычисления отношения
длины дуги участка, на котором пучок проходит через вырез, к длине
окружности диска на данном радиусе (если используется тонкий сектор
и диаметр пучка мал по сравнению с радиусом диска, то можно полу-
чить точность лучше 1%; это условие легко получить в случае модуля-
ции сектором светового пучка в фокусе линзы). Вращающийся сектор
обладает рядом преимуществ по сравнению с обычными нейтральными
фильтрами: а) различная оптическая плотность может быть легко полу-
чена посредством замены диска затвора (разд. 15.4.6); б) никакие опти-
ческие эффекты не влияют на пропускание пучка излучения; в) сектор
термически стабилен, на него не влияют лазерные пучки большой
мощности.
2.	Для устранения ошибок, вызываемых недостаточным перемеши-
ванием облучаемых растворов (актинометр). При низкой скорости вра-
щения (10 об/мин и ниже), когда период облучения достаточно велик,
продукты фотолиза могут поглощать весь свет и действовать в качестве
внутреннего фильтра. При очень высоких скоростях вращения (1800 об/
мин и выше) ошибки, связанные с внутренней фильтрацией, обычно от-
сутствуют. Очень большое время между каждым облучением позволяет
однородно распределить продукты фотолиза по всему облучаемому
объему.
3.	В методах импульсного облучения, применяемых для определения
времени жизни промежуточных продуктов и значений констант абсо-
лютных скоростей реакций.
Одной из конструкций вращающегося сектора является стробоско-
пический диск.
392
Глава 9
9.7.2.	Стробоскопический диск
Стробоскопический диск (или диск со ступенчатым сектором)
(рис. 9.63)-это устройство, обеспечивающее получение широкого дина-
мического диапазона экспозиций как для неизвестных, так и для стан-
дартных интенсивностей падающего излучения. Стробоскопический
диск можно располагать в разных местах оптической системы с целью
получения эффекта ступенчатого клинообразного нейтрального фильтра
с большим диапазоном плотностей при разумном числе ступеней. При
помощи стробоскопического диска можно:
1.	Одновременно получить от пяти до десяти спектрограмм с раз-
личными экспозициями или спектрограмм, переэкспонированных для
одной конкретной линии на полосе диска с максимальной экспозицией,
но точно снятых для той же линии на одной из последующих полос
с меньшей экспозицией.
2.	Устранить самые слабые линии при малых экспозициях лазерного
излучения, зарегистрировать те же линии при максимальной экспози-
ции.
3.	Согласовать диапазоны плотностей световых потоков от не-
известного источника и калиброванного источника, таким образом све-
дя к минимуму необходимость интерполяции зависимости плотности
фотографического изображения от калибровки интенсивности излучения
и отказавшись от использования интерполяционной диаграммы.
Стробоскопический диск наиболее полезен в тех случаях, когда пе-
риод его вращения мал по сравнению с временем интегрирования или
постоянной времени детектора. Его очень удобно использовать при ра-
боте с фотопленкой, но он оказывается ненужным как средство получе-
Рис. 9.63. Стробоскопический
диск [35] (воспроизводится
с разрешения Pergamon Press).
Оптико-механические компоненты
393
ния ступенчатой плотности для приборов, в которых используются фо-
тоэлектрические детекторы, поскольку обычно их постоянные времени
намного меньше времени одного оборота стробоскопического диска.
9.8.	МОДУЛИРУЮЩИЕ ДИСКИ
Литература: 35
Модулирующие диски представляют собой устройства с распре-
деленными по заданному закону прозрачными и непрозрачными, про-
зрачными и отражающими и непрозрачными и отражающими участка-
ми. Некоторые, реже встречающиеся системы состоят из распреде-
ленных соответствующим образом различных материалов, обеспечи-
вающих фиксированное пропускание в различных спектральных диапа-
зонах. Модулирующие диски применяются для преобразования (строби-
рования) излучения с относительно медленно меняющейся интенсив-
ностью в импульсное излучение. Стробирование -это вид модуляции,
при которой получается сигнал с формой, более или менее близкой
к прямоугольной. Модулирующий диск является оптическим модулято-
ром; с его помощью можно получить почти все наиболее часто исполь-
зуемые виды модуляции: 1) фазовую (разд. 9.8.1); 2) частотную
(разд. 9.8.2); 3) амплитудную (разд. 9.8.4).
Простейший стеклянный модулирующий диск изготовляют, перефо-
тографируя чертеж на высококонтрастную фотопластинку, которую за-
тем проявляют, обрезают, окантовывают и прикрепляют ее секцию, со-
держащую соответствующее изображение, на ось. Модулирующий диск
можно также изготовить, напылив металл через маску на стеклянную
пластинку. Если диск будет использоваться в УФ или ИК области
спектра, то необходимо применять материалы, прозрачные для этих
областей.
9.8.1.	Диски для фазовой модуляции
Простые диски, позволяющие получить двухуровневую фазо-
вую модуляцию, показаны на рис. 9.64 и 9.65. Диск, изображенный на
рис. 9.65, эффективнее, поскольку создает более высокую несущую ча-
стоту. Если изображение малого размера сфокусировать на такой вра-
щающийся диск, то из информации о фазовом соотношении импульсов
проходящего излучения можно получить данные о радиальном положе-
нии изображения, например:
1.	Если изображение располагается на модулирующем диске на рас-
стоянии от центра, меньшем R, то будет наблюдаться сигнал, пока-
занный на рис. 9.66, а.
2.	Если расстояние изображения от центра диска больше R, то будет
наблюдаться сигнал, подобный показанному на рис. 9.66, а, но сме-
щенный по фазе на 180° относительно вращения модулирующего диска.
394
Глава 9
Рис. 9.64. Простой диск для фазовой
модуляции [35] (воспроизводится
с разрешения Pergamon Press).
Рис. 9.65. Более эффективный диск для
фазовой модуляции, формирующий
подходящую для измерений несущую
частоту [35] (воспроизводится с разре-
шения Pergamon Press).
3.	Если изображение попадает на границу секторов, то на каждую
сторону приходится по половине интенсивности излучения. Таким обра-
зом, в течение полупериода вращения 50% излучения будет модулиро-
ваться с фазовым сдвигом 180° относительно вращения диска, а затем
в течение второго полупериода 50% излучения будет модулироваться
с противоположной фазой. В результате получается сигнал, амплитуда
которого равна 50% амплитуды сигналов, показанных на рис. 9.66, а
или в, а фаза изменяется в соответствии с рис. 9.66,6. Это объясняется
тем, что половину изображения модулирует внешняя зона диска в тече-

6 „пившие
Ж__________Hi___В
U О	1	2	3
Рис. 9.66. Сигналы, получаемые с помощью диска для фазовой модуляции, по-
казанного на рис. 9.65 [35] (воспроизводится с разрешения Pergamon Press).
Оптико-механические компоненты
395
ние половины всего времени, а остальное время модуляцию другой по-
ловины изображения осуществляет внутренняя зона диска. Метод фазо-
вой модуляции дает информацию об относительном положении
эталонного источника и изображения с помощью сравнения фаз генери-
руемых электрических сигналов. Это очень полезный метод формирова-
ния сигнала ошибки.
9.8.2.	Диски для частотной модуляции
Диск, позволяющий получить частотную модуляцию для изме-
рения радиального смещения, показан на рис. 9.67. Величина дуги, стя-
гивающей секторы в каждой зоне, зависит от вида зоны и ее расстояния
от центра диска. При перемещении изображения из центральной зоны
в каждую следующую зону диска данной геометрии происходит удвое-
ние частоты модуляции изображения. На рис. 9.68 показан частотно-
модулирующий диск с модуляционной картиной типа солнечных лучей,
дающий сигналы двух видов:
1.	Если источник расположен на оси, проходящей через центр моду-
лирующего диска, то осевое сканирование дает сигнал с постоянной
частотой (рис. 9.69, а).
2.	Если источник слегка смещен относительно оси диска, то внеосе-
вое сканирование дает частотно-модулированный сигнал (рис. 9.69,6).
Метод частотной модуляции очень полезен для получения сигнала
ошибки.
Рис. 9.67. Вращающийся диск для ча-
стотной модуляции [35] (воспроизво-
дится с разрешения Pergamon Press).
Рис. 9.68. Частотно-модуляционный
диск с модуляционной картиной типа
солнечных лучей [35] (воспроизводит-
ся с разрешения Pergamon Press).
396
Глава 9
Рис. 9.69. Сигналы, получаемые с помощью частотно-модулирующего диска
[35] (воспроизводится с разрешения Pergamon Press).
9.8.3.	Диски для широтно-импульсной модуляции
Диск для широтно-импульсной модуляции, при которой моду-
лируется величина, обратная частоте, т.е. время, показан на рис. 9.70.
При такой модуляции благодаря геометрии модулирующего диска из-
меняется длительность импульса в зависимости от положения изобра-
жения (рис. 9.71):
1.	Если изображение сфокусировано на диск вблизи его центра, то
вид сигнала, создаваемого прошедшим излучением на детекторе, будет
приблизительно таким, как на рис. 9.71.
2.	Если изображение фокусируется около периферии диска, то сиг-
нал, создаваемый прошедшим излучением, попадающим на детектор,
будет приблизительно таким, как на рис. 9.71.
С помощью выбора соответствующей геометрии модулирующего
диска можно получить достаточно широкий набор модуляционных
характеристик.
Рис. 9.70. Диск для широтно-импульс-
ной модуляции [35] (воспроизводится
с разрешения Pergamon Press).
Оптико-механические компоненты
397
5	95
а
дуляции, когда изображение сфокусировано вблизи центра диска (а) или нахо-
дится вблизи его периферии (б) [35] (воспроизводится с разрешения Pergamon
Press).
9.8.4.	Диски для амплитудной модуляции
Литература: 35, 885, 1429.
Диск, позволяющий получить амплитудную модуляцию им-
пульсов благодаря соотношению между относительными размерами
изображения и картины на диске, показан на рис. 9.72. Изображение
круглой формы с конечными размерами, попадающее в центр картины,
Рис. 9.72. Диск для амплитудной мо-
дуляции [35] (воспроизводится с раз-
решения Pergamon Press).
398
Глава 9
К
Изображение
f заполняет
,	ZV ЩеЛЬ
(Заполняет ~ /(Запал- V .
пять щелей) / няет Т
-Упри щелок
I (Заполняет две щели)
/	) (Заполняет четыре щели)
/	Заполняет шесть щелей)
Рис. 9.73. Передаточная функция диска для амплитудной модуляции, показанно-
го на рис. 9.72 [35] (воспроизводится с разрешения Pergamon Press).
не дает никакого сигнала. При смещении изображения к краю возни-
кает слабый сигнал, который попеременно увеличивается и проходит че-
рез нуль, когда изображение попадает в такие области, в которых оно
целиком умещается в одном секторе. В этот момент «эффективность
модуляции» диска достигает максимума и остается постоянной незави-
симо от дальнейшего смещения изображения. Соответствующая харак-
теристика обычно называется характеристикой модулирующего диска
или передаточной функцией модулирующего диска (рис. 9.73).
9.9.	СВЕТОВЫЕ ЛОВУШКИ
Световая ловушка предназначена для поглощения света без
повторного испускания излучения. Качество световой ловушки характе-
ризуется отражательной способностью входной апертуры. В световых
ловушках используется двойное отражение на черном конусе (рис. 9.74).
На активной поверхности не должно быть пыли, жира и царапин. Све-
товые ловушки применяются для поглощения паразитного света, испу-
скаемого оптическими компонентами, или лазерного излучения. Их
можно использовать в фотометрии в качестве стандартного черного
тела.
Рис. 9.74. Световая ловушка.
Оптико-механические компоненты
399
9.10.	ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
И СБОР ДАННЫХ
Конечной целью любого измерения является сбор данных. Из-
мерение может выполняться аналоговыми или цифровыми методами.
Аналоговое измерение выполняется методом, с помощью которого не-
прерывно изменяющиеся физические величины представляются в виде
непрерывно изменяющегося напряжения или тока, пропорционального
соответствующей физической величине. Микрометры, вольтметры и ам-
перметры, дающие непрерывно изменяющиеся показания, являются
аналоговыми приборами. Цифровое измерение выполняется методом,
с помощью которого непрерывно изменяющаяся физическая величина
определяется с помощью измерения, производимого с фиксированными
временными или пространственными интервалами. Системы, создаю-
щие и определяющие эти периодические интервалы, называются ди-
скретными измерительными системами.
Разрешение аналоговой системы, как правило, составляет 10“ 3-
10“4 диапазона измерения, тогда как с помощью цифровых систем
можно получить намного большую точность. Кроме того, цифровая ин-
формация имеет вполне определенный вид, а обработка цифровых сиг-
налов имеет большие преимущества. Любую аналоговую величину
можно преобразовать в цифровую форму и наоборот (аналого-цифро-
вое и цифро-аналоговое преобразования). В большинстве областей, свя-
занных с технологией и промышленностью, все увеличивается сбор
данных с помощью автоматических методов, когда вычислительная
машина (контроллер, микрокомпьютер, микропроцессор и т.д.) система-
тически подключается к датчикам. Исходные данные, полученные таким
образом, затем преобразуются для дальнейшего анализа или отображе-
ния. Существуют простейшие датчики, такие, как микрометр, не имею-
щие овязи с системами сбора данных. Однако любой датчик можно
преобразовать таким образом, чтобы он имел такую связь.
9.10.1.	Аналоговые измерительные методы
9.10.1.1.	Микрометры
Микрометры используются для аналоговых измерений ли-
нейных размеров. Данные измерений считываются визуально со шкалы
верньера. Микрометры, используемые в различных системах установки
положения, в основном применяются для параллельного перемещения
и измерения смещений (разд. 9.3.1). При использовании микрометра для
измерения смещения необходимо помнить, что его показания указы-
вают только на перемещение шпинделя, а не обязательно на реальное
перемещение объекта (элемента оптической системы). Точность и разре-
шение, достигаемые с помощью микрометра, зависят от его качества.
В основном они имеют порядок 10 мкм. Отклонения могут объясняться
400
Глава 9
несоответствующим соединением между шпинделем микрометра и дви-
жущейся частью перемещаемого элемента, свободным ходом элемента,
деформациями и т.д. За расхождение между показаниями микрометра
и положением перемещаемого элемента может оказаться ответ-
ственным и давление, развиваемое шпинделем микрометра на элементе.
9.10.1.2.	Оптические датчики длины и угла
В еще одном аналоговом измерительном методе применяется
оптическое устройство, через которое наблюдаются линейные или кру-
говые шкалы. Недостатки, связанные с измерением расстояний микро-
метрами, можно устранить при использовании этого метода. Приме-
няемые шкалы имеют высокое пространственное разрешение и изготов-
ляются с очень высокой точностью. В обычной установке шкала
прикрепляется к движущейся детали позиционера, тогда как устройство
для оптического наблюдения крепится на неподвижной части стола. Од-
нако можно прикрепить оптическое устройство и к движущейся части,
а шкалу к неподвижной. В обоих схемах измеряется относительное сме-
щение движущейся и неподвижной частей системы. Увеличенное изо-
бражение неподвижной шкалы наблюдается через оптическое устрой-
ство вместе с переменной шкалой высокого разрешения, которую
можно перемещать вручную вдоль оси шкалы. Параллакс при этом
устраняется. На рис. 9.75 показан оптический датчик длины, соеди-
Рис. 9.75. Оптический датчик длины, прикрепленный к линейному позиционеру
[665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
401
Рис. 9.76. Оптический датчик длины, установленный на поворотном столике
[665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
ненный с линейным позиционером, а на рис. 9.76-оптический датчик
угла, установленный на вращающемся столике; оба датчика выпускают-
ся фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG. Шкала в блоке оптического
считывания проградуирована в градусах, минутах и секундах дуги.
9.10.1.3.	Резистивный метод аналоговых измерений
Если линейный потенциометр установить на неподвижной ча-
сти линейного позиционера (рис. 9.77), а ползунок потенциометра при-
крепить к движущейся детали, то получается напряжение, пропорцио-
нальное смещению последней.
9.10.1.4.	Индуктивный метод аналоговых измерений
В данном методе линейные перемещения преобразуются в про-
порционально изменяющиеся значения индуктивности. Для этого необ-
ходимо использовать индуктивные датчики линейных смещений (ли-
нейный регулируемый дифференциальный трансформатор) (рис. 9.78),
в котором дифференциальная индуктивность трех катушек изменяется
прямо пропорционально смещению плеча датчика. Изменение диффе-
ренциальной индуктивности преобразуется в легко измеряемую величи-
ну, которая отображается с помощью прибора, показанного на
26-644
402
Глава 9
Рис. 9.77. Линейный позиционер [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.78. Линейный регулируемый дифференциальный трансформатор соеди-
ненный с движущейся частью позиционера [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
403
Рис. 9.79. Позиционер с линейным регулируемым дифференциальным трансфор-
матором и дисплей [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
рис. 9.79. Движущаяся часть датчика (плечо датчика) находится в кон-
такте (или скреплено) с движущейся частью устройства для линейного
перемещения.
9.10.2.	Цифровые методы измерений
9.10.2.1.	Измерения с помощью дискретных систем
Дискретные измерительные системы тоже применяются для измере-
ния длин и углов. Они различаются в зависимости от вида измерений.
В дискретных измерительных системах полное измеряемое расстояние
или угол поворота подразделяется на ряд идентичных приращений бла-
годаря периодической структуре применяемой шкалы. Величина этих
приращений определяет разрешение системы.
• Датчик, соединенный со шкалой, обладающей периодической струк-
турой, формирует последовательность импульсов, которые подсчиты-
ваются электронным устройством и масштабируются; затем отобра-
жается величина, соответствующая пройденному расстоянию или углу,
выраженному в желаемых единицах. В случае измерения расстояний ис-
пользуется линейная шкала, а при измерении углов-круговая. В обоих
случаях она представляет собой точную сетку, нанесенную на стекло.
В системе для измерения расстояний деления параллельны, а в системе
угловых измерений они являются частями радиусов. Сетка состоит из
чередующихся прозрачных и непрозрачных участков. Эти шкалы скани-
26*
404
Глава 9
руются с помощью бесконтактных фотометрических методов. Шкалы
освещаются с одной стороны источником, апертура которого ограниче-
на в соответствии с шириной прозрачных и непрозрачных областей. Фо-
тоэлектрический датчик, расположенный по другую сторону от шкалы,
регистрирует импульсы проходящего света, получающиеся в результате
перемещения шкалы относительно системы источник света-фотодат-
чик. Производится подсчет импульсов, число которых прямо пропор-
ционально смещению.
Направление движения определяется с помощью другого фотоэлек-
трического датчика, смещенного относительно первого вдоль шкалы на
целое число делений плюс четверть периода между делениями. Элек-
тронные устройства в счетном блоке затем используют два этих вы-
ходных сигнала как синусоидальный и косинусоидальный импульсы для
определения направления перемещения. Дискретные датчики представ-
ляют собой оптоэлектрические преобразователи, переводящие относи-
тельные смещения в цифровую информацию. Они также являются ана-
лого-цифровыми преобразователями, формирующими электрические
импульсы, соответствующие линейному или круговому движению. Ди-
скретная линейная измерительная система, выпускаемая фирмой Physik
Instrumente, GmbH, FRG, показана на рис. 9.80.
Цифровой датчик угловых смещений, выпускаемый этой же фирмой,
показан на рис. 9.81. Он связан с приводным валом. Вращающаяся
стеклянная пластина с нанесенными на нее радиальными линиями осве-
щается через щель маленьким источником, свет, от которого, проходя
через пластину, регистрируется фотоэлектрическими датчиками. Для по-
лучения информации о направлении используется такой же метод, как
и при измерении линейных смещений. На стеклянной пластине имеется
Рис. 9.80. Дискретный датчик линейных смещений [665] (воспроизводится с раз-
решения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.81. Цифровой датчик угловых смещений [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 9.82. Цифровой датчик угловых смещений, применяемый для измерения
линейных смещений и подключенный к счетчику [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
406
Глава 9
также дорожка нулевого импульса, обеспечивающая опорную угловую
точку. Электрические сигналы фотодатчиков обрабатываются элек-
тронными устройствами и результаты отображаются на индикаторе. На
рис. 9.82 показан цифровой датчик угловых смещений, применяемый
для измерения линейных смещений и связанный со счетчиком. Подсчет
импульсов, формируемых цифровыми датчиками линейных и угловых
смещений, производится с помощью реверсивных счетчиков, и резуль-
таты отображаются в единицах длины или угла.
9.10.2.2.	Устройства цифрового управления
Для современных методов производства и контроля, а также
измерений и сбора данных требуется полностью или частично автома-
тизированное оборудование. Автоматизированную работу линейных
или угловых позиционеров можно обеспечить на любом уровне слож-
ности.
В простейшем случае современное устройство периодического типа
может перемещать позиционер на заранее определенное расстояние по-
сле каждого нажатия кнопки. В более сложное устройство можно ввести
несколько различных заранее определенных приращений, которые будут
им реализованы последовательно в указанном порядке. Другой уровень
сложности получается в том случае, когда данные (например, коорди-
наты по осям хну) считываются с носителей информации (таких, как
перфолента, магнитная лента, полупроводниковая память, перфокарты
и т.д.) и последовательно вводятся для исполнения. Эти данные можно
получить с помощью’ расчетов по заранее заданному алгоритму, описы-
ваемому аналитическими выражениями. Еще более высокий уровень
сложности достигается при введении двусторонней связи и автоматиче-
ском принятии решений в реальном масштабе времени.
Принятие решений может основываться на комбинировании полу-
ченных в реальном масштабе времени значений переменных системы,
передаваемых в центральный процессор от различных датчиков (смеще-
ния, температуры, давления, скорости и т.д.), результатов вычислений
и данных, имеющихся в памяти вычислительной машины.
9.11.	ТРЕХЗЕРКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Трехзеркальная система применяется для получения оптическо-
го изображения, поворота изображения и поворота плоскости поляриза-
ции света. Эта система позволяет непрерывно поворачивать компо-
ненты относительно только одной оптико-механической оси. Схема
трехзеркальной системы показана на рис. 9.83. Кажущаяся оптическая
ось-это ось х-х. Пучок, приходящий от объекта О, отражается от пло-
ского зеркала 1 на вогнутое зеркало 2. После отражения от зеркала
2 пучок направляется на плоское зеркало 3 и далее в точку формирова-
ния изображения В. Характеристики формирования изображения дан-
Рис. 9.83. Схема трехзер-
кальной системы [665]
(воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karls-
ruhe, FRG).
Зеркало Z
Рис. 9.84. Трехзеркальная
система [665] (воспрои-
зводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
408
Глава 9
Рис. 9.85. Трехзеркальная система, используемая совместно с линзами [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
ной системой таковы, что она работает, как если бы объект находился
в точке О, а изображение - в точке В. Чем меньше угол 02-2В, тем вы-
ше качество изображения. Трехзеркальная система сконструирована та-
ким образом, что она может поворачиваться относительно оптической
оси х-х (рис. 9.84). Систему можно также использовать совместно
с линзами (рис. 9.85) для вращения изображения.
Рис. 9.86. Лазер с двумя держателями [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптико-механические компоненты
409
9.12.	КРЕПЛЕНИЕ ЛАЗЕРОВ И ЮСТИРОВКА
ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ
В большинстве приложений лазерный пучок и, следовательно,
лазерная головка должны быть точно отъюстированы. Требуемые для
регулировки степени свободы могут включать нижеприведенные: 1) па-
раллельное смещение пучка в направлениях, перпендикулярных его
траектории; 2) поворот относительно двух осей, перпендикулярных
траектории пучка; 3) поворот плоскости поляризации относительно оси
пучка. Во многих случаях все эти регулировки должны выполняться
с высокой точностью.
В случае гелий-неонового лазера одной из возможностей управления
лазерным пучком является регулировка самой лазерной головки. Если
головка поддерживается в двух точках (рис. 9.86), то такую регулировку
трудно осуществить. Регулировка лазерного пучка гораздо легче прово-
дится при креплении лазерной головки только в одной точке (рис. 9.87).
Но для этого требуется более сложная конструкция. Еще один способ
управления лазерным пучком заключается в жестком креплении лазер-
Рис. 9.87. Лазер, закрепленный на одной опоре [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
410
Глава 9
Рис. 9.88. Регулируемые зеркала для
управления лазерным пучком [665]
(воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsru-
he, FRG).
Рис. 9.89. Вертикальная система кре-
пления лазера и зеркал для юстировки
пучка [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
ной головки и использовании регулируемых зеркал (рис. 9.88) для
управления пучком. Другая схема, обеспечивающая большую гибкость
в управлении пучком, экономит также драгоценное пространство на оп-
тической скамье. Она основана на вертикальной установке лазерной го-
ловки со всеми необходимыми юстировочными зеркалами (рис. 9.89).
Компактная, прочная и многофункциональная система, показанная на
рис. 9.90, произведена фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
Рис. 9.90. Система для юстировки лазерного пучка [665] (воспроизводится
с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Глава 10.
Оптические приборы и системы
Литература: 47, 71, 115, 153, 313, 373, 447, 470, 522, 583, 595, 665.
10.1.	СПЕКТРОМЕТРЫ
Спектрометры -это оптические приборы, действие которых ос-
новано на физическом явлении преломления или дифракции и которые
используются для разложения света на компоненты с различными дли-
нами волн и определения этих длин волн. В зависимости от того, что
применяется в качестве диспергирующего элемента-призма или ди-
фракционная решетка,-спектрометры разделяются на призменные
и дифракционные.
10.1.1.	Призменный спектрометр
Схема наиболее часто применяемого варианта призменного
спектрометра показана на рис. 10.1. С помощью линзы 1 на входной
щели спектрометра формируется изображение источника света. Свет,
выходящий из щели, пройдя через коллимирующую линзу 2, которая
должна собирать как можно большую его долю, попадает на призму
с углом при вершине 60° в виде параллельного пучка. Преломленные
лучи собираются на плоскости наблюдения линзой 3, в результате чего
формируется изображение входной щели. Спектрально диспергирован-
ное изображение входной щели можно наблюдать на матовой стеклян-
ной пластинке либо с помощью окуляра со шкалой в поле зрения. Если
в плоскость наблюдения установить фотопластинку, то спектр можно
зарегистрировать на фотоэмульсии. Устройство с таким способом реги-
страции называется спектрографом. На рис. 10.2 показан призменный
Рис. 10.1. Схема призменного спектрометра [665] (воспроизводится с разреше-
ния Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 10.2. Призменный спектрометр, собранный из оптико-механических компонентов [665] (воспроизводится с разрешения
Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
414
Глава 10
спектрометр, собранный из оптико-механических компонентов, выпу-
скаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
10.1.2.	Дифракционный спектрометр с пропускающей
решеткой
Литература. 103, 185, 313, 617, 665
Экран с множеством щелей (называемый дифракционной ре-
шеткой) отклоняет свет в определенных направлениях (рис. 10.3) в со-
ответствии с уравнением дифракционной решетки
mk = d sin О	(10.1)
где X-длина световой волны, т- порядок интерференции, d- расстояние
между щелями, 0-угол дифракции. Изображение источника излучения
на входной щели формируется линзой 1. Излучение, выходящее из этой
щели, коллимируется линзой 2, так что пропускающей решеткой дифра-
гируется плоская волна. Дифрагированный свет либо фокусируется лин-
зой 3 на матовую стеклянную пластинку или на фотопластинку, либо
направляется в ркуляр. В настоящее время дифракционные решетки из-
готавливаются путем нанесения на стекло алмазным резцом эквиди-
стантных линий (штрихов). Расстояние между штрихами есть величина
порядка 10”3мм, поэтому одна решетка может включать до 5 104
штрихов.
Инструментальная ширина спектральной линии ДХ определяется
формулой
ДХ = к/(mN)
(Ю.2)
где N- полное число штрихов. Величина Х/ДХ называется разрешающей
способностью:
k/Nk = mN
(10.3)
Рис. 10.3. Принцип действия дифракционной решетки.
\/d
О
О:
2\/d ЪХ/d 4X/d sin в
Рис. 10.5. Дифракционная и интерференционная картины на одной, двух, трех
и четырех щелях.
</sin в
Рис. 10.4. Картина дифракции
на одной и двух щелях.
416
Глава 10
Таким образом, разрешающая способность не зависит от постоянной
решетки d, а определяется полным числом штрихов N, на которые по-
падает свет, а также порядком дифракции т.
Неравномерность нанесения штрихов приводит к возникновению
структуры наблюдаемых линий и к появлению ложных линий, назы-
ваемых духами. Каждая щель в дифракционной решетке приводит к по-
явлению дифрагированного пучка, распределение интенсивности кото-
рого является функцией ширины щели. Затем эти дифрагированные
пучки интерферируют друг с другом, в результате чего получается
окончательное распределение интенсивности (рис. 10.4 и 10.5).
10.1.3. Дифракционный спектрометр с плоской
отражающей решеткой
В современных дифракционных спектрометрах используются
отражающие решетки. Эти решетки в настоящее время изготавливают-
ся путем нанесения алмазным резцом эквидистантных штрихов на ме-
таллическую поверхность. В таком случае уравнение дифракционной ре-
шетки имеет вид
mk = d (sin i + sin 0)
(Ю.4)
где i-угол падения, а 0-угол отражения (рис. 10.6). Схема дифракцион-
ного спектрометра с отражающей решеткой показана на рис. 10.7.
Изображение источника света формируется на входной щели линзой 1.
Излучение, проходящее щель, направляется на вогнутое зеркало 2 пло-
ским зеркалом 1. Коллимированное излучение, отраженное от зеркала
2, падает на плоскую отражающую дифракционную решетку, закреплен-
ную на оси. Свет, спектрально диспергированный дифракционной ре-
шеткой, либо фокусируется с помощью вогнутого зеркала 3 на матовую
стеклянную пластинку или на фотопластинку, либо направляется
в окуляр.
На рис. 10.8 показан дифракционный спектрометр с зеркальной оп-
тикой, собранный из оптико-механических компонентов, выпускаемых
фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
Промышленностью выпускаются несколько типов спектрометров,
выполненных по схеме Черни-Турнера (рис. 10.9), с отражающими ди-
Рис. 10.6. Отражающая дифракционная решетка.
Оптические приборы и системы
417
Рис. 10.7. Схема дифракционно-
го спектрометра с плоской от-
ражающей решеткой [665] (вос-
производится с разрешения
Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Источник
света
Зеркало 5
Зеркало 2
Линза
\ Фотопластинка
Щель
Зеркало 1
Плоская отражающая
дисрракцаонная решетка
фракционными решетками. В этой схеме минимизируются астигматизм,
кома и сферические аберрации. В высококачественных спектрометрах,
изготовленных по схеме Черни-Турнера, используются системы с дву-
мя решетками (рис. 10.10).
Рис. 10.8. Дифракционный спектрометр с плоской отражающей решеткой, со-
бранный из оптико-механических компонентов [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
27-644
418
Глава 10
Рис. 10.9. Схема спектрометра Чер-
ни-Турнера, в котором используется
одна отражающая дифракционная ре-
шетка.
Рис. 10.10. Схема спектрометра
Черни-Турнера с двумя отражающи-
ми дифракционными решетками.
/-источник света, 2-входная щель, 3, 5, 6, 8, 10,
//-зеркала, 4, 9-плоские отражающие дифрак-
ционные решетки, 7-выходная щель; /2-внутрен-
няя щель
10.1.4.	Дифракционный спектрометр с вогнутой
отражающей решеткой
Спектрометры с вогнутыми дифракционными решетками - это
приборы, в которых для разложения света на спектральные составляю-
щие используется вогнутая дифракционная решетка. Вогнутая дифрак-
ционная решетка изготавливается путем нанесения на полированную
вогнутую сферическую поверхность штрихов, которые представляют со-
бой линию пересечения этой поверхности с эквидистантными плоско-
стями, параллельными главной оси поверхности. Поверхность одновре-
менно работает и как дифракционная решетка, и как вогнутое зеркало.
Оптическая схема спектрометра с такой решеткой показана на
рис. 10.11. Элементы дифракционного спектрометра с вогнутой решет-
кой устанавливаются на круге Роуланда. Радиус этого круга равен по-
ловине радиуса кривизны дифракционной решетки. Круг Роуланда ка-
Оптические приборы и системы
419
кой.
сается решетки в ее центре. Если на этом круге установить щель, то
спектр будет располагаться по окружности и его можно будет зареги-
стрировать на фотопластинке (рис. 10.11). На рис. 10.12 показан ди-
фракционный спектрометр с вогнутой отражающей решеткой, со-
бранный из оптико-механических компонентов, выпускаемых фирмой
Physik Instrumente GmbH, FRG.
Рис. 10.12. Дифракционный спектрометр с вогнутой отражающей решеткой, со-
бранный из оптико-механических компонентов [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
27*
420
Глава 10
10.1.5.	Дифракционные решетки
Литература 151, 856, 1246, 1358, 1722
Дифракционные решетки изготавливаются путем нанесения ал-
мазным резцом серии параллельных штрихов на алюминированную по-
верхность стеклянной подложки. Машины, используемые для этой цели,
контролируются интерферометрическими способами, работают при по-
стоянной температуре и изолируются от вибраций. Несмотря на эти
меры предосторожности, все же имеются небольшие вариации формы,
прямолинейности и положения отдельных штрихов, в результате чего
возрастают рассеяние и аберрации дифрагированного спектра. Посколь-
ку затраты на изготовление решетки-оригинала велики, с нее делают
копии путем репликации. Обычно на дифракционных решетках выре-
заются штрихи пилообразного профиля. При освещении решетки нор-
мально падающим белым светом дифрагированный спектр имеет мак-
симальную плотность энергии в направлении, соответствующем зер-
кальному отражению от граней отдельных штрихов. Говорят, что такая
решетка обеспечивает концентрацию света с длиной волны блеска, со-
ответствующей длине волны максимума эффективности дифракции.
Для изготовления голографической решетки стеклянную пластинку
сначала покрывают тонким слоем фоторезиста. Затем фоторезист экс-
понируют параллельными интерференционными полосами, получающи-
мися в области пересечения двух коллимированных пучков лазерного
излучения. Фоторезист проявляют в травильном растворе с целью по-
лучения на поверхности картины параллельных штрихов. Покрыв по-
верхность алюминием, получают дифракционную решетку. Поскольку
однородность получаемых таким образом штрихов и регулярность их
расположения очень высоки, уровень рассеянного света в дифрагирован-
ном спектре, полученном с применением голографической решетки на-
много ниже, чем при использовании лучших решеток, изготавливаемых
обычным, механическим способом. Простые голографические решетки,
изготавливаемые с помощью экспонирования системы параллельных
интерференционных полос, имеют синусоидально модулированный про-
филь, но не модулированную синусоидальную длину волны блеска. Они
обладают очень низким уровнем рассеянного света; максимальная эф-
фективность дифракции у таких решеток не может превышать 40%.
При использовании специальных методов можно получить гологра-
фическую решетку с пилообразным профилем штрихов (рис. 10.13),
в результате чего получается такая же высокая эффективность концен-
трации излучения, как у решетки, изготавливаемой механическим спосо-
бом, но с очень низким уровнем рассеянного света, типичным для голо-
графических решеток. Голографические решетки с концентрацией света
производятся в виде реплик с очень дорогих оригиналов. Они устана-
вливаются в спектрофотометрах для видимого и УФ диапазонов и по-
зволяют уменьшить рассеянный свет приблизительно в 10 раз во всем
рабочем диапазоне длин волн.
Оптические приборы и системы
421
Рис. 10.13. Различные типы дифракционных решеток [151] (воспроизводится
с разрешения International Scientific Communications, Inc., USA).
а-решетка, изготовленная обычным, механическим способом; б-голо графическая решетка с синусои-
дальным профилем штрихов; в-голографическая решетка с концентрацией излучения.
10.1.6.	Дифракционные спектрометры с эшелле
Литература 331, 949, 1172, 1565, 1620, 1621
В дифракционных спектрометрах с эшелле для разложения све-
та в спектр используется эшелле. Эшелле-это дифракционная решетка
с широкими плоскими штрихами (подобными ступенькам), вырезанны-
ми с очень высокой оптической точностью. Штрихи вырезаются под та-
ким углом, что ширина каждой ступеньки в несколько раз превышает ее
высоту, а расстояние между соседними ступеньками во много раз боль-
ше длины волны диспергируемого света. На рис. 10.14 показана геомет-
рия эшелле. Благодаря значительной ширине ступенек будет наблю-
даться совпадение оптических путей для множества длин волн, которым
кратна эта ширина. Их можно разделить с помощью призмы, направле-
ние дисперсии которой перпендикулярно штрихам эшелле.
Оптическая схема дифракционного спектрометра с эшелле показана
на рис. 10.15. Изображение источника света формируется на входной
щели линзой 1. Выходящее из щели излучение отклоняется на эшелле
вогнутым зеркалом 1. Призма, установленная перед эшелле, разделяет
излучение с различными длинами волн, которое после дифракции снова
проходит через эту же призму на вогнутое зеркало 2, далее на фотоум-
ножитель и (или) фотопластинку. Дифракционный спектрометр с эшелле
обладает рядом достоинств:
1)	дисперсия и разрешение по крайней мере на порядок больше, чем
у обычных спектрометров; 2) больший энергетический выход; 3) более
Рис. 10.14. Геометрия отражающего эшелле.
422
Глава 10
Рис. 10.15. Оптическая схема дифракционного спектрометра с эшелле.
компактная фокальная кривая позволяет выполнять с помощью мето-
дов оптического кодирования мгновенный многоканальный анализ
(разд. 15.3.3.2).
10.2.	МОНОХРОМАТОРЫ
Литература 241, 595, 658, 1060, 1085, 1235, 1329, 1411, 1524, 1602, 1645, 1655
Приборы, у которых на выходной щели выделяется узкий спек-
тральный интервал с выбранной центральной длиной волны, называют-
ся монохроматорами. Все спектрометры можно преобразовать в монох-
роматоры, установив в выходной плоскости вторую щель. Монохрома-
торы выделяют свет с желаемой длиной волны от любого источника
с широким спектром излучения. В зависимости от того, что использует-
ся в качестве диспергирующего элемента-призма или дифракционная
решетка,-монохроматоры разделяются на призменные (рис. 10.16, а)
и дифракционные (рис. 10.16,6). Дифракционные монохроматоры бы-
вают двух типов:
1.	Дифракционные монохроматоры с плоской отражающей решет-
кой, в которых используется плоская отражающая дифракционная ре-
шетка (разд. 10.1.3), и вогнутые сферические зеркала, предназначенные
для отражения света, проходящего через входную щель и отражаемого
дифракционной решеткой. Основными типами таких монохроматоров
являются: а) монохроматор по схеме Черни - Турнера (рис. 10.9 и 10.10);
б) дифракционный монохроматор по схеме Фасти-Эберта; в) спектро-
граф Литтрова. Эти системы значительно различаются по количеству
света, пропускаемого на объектную линзу, детектор и фотокамеру, по
степени астигматизма, комы и сферических аберраций, а также по до-
стижимому спектральному разрешению.
Оптические приборы и системы
423
Рис. 10.16. Призменный (а) и дифракционный (б) монохроматоры.
2.	Дифракционные монохроматоры с вогнутой отражающей решет-
кой, в которых используется вогнутая отражающая дифракционная ре-
шетка (разд. 10.1.4), которая различными способами может перемещать-
ся по окружности, и регулируемая выходная щель. Дифракционные
монохроматоры с вогнутой решеткой изготавливаются по одной из сле-
дующих основных оптических схем: Аббе, Бьюзера, Игля, Пашена, Роу-
ланда, Сейя и Водсворта. В зависимости от оптики и специальных кон-
фигураций этих схем могут получаться различные значения астигматиз-
ма и линейной дисперсии.
В ряде имеющихся в продаже монохроматоров используются голо-
графические решетки (разд. 10.1.5). Пропускающая дифракционная ре-
шетка, изготовленная с использованием голографических методов, со-
стоит из тонкой золотой решетки, закрепленной на золотой сетке со
случайным распределением нитей.
10	.2.1. Монохроматоры с быстрым сканированием
Для кинетических спектральных измерений необходимо исполь-
зовать монохроматоры с быстрым сканированием. На рис. 10.17 пока-
зан прибор, выпускаемый фирмой Applied Photophysics Ltd, London, для
УФ и видимого диапазонов спектра. Этот монохроматор снабжен ша-
говыми двигателями и может сканировать диапазон 200-20 000 нм со
скоростями от 1200 нм/мин до 1 нм/сут.
424
Глава 10
Рис. 10.17. Монохроматоры с быстрым сканированием (воспроизводится с раз-
решения Applied Photophysics Ltd, London).
10.3.	ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Литература 47, 71, 115, 153, 313, 328, 368, 447, 469, 522, 583, 665.
Интерферометры -это оптические приборы, основанные на
явлении интерференции, возникающей вследствие волновой природы
света. В интерферометрах световой поток разделяется на два или более
пучков, которые до того, как они снова объединятся и интерферируют,
проходят равные или неравные пути. Перекрывающиеся волновые цуги
могут взаимно усиливаться или гаситься в зависимости от соотношения
их фаз. Вид интерференционной картины определяется разностью опти-
ческих путей, проходимых пучками до слияния.
Интерферометры измеряют разность оптических путей света в еди-
ницах длин волн. Поскольку оптический путь представляет собой про-
изведение геометрического пути и показателя преломления среды, в ко-
торой распространяется свет, интерферометр может очень точно
измерять либо геометрическую длину пути, либо интегральное значение
показателя преломления вдоль оптического пути, если один из двух
этих параметров поддерживается неизменным. Таким образом, с по-
мощью интерферометра можно измерять следующие величины: 1) раз-
ности оптических путей, 2) разности геометрических путей, 3) разности
показателей преломления, 4) длины волн света в том случае, когда из-
вестны разности оптических путей.
10.3.1.	Двухлучевые интерферометры
10.3.1.1.	Интерферометр Майкельсона
Литература: 313, 347, 350, 665.
Простейшим интерферометром, основанным на принципе деле-
ния пучка и наблюдения интерференции между двумя световыми пучка-
Оптические приборы и системы
425
ми, является интерферометр Майкельсона. Используемые в нем све-
товые пучки не должны быть параллельными и источник света не
обязательно монохроматический; фактически можно использовать
и белый свет, но при этом в оптический путь необходимо установить
компенсирующую пластинку. Интерферометр Майкельсона может ра-
ботать с источником света любого типа, например с дуговыми раз-
рядными и спектральными лампами, лазерами.
Оптическая схема двухлучевого интерферометра Майкельсона пока-
зана на рис. 10.18. Излучение от неточечного источника света
(рис. 10.18, а) разделяется светоделительной пластиной, так что один пу-
чок попадает на зеркало 1, а другой-на зеркало 2; эти пучки перпенди-
кулярны друг другу. Зеркало 1 закреплено, а зеркало 2 можно переме-
щать. Компенсирующая пластинка компенсирует разность оптических
путей в двух каналах. Пучки, отраженные зеркалами 1 и 2, снова объ-
единяются на светоделителе и интерферируют. Интерференционные
кольца (полосы) можно наблюдать на матовой пластинке.
Контрастность V интерференционных полос определяется как
И = (/макс — /мин )/ (/макс + /мин )	(10.5)
и используется в качестве меры степени когерентности источника. Из-
меряя относительное расстояние между зеркалами d, при котором про-
падают интерференционные полосы, можно определить длину когерент-
ности 1с источника. Если источник испускает излучение только с одной
спектральной линией, то длину когерентности 1С можно использовать
для определения ее спектральной ширины. На рис. 10.19 показан интер-
Рис. 10.18. Оптическая схема двухлучевого интерферометра Майкельсона [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
а-интерферирующие пучки фокусируются линзой 1 на матовую стеклянную пластинку; 6-свет из точечного
источника коллимируется линзой 1 таким образом, что происходит интерференция плоских волн.
426
Глава 10
Рис. 10.19. Интерферометр Майкельсона, собранный из оптико-механических
компонентов [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
ферометр Майкельсона, собранный из оптико-механических компонен-
тов, выпускаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
10.3.1.2.	Интерферометр Твимана-Грина
В интерферометре Твимана-Грина (рис. 10.20) пучок лазерного
излучения расширяется пространственным фильтром и коллимируется
линзой 1 с дифракционно-ограниченными характеристиками. Получаю-
щиеся в результате плоские волны делятся светоделительным кубиком
на две плоские волны, образующие два плеча интерферометра. Как и
в интерферометре Майкельсона, интерференция получается в результате
отражения от зеркал 1 и 2 и объединения двух пучков с помощью све-
тоделительного кубика.
Интерферометр Твимана-Грина используется для исследования оп-
тических элементов, таких, как призмы, линзы и другие искривленные
поверхности. На рис. 10.20, а показана введенная в одно плечо интерфе-
рометра в качестве тестового объекта призма. Наблюдение интерферен-
ционных картин осуществляется на матовой стеклянной пластинке. На
рис. 10.20,6 тестовый объект-линза. Один параллельный пучок, выхо-
дящий из светоделительного кубика, фокусируется проверяемой линзой.
Выпуклое зеркало 2 установлено так, что возвращающийся на светоде-
литель пучок становится коллимированным и параллельным оптиче-
Оптические приборы и системы
427
пластинка
Зеркало 1
Лазер
Линза 1
Сбетоделительный
кубик
Матовая стеклянная
6
Пространственный
срцльтр
Исследуемый объект
( линза)
Линза 2
пластинка
Рис. 10.20. Схема интерферометра Твимана-Грина с призмой (а) и с линзой (б)
[665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
ской оси после второго прохождения через линзу, поскольку фокус
линзы и центр кривизны выпуклого зеркала совпадают.
Так как в интерферометре Твимана-Грина пучок сначала расширяет-
ся, а затем коллимируется, длина ребра светоделительного кубика дол-
жна по крайней мере равняться диаметру пучка, выходящего из колли-
матора. Стоимость больших светоделительных кубиков велика, по-
скольку возрастают затраты на достижение их высокого оптического
качества. На рис. 10.21 показан интерферометр Твимана-Грина, со-
бранный из оптико-механических компонентов, выпускаемых фирмой
Physik Instrumente GmbH, FRG.
10.3.1.3.	Интерферометр Вильямса
В интерферометре Вильямса для деления расширенного пучка
лазерного излучения не требуется светоделительный кубик большого
428
Глава 10
Рис. 10.21. Интерферометр Твимана-Грина, собранный из оптико-механических
компонентов [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
размера, поскольку, как видно из рис. 10.22, на светоделитель приходит
пучок небольшого сечения. Два пучка коллимируются линзой 1 и прове-
ряемой линзой. Параллельные пучки отражаются от плоских зеркал 1
и 2. В этой системе объединенные пучки, между которыми происходит
Рис. 10.22. Схема интерферометра Вильямса [665] (воспроизводится с разреше-
ния Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптические приборы и системы
429
Рис. 10.23. Интерферометр Вильямса, собранный из оптико-механических ком-
понентов [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
интерференция, расходятся, поэтому они фокусируются на экран линзой
2.
Интерферометр Вильямса используется для исследования линз
и других элементов с искривленной поверхностью. На рис. 10.23 пока-
зан такой интерферометр, собранный из оптико-механических компо-
нентов, выпускаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
10.3.1.4.	Интерферометр Доуэлла
Интерферометр Доуэлла (рис. 10.24) получается из интерфе-
рометра Твимана-Грина, если зеркала 1 и 2 (рис. 10.22) наклонить друг
к другу. Он пригоден для сравнительных измерений расстояний. Иссле-
дуемый объект и стандарт длины устанавливаются между двумя зерка-
лами параллельно друг другу; их торцы юстируются перпендикулярно
плоским волнам, распространяющимся от зеркал 1 и 2. Сдвигая
объекты друг относительно друга, можно по сдвигу интерференционных
полос определить разность их размеров.
10.3.1.5.	Интерферометр Саньяка
Интерферометр Саньяка-это циклический интерферометр, при-
меняемый в двух вариантах: 1) с двумя зеркалами 1 и 2, наклоненными
по треугольной схеме (рис. 10.25,а); 2) с дополнительным зеркалом 3
430
Глава 10
Рис. 10.24. Схема интерферометра Доуэлла [665] (воспроизводится с разреше-
ния Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
в оптическом пути и с зеркалами 1 и 2, наклоненными таким образом,
чтобы получить оптический путь в виде квадрата (рис. 10.25,6). Два пуч-
ка проходят по одному и тому же пути в противоположных направле-
ниях по замкнутой траектории. Оптические пути одинаковы по длине,
но их длину можно сделать различной путем поворота или перемеще-
ния зеркал.
Основное различие в свойствах этих двух типов циклического интер-
ферометра определяется четностью числа отражений в оптическом
тракте. Интерферометр Саньяка квадратного типа с нечетным числом
отражений чувствителен только к поворотам зеркал, тогда как в интер-
ферометре треугольного типа с четным числом отражений разность оп-
тических путей можно получить и при повороте, и при смещении зер-
кал. На рис. 10.26 показан интерферометр Саньяка с квадратной
конфигурацией, собранный из оптико-механических компонентов, выпу-
скаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
10.3.1.6.	Интерферометр Маха-Цендера
В интерферометре Маха-Цендера свет проходит только
в одном направлении (рис. 10.27). Следовательно, до объединения пуч-
ков излучение не проходит дважды через исследуемый объект. Другим
достоинством интерферометра Маха-Цендера является возможность
хорошего пространственного разделения двух пучков и пригодность
этого прибора для исследования больших фазовых объектов. Интерфе-
Оптические приборы и системы
431
Рис. 10.25. Интерферометр Саньяка с двумя (а) и с тремя (б) зеркалами [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
рометр Маха-Цендера в основном применяется для измерения разно-
стей показателей преломления, возникающих вследствие флуктуаций
плотности веществ. Он пригоден также для исследований по шлирен-
методу и для измерений фотоупругости в оптических элементах.
Пучок, испускаемый лазером, расширяется линзой 1, подвергается
пространственной фильтрации, коллимируется линзой 2 и разделяется
светоделительным кубиком на два пучка. В то время как прямой пучок
проходит на экран через светоделительную пластину, отразившись
предварительно от зеркала 3, отраженный пучок с помощью зеркала
1 направляется через исследуемую область и затем объединяется и ин-
терферирует с первым пучком после светоделительной пластины. Если
нужно, между светоделительным кубиком и зеркалом 3 можно устано-
вить компенсирующие пластины для уравнивания оптических путей све-
товых пучков. Другая особенность этого интерферометра заключается
в том, что благодаря светоделительной пластине получаются две интер-
ферограммы: одна на зеркале 2, а другая на экране. На рис. 10.28 пока-
зан интерферометр Маха-Цендера, собранный из оптико-механических
компонентов, выпускаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
432
Глава 10
Рис. 10.26. Интерферометр Саньяка, собранный из оптико-механических компо-
нентов [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Рис. 10.27. Схема интерферометра Маха-Цендера [665] (воспроизводится с раз-
решения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптические приборы и системы
433
Рис. 10.28. Интерферометр Маха-Цендера, собранный из оптико-механических
компонентов [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
10.3.1.7.	Сдвиговый интерферометр
При использовании в качестве источника света лазера можно
построить по очень простой схеме интерферометр, позволяющий иссле-
довать плоские оптические поверхности и линзы. Схема сдвигового ин-
терферометра показана на рис. 10.29. Световой пучок, испускаемый ла-
зером, расширяется линзой 1, фильтруется пространственным фильтром
и коллимируется исследуемой линзой 2. Параллельный световой пучок
попадает на плоскопараллельную стеклянную пластину; часть пучка от-
ражается от передней поверхности этой пластины, а часть-от задней.
Если направление падения не перпендикулярно поверхности пластины,
то оба этих отраженных пучка оказываются смещенными в поперечном
направлении. Именно поэтому интерферометр и назван сдвиговым.
Если исследуемая линза располагается не точно в фокусе простран-
ственного фильтра, то выходящий из нее волновой фронт будет слегка
вогнутым или выпуклым. В этом случае в области перекрытия двух пуч-
ков появятся интерференционные полосы, изображение которых на
экране создается линзой 3. Для исследования плоских поверхностей
28-644
434
Глава 10
Рис. 10.29. Схема сдвигового интерферометра [665] (воспроизводится с разре-
шения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
в оптический путь устанавливается хорошо скорректированная линза 2,
а проверяемая оптическая поверхность помещается между линзой
и плоскопараллельной пластиной (рис. 10.30). На рис. 10.31 показан
сдвиговый интерферометр, собранный из оптико-механических компо-
нентов, выпускаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
стеклянная пластина
Рис. 10.30. Схема сдвигового интерферометра для исследования плоских по-
верхностей [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптические приборы и системы
435
Рис. 10.31. Сдвиговый интерферометр, собранный из оптико-механических ком-
понентов [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
10.3.2.	Многолучевые интерферометры
10.3.2.1.	Интерферометр Физо
Простейшим вариантом многолучевого интерферометра
является интерферометр Физо, возможные схемы которого показаны на
рис. 10.32; для освещения в нем применяется параллельный пучок ла-
зерного излучения. В интерферометрах этого типа пучок лазерного из-
лучения расширяется, фильтруется пространственным фильтром и кол-
лимируется линзой 2. Падающая плоская волна разлагается на большое
число интерферирующих волновых фронтов отражающими поверхно-
стями 1 и 2. Многолучевые эффекты тем сильнее, чем выше коэффи-
циенты отражения отражающих поверхностей. Интерференционная кар-
тина проецируется на экран светоделительной пластинкой. Схемы,
показанные на рис. 10.32, различаются способом вывода интерферен-
ционной картины светоделителем.
Существует вариант интерферометра Физо (рис. 10.32, г), с помощью
которого можно исследовать вогнутые и выпуклые поверхности. В нем
используется частично прозрачное вогнутое зеркало 2, а исследуется во-
гнутая зеркальная поверхность 1. Оба этих компонента устанавливают-
ся таким образом, что их центры кривизны совпадают.' Интерферен-
ционные картины, получаемые в двух вариантах интерферометра Физо,
можно интерпретировать и рассчитывать аналогично картинам, созда-
28*
436
Глава 10
Отражающая
Линза 2 поверхность Z
Отражающая
поверхность 2
Отражающая
поверхность 1
Лазер
Линза 1
Линза 2
Светоделитель
Экран
Линза 2
Отражающая
поверхность 1
Рис. 10.32. Возможные схемы интерферометра Физо [665] (воспроизводится
с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
ваемым двухлучевыми приборами, несмотря на возросшую вследствие
многократных отражений сложность эффектов.
Интерферометр Физо дает более тонкие интерференционные полосы,
что объясняется многократными отражениями, и поэтому позволяет по-
лучить более высокое разрешение. Можно обнаруживать очень малые
отклонения от заданной поверхности. Важным преимуществом этого
интерферометра по сравнению с обсуждавшимися ранее приборами
является возможность снижения качества коллимирующей линзы 3, осо-
бенно по сравнению с интерферометром Твимана-Грина. С помощью
схем, показанных на рис. 10.32, можно также получать квазидвухлуче-
вую интерференцию в том случае, если поверхности 1 и 2 имеют низкие
коэффициенты отражения, как, например, в случае стекла, коэффициент
отражения поверхности которого составляет лишь около 4%. Интерфе-
рометр Физо с коллимированным пучком лазерного излучения как
Оптические приборы и системы
437
Рис. 10.33. Интерферометр Физо, собранный из оптико-механических компонен-
тов [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
в двухлучевом, так и в четырехлучевом варианте лучше подходит для
проверки и исследования оптических компонентов, таких, как окошки,
призмы, клинья, зеркала, линзы и т. д. На рис. 10.33 показан интерферо-
метр Физо, собранный из оптико-механических компонентов, выпу-
скаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
10.3.2.2.	Интерферометр Фабри-Перо
Литература 313, 665, 832, 1068.
Интерферометр Фабри-Перо-это многолучевой интерферо-
метр, работающий в режиме пропускания. Излучение с данной длиной
волны полностью пропускается только в том случае, когда
mZ = 2dcos9	(10.6)
где т- порядок интерференции (обычно т=1, 2), X-длина световой
волны; d-расстояние между двумя плоскими пластинками 1 и
2 (рис. 10.34), 9-угол падения света на пластины. Интерферометр Фа-
бри-Перо, схема которого показана на рис. 10.34, содержит две про-
зрачные плоские пластины, внутренние поверхности которых покрыты
частично пропускающими отражающими слоями. Эти поверхности
с покрытием устанавливаются параллельно друг другу. С целью устра-
нения влияния отражений от других поверхностей (без покрытия) пла-
стинкам обычно придается слегка клинообразная форма. Расстояние
438
Глава 10
Линза /	линза 2
Прозрачная плоская 'Прозрачная плоская
пластина	пластина
Рис. 10.34. Схема интерферометра Фабри-Перо с двумя частично прозрачными
плоскими зеркалами [665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente
GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
между пластинками может либо изменяться, либо являться фиксиро-
ванным.
Если расстояние между двумя плоскими пластинами d фиксированно
(рис. 10.35) и интерферометр освещается слабо расходящимся пучком
света, то излучение с данной длиной волны будет пропускаться только
при некоторых определенных значениях 0. Другие длины волн будут
пропускаться при других значениях 0. В простом случае покрытий
с одинаковой толщиной коэффициент пропускания т выражается форму-
лой
т = 1Т/10 = 1/ [1 + F sin2 (6/2)]	(10.7)
где 1т - интенсивность излучения, прошедшего через интерферометр,
Iq—интенсивность падающего излучения, Г-эффективное число пучков.
Эффективное число пучков -это параметр, используемый для описания
спектроскопического качества интерферометра. Оно определяется как
расстояние между двумя последовательными порядками, деленное на
Рис. 10.35. Амплитуды пучков после нескольких отражений в интерферометре
Фабри-Перо (т-коэффициент пропускания, р-коэффициент отражения).
Оптические приборы и системы
439
Рис. 10.36. Разрешающая сила интерферометра Фабри-Перо в случае испуска-
ния излучения с двумя длинами волн X и X + АХ.
Заметим, что pi — р2 = 2(1 — р)/|/р, где р-коэффициент отражения. Фазовые множители Si, и 52 равны со-
ответственно [2л/(X + ДХ)] 2d cos в2, (1 — р) /]/р и (2л/Х) 2d cos 0i
ширину на полувысоте (часто называемую полушириной) одного поряд-
ка т (рис. 10.36), и равно
F = 1/Ат = яр1/2 (1 - р)	(10.8)
где Ат-полуширина (рис. 10.36), р - коэффициент отражения
(рис. 10.37). Разность фаз 5 двух пучков (рис. 10.36) определяется как
5 = (2л/Х) 2d cos 0	(10.9)
где 0-угол падения света (рис. 10.35), X-длина световой волны. Коэф-
фициент пропускания т достигает максимального значения 1 при 5 =
= 2тл. Резкость интерференционных полос определяется эффективным
числом пучков F.
Таким образом, интенсивность прошедшего через интерферометр
света Ip является функцией четырех переменных: коэффициента отраже-
ния р поверхностей с покрытием, расстояния между ними d, угла паде-
ния света 0 и длины волны X. Величина Х/АХ называется разрешающей
силой и для интерферометра Фабри-Перо определяется как
Х/АХ = 2лб/р1/2/[Х(1 - р)]
(10.10)
440
Глава 10
Рис. 10.37. Распределение интенсивности интерференционных полос в интерфе-
рометре Фабри-Перо для трех значений коэффициента отражения р.
Расстояние между двумя разрешаемыми длинами волн АХ зависит от
длины волны X, расстояния между пластинами d и коэффициента отра-
жения пластин р. Когда разность длин волн двух компонентов спектра
достаточно велика, смещение одной картины относительно другой мо-
жет быть больше расстояния между интерференционными полосами
(рис. 10.38). Порядки т, определяемые уравнением (10.6), будут перекры-
ваться, и интерференционный спектр интерпретировать труднее.
Свободный спектральный диапазон АХ определяется как интервал
длин волн между порядками и равен
АХ = X2/ (2nd)	(в единицах длин волн)	(10.11)
где и-показатель преломления среды между двумя пластинами интер-
ферометра Фабри-Перо, d- расстояние между ними. При большом рас-
стоянии между пластинами интерференционные полосы от соседних по-
рядков расположены близко друг к другу и свободный спектральный
диапазон мал. Следовательно, требование простоты интерпретации
(малое разделение спектральных компонентов) противоречит требова-
нию получения высокого разрешения (большое разделение компонен-
тов). При выборе интерферометра Фабри-Перо для конкретного прило-
жения необходимо найти компромисс между двумя этими требования-
ми. Интерферометр Фабри-Перо используется также в таком режиме,
когда расстояние d между пластинами изменяется, как правило, при 0 =
= 0. При изменении расстояния d происходит перемещение узкого ин-
тервала пропускания, что можно использовать для измерения спек-
трального распределения излучения источника, а также оптических длин
и показателей преломления.
Поскольку интерферометр работает в проходящем свете, интерфе-
ренционная картина получается следующим образом. Лучи из квазимо-
Оптические приборы и системы
441
Рис. 10.38. Две спектральные компоненты при различных расстояниях между
пластинами.
а-расстояние мало и компоненты разрешены, б-расстояние несколько увеличено, в-расстояние увеличено
еще больше (п?-й порядок одной линии перекрывается с m + l-м порядком другой)
нохроматического источника света коллимируются линзой
1 (рис. 10.34). Вносящую искажения пространственную структуру источ-
ника можно устранить, установив между ним и линзой матовую пласти-
ну. Прошедшие пару прозрачных плоских пластин интерферирующие
лучи фокусируются линзой. Таким образом на экране получается интер-
ференционная картина в виде ярких колец на темном фоне (рис. 10.39).
Ширина и резкость этих колец зависит от плоскостности, параллельно-
сти и коэффициента отражения пластин (эти параметры определяют эф-
фективное число пучков F). Поскольку поверхности пластин, имеющие
высокий коэффициент отражения, многократно взаимодействуют с из-
лучением, качество поверхности (плоскостность) и однородность покры-
тия должны быть максимально высокими. Качество покрытия можно
проверить с помощью интерферометра Физо (разд. 10.3.2.1).
Как правило, полезный рабочий диапазон интерферометра Фабри-
Перо ограничен приблизительно десятью первыми интерференционны-
ми полосами. Последующие полосы располагаются все ближе друг
к другу, и их труднее измерять. Расстояние между пластинами d обычно
выбирается большим 0,1 мм. Сканирование по длинам волн в интерфе-
рометре Фабри-Перо осуществляется путем изменения расстояния ме-
жду зеркалами. Пьезоэлектрические преобразователи (разд. 9.3.1.5) ус-
пешно используются для этой цели. Если два плоских зеркала
интерферометра Фабри-Перо заменить на сферические, то получится
сферический интерферометр Фабри-Перо (рис. 10.40), обладающий
определенными преимуществами по сравнению с плоским. Отличитель-
ной особенностью конфокальной схемы является установка двух иден-
тичных сферических зеркал на расстоянии, равном их общему радиусу
кривизны. При этом получается система, дающая интерференцию высо-
ких порядков, такую, как у плоского интерферометра, в котором пла-
стины находятся на расстоянии, в два раза превышающем расстояние
между зеркалами в интерферометре конфокального типа; достоинством
последнего являются намного большие угол расходимости и интенсив-
ность света.
В плоском интерферометре Фабри-Перо пучок при каждом после-
дующем проходе через резонатор смещается все больше к краю вслед-
442
Глава 10
Рис. 10.39. Интерференционные
полосы в интерферометре Фа-
бри-Перо для двух длин волн:
X и X + АХ.
ствие дифракционных эффектов. В резонаторе конфокального интерфе-
рометра Фабри-Перо пучок возвращается в исходное состояние после
двух проходов. По этой причине с конфокальными зеркалами реали-
зуется намного большее число эффективных пучков, чем в случае пло-
ских пластин, а следовательно, достигается и большее разрешение. Кро-
ме того, сферический интерферометр Фабри-Перо легче юстировать,
чем плоский, поскольку точная установка углов между двумя вогнуты-
ми зеркалами не столь важна. Имеется ряд особенностей, благодаря ко-
торым сферический интерферометр Фабри-Перо обладает большей
стабильностью.
На рис. 10.41 показан плоский интерферометр Фабри-Перо, а на
рис. 10.42-интерферометр Фабри-Перо с вогнутыми зеркалами; оба
прибора выпускаются фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG. Интер-
ферометры Фабри-Перо фирмы Physik Instrumente включают следую-
щие компоненты: 1) оптическую систему, 2) генератор напряжения
с ручным управлением, 3) источник постоянного напряжения, 4) функ-
Линза 1
Экран
Сферическое зеркало 1 Сферическое зеркало 2
Рис. 10.40. Схема интерферометра Фабри-Перо со сферическими зеркалами
[665] (воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH,
Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
Оптические приборы и системы
443
Рис. 10.41. Плоский интерферометр Фабри-Перо [665] (воспроизводится с раз-
решения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
циональный генератор. Кроме этого, при установке интерферометра
Фабри-Перо на оптическую скамью требуются следующие дополни-
тельные компоненты: 1) источник света, 2) два ахроматических объек-
тива, 3) две стеклянные матовые пластины, 4) оптическая скамья
с рейтерами.
Собственно интерферометр Фабри-Перо состоит из рамы, на кото-
рой закреплены его элементы (рис. 10.41). Рама образована двумя тор-
цевыми пластинами, соединенными четырьмя инваровыми стержнями.
Одна пластина прикреплена к концам инваровых стержней, а другая
может перемещаться по ним так, что расстояние между зеркалами мож-
но грубо регулировать в интервале 0-100 мм. Два зеркала интерферо-
метра закреплены на торцевых пластинах. На неподвижной пластине
имеются три инваровых винта, расположенных по окружности через
120°. Держатель зеркала, установленного на этой пластине, поджимает-
ся к винтам пружинами. Винты можно поворачивать с помощью двига-
теля или вручную, используя для этого вал двигателя. Каждый винт со-
единен со своим двигателем через редуктор с коэффициентом замедле-
ния 1 :5750. Эти три винта используются для установки параллельности
зеркала. Каждый двигатель подсоединен к генератору напряжения
с ручным управлением.
Второе зеркало закреплено на регулируемой пластине интерфероме-
тра. Держатель этого зеркала опирается на три пьезоэлектрических пре-
образователя. Держатель и зеркало с тремя пьезоэлектрическими пре-
444
Глава 10
Рис. 10.42. Интерферометр Фабри-Перо с вогнутыми зеркалами [665]
(воспроизводится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe,
FRG).
образователями поджимаются тремя пружинами к торцевой пластине.
С помощью пьезоэлектрических преобразователей (разд. 9.3.1.5) осу-
ществляется тонкая регулировка зеркал или электронное сканирование
интерферометра. Установка параллельности зеркал производится тремя
пьезоэлектрическими преобразователями, положение которых изменяет-
ся с помощью трех дополнительных преобразователей, управляемых от
независимого источника. Функции, выполняемые двумя наборами пре-
образователей, строго определены. Один преобразователь имеет отно-
сительно большие размеры и значительный гистерезис, а следовательно,
худшую линейность; он используется для установки параллельности
зеркал. Размеры другого преобразователя небольшие^ а гистерезис ми-
нимален, поэтому он имеет высокую линейность; этот преобразователь
используется для сканирования.
Интерферометр Фабри-Перо может работать в трех режимах:
1) статическом, 2) ручного сканирования, 3) электронного сканирова-
ния. Во всех случаях осуществляется предварительная регулировка ин-
терферометра путем вращения осей двигателей либо вручную, либо
обеспечивая их привод от генератора с ручным управлением. В статиче-
ском режиме точная регулировка интерферометра производится с по-
мощью источника постоянного напряжения. Для этой регулировки
можно использовать любую из двух групп пьезоэлектрических преобра-
зователей. В режиме ручного сканирования точную регулировку интер-
ферометра и сканирование спектра осуществляют с помощью источни-
ка постоянного напряжения, регулируя его вручную с помощью
потенциометра. В режиме электронного сканирования сначала произво-
дится точная подстройка зеркал с помощью источника постоянного на-
пряжения и трех больших пьезоэлектрических преобразователей. Для
сканирования используется функциональный генератор, подключенный
к трем небольшим линейным пьезоэлектрическим преобразователям.
Оптические приборы и системы
445
10.4.	ФОТОУПРУГОСТЬ
Многие прозрачные материалы, оптически изотропные по
своей природе, приобретают свойство двулучепреломления в результате
упругой деформации. Степень двулучепреломления достаточно легко
связывается с величиной деформации. Из таких материалов можно из-
готовить модели, имитирующие реальные изучаемые механические ком-
поненты, такие, как опорные балки, диски, пластины и т.д., благодаря
чему открывается возможность визуализировать распределение механи-
ческих напряжений, измеряя оптическое двулучепреломление. Далее ре-
зультаты, полученные из исследования модели, можно экстраполиро-
вать на реальную деталь. Для таких исследований чаще всего
используют пластмассы, такие, как плексиглас, а также различные типы
эпоксидных смол.
Если плоская модель освещается линейно-поляризованным светом,
то такой свет в результате эффекта двулучепреломления разделяется на
две компоненты, объединяемые на выходе из объекта, в результате чего
получается эллиптически-поляризованный свет. Анализ этого эллипти-
чески-поляризованного света, который проводится, например, с по-
мощью поляризатора, позволяет определить напряжения сдвига. При-
бор, предназначенный для исследования тел с механически индуциро-
ванными напряжениями поляризационно-оптическими методами, пока-
зан на рис. 10.43. Свет, испускаемый источником, коллимируется линзой
1 и линейно поляризуется поляризатором П. Эллиптически-поляризо-
ванный свет, выходящий из исследуемого образца, попадает на поляри-
затор А, действующий как анализатор, и фокусируется на экран линзой
2.
Если нужно работать с циркулярно-поляризованным светом, то
можно использовать четвертьволновые пластинки совместно с вращаю-
щимися поляризаторами П и А. Если направления поляризации двух
линейных поляризаторов параллельны, то получается светлое поле,
а если они перпендикулярны, то-темное. То же происходит и в случае
циркулярно-поляризованного света, когда четвертьволновая пластинка
устанавливается за поляризатором, при условии, что направление поля-
ризации последнего пересекает оптическую ось пластинки под углом
Источник
света
Экран
Рис. 10.43. Схема прибора для исследования фотоупругости [665] (воспроизво-
дится с разрешения Physik Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
446
Глава 10
Рис. 10.44. Поляризационно-оптический измеритель напряжений, собранный из
оптико-механических компонентов [665] (воспроизводится с разрешения Physik
Instrumente GmbH, Waldbronn/Karlsruhe, FRG).
45°. В исследованиях фотоупругости удобно устанавливать оси двух че-
твертьволновых пластинок вертикально и горизонтально, а направления
поляризации линейных поляризаторов наклонять к горизонтали под
углом 45°. В такой схеме можно одновременно наблюдать и горизон-
тальные, и вертикальные линии напряжений, одновременно присут-
ствующие в объекте.
Если при освещении параллельным пучком монохроматического из-
лучения между поляризатором П и анализатором А (рис. 10.43) устано-
вить нагруженную модель, то на экране будут наблюдаться темные ин-
терференционные полосы (так называемые изохроматы), указывающие
на расположение равных по амплитуде напряжений сдвига. Кроме этих
интерференционных полос, остающихся неподвижными при повороте
скрещенных поляризаторов в поле зрения, имеются и другие темные по-
лосы, поворачивающиеся синхронно с поляризаторами. Это так назы-
ваемые изоклины, указывающие на положение равных по амплитуде
главных напряжений. Если зарегистрировать изоклины при различных
положениях плоскости поляризации, то можно получить схему ортого-
нальных линий траекторий главных напряжений.
Поскольку изоклины часто искажают изохроматы, с целью миними-
зации этих искажений модели освещают циркулярно-поляризованным
светом. Для этой цели между поляризатором П и анализатором А уста-
навливают две четвертьволновые пластинки в положении вычитания
(рис. 10.43). На рис. 10.44 показан поляризационно-оптический измери-
тель напряжений, собранный из оптико-механических компонентов, вы-
пускаемых фирмой Physik Instrumente GmbH, FRG.
Глава И.
Нетрадиционная спектроскопия
11.1.	ОДНОВОЛНОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Литература 14, 24, 61, 76, 379, 416, 507, 570
Одноволновая (или двухлучевая) спектроскопия -это метод,
в котором два луча с одной длиной волны X проходят через измери-
тельную и опорную кюветы (рис. 11.1) с целью получения электронного
спектра поглощения вещества. Данный метод имеет два основных недо-
статка: 1) ограниченная селективность вследствие значительного пере-
крытия электронных и колебательных полос в таких спектрах; 2) иног-
да плохая чувствительность вследствие относительно низкого пропуска-
ния излучения в диапазоне 200-800 нм растворителями для многих
важных соединений, таких, как полимеры с большим молекулярным ве-
сом, белки, коллоидные суспензии, порошки, бумага, ткань, дым и т.д.
11.2.	ДВУХВОЛНОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Литература 402, 772, 853, 944, 972, 1543-1545, 1570, 1571, 1646, 1669, 1683, 1689, 1784
Двухволновая спектроскопия -это метод, в котором через изме-
рительную кювету одновременно проходит излучение с двумя длинами
волн Xj и Х2 (рис. 11.2). Для лучшей компенсации мутности или рассея-
ния образец устанавливается вблизи детектора. В измерениях методом
двухволновой спектрофотометрии определяется разность ЛА между по-
глощениями Аг и А2 на двух различных длинах волн и Х2. В соответ-
ствии с законом Ламберта-Бера
А = АГ - А2 = ^ -82)/с	(11.1)
где 8t и 82-молярные коэффициенты поглощения, /-длина пути света,
с - концентрация образца. Выразив поглощения Аг и А2 через интенсив-
ности падающего и прошедшего света, получим
А= -lg^//2) + lg(Wo2)	(11.2)
где Ц и 12 - интенсивности прошедшего света, 101 и /02-интенсивности
падающего света на длинах волн Xi и Х2 соответственно. Второй член
в уравнении (11.2) учитывает все различия в интенсивностях падающего
света, возникающие вследствие неравномерности спектра источника из-
лучения, дискриминации по длинам волн, расхождений характеристик
448
Глава 11
Кюветы
Рис. 11.1. Схема одноволнового спектрофотометра.
детектора и коэффициентов усиления прибора на длинах волн и Х2.
Для большинства обычных спектрометров, в которых используются не-
прерывные, а не импульсные источники света и стабильные детекторы,
этот член постоянен для данных и Z2 и подбирается близким к нулю.
Для спектрофотометрического анализа выбираются две длины вол-
ны, на которых поглощение или рассеяние мешающего вещества одина-
ковое, а поглощение анализируемого вещества различное. В этом случае
измеренные поглощения А[ и Л2 на длинах волн и Х2 связаны с по-
глощением анализируемого вещества Аг и А2 соотношениями
A; = Ay+D	(11.3)
Л2' = Л2 + Р	(11.4)
где D - оптическая плотность, определяемая фоновым поглощением. По-
скольку измеренная величина ЛА не зависит от D, уравнение (11.1) мож-
но непосредственно использовать для вычисления концентрации анали-
зируемого вещества.
Двухволновая спектроскопия в основном используется для: 1) ана-
лиза двухкомпонентных смесей с сильно перекрывающимися спектра-
ми; 2) измерения малых различий в поглощении в непрозрачной среде.
Промышленностью выпускается ряд комбинированных двухлучевых-
двухволновых приборов, например модель 557 фирмы Perkin-Elmer,
FRG (рис. 11.3).
Рис. 11.2. Схема двухволнового спектрофотометра.
Нетрадиционная спектроскопия
.449
Рис. 11.3. Двухлучевой -двухволновой спектрофотометр модели 557 (воспрои-
зводится с разрешения Perkin-Elmer, FRG).
11.2.1.	Сравнение различных спектроскопических методов
Литература: 1544.
Одноволновая спектроскопия и двухволновая спектроскопия
имеют определенные достоинства и недостатки:
1.	В отсутствие посторонних веществ и вариаций спектра образца*
одноволновая спектрометрия, как правило, обеспечивает лучшую точ-
ность, чем двухволновая.
2.	При использовании двухволновой спектрометрии можно умень-
шить вариации в представлении спектра образца, благодаря чему изме-
рения по этому методу могут обеспечить лучшую точность, чем одно-
волновые измерения, когда образец создает искажения в пучке света.
3.	Хотя при двухволновых измерениях поглощение сопутствующих
веществ можно скомпенсировать (основное преимущество двухволновой
спектроскопии), их присутствие значительно ухудшает точность, так что
измерения оказываются практически невозможными при общем погло-
щении, превышающем 2-3 А (А-единица поглощения).
* Например, из-за светорассеяния-Прим. ред.
29-644
450
Глава И
11.3.	ПРОИЗВОДНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Литература: 67, 189, 376-378, 402, 872, 935, 1185, 1487, 1607, 1628, 1677.
Производная спектроскопия -это метод усиления тонкой струк-
туры спектральных кривых (спектры поглощения в УФ, видимом и ИК
диапазонах и спектры флуоресценции). Он заключается в вычислении
первой, второй или более высоких производных спектра по длине волны
или частоте и построении графика этой производной, а не самого спек-
тра. Для получения производных спектров существуют два метода:
1) модуляция длины волны (в основном используется при снятии спек-
тров газов в однолучевом режиме); 2) электронная обработка сигнала
с обычного спектрофотометра. Электронная обработка проще, дешевле
и может быть использована с любым сканирующим спектрофотоме-
тром. В обоих методах вводятся два новых параметра: 1) порядок про-
изводной и; 2) интервал длин волн, по которому усредняется производ-
ная АХ. Обычно оптимальные значения и и АХ в каждом случае
определяются экспериментально.
Результаты дифференцирования простых спектральных кривых пока-
заны на рис. 11.4. Первая производная любой кривой проходит через
нуль в ее максимумах и минимумах. На рис. 11.4, а показана характер-
ная форма первой производной одиночной полосы. Вторая производная
спектральной кривой имеет глубокий минимум, расположенный в точке
максимальной отрицательной кривизны исходной кривой. Для одиноч-
ной полосы такая точка соответствует ее максимуму. В составной поло-
се точки максимальной отрицательной кривизны часто оказываются
очень близкими к максимумам ее отдельных компонент (рис. 11.4,6 и в).
Форма производной спектральной кривой усложняется с возраста-
нием порядка производной (рис. 11.4).
У третьей производной одиночной полосы за глубоким минимумом
следует сильный максимум; производная проходит через нуль в макси-
муме полосы. Четвертая производная имеет сильный максимум в точке,
соответствующей максимуму полосы.
Получение производной спектра дает следующие преимущества:
1. Разрешение. Разрешаются полосы, расположенные слишком близ-
ко друг к другу и поэтому не разрешаемые в спектре поглощения
(рис. 11.4,6). Улучшение разрешения увеличивается вместе с порядком
производной п и зависит от формы полос, их относительной ширины
и амплитуды.
2. Дискриминация. Эффект, выражающийся в лучшем проявлении
особенностей спектра и увеличивающийся вместе с порядком производ-
ной п (рис. 11.4, в).
С увеличением порядка производной возрастает разрешение полос,
но отношение сигнал-шум уменьшается. С увеличением интервала
длин волн АХ, по которому усредняется производная, отношение сиг-
нал-шум увеличивается, но, начиная с некоторого значения АХ, преиму-
Нетрадиционная спектроскопия
451
т
лЛг
в
Рис. 11.4. Первая, вторая, третья и более высокие производные спектров в слу-
чаях одной (а), двух (б) и трех (в) перекрывающихся гауссовых полос (воспроиз-
водится с разрешения International Scientific Communications, Inc., USA).
Порядок производной: кривые 0-нулевой; кривые /-первый, 2-второй и т.д.
щества использования производных утрачиваются вследствие искаже-
ния формы кривой. Оптимальное значение ДХ обычно приблизительно
составляет 20% полной ширины по уровню половины амплитуды ком-
понент спекра, выделяемых с помощью дифференцирования. На
рис. 11.5 показан производный спектрофотометр для видимого и УФ
диапазонов модели 320/330, выпускаемый фирмой Perkin-Elmer, FRG.
11.4.	СПЕКТРОСКОПИЯ С МОДУЛЯЦИЕЙ ДЛИНЫ
ВОЛНЫ
Литература: 376-378, 1033, 1067, 1099, 1136, 1423, 1480, 1508, 1582, 1662, 1674, 1787.
Спектроскопия с модуляцией длины волны -это метод, в кото-
ром длина волны, на которую настроен монохроматор (либо фильтр,
лазер или интерферометр), периодически сканируется с большой ско-
ростью в прямом и обратном направлениях по малому спектральному
интервалу ДХ, называемому интервалом модуляции. Принцип этого ме-
452
Глава И
Рис. 11.5. Производный спектрофотометр модели 320/330 для УФ и видимого
диапазонов (воспроизводится с разрешения Perkin-Elmer, FRG).
тода в сущности такой же, как и принцип метода производной спектро-
скопии (разд. 11.3). Метод модуляции длины волны, используемый для
получения производных спектров, проиллюстрирован на рис. 11.6. Если
длина волны, на которой проводятся измерения, модулируется (напри-
мер, синусоидально) с интервалом модуляции АХ (малым по сравнению
с шириной спектральной полосы), то амплитуда результирующей моду-
лированной интенсивности будет пропорциональна наклону спектраль-
ной кривой в интервале модуляции и, следовательно, первой производ-
ной этой кривой в данном интервале. Для измерения модулированной
интенсивности обычно используют частотно- и фазоселективные усили-
тели переменного напряжения (например, синхронный усилитель,
разд. 15.3). При измерении первой производной система настраивается
на частоту модуляции длины волны.
Существует ряд экспериментальных методов получения модуляции
длины волны: 1) колебание щелей, зеркала, дифракционной решетки
или призмы монохроматора; 2) установка осциллирующей или вра-
щающейся преломляющей пластинки в световой пучок внутри монохро-
матора; 3) колебание (наклон) интерференционного фильтра; 4) осцил-
ляция интерферометра Фабри-Перо; 5) использование вращающегося
сектора или колеблющегося зеркала для разделения во времени света
с двумя различными длинами волн, создаваемого двумя дифракционны-
ми решетками либо выходными (или входными) щелями; 6) модуляция
сканируемого электронным пучком изображения в диссекторе
(разд. 13.3) или видиконе (разд. 13.4.1). В настоящее время имеется ряд
Нетрадиционная спектроскопия
453
Рис. 11.6. Получение про-
изводного спектра с по- g
мощью модуляции дли-
ны волны [337] Copyright
1979 American Chemical
Society.	§
Синусоидальная модуляция длины волны
(
спектрометров, которые могут работать в режиме модуляции длины
волны и регистрировать производные спектров.
Модуляционная спектроскопия применяется для количественного
анализа спектров поглощения в видимом и УФ диапазонах и спектров
флуоресценции.
11.5.	ИМПУЛЬСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В ПОТОКЕ
Литература: 57, 68, 190, 381, 445, 600, 811, 899, 929, 936, 1096, 1098, 1223, 1227, 1228, 1350, 1433,
1436, 1489, 1495, 1569, 1785, 1791.
Быстрые реакции в растворах можно исследовать с помощью:
1) методов измерения в непрерывном потоке, требующих большого
расхода реагентов на одно измерение (от 0,25 до 10 мл); 2) методов из-
мерений в остановленной струе, требующих небольшого расхода ре-
агентов на одно измерение (от 0,2 до 1 мл). На рис. 11.7 показаны раз-
личные режимы наблюдения в системах со смешиванием потоков.
Импульсная спектроскопия в потоке -это метод, в котором исполь-
зуется техника быстрого смешивания и наблюдаются изменения
концентрации. В трубках для наблюдений достигаются скорости потока
от 2 до 30 м/с. С помощью этого метода можно определить времена
полупревращения в быстрых реакциях до 0,02-1 мс. Одним из наиболее
современных методов импульсной спектроскопии в потоке является ме-
тод с использованием непрерывного потока и интегрирования наблюде-
ний. В нем наблюдение производится вдоль оси трубки (типичные раз-
меры которой: длина 20 мм, диаметр 2 мм) через плоские параллельные
кварцевые окошки (рис. 11.7, в). Для успешного применения этого мето-
454
Глава 11
Раствор А
\
\\ Наблюдение
\\ I
с!..	=±1
Г7 Трубка для
// наблюдений
г
Раствор Б
а
Раствор Б
6
Рис. 11.7. Режимы наблюдения
в системах со смешиванием по-
токов [382]. Copyright 1980
American Chemical Society,
а-непрерывный поток и остановленная
струя; б-остановленная струя; в-непреры-
вный поток и интегрирование наблюдений
и импульсный поток. С-смеситель.
да требуется, чтобы реагенты смешивались на расстоянии, малом по
сравнению с длиной трубки для наблюдений, в начале которой поме-
щен смеситель. Можно наблюдать и процесс смешивания, и следующие
за ним химические реакции. В табл. 11.1 приведены некоторые теорети-
ческие соотношения между измеренными значениями поглощения
и константами скоростей, полученными в разных условиях. При выводе
этих соотношений предполагалось, что процесс смешивания происходит
очень быстро по сравнению с химической реакцией. Это предположение
не выполняется для реакций с временами полупревращения, намного
меньшими 1 мс.
Импульсный проточный спектрометр (рис. 11.8) включает следую-
щие компоненты: 1) блок плунжера, приводимого в движение электро-
двигателем с регулируемой скоростью, электромагнитный тормоз с со-
ответствующим устройством управления и пластинку толкателя, закре-
пленную регулируемой гайкой на стойке с резьбой (данное устройство
позволяет получить линейную скорость пластины толкателя до 10 см/с
за 0,3 с, причем эту скорость можно плавно регулировать); 2) систему
для впуска раствора, включающую загрузочные шприцы, впускные кла-
паны, кювету для смешения и наблюдений, выпускной клапан, при-
емный шприц и преобразователь скорости; 3) оптическую систему, со-
стоящую из стабилизированного с помощью отрицательной обратной
связи фотометра, в котором используется фотодиод или видикон;
4) мини-ЭВМ, используемую для сбора и обработки информации о по-
глощении и скорости потока реагентов (ЭВМ, работающая в режиме
on-line, управляет системой с остановленной струей, осуществляет сбор
данных, обрабатывает их и печатает результаты; в полностью автома-
тизированной системе ЭВМ управляет даже приготовлением образцов
и вся серия измерений может быть выполнена без участия оператора).
Нетрадиционная спектроскопия
455
Таблица 11.1. Теоретические соотношения для вычисления констант скоростей
из измеренных значений поглощения и скоростей с использованием интег-
рального наблюдения непрерывного потока [382]. Copyright 1980 American
Chemical Society
Тип реакции	М = (А — Аао)/(А0 — Лда) = /(х)	Константа скорости
Необратимая первого порядка Необратимая второго порядка A+B^C+D сл = св = с0	М = (1 — е~ х)/х	k = xv/l М = [In (1 + х)]/х	к — xv/lC0
Обратимая второго порядка А +	С + D &21	М = 1 - {In (ех + а) +	2 = xvKll2/2lC0 + [In (1 + ае~х)]/а —
Сд ~ Св = Со	— [(1 + a) In (1 + а)]/а}/х а = (1 - К1/2)/(1 + К1/2) = ки/кц
Обозначения: Л-стационарное поглощение, измеренное в потоке; Лда-поглощение
смеси по завершении реакции; Ао-начальное поглощение реагентов; г-скорость течения
раствора; /-длина пути в трубке для наблюдений; Со-начальная концентрация реагентов.
Толкатель
Рис. 11.8. Блок-схема импульсного проточного спектрометра [1569]. Copyright
1977 American Chemical Society.
456
Глава 11
11.6.	ФОТО АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Литература: 303, 435, 580, 708, 713-718, 722, 784, 785, 802, 866, 1131, 1132, 1173, 1230, 1285, 1319,
1413, 1414, 1457, 1479, 1499, 1584-1588, 1603.
Фотоакустическая спектроскопия -это метод исследования не-
прозрачных твердых тел (порошки, гели) или жидких образцов (эмуль-
сии) с помощью измерения акустического сигнала, создаваемого
в образце поглощенным излучением. В фотоакустическом спектроме-
тре (рис. 11.9) мощный источник (например, ксеноновая лампа или ла-
зер) испускает свет, который модулируется либо с помощью электроме-
ханических устройств (например, прерывателя), либо электронным
способом. Используемое излучение может быть либо монохроматиче-
ским, либо немонохроматическим в зависимости от свойств изучаемого
образца. Излучение попадает на поглощающий свет образец, располо-
женный в герметичной камере (рис. 11.10), и в результате изменений его
температуры возбуждается акустический сигнал, который затем детек-
тируется системой, состоящей из чувствительного микрофона, предуси-
лителя и синхронного усилителя (разд. 15.3). Сигнал с синхронного уси-
лителя можно обрабатывать и отображать различными способами
[например, в виде зависимости относительного сигнала от длины вол-
ны (рис. 11.11)].
Фотоакустическая спектроскопия применяется для исследования про-
цессов спада фотовозбуждений (включая безызлучательные процессы
с выделением тепла) в твердой и жидкой средах.
Рис. 11.9. Блок-схема фотоакустического спектрометра [802].
1 -микрофон и предусилитель; 2-опорная кювета; 3-измерительная кювета.
Рис. 11.10. Фотоакустическая кювета [802].
1 - держатель образца с плоской клейкой поверхностью или полый держатель.
240 320 400 480 560 640 720 800 900 1200 1540 1860 2180 2500 2820
Длина волны, нм
Рис. 11.11. Фотоакустический спектр окиси неодима Nd2O3 [802]. Copyright
American Chemical Society.
458
Глава И
11.7.	ФОТОТЕРМИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Литература. 852.
Фототермическая спектроскопия -это метод, в котором ис-
пользуется термистор, находящийся в тепловом контакте с образцом
(твердым или жидким); термистор измеряет изменение температуры
при облучении образца монохроматическим светом высокой интенсив-
ности. В результате температурных изменений изменяется сопротивле-
ние термистора, приводя к разбалансу моста Уитстона, в одно из плеч
которого включен термистор. Возникающее изменение напряжения де-
тектируется с помощью электрометра, затем усиливается
и регистрируется (рис. 11.12). Кювета, используемая для измерения по-
глощения таким методом, изображена на рис. 11.13.
Фототермическая спектроскопия особенно чувствительна в случае
образцов с большими молярными коэффициентами поглощения 8, та-
ких, как твердые тела или жидкости с высокой оптической плотностью,
в которых поглощается значительная часть приходящего излучения.
Этот метод используется для исследования безызлучательных процес-
сов при поглощении света.
Изолированная
камера
Рис. 11.12. Блок-схема фототермического
American Chemical Society.
спектрометра [852]. Copyright 1977
Термистор
Кварцевое окошко
Твердый образец
Рис. 11.13. Фотометрическая
кювета для твердых образцов
[852]. Copyright 1977 American
Chemical Society.
Нетрадиционная спектроскопия
459
Рис. 11.14. Блок-схема установки для трехкомпонентной спектроскопии [565,
932] (воспроизводится с разрешения Elsevier).
11.8.	ТРЕХКОМПОНЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Литература. 932.
Трехкомпонентная спектроскопия -это экспериментальный ме-
тод, в котором одновременно проводятся измерения поглощения, флуо-
ресценции и оптико-акустических спектров (рис. 11.14). Из сравнения
трех типов спектров можно вычислить баланс энергии между поглоще-
нием, флуоресценцией и испусканием тепла (безызлучательное затуха-
ние). Прямую информацию о безызлучательном пути спада возбужде-
ния можно получить с помощью фотоакустической спектроскопии
(разд. 11.6). Результаты, полученные с помощью трехкомпонентной
спектроскопии, могут дать более точную информацию о положениях
и точке пересечения отталкивательных состояний, а также информацию
об изменении квантовых выходов процессов.
Глава 12
Фотодетекторы
Литература: 23, 36, 130, 234, 360, 491, 667.
Фотодетекторы (фоточувствительные устройства) различаются
по типу используемого в них фотоэлектрического эффекта (рис. 12.1).
12.1.	СРАВНЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ
12.1.1.	Основные правила для выбора фоточувствительных
устройств для детектирования излучения
Фоточувствительные устройства (фотодетекторы) можно клас-
сифицировать в соответствии с типом используемого в них фотоэффек-
та следующим образом:
1.	Фотоэмиссионные устройства (внешний фотоэффект), включаю-
щие вакуумные фотоэлементы (разд. 12.2.1) и фотоумножители
(разд. 12.2.2).
2.	Фоторезисторы (внутренний фотоэффект), разделяющиеся на:
а)	Устройства с объемным фотоэффектом, включающие фоторе-
зисторы из сернистого кадмия и селенида кадмия (разд. 12.3.1). Прово-
димость этих собственных полупроводников и (или) примесных полу-
проводников возрастает с увеличением интенсивности падающего на
них света (см. разд. 12.3.2).
б)	Устройства с фоточувствительным переходом, в которых исполь-
зуется чувствительность к свету р-и-переходов; они включают фото-
транзисторы и p-i-и-фотодиоды (примесные полупроводники)
(разд. 12.3.2).
12.1.2.	Фотоэлектрические явления
Существуют фотоэлектрические явления трех типов: 1) внеш-
ний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия), 2) внутренний фотоэффект
(фотопроводимость или фотогальванический эффект) и 3) тепловой эф-
фект (пироэлектрический или термоэлектрический эффект).
Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия)-это фотоэлек-
трическое явление, при котором «свободные» электроны выходят из
облучаемого вещества. Это явление имеет место при энергиях падаю-
щих фотонов электромагнитного излучения (оптическое излучение), пре-
вышающих работу выхода электрона из облучаемого вещества. Фото-
Вакуумный	Фотоумножители In Sb- детекторы
фотоэлемент	Преооразователи
Газонаполненный изображения
фотоэлемент
[усиление за счет
газа в 3-8 раз)
Инфракрасные Фоторезисторы Фотоэлементы Фототранзисторы
детекторы Инфракрасные Фотодиоды Полевые
(п- или р- типа) детекторы	фототранзисторы
Фототиристоры
Лавинные
фотодиоды
Рис. 12.1. Систематизированная классификация наиболее важных фотодетекторов [79] (воспроизводится с разрешения
Texas Instruments).
462
Глава 12
Таблица 12.1. Фотоэлектрический порог We и длинноволновая
граница Хе щелочных металлов [79] (воспроизводится с разре-
шения Texas Instruments)
Щелочной металл	Фотоэлектрический порог We, эВ	Длинноволновая граница Хе, нм
Литий	2,4	517
Натрий	2,28	543
Калий	2,25	551
Рубидий	2,13	582
Цезий	1,94 (1,36)	639 (915)
электрический порог We определяется как минимальная энергия,
соответствующая работе выхода электрона. Если энергия фотона Wp
равна или больше работы выхода электрона We, то длинноволновая
граница Хе определяется выражением
Хе = 1,2398/Же	(12.1)
где We- работа выхода. Фотоэлектрические пороги We и длинновол-
новые границы для различных щелочных металлов приведены
в табл. 12.1, а на рис. 12.2 показана относительная спектральная чув-
ствительность этих металлов. Поскольку энергия фотона Wp обычно
превышает работу выхода электрона из щелочных металлов, электрон
приобретает кинетическую энергию Wk, равную разности этих двух
энергий:
wk = wp-we
(12.2)
Рис. 12.2. Относительная
спектральная чувстви-
тельность щелочных ме-
таллов [79] (воспроизво-
дится с разрешения Texas
Instruments).
Фотодетекторы
463
или Wk = chfk — We	(12.3)
где с-скорость света, h- постоянная Планка, X- длина волны. Внешний
фотоэффект используется в фоточувствительных устройствах, таких, как
вакуумные фотоэлементы (разд. 12.2.1) и фотоумножители (разд. 12.2.2).
Внутренний фотоэффект -это фотоэлектрическое явление, при кото-
ром электроны переходят из валентной зоны облучаемого вещества
в зону проводимости, в результате чего увеличивается электропровод-
ность вещества. Это увеличение электропроводности называется фото-
проводимостью. На практике внутренний фотоэффект используется
в собственных и примесных полупроводниках (разд. 12.3).
12.1.3.	Характеристики, по которым
сравниваются детекторы
Приводимые в коммерческих каталогах характеристики раз-
личных детекторов-чувствительность и эффективность обнаружения—
часто определяются по-разному. По этой причине перед тем, как срав-
нивать различные детекторы, необходимо привести все выражения
к одной форме. Это можно сделать, используя следующие определения
и формулы:
1.	Отношение сигнал-шум S/N -это отношение среднеквадратично-
го значения сигнального тока Is к среднеквадратичному значению шу-
мового тока 1п или отношение среднеквадратичного значения напряже-
ния сигнала Vs к среднеквадратичному значению шумового напряжения
К:
S/N = Is/In=Vs/Vn	(12.4)
где S-среднеквадратичный выходной сигнал детектора или системы де-
тектор-усилитель, N- среднеквадратичный шум детектора или системы
детектор-усилитель. Для измерения сигнала обычно используется мо-
дуляция и селективные измерительные схемы с узкой полосой пропуска-
ния (например, Д/= 5 гЦ), а результаты измерения обычно приводятся
к полосе Д/=1 Гц. Примечание: среднеквадратичное значение сигнала
(тока или напряжения)-это среднеквадратичное значение компоненты
электрического выходного сигнала, синфазной с входным излучением.
Шум также измеряется с использованием селективных методов (напри-
мер, Д/= 5 Гц) и обычно приводится к полосе Д/= 1 Гц. Примечание:
среднеквадратичное значение шума (тока или напряжения)-это средне-
квадратичное значение компоненты электрического выходного сигнала,
не синфазной с сигналом, и обычно измеряемой в отсутствие входного
излучения (шум в первом приближении пропорционален квадратному
корню из ширины полосы пропускания измерительной системы).
2.	Энергетический эквивалент шума NЕР -это коэффициент, показы-
вающий, сколь низкий уровень мощности падающего излучения Ее, вы-
464
Глава 12
раженной в единицах поверхностной плотности потока излучения
(разд. 2.3), можно зарегистрировать с помощью данного устройства.
Это мощность падающего излучения, при которой получается выход-
ной сигнал, мощность которого равна мощности шумов (среднеквадра-
тичное значение сигнала равно среднеквадратичному значению шума).
Другими словами, энергетический эквивалент шума-это нижний порог
чувствительности детектора с данной площадью фоточувствительной
области А, на котором полезный и шумовой сигналы равны:
NEP = NEeA/(S^Tf) Вт/Гц1/2	(12.5)
где N- величина шумового напряжения или тока (среднеквадратичное
значение), S- величина напряжения или тока выходного сигнала (сред-
неквадратичное значение), Ее- плотность потока излучения в энергети-
ческих единицах Вт/см2 '(разд. 2.3), Л-площадь фоточувствительной
области детектора (см2), Д/-полоса пропускания системы (Гц). Приме-
чание: на практике результаты измерения в единицах энергетического
эквивалента шума часто приводятся не в единицах Вт/Гц1/2, а в ваттах,
при этом ширина полосы пропускания системы считается равной 1 Гц.
Энергетический эквивалент шума введен с целью сравнения чувстви-
тельности различных типов детекторов.
3.	Световой эквивалент шума ENI-это коэффициент, используемый
в том случае, когда для расчетов выбирается плотность потока излуче-
ния, а не мощность падающего излучения:
ENI = NEP/А = NEe/(S ]/Af)	(12.6)
Это такая величина плотности потока падающего излучения, при кото-
рой получается выходной сигнал с мощностью, равной мощности шу-
мов (среднеквадратичное значение сигнала равно среднеквадратичному
значению шума).
4.	Способность к обнаружению D-это мера минимальной регистри-
руемой мощности падающего излучения:
D=1/NEP	(12.7)
или D = \/XfS/(NEeA)	(12.8)
Способность к обнаружению измеряется в единицах Гц1/2/Вт.
5.	Удельная способность к обнаружению D*-величина, учитывающая
тот факт, что энергетический эквивалент шумов регистрирующей си-
стемы пропорционален квадратному корню из площади чувствительной
поверхности детектора А:
D* = D\Z~A	(12.9)
или D* = ]/a/NEP	(12.10)
Фотодетекторы
465
или £>* = 1/(]/Л£М)	(12.11)
Другими словами, удельная способность к обнаружению дает величину
отношения сигнал-шум при эталонной полосе пропускания А/ = 1 Гц
и мощности падающего излучения на единицу площади детектора, рав-
ной 1 Вт. Удельная способность к обнаружению измеряется в единицах
см-Гц1/2/Вт. Примечание: на практике результаты измерений часто
приводятся в единицах см/Вт, а не см-Гц1/2/Вт.
6.	Спектральная чувствительность детектора (или чувствитель-
ность детектора к излучению) а-это отношение среднеквадратичного
значения напряжения сигнала Vs или сигнального тока Is к среднеква-
дратичному значению интенсивности падающего света, выраженной че-
рез плотность потока излучения Фе (Вт):
ъ=У8/Фе = 18/Фе	(12.12)
или су = К/(ЕеЛ) = Is/(EeA)	(12.13)
Спектральная чувствительность детектора измеряется в единицах В/Вт
или A/Вт. Спектральная чувствительность су, определенная для каждой
длины волны X (при освещении монохроматическим излучением с из-
вестной плотностью потока излучения), называется абсолютной спек-
тральной чувствительностью су(Х). Если построить зависимость абсо-
лютной спектральной чувствительности от длины волны, то получим
кривую абсолютной спектральной чувствительности, которую можно
использовать для сравнения различных детекторов. Иногда приводят
кривую относительной спектральной чувствительности, нормированную
таким образом, что ее величина на длине волны максимальной чувстви-
тельности равна единице.
Для детекторов с внешним фотоэффектом (фотоэлементы и фотоум-
ножители, у которых выходной сигнал измеряется в амперах) спек-
тральная чувствительность определяется как чувствительность к свето-
вому потоку, когда известная интенсивность света, падающего на
фотоприемник, измеряется как световой поток Фр (лм):
Фг = IvA<t)/r2 лм	(12.14)
где /p-сила света источника (кд) (разд. 2.2), А-площадь освещенного
участка детектора (м2), г-расстояние между источником света и детек-
тором (м), со-телесный угол, стягиваемый излучением (ср) (разд. 2.1.1).
Для детекторов с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления,
у которых выходной сигнал измеряется в омах, и фотоэлементы, у ко-
торых выходной сигнал измеряется в вольтах или амперах) спектраль-
ная чувствительность определяется как чувствительность к освещенно-
сти, когда известная интенсивность падающего на фотоприемник света
измеряется как освещенность Ev (лк):
Ер = lpco/г2 лк	(12.15)
30-644
466
Глава 12
где %-сила света источника (лм/ср или кд) (разд. 2.2), г-расстояние ме-
жду источником света и детектором (м), со - телесный угол, стягиваемый
излучением (ср) (разд. 2.1.1).
7.	Квантовая эффективность (или квантовый выход) Q определяется
как величина, пропорциональная отношению числа электронов, испу-
щенных за единицу времени, к мощности падающего излучения; она
выражается формулой
Q = (1239,8п/Х) х 100%	(12.16)
где су - спектральная чувствительность детектора [см. уравнение (12.12)]
(В/ВТ или А/ВТ), X- длина волны (нм).
8.	Для вакуумных фотоэлементов и фотоумножителей определяется
чувствительность в синей, красной и инфракрасной областях спектра.
Чувствительность для каждого цвета определяют, устанавливая фильтр
с заданными параметрами между лампой накаливания и детектором;
Таблица 12.2. Типичные характеристики фоточувствительных устройств [692]
(воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan)
Детектор	Порого- вый по- ток, Вт	Спект- ральный диапазон, нм	Длина волны в максиму- ме чувст- витель- ности, нм	Максимальный вы- ходной сигнал, мА	Q, %	Постоян- ная време- ни
ФЭУ (мультище- 10 15 лочной)	160-900	350	1-2 (постоянный) 100 (импульсный)	15	1-10нс
ФЭУ (бищелочной)Ю-16	160-730	420	1-2 (постоянный), 100 (импульсный)	25	1-10нс
ФЭУ (S-1)	10" 13 Вакуумный фото- 10 11 элемент	(б и ще- лочной) Бипланарный фотоэлемент Кремниевый	10 13 фоторезистор CdS фоторезистор 10“ 8 PbS фоторезистор, 10 11 300 К PbSe фоторезис- 10 9 тор, 300 К InSb фоторезистор, 10 12 77 К InAs фоторезистор, 10 13 77 К	400-1200 800 185-850 350 200-1100 200-1100 650-850 500-700 800-2850 2600 1000-5000 4000 1000-5500 5300 1000-3500 3200		1-2 (постоянный), 100 (импульсный) 10“4-10’2 (постоянный) 30-300	0,4 25 74	1-10нс 0,5 нс 1-300 мкс 1-30 мс 1-5 мс 1-10мкс 1 мкс 1 мкс
Фотодетекторы
467
она выражается отношением чувствительностей с фильтром и без филь-
тра (разд. 12.2.2.3).
В табл. 12.2 приведены типичные характеристики фоточувстви-
тельных устройств.
12.1.4.	Основные правила выбора фотодетекторов
для регистрации света
Существует много значительно различающихся типов детекто-
ров. При выборе и эксплуатации фотодетектора надо руководствовать-
ся следующими правилами:
1.	Согласование детектора с источниками света. Спектральная ха-
рактеристика фоточувствительных устройств неплоская. Необходимо
выбирать такой детектор, с которым получается максимально возмож-
ная эффективность. Если спектральный состав света имеет более широ-
кие границы по длинам волн, чем требуемый диапазон, контроли-
руемый с помощью детектора, и если последний обладает чувствитель-
ностью в этом избыточном спектральном диапазоне, то необходимо
устанавливать отсекающие фильтры с целью устранения ошибок реги-
страции и уменьшения шума.
2.	Порог чувствительности. Для системы регистрации света суще-
ствует минимальная регистрируемая световая энергия, определяемая
шумом и эффективностью преобразования детектора, даже если под-
ключенный к нему усилитель почти не дает шума. При регистрации
очень слабых световых потоков нельзя пренебрегать флуктуациями све-
та, поэтому такие потоки трудно регистрировать точно. В этом случае
необходимо охлаждать детектор, сужать полосу пропускания регистри-
рующей системы или проводить подсчет квантов.
3.	Время нарастания. Когда на детектор приходит свет в виде им-
пульса, для точного воспроизведения формы входного светового сигна-
ла наиболее важным параметром является время нарастания детектора.
Необходимо обращать внимание не только на постоянную времени де-
тектора, но и на рабочее напряжение и параметры электронной схемы,
следующей за детектором (главным образом на нагрузочный резистор).
4.	Максимальный выходной сигнал. Каждый детектор имеет свой
предельный выходной ток или напряжение. Как правило, максимальный
выходной сигнал меньше для более чувствительных детекторов, так что
может потребоваться усиление с помощью внешнего усилителя. Детек-
тор всегда лучше использовать при более низком уровне выходного
сигнала, чем указываемый в его паспорте максимальный выходной сиг-
нал, поскольку при выходных сигналах, близких к максимальному, ха-
рактеристика становится нелинейной, ухудшается стабильность и умень-
шается срок службы детектора.
5.	Максимально допустимые параметры. Каждый детектор имеет
свои абсолютные максимально допустимые значения параметров. Если
подать напряжение питания, превосходящее максимально допустимое,
468
Глава 12
то детектор может выйти из строя. По этой причине рабочие пара-
метры не должны превышать максимально допустимых величин.
6.	Хранение детектора. Если детектор систематически облучается
прямым солнечным или сильным искусственным светом, то возрастает
его темновой ток и ухудшается чувствительность, даже если напряжение
питания не подается. Все детекторы следует хранить в темной сухой
комнате или в коробке.
12.2.	ФОТОДЕТЕКТОРЫ С ВНЕШНИМ
ФОТОЭФФЕКТОМ
Существуют следующие типы фотодетекторов с внешним фо-
тоэффектом: 1) фотоприемники без усиления (фотоэлементы)
(разд. 12.2.1); 2) фотоприемники с усилением (фотоумножители)
(разд. 12.2.2).
12.2.1.	Фотоприемники без усиления
(фотоэлементы)
Фотоэлементы состоят из фотокатода и анода, расположенных
в вакуумной колбе (вакуумные фотоэлементы) или в колбе, заполнен-
ной газом (газонаполненные фотоэлементы).
Поверхность фотокатода изготавливается либо из смесей одних
только щелочных металлов, либо из их смесей с другими элементами,
таких, как: 1) калий - рубидий (K-Rb), 2) кремний-сурьма (Si-Sb), 3)
цезий-сурьма (Cs-Sb), 4) цезий-теллур (Cs-Te), 5) галлий-мышьяк
[Ga-As(Cs)], 6) Ag-O-Cs, 7) мультищелочные смеси. Относительная
спектральная чувствительность различных щелочных металлов показа-
на на рис. 12.2.
Фотоэлемент может включать боковой (рис. 12.3) или торцевой
(рис. 12.4) фотокатод. Спектральная характеристика фотокатода опреде-
ляется материалами, из которых изготовлены поверхность фотокатода
и входное окошко [стекло, пропускающее УФ излучение, плавленый
кварц или боросиликатное стекло (гл. 8)]. Существует линейная связь
между фототоком 1р вакуумного элемента и входной энергетической ос-
вещенностью Ее.
В газонаполненных фотоэлементах фотоэлектроны, ускоряющиеся
под действием электрического поля между катодом и анодом, создают
вторичные электроны при столкновении с атомами газа (обычно арго-
на). Это приводит к увеличению электронного тока на аноде, в то время
как положительные ионы газа диффундируют к катоду. Бомбардировка
фотокатода ионами вызывает большее ухудшение чувствительности со
временем, чем в вакуумных фотоэлементах. Благодаря образованию
вторичных электронов газонаполненные фотоэлементы обладают не-
большим усилением (G = 3 — 8). В газонаполненных фотоэлементах, ра-
ботающих при более высоких напряжениях, не существует линейного
Рис. 12.3. Фотоэлемент с бо-
ковым фотокатодом [693] (вос-
производится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Рис. 12.4. Фотоэлементы с тор-
цевым фотокатодом [693] (вос-
производится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
470
Глава 12
Рис. 12.5. Система для измерения световой чувствительности фотоэлементов
[699] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
соотношения между фототоком 1р и входной энергетической освещен-
ностью Ее. Рабочие напряжения составляют 60-70% напряжения про-
боя. Световую чувствительность фотоэлементов можно измерить с по-
мощью схемы, показанной на рис. 12.5.
12.2.1.1.	Специальные фотоэлементы
Имеются специальные фотоэлементы двух типов:
1.	Бипланарные фотоэлементы (рис. 12.6) используются для измере-
ния света от лазеров (рис. 12.7); быстродействие этих приборов очень
велико (субнаносекундная область). Для получения точной величины
треноги.
Рис. 12.6. Конструкция бипланарного фотоэлемента [692] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
/-выходной высокочастотный коаксиальный разъем. 2 бипланарный фотоэлемент, 3-фотокатод, 4 -изоли-
рующий материал, 5 конденсатор 300 пФ
Фотодетекторы
471
Рис. 12.7. Спектральная характеристи-
ка бипланарного фотоэлемента [693]
(воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Приложенное напряжение, В
Рис. 12.8. Время нарастания бипланар-
ного фотоэлемента [693] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
времени нарастания измерительной системы (рис. 12.8) при исследова-
нии очень быстрых процессов следует принимать особые меры пре-
досторожности ; рекомендуется использовать металлический кожух
с устройством, согласующим фотоэлемент с широкополосным осцилло-
графом.
2.	УФ-троны (детекторы УФ излучения) (рис. 12.9)-это разрядные
трубки, запуск которых происходит под действием слабого УФ излуче-
ния. Их спектральная характеристика расположена только в УФ диапа-
зоне спектра (рис. 12.10) (они не чувствительны ни к видимому, ни к ИК
излучению). На рис. 12.11 показана схема включения УФ-трона.
12.2.2.	Фотоумножители
Литература 268, 581
Фотоумножитель, или фотоэлемент с усилением (ФЭУ)-это
устройство, состоящее из 1) катода, эмитирующего фотоэлектроны (фо-
токатода), 2) секции электронного умножителя (называемой динодной
системой), 3) коллектора фотоэлектронов (анода) (рис. 12.12). Все эти
компоненты размещены в вакуумной колбе.
Фотоумножители можно разбить на две группы в соответствии
с геометрическим расположением фотокатода:
1. С боковым расположением фотокатода, при котором свет прохо-
дит через боковую поверхность стеклянной колбы (рис. 12.13). Стой-
Рис. 12.9 УФ-троны [692] (во-
спроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Длина волны, нм
Рис. 12.10. Спектральные характери-
стики УФ-тронов [693] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
Рис. 12.11. Схема включения УФ-трона [693] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
473
Рис. 12.12. Сечение фотоумножителя [700] (во-
спроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
1 -фотокатод, 2-секция электронного умножителя, 3-анод
мость таких ФЭУ относительно невелика, и они широко используются
в спектрофотометрах и экспозиметрах. Во всех ФЭУ с боковым распо-
ложением фотокатода применяется динодная система кругового типа,
обладающая высоким усилением и адекватной чувствительностью при
относительно низком напряжении питания. Такая динодная система ха-
рактеризуется малым расстоянием от фотокатода до первого динода
и меньшей восприимчивостью к магнитным полям, но однородность
(разд. 12.2.2.11) может оказаться недостаточной. Это необходимо
учитывать при выборе фотоумножителя для конкретного применения.
2. С торцевым расположением фотокатода, при котором падающее
излучение проходит через торец стеклянной колбы (рис. 12.14). У фо-
тоумножителя такого типа полупрозрачный катод нанесен на внутрен-
нюю поверхность стеклянного окошка. Поскольку торцевые ФЭУ обла-
дают лучшей однородностью и эффективностью сбора излучения,
именно они в основном используются для измерения сцинтилляций.
ФЭУ такого типа также хорошо подходят для приложений, связанных
со счетом фотонов (разд. 12.2.2.17), поскольку они имеют меньший шум.
Из других преимуществ можно назвать большую площадь фотокатода
(до 280 см2) (например, у фотоумножителей фирмы ЕМ1); благодаря
этому появляется возможность регистрации очень слабых и диффузных
источников света, а также фокусировки изображений на окошко. Диа-
метры фотокатодов лежат в интервале 10-190 мм.
При выборе катода соответствующего размера следует рассматри-
вать два основных фактора: 1) если оптический сигнал имеет диффуз-
ную природу, то число зарегистрированных фотонов просто пропорцио-
нально площади катода; 2) если оптический сигнал можно сфокусиро-
вать (например, в случае лазерного излучения), то лучше использовать
катод с малой площадью. Примечания: 1) выбор фотокатода с большей
474
Глава 12
Рис. 12.13. Фотоумножитель с бо-
ковым расположением фотокатода
(воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Рис. 12.14. Фотоумножитель с тор-
цевым расположением фотокатода
(воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
площадью может определяться другими причинами, связанными
с однородностью катода, разрешением и эффективностью сбора излуче-
ния; 2) доминирующим источником фонового сигнала при комнатной
температуре является термоионная эмиссия с катода (этот вклад прямо
пропорционален площади катода).
В настоящее время используются динодные системы четырех типов
(рис. 12.15):
1.	Круговая система в основном применяется в боковых ФЭУ, но
иногда используется и в торцевых. Главным преимуществом такой си-
стемы является компактность.
2.	Коробчатая система с вспомогательными сетками состоит из це-
почки динодов, по форме представляющих собой одну четвертую часть
цилиндрической поверхности. Коробчатые диноды широко используют-
ся в торцевых ФЭУ благодаря относительно простой конструкции элек-
тродов и лучшей однородности. Однако для некоторых приложений мо-
гут возникнуть трудности, связанные с временными характеристиками.
Фотодетекторы
475
Рис. 12.15. Динодные системы различных типов [700] (воспроизводится с разре-
шения Hamamatsu TV Со., Japan).
a-круговая (боковой ввод излучения), б-круговая (торцевой ввод излучения), e-коробчатая с вспомога-
тельными сетками, г линейная фокусирующая, б-жалюзийная
3.	Особенностью линейной фокусирующей системы является высокое
быстродействие. Ее постоянная времени приблизительно в два раза
меньше постоянной времени коробчатой системы, и поэтому она ис-
пользуется в тех приложениях, где требуется хорошее временное разре-
шение ; для улучшения временных характеристик на диноды часто пода-
ется повышенное напряжение, поэтому их следует изготавливать из
материалов, способных выдерживать высокое напряжение.
4.	Жалюзийная система имеет большую площадь динодов (благода-
ря чему упрощается конструкция коллектора фотоэлектронов), а также
лучшую однородность и больший выходной ток. Эта система обычно
используется в тех случаях, когда временные характеристики не играют
первостепенной роли.
12.2.2.1.	Спектральная характеристика фотокатода
Когда фотоны попадают на фотокатод, из него в вакуумный
объем фотоумножителя испускаются фотоэлектроны, число которых
пропорционально числу падающих фотонов. Коэффициент пропорцио-
нальности зависит от длины волны фотонов и эта зависимость во всем
диапазоне длин волн называется спектральной характеристикой. Спек-
тральная характеристика определяется материалами фотокатода
и окошка. Длинноволновая граница зависит от материала фотокатода
(рис. 12.16), а коротковолновая - от материала окошка.
Для изготовления фотокатодов используются следующие мате-
риалы :
1.	Ag-O-Cs (для регистрации излучения в ближнем ИК диапазоне).
2.	Sb-Cs (используется чаще других).
3.	Cs-K(Rb)-Sb (часто используемый «бищелочной фотокатод»;
476
Глава 12
Рис. 12.16. Спектральные характеристики фотокатодов [693] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
шум у этого материала меньше, чем у Sb-Cs, и он применяется при из-
готовлении фотокатодов для сцинтилляционной техники).
4.	Cs-Na-K-Sb («мультищелочной фотокатод»; его спектральный
диапазон простирается от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной
области; широко применяется в спектрофотометрах и в приложениях,
связанных со счетом фотонов).
5.	Cs-Te и Cs-/ [чувствительны только к небольшой области ближ-
него УФ излучения, а к видимому свету-нет (такие материалы назы-
ваются солнечно слепыми); в частности, Cs-/ не чувствителен к излуче-
нию с длинами волн короче 220 нм].
6.	Ga-As(Cs) (спектральная характеристика этого материала очень
плоская и перекрывает широкий диапазон длин волн, как у мультище-
лочных катодов).
Для изготовления оптических окошек используются следующие ма-
териалы (рис. 12.17): 1) боросиликатное стекло применяется наиболее
часто (пропускает излучение с длинами волн от 280 нм и до ИК обла-
сти); 2) стекло, прозрачное для УФ излучения; 3) плавленный кварц
(кварцевое стекло) Spectrosil; 4) фтористый магний (пропускает излуче-
Фотодетекторы
477
g 100
&
§ 80
&
% во
St
I «7
20
1
100	150 ZOO Z50	300	350
Длина волны, нм
Рис. 12.17. Относительное пропускание оптических окошек из различных мате-
риалов [701] (воспроизводится с разрешения Thorn EMI, England).
ние с длинами волн короче 115 нм; окошко из MgF2 обычно вклеивают
в цилиндрическую колбу из стекла, прозрачного для УФ излучения,
с помощью специального клея); 5) свинцовое стекло.
Для описания спектральной характеристики фотокатода используют-
ся следующие параметры:
1) Спектральная чувствительность катода (чувствительность като-
да к излучению) ст (X) - отношение фототока с катода (сигнального тока)
Is (мА) к мощности падающего излучения Фе (Вт):
ст = Д/Фе
(12.17)
или cr = 7se?i/(/ic) = e?i/l,2398	(12.18)
где Q-квантовая эффективность [см. уравнение (12.16)], X-длина волны
(нм), h-постоянная Планка, с-скорость света.
2. Спектральная квантовая эффективность катода <2(Х)- среднее
число фотоэлектронов, эмитированных с фотокатода, деленное на число
падающих фотонов:
б(Х) = (1,2398ст(Х)/Х) х 100%	(12.19)
где ст(Х)-спектральная чувствительность катода (mA/Вт) [см. уравнение
(12.17)], X-длина волны (нм). Примечание: в некоторых работах спек-
тральная квантовая эффективность катода <2(Х) обозначается как QE
или г). Квантовая эффективность типичных фотокатодов показана на
рис. 12.18. Правильно выбранным катодом будет такой, который имеет
максимальную квантовую эффективность на нужной длине волны или
в нужном диапазоне длин волн.
Для измерения спектральных характеристик фотокатодов требуются
громоздкие системы и много времени. Информация о квантовой эффек-
478
Глава 12
Рис. 12.18. Квантовая эффективность типичных катодов [202] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
тивности катода приводится вместе с значениями длин волн, соответ-
ствующих максимумам характеристики. Спектральная квантовая эффек-
тивность катода 2(Х) = 25% при X = 400 нм эквивалентна спектральной
чувствительности катода ст(Х) = 80,7 mA/Вт. Примечание: ввиду широко-
го использования лазеров спектральная чувствительность катодов часто
выражается в единицах мА/Вт.
Обмен энергией между фотонами и фотоэлектронами описывается
уравнением Эйнштейна:
hc/k=We + ^	(12.20)
где We- кинетическая энергия электрона, вышедшего из катода
(разд. 12.1.2), ф-работа выхода катода, h - постоянная Планка, с-ско-
рость света, X-длина волны. Члены уравнения (12.20) удобно выражать
в электронвольтах (эВ). Для видимого излучения соотношения he/к ~
~ 2 эВ и We = 0 определяют длинноволновую границу, за которой испу-
скание фотоэлектронов энергетически невозможно:
k0 = hc/ty	(12.21)
В металлах значение Хо определено хорошо, но в полупроводниках кри-
вая чувствительности заходит за Хо вследствие присутствия примесных
центров. При коротких длинах волн We велика и выход фотоэлектронов
большой, но при лишь немногие электроны получают энергию,
достаточную для выхода с поверхности. Теоретически величина Q не
может быть выше 50%, на практике достигаются ее значения до 40%.
Фотодетекторы
479
12.2.2.2.	Световая характеристика
Катодная световая характеристика -это зависимость фотото-
ка с фотокатода от величины светового потока при заданных условиях,
а именно при использовании в качестве источника света стандартной
лампы накаливания, работающей при температуре, соответствующей
спектральному распределению энергии излучения и равной 2856 К.
Анодная световая характеристика -это зависимость выходного анодно-
го тока, усиленного умножителем электронов, от величины светового
потока, падающего на фотокатод. Хотя для измерений используется од-
на и та же лампа накаливания, световой поток и напряжение питания
следует регулировать. Катодная и анодная световые характеристики вы-
ражаются в единицах А/лм. Примечание: люмен - единица измерения
светового потока (разд. 2.1), и эти характеристики могут оказаться не-
применимыми для фотоумножителей, чувствительных вне видимого
диапазона. На рис. 12.19 и 12.20 приведены соответственно кривая вид-
ности и спектральное распределение излучения лампы накаливания
(2856 К), соответственно.
12.2.2.3.	Синяя и красная чувствительности катода
Для упрощения сравнения спектральных характеристик фо-
тоумножителей используются следующие характеристики:
1.	Синяя чувствительность катода измеряется с использованием из-
лучения лампы накаливания, пропущенного через синий фильтр (напри-
мер, фильтр Corning CS-5-58, рис. 12.21), при заданных условиях. После
Рис. 12.19. Кривая видности лампы
накаливания [700] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
Рис. 12.20. Спектральное распределе-
ние излучения лампы накаливания
(2856 К) [700] (воспроизводится с раз-
решения Hamamatsu TV Со., Japan).
480
Глава 12
Рис. 12.21. Относитель-
ное пропускание филь-
тров, используемых для
определения характери-
стик фотокатодов [700,
701] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu
TV Со., Japan и Thorn
EMI, England).
прохождения светового потока через синий фильтр его интенсивность
нельзя измерять в люменах, поэтому она выражается в амперах на лю-
мен-синий. Эта величина очень важна для сцинтилляционной техники,
поскольку большинство сцинтилляторов создает излучение в синей
области спектра.
2.	Красная чувствительность катода измеряется с использованием
излучения лампы накаливания, пропущенного через красный фильтр
[например, фильтр Coming CS-2-62 или фильтр Toshiba R-68
(рис. 12.21)], при заданных условиях. Она выражается в виде отношения
к катодной световой характеристике для белого света.
3.	Инфракрасная чувствительность катода измеряется с использова-
нием излучения лампы накаливания, пропущенного через ИК фильтр
[например, Toshiba IR-D80A либо фильтр Wratten 87 или Wratten 88А
(рис. 12.21)].
Примечание: если возможно, то следует выбирать и использовать
катод с минимальной красной чувствительностью; высокая красная чув-
ствительность получается для катодов с низкой работой выхода и, сле-
довательно, высокой термоионной эмиссией. Когда требуется красная
чувствительность, лучше всего использовать бищелочной катод, по-
скольку он обладает минимальной термоионной эмиссией по сравне-
нию со всеми остальными катодами. Если необходимы и красная чув-
ствительность, и низкий шум, то следует рассмотреть возможность
применения трищелочного катода, а для уменьшения темнового тока
использовать охлаждение.
Фотодетекторы
481
12.2.2.4.	Анодная чувствительность и усиление тока
Фотоэлектроны, испускаемые с фотокатода, попадают на
первый динод и создают вторичные электроны, которые затем попа-
дают на следующий динод и вызывают дополнительную эмиссию вто-
ричных электронов (рис. 12.22). Этот процесс повторяется на всех дино-
дах, в результате чего получается усиление тока. Слабый входной
фототок можно преобразовать на выходе фотоумножителя в сильный
ток, снимаемый с анода. Коэффициент вторичной эмиссии 5 является
функцией напряжения на диноде V^:
8 = AVH	(12.22)
где А-константа, а-определяемая материалом и конструкцией динода
постоянная, обычно равная 0,7-0,8.
Когда напряжение V прикладывается между фотокатодом и анодом
фотоумножителя, имеющего п динодных каскадов, полное усиление
G фотоумножителя описывается выражением
G = (AK3)"= {А[У/(п+ 1)]“}"= КапА7(п + 1)ап=ККаи	(12.23)
Чем больше каскадов, тем больше усиление при данном напряжении
(рис. 12.23). Поскольку обычно фотоумножитель имеет 9-12 динодных
каскадов, изменение анодной чувствительности пропорционально 6-10
степени изменения приложенного напряжения. Поэтому выходной сиг-
Рис. 12.22. Процесс усиления
в динодной системе [202] (во-
спроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
31-644
482
Глава 12
Рис. 12.23. Зависимость усиления
от приложенного напряжения для
фотоумножителей с различным
числом динодных каскадов из
Sb-Cs [701] (воспроизводится
с разрешения Thom EMI, England).
Число каскадов: кривая 2-13, 2-11, 3 — 10, 4-9;
5-6.
нал фотоумножителя чрезвычайно чувствителен к флуктуациям напря-
жения источника питания, который должен быть очень стабильным, т. е.
иметь минимальные пульсации и дрейф напряжения.
12.2.2.5.	Динодное напряжение в фотоумножителях
Чувствительность фотоумножителя зависит от изменений при-
ложенного напряжения. Как правило, требуемая стабильность источни-
ка питания для фотоумножителя составляет одну десятую стабильности
выходного сигнала ФЭУ. Напряжение на каждый динодный каскад фо-
тоумножителя подается с помощью делителя, составленного из после-
довательно включенных резисторов (рис. 12.24). В такой схеме делителя
напряжение между последними динодами уменьшается при увеличении
входного светового потока. Это уменьшение напряжения перераспреде-
ляется между остальными динодами, и в результате чувствительность
увеличивается, но при этом могут возникать отклонения от линейности.
Если световой поток увеличивается еще больше, то анодный ток дости-
гает насыщения (ток насыщения приблизительно равен току, протекаю-
щему в последовательно соединенных резисторах). Таким образом, при
использовании такого делителя существует предельное значение свето-
вого потока, приходящего на фотокатод, т.е. выходной ток ограничен.
Рекомендуется поддерживать максимальное значение выходного тока
не более 1/12-1/15 тока в цепочке резисторов. Для устранения этой про-
блемы между последним динодом и анодом можно включить стабили-
трон (рис. 12.24,6).
Как правило, большой ток требуется для тех приложений, где полу-
чается импульсный выходной ток. Для получения импульсов тока боль-
Фотодетекторы
483
-НТ
-НТ
Рис. 12.24. Схемы делителей для фо-
тоумножителей [700] (воспроизводит-
ся с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
а-делитель напряжения; б, в-варианты делителя
для работы с большими токами.
шой амплитуды параллельно делителю подключаются конденсаторы
(рис. 12.24, в). В этом случае напряжение между каждым каскадом будет
поддерживаться постоянным при наличии импульса. Например, когда
максимальное значение тока составляет 10 мА, а длительность импуль-
са равна 1 мкс, конденсатор должен иметь емкость более 0,1 мкФ. При
работе в режиме счета фотонов для получения высокого отношения сиг-
нал-шум лучше подавать высокий потенциал на анод. Однако высокое
отношение сигнал-шум получается и при подаче высокого потенциала
на катод, если поддерживать внешнюю поверхность колбы под потен-
циалом катода. Схемы делителей напряжения объединяются с панель-
кой в единый блок [таковы устройства типов D , DP и DA, произво-
димые фирмой Hamamatsu TV Со., Japan, (рис. 12.25)]. Эти блоки
компактны, имеют малый вес, удобны в обращении и уплотнены сили-
коновой резиной с целью предотвращения воздействия влажности.
1 Силиконовая
“ резина
Тип DA
Тип DA
Рис. 12.25. Различные типы делителей напряжения, объединенных с панелькой
[700] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
31*
484
Глава 12
12.2.2.6.	Линейность
Линейность -это постоянство отношения выходного тока фо-
тоумножителя к уровню падающего излучения. Выходной ток откло-
няется от идеальной зависимости при увеличении мощности приходя-
щего на ФЭУ излучения (рис. 12.26). Основные причины, вызывающие
это отклонение:
1.	Эффект уменьшения фототока, обусловленный сопротивлением
фотокатода. Этот эффект наблюдается только в тех случаях, когда на
полупрозрачные фотокатоды падает очень интенсивное излучение. Он
приводит к уменьшению отношения выходного тока ФЭУ к уровню па-
дающего излучения.
2.	Изменение потенциала динодов, вызванное шунтированием тока
делителя при больших токах в ФЭУ. Отношение выходного тока ФЭУ
к уровню падающего излучения при этом уменьшается.
3.	Влияние пространственного заряда при больших плотностях тока.
Отношение выходного тока ФЭУ к уровню падающего излучения мо-
жет как уменьшаться, так и увеличиваться.
Линейность в основном зависит от конструкции динодной системы
и приложенного напряжения. Динодные системы с лучшими временны-
ми характеристиками обеспечивают и лучшую линейность. На линей-
ность оказывает заметное влияние резисторный делитель, распределяю-
щий разности потенциалов по динодам. Обычно весьма эффективно
сказываются на улучшении линейности большой ток делителя, исполь-
зование развязывающих конденсаторов между последними динодами
с целью поддержания на них постоянного напряжения, а также исполь-
зование делителя специальной конструкции, в котором на последние ди-
ноды подается более высокое напряжение с целью уменьшения влияния
пространственного заряда (так называемый клиновидный делитель на-
пряжения). На рис. 12.27 показаны для сравнения характеристики ФЭУ
при различных делителях напряжения.
Интенсивность света
Рис. 12.26. Типичная линейность
выходного тока как функция интен-
сивности света [202] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
Фотодетекторы
485
Рис. 12.27. Типичная линей-
ность выходного тока для раз-
личных делителей напряжения
[202] (воспроизводится с разре-
шения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
12.2.2.7.	Полярность питающего напряжения
и НА-покрытия
Как правило, на катод фотоумножителя подается высокое на-
пряжение отрицательной полярности, а на анод-потенциал земли. Од-
нако фотоумножитель может работать и в том случае, если на анод
подается высокое напряжение, а катод заземляется. При включении по
такой схеме уменьшается шум фотоумножителя, поскольку фотокатод
имеет такой же потенциал, что и кожух, в котором он смонтирован.
В этом случае между анодом и предусилителем необходимо устанавли-
вать высоковольтный конденсатор (рис. 12.28). Если конденсатор обла-
дает утечкой, то может увеличиться шум; поэтому важно использовать
высококачественный конденсатор. Внешняя часть колбы некоторых
Рис. 12.28. ФЭУ с заземленным катодом [700] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
486
Глава 12
Рис. 12.29. НА-покрытие [700] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
/-проводящая краска (под потенциалом катода); 2-черное изоли-
рующее покрытие.
ФЭУ покрывается проводящей краской, соединенной с катодом, а за-
тем- изолирующим материалом (рис. 12.29). Это так называемое НА-
покрытие позволяет уменьшить шумы при работе и с заземленным ка-
тодом, и с заземленным анодом. НА-покрытие можно нанести на колбу
фотоумножителя любого типа.
12.2.2.8.	Темновой ток
Литература: 1082, 1446, 1461, 1486, 1573, 1641, 1819.
Выходной ток снимается с анода фотоумножителя даже в том
случае, когда последний работает в полной темноте. Величина этого
темнового тока определяет предельную способность к обнаружению
и разрешение фотоумножителя. Темновой ток в фотоумножителе поро-
ждают следующие причины:
1.	Омическая утечка (ток утечки), возникающая в результате несо-
вершенной изоляции стеклянного цоколя и панельки. Такой утечке мо-
гут способствовать и загрязнения в виде пыли и влаги между проводни-
ками. Панельки всегда должны быть чистыми. При загрязнении их
следует погрузить в безводный спирт и высушить на чистом воздухе.
2.	Термоионная эмиссия электронов с фотокатода или динодов. Ее
можно уменьшить путем охлаждения фотоумножителя (разд. 12.2.2.10),
что показано на рис. 12.30. В приложениях, связанных со счетом фото-
нов, охлаждение фотоумножителя является одним из наиболее важных
факторов. Поскольку в вакуумной трубке теплопередача хуже, охлажде-
ние обычно требует некоторого времени. Однако в торцевых фотоумно-
жителях фотокатод непосредственно контактирует с внутренней поверх-
ностью входного окошка и, таким образом, охлаждать его очень удоб-
Фотодетекторы
487
Рис. 12.30. Типичные тем-
пературные характери-
стики темнового тока
[700] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu
TV Со., Japan).
Окружающая температура *С
но. Предельный диапазон окружающих температур для фотоэлементов
и фотоумножителей всех типов составляет от — 80 до + 50°С. При тем-
пературе ниже — 80°С колба может разрушиться вследствие различия
коэффициентов теплового расширения у стеклянной оболочки и панель-
ки. В качестве хладагентов применяются жидкий азот и сухой лед, но
при этом возникают затруднения, связанные с каплями воды и измо-
розью. В продаже имеется несколько типов термоэлектрических охлади-
телей (охладители Пельтье), работающих в диапазоне температур от
— 40 до + 40°С. Окошки в таких охладителях изготавливаются из необ-
мерзающего вакуумного плавленного кварца или боросиликатного
стекла.
3.	Ионизация электронами остаточных газов в колбе. Ионы, ко-
торые образуются из газов, оставшихся в колбе фотоумножителя после
ее откачки, могут создавать фоновые импульсы (называемые постим-
пульсами) с амплитудой до 20 эквивалентных фотоэлектронов. Этот ис-
точник коррелированного шума может создавать проблемы при изме-
рении очень низких уровней света. Частота следования постимпульсов
зависит от типа фотоумножителя, потенциала между катодом и первым
динодом и свойств усилителей (разд. 12.2.2.18). Ионизационный ток ста-
новится заметным вблизи максимального приложенного напряжения.
Рекомендуется использовать напряжения, на 200-300 В меньшие макси-
мального рабочего напряжения фотоумножителя.
4.	Черенковское излучение от космических лучей. Когда заряженная
частица пролетает со скоростью, превышающей скорость света в дан-
ной среде, в некотором телесном угле относительно направления движе-
488
Глава 12
ния частицы генерируется черенковское излучение. Интенсивность пото-
ка космических лучей на уровне моря приблизительно равна
1 частицаДмин • см2), при этом получается сигнал, эквивалентный 10-100
фотоэлектронам, в зависимости от толщины окошка фотоумножителя
и типа катода. За начальным сигналом следует серия одноэлектронных
импульсов (число которых может доходить до 50) с периодом следова-
ния около 100 мкс. Этот источник фоновых импульсов может создавать
трудности при измерении очень низких уровней света.
5.	Вклад от радиоактивных изотопов (40К, 238U и 232Th), присут-
ствующих в стекле фотоумножителя и в окружающей среде. При распа-
де изотопов получается световое излучение по механизму эффекта Че-
ренкова, а также электроны вследствие прямого взаимодействия
с катодом.
На рис. 12.31 показан типичный спектр фотоумножителя с отме-
ченными вкладами от различных источников темновых отсчетов. При-
мечание: в идеальном фотоумножителе темновые отсчеты непосред-
ственно связаны с темновым током; в реальном ФЭУ эти две величины
в большинстве случаев коррелируют плохо, поскольку не обязательно
источники темнового тока будут давать вклад в темновые отсчеты; ток
утечки между анодом и другими электродами может увеличивать тем-
новой ток без возрастания темновых отсчетов. Если фотоумножитель
предназначен для измерения стационарных или медленно изменяющих-
Скоростъ счета
постимпильсов
>ЗЭФ = 6,ОЗ% на
фотоэлектрон
Постимпульсы
и вклад от
40K, 238и, 232Th
1	10	100
Эквивалентные фотоэлектроны (ЭФ)
Интегральный
фоновый счет
Вклад от
космичес-
ких лучей
15
г
0,3
Рис. 12.31. Амплитудные
распределения сиг-
нальных (•) и фоновых
(О) импульсов для типич-
ного фотоумножителя
с бищелочным катодом
и линейной фокусирую-
щей динодной системой
(тип 9813) [701] (воспрои-
зводится с разрешения
Thom EMI, England).
Фотодетекторы
489
ся интенсивностей света, то темновой ток будет критическим параме-
тром. В тех случаях, когда ФЭУ используется в приложениях, связанных
со счетом фотонов, важной характеристикой является скорость темно-
вого счета. Большинство изготовителей предпочитают указывать в спе-
цификациях темновой ток из-за легкости его измерения. Можно полу-
чить распределение шумовых импульсов, измеряя скорость счета
в зависимости от амплитуды импульсов. Эти измерения сложнее, но
производители фотоумножителей (например, фирма EMI) предоста-
вляют такую информацию, относящуюся к отдельным ФЭУ, по спе-
циальному запросу.
12.2.2.9.	Магнитное экранирование фотоумножителей
Большинство фотоумножителей в той или иной степени чув-
ствительны к влиянию магнитных полей. Эти поля могут отклонять
электроны от их нормальных траекторий, в результате чего изменяется
усиление. Степень уменьшения или увеличения усиления зависит от ти-
па фотоумножителя. На рис. 12.32 показаны типичные кривые, иллю-
стрирующие влияние магнитного поля на фотоумножители некоторых
типов.
Степень влияния магнитных полей определяют следующие факторы:
1.	Конструкция динодной системы и материал, из которого изгото-
влен фотоумножитель. Обычно динодные системы линейного типа весь-
ма чувствительны к магнитным полям и иногда реагируют даже на
магнитное поле Земли. Жалюзийные системы и коробчатые системы
с вспомогательными сетками менее чувствительны. На внутренние
области динодной системы магнитное поле влияет слабо, поскольку ди-
ноды изготавливаются из ферромагнитных материалов (таких, как ни-
кель) и расстояния между динодами малы, так что влияние поля на
электроны внутри динодов незначительно.
2.	Напряжение между динодами. Чем выше напряжение между дино-
дами, тем меньше влияние магнитного поля.
3.	Размеры и конфигурация фотоумножителя. Фотоумножители
с большим расстоянием от фотокатода до первого динода, как правило,
очень чувствительны к магнитным полям. ФЭУ меньшего размера ха-
рактеризуются меньшей чувствительностью.
4.	Направление магнитного поля. Если фотоумножитель линейного
типа поместить в магнитное поле, то минимальный эффект будет созда-
ваться компонентой поля, параллельной оси ФЭУ.
Для защиты фотоумножителя от магнитных полей рекомендуются
следующие меры:
1.	Фотоумножитель должен работать вне сильных магнитных полей.
2.	Фотоумножитель необходимо помещать в металлический кожух
(экран). При работе фотоумножителя в слабых магнитных полях (мень-
ше 10 Гс) очень эффективен тонкий материал с большой магнитной
490
Глава 12
1,0
ц 0,6
§ ►$
11
q 0,2
8| «'
* S
g § 0,06
g S
§|>
§	0,02
1
noi
-ю -зо -zo -io о ю го зо ю
Плотность магнитного потока, Гс
Рис. 12.32. Типичные зависимости, иллюстрирующие влияние магнитных полей
на фотоумножители [700] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
Типы фотоумножителей: кривая /-с боковым вводом излучения; 2-с торцевым вводом излучения.
проницаемостью (пермаллой). При работе фотоумножителя в сильных
магнитных полях следует использовать толстый экран из слабонасы-
щающегося материала (мягкое железо), надетый на экран из материала
с высокой магнитной проницаемостью.
Для описания влияния магнитного экрана используется коэффи-
циент экранирования -отношение напряженности магнитных полей вне
экрана к напряженности внутри экрана. Этот параметр определяется
магнитной проницаемостью ц, толщиной t и внутренним диаметром
D экрана (рис. 12.33):
^внешн/^внутр = 3pt/4D	(12.24)
где НВнешн-магнитное поле вне экрана, Нвнутр- магнитное поле внутри
экрана. При использовании нескольких экранов различных диаметров
общий коэффициент экранирования равен произведению коэффициентов
экранирования для каждого экрана. Следует отметить, что эффект маг-
нитного экранирования уменьшается на краях экрана (рис. 12.33). По-
этому желательно закрывать фотоумножитель экраном, длина которого
больше длины фотоумножителя на половину диаметра колбы.
12.2.2.10.	Температурные характеристики фотоумножителей
В общем случае следующие характеристики фотоумножителей
сильно зависят от температуры:
1.	Темновые импульсы. Основная доля темновых импульсов в фо-
тоумножителе возникает вследствие термоэмиссии электронов с фото-
катода или динодов, и она резко возрастает с температурой. Темновые
импульсы также возникают и по причинам, не зависящим от темпера-
Фотодетекторы
491
Рис. 12.33. Типичный
краевой эффект экрана
[700] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu
TV Со., Japan).
0/2
туры (см. разд. 12.2.2.8). Термоэмиссия часто описывается уравнением
Ричардсона:
I = А Т2ехр (— е^/кТ)	А/м2	(12.25)
где Z-плотность тока, Г-абсолютная температура, ф-работа выхода,
/с-постоянная Больцмана. К счастью, при термоэлектронной эмиссии
изменяется лишь число темновых импульсов, а не их амплитуда. Но та-
кие импульсы могут создавать трудности при фотометрировании низ-
ких световых интенсивностей и при измерении энергии света (ампли-
туды импульсов). Отношение сигнал-шум можно улучшить, отрегули-
ровав соответствующим образом дискриминатор нижнего уровня
в усилительной системе. На рис. 12.34 показана зависимость числа тем-
новых импульсов от температуры.
2.	Квантовая эффективность (чувствительность катода). Влияние
температуры на квантовую эффективность зависит от материала, из ко-
торого изготовлен фотокатод, а также от длины волны падающего на
него света. Обычно эта величина имеет отрицательный температурный
коэффициент в УФ и видимой областях спектра (0,1-0,4% °C “ х) (в про-
тивоположность температурному коэффициенту темнового тока), и по-
ложительный температурный коэффициент вблизи длинноволновой гра-
ницы (рис. 12.35, а).
3.	Анодная чувствительность. Анодная чувствительность фотоумно-
жителя-это катодная чувствительность, умноженная на усиление ди-
нодной системы. Поскольку температурный коэффициент усиления ди-
нодной системы очень мал, температурная характеристика анодной
чувствительности аналогична температурной характеристике квантовой
эффективности (рис. 12.35,6).
Рис. 12.34. Зависимость
числа темновых импуль-
сов от температуры [202]
(воспроизводится с разре-
шения Hamamatsu TV
Со., Japan).
Длина волны, нм
Длина волны, нм
Рис. 12.35. Типичные температурные характеристики ФЭУ с Cs- Sb-катодом (д)
и ФЭУ с мультищелочным катодом (б) [700] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
493
12.2.2.11.	Однородность фотоумножителей
В идеальном фотоумножителе эффективность сбора фотоэлек-
тронов между катодом и первым динодом не зависит от точки освеще-
ния на катоде. На практике испускаемые с фотокатода фотоэлектроны
достаточно эффективно соударяются с полезным участком первого ди-
нода, но некоторые из них могут пройти мимо динода и попасть на его
крепление, стеклянную стенку или другие диноды. Доля таких фотоэлек-
тронов изменяется с положением участка фотокатода, с которого эми-
тируются фотоэлектроны. В результате наблюдается изменение чув-
ствительности с положением освещаемого участка фотокатода. Это
изменение ухудшает параметр фотоумножителя, называемый однород-
ностью.
В общем случае ФЭУ торцевого типа обеспечивают лучшую одно-
родность, чем ФЭУ бокового типа (рис. 12.36). Особенно высокую
однородность имеют фотоумножители, которые используются в сцин-
тилляционных счетчиках. В фотоумножителях с боковым вводом излу-
чения получить хорошую однородность очень трудно вследствие специ-
фики конструкции фотокатода и первого динода.
12.2.2.12.	Дрейф анодного тока в фотоумножителях
При непрерывной работе фотоумножителя в течение длитель-
ного времени его чувствительность может несколько изменяться со вре-
менем. Эта нестабильность чувствительности называется дрейфом
Рис. 12.36. Типичные кривые однородности катода ФЭУ с торцевым (а) и бо-
ковым (б) вводом излучения [700] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu
TV Со., Japan).
494
Глава 12
(рис. 12.37). Считается, что дрейф в основном вызывается повреждением
последнего динода в результате интенсивной электронной бомбарди-
ровки. Рабочая стабильность фотоумножителя зависит от величины
анодного тока и (не столь сильно) от напряжения питания. Для умень-
шения дрейфа желательно использовать меньший анодный ток. В тех
случаях, когда стабильность является фактором первостепенной важно-
сти, рекомендуется использовать средний анодный ток порядка 1 мкА
или меньше. Чувствительность, уменьшившаяся в результате дрейфа,
обычно восстанавливается после хранения фотоумножителя в темноте.
12.2.2.13.	Отказ фотоумножителей
Отказом называют долговременное ухудшение катодной или
анодной чувствительности, наблюдаемое при работе с большими тока-
ми. На рис. 12.38 в качестве примера показаны типичные кривые отказа
в фотоумножителе с фотокатодом из Be-Си типа S20 и жалюзийной
Рис. 12.38. Уменьшение анодного тока при долговременной работе с большими
токами [701] (воспроизводится с разрешения Thom EMI, England).
Фотодетекторы
495
динодной системой. Не рекомендуется долговременно работать с боль-
шими выходными токами; для получения хорошей стабильности
и большого срока службы следует использовать средний анодный ток
1 мкА или меньше. Постоянный отказ фотокатода может возникнуть
при слишком больших уровнях освещения.
12.2.2.14.	Гистерезис
Многие фотоумножители обладают временной нестабиль-
ностью анодного тока с интервалами порядка 1-10 с после включения
напряжения и освещения. Эта временная нестабильность называется ги-
стерезисом. Гистерезис возникает в результате отклонения электронов
от прямых траекторий и возникающего в результате этого электроста-
тического заряда опор динодов и стеклянной колбы. До достижения
стабильного значения чувствительность фотоумножителя может увели-
чиваться или уменьшаться. Если напряжение питания изменить незадол-
го до того, как на фотокатод начнет поступать свет, то может возник-
нуть больший гистерезис. Гистерезис может создавать трудности
в таких приложениях, как фотометрия. Для его устранения керамика на
верхних и нижних электродах фотоумножителей с боковым вводом из-
лучения покрывается хромом и поддерживается под напряжением
фотокатода.
Гистерезис можно определить следующим образом. ФЭУ включают
на 5 мин с фототоком 0,1 мкА, а затем на 1 мин перекрывают излуче-
ние. После этого в течение 1 мин измеряют изменение тока при откры-
том катоде (рис. 12.39). Гистерезис можно вычислить с помощью сле-
дующего уравнения:
Гистерезис = [(/Макс - /мин)/Л] х 100%	(12.26)
Гистерезис зависит от конструкции динодной системы (разд. 12.2.2). Фо-
Рис. 12.39. Гистерезис [700] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
496
Глава 12
тоумножители с жалюзийной динодной системой обладают намного
меньшим гистерезисом, чем фотоумножители с линейной фокусирую-
щей системой.
12.2.2.15.	Временные характеристики
Если падающий свет импульсный, то импульсы анодного тока,
снимаемые с выхода ФЭУ, должны быть такой же формы, что
и входные световые импульсы. Поэтому очень важным фактором
является временная характеристика (или временное разрешение), кото-
рую определяют следующие времена (рис. 12.40): 1) время пролета элек-
трона -время между приходом на входное окошко фотоумножителя
света в форме дельта-импульса и моментом достижения максимального
значения выходного импульса на аноде; 2) время нарастания импульса
анодного тока-время, за которое анодный ток нарастает от 10 до 90%
максимального значения при освещении фотокатода дельта-импульсом.
В основном временные характеристики фотоумножителя зависят от
конструкции динодной системы (разд. 12.2.2): 1) фотоумножители торце-
вого типа с линейной фокусирующей динодной системой обладают вы-
соким быстродействием (обычно время нарастания меньше 3 нс); 2) фо-
тоумножители с коробчатой динодной системой с вспомогательными
сетками и с жалюзийной динодной системой имеют относительно низ-
кое быстродействие (времена нарастания 8-15 нс).
Время пролета электрона и время нарастания анодного тока можно
уменьшить, увеличив напряжение питания фотоумножителя (эти време-
на приблизительно обратно пропорциональны квадратному корню из
напряжения питания). На рис. 12.41 показаны время пролета электрона
Рис. 12.40. Временные характеристики [700] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
497
Рис. 12.41. Типичные времена нараста-
ния анодного тока (линии 2) и времена
пролета электрона (линии 1) для ди-
нодных систем коробчатого (штри-
ховые линии) и линейного (сплошные
линии) типа как функция напряжения
питания [202] (воспроизводится с раз-
решения Hamamatsu TV Со., Japan).
и время нарастания анодного тока как функции напряжения питания
для ФЭУ различных типов. Особенно важно напряжение между фотока-
тодом и первым динодом, поскольку оно сильно влияет не только на
временные характеристики, но и на эффективность сбора фотоэлектро-
нов.
Время пролета электрона зависит от места попадания фотонов на
фотокатод. Соответствующая разница времен пролета называется раз-
бросом времени пролета электронов по фотокатоду. Даже для фотонов,
попадающих в одно и то же место фотокатода, время, за которое вы-
битые ими электроны достигают анода фотоумножителя, не будет по-
стоянным. Степень разброса времени пролета зависит как от положения
светового пятна на фотокатоде, так и от числа фотонов, одновременно
падающих на катод. Флуктуации максимальны при однофотонном со-
бытии, а при многофотонных событиях (одновременных попаданиях на
катод нескольких фотонов) они уменьшаются и при достаточно боль-
шой интенсивности фотонного пучка достигают некоторой постоянной
величины.
12.2.2.16.	Световой эквивалент темнового тока
Световой эквивалент темнового тока -это величина, характери-
зующая отношение сигнал-шум, ограниченное световым потоком. Она
равна мощности света в ваттах, которая необходима для получения на
выходе фотоумножителя единичного значения отношения сигнал-шум.
Световой эквивалент темнового тока определяется выражением:
Световой эквивалент темнового тока = yZqldGKf/S Вт	(12.27)
32-644
498
Глава 12
где g = 1,60-10" 19 К (заряд электрона), Ц-анодный темновой ток фо-
тоумножителя (A), G-коэффициент усиления фотоумножителя по току,
А/-полоса пропускания системы (Гц), S- спектральная анодная чувстви-
тельность на нужной длине волны (А/Вт).
12.2.2.17.	Метод счета фотонов (часть 1)
Литература 148, 736, 1036, 1250, 1271, 1458, 1461, 1471, 1707
Метод счета фотонов -это метод, предназначенный для изме-
рения очень низких интенсивностей света, которые трудно зарегистри-
ровать с помощью обычных аналоговых методов. Свет можно охарак-
теризовать числом фотонов с энергией
E = hcfk	(12.28)
где h постоянная Планка, с-скорость света в вакууме, к-длина волны.
При большом световом потоке выходной сигнал представляет собой
постоянный ток, но при мощности входного излучения менее
10-11-10-13Вт выходной сигнал можно рассматривать как серию
однофотонных событий. При очень низких интенсивностях света вход-
ное излучение состоит из отдельных фотонов. В таких условиях эффек-
тивность счета фотоумножителя линейно зависит от эффективности
сбора фотоэлектронов с фотокатода на первый динод и от квантовой
эффективности фотокатода. Аналогично вероятность того, что с перво-
го динода не будут эмитированы вторичные электроны, уменьшает эф-
фективность счета. Распределение выходного сигнала фотоумножителя
отличается от шумового сигнала (рис. 12.42).
Амплитуда импульса (канал)
Рис. 12.42. Амплитудное рас-
пределение отсчетов фотоумно-
жителя [700] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
Фотодетекторы
499
Амплитуда импульсов (каналы)
Рис. 12.43. Амплитудные распределения импульсов у ФЭУ с хорошими (я)
и плохими (6) характеристиками [700] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
С помощью предусилителя импульсы тока на аноде преобразуются
в импульсы напряжения. Так как они различаются по амплитуде, то из-
меряют распределение амплитуд импульсов. На рис. 12.43, а показано
амплитудное распределение импульсов для ФЭУ с хорошими характе-
ристиками. Часть кривой слева от Hv соответствует распределению
темновых импульсов; следовательно, для устранения темновых импуль-
сов дискриминатор нужно установить в точку, соответствующую Н .
На рис. 12.43,6 показано амплитудное распределение импульсов для
ФЭУ с плохими характеристиками. При таком распределении нельзя
выбрать подходящий уровень дискриминации. Для того чтобы сделать
это, сигнальные импульсы надо отделить от шумовых и в результате
получить увеличение отношения сигнал-шум.
Фотоумножитель для счета фотонов должен удовлетворять следую-
щим требованиям:
1.	Темновых импульсов, особенно возникающих на катоде, должно
быть как можно меньше. По этой причине обычно используется ма-
ленький фотокатод, поскольку тогда получаются низкие скорости счета
темновых импульсов.
2.	Коэффициент вторичной эмиссии первого динода должен быть
как можно больше. Для этого между фотокатодом и первым динодом
можно приложить более высокое напряжение.
3.	Однородность фотокатода должна быть хорошей. Часто рабочую
область фотокатода покрывают черной краской, чтобы использовать
только участок с наилучшей однородностью.
Выпускаются специальные фотоумножители, предназначенные для
счета фотонов (например, типы R464, R585, R649 и R943-02 Hamamatsu).
Универсальные счетчики фотонов выполняют следующие функции: 1)
измерение амплитудного распределения импульсов, 2) однофотонный
счет, 3) синхронный однофотонный счет, 4) спектроскопия с временным
разрешением, 5) измерение длительности модуляции.
Обычная схема для счета фотонов показана на рис. 12.44. Предуси-
литель следует располагать вблизи фотоумножителя. Подходит усили-
32*
500
Глава 12
Лампа
тель импульсов с коэффициентом усиления 50-1000, на выходе которо-
го получаются прямоугольные импульсы длительностью порядка 1 мкс.
Линейность амплитудной характеристики не очень важна. Дискримина-
тор должен давать сформированный импульс постоянной амплитуды
и длительности на каждый пропущенный им импульс; сформированные
импульсы используются далее в измерителе частоты следования им-
пульсов, к которому подключается самописец, или в цифровом счетчи-
ке-таймере. Интервал счета можно устанавливать с помощью внутрен-
него таймера или же с использованием импульса от внешнего
генератора. В любом случае время счета должно быть неизменным
с точностью до порядка 1 мкс в течение 100 с или более. Примечание:
описание метода счета фотонов продолжается в разд. 15.4 (часть 2).
12.2.2.18.	Выходной сигнал фотоумножителя
и схемы обработки сигнала
Литература 203
Предусилители. Сигнальные импульсы с фотоумножителя реги-
стрируют с помощью измерительной системы, показанной на
рис. 12.45. В предусилителе выходной импульс тока фотоумножителя
преобразуется в импульс напряжения. Этот импульс напряжения моди-
фицируется и усиливается для того, чтобы его можно было использо-
вать для работы следующих каскадов системы, например аналого-циф-
рового преобразователя. Эквивалентные схемы предусилителя показаны
на рис. 12.46. Импульсы тока с фотоумножителя преобразуются в им-
пульсы напряжения с помощью схемы, имеющей постоянную времени
СК. На рис. 12.47 показано изменение амплитуды импульсов напряже-
ния в зависимости от т и т5 при неизменном импульсе тока. Чем мень-
ше т, тем сильнее зависит выходной импульс напряжения от амплитуды
входного импульса тока 1Р; чем больше т, тем сильнее зависимость вы-
Фотодетекторы
501
Рис. 12.45. Система для счета сцинтилляционных импульсов [203] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
ходного импульса напряжения от заряда Q входного токового импуль-
са, и Vp приближается к С/Q. Поскольку длительность темновых им-
пульсов намного меньше длительности сигнальных импульсов, отноше-
ние амплитуд сигнального импульса напряжения и темнового импульса
напряжения зависит от т. Амплитуду темнового импульса можно сде-
лать малой по сравнению с амплитудой сигнального импульса путем
выбора большей постоянной времени т схемы. Однако при этом умень-
шается предельная скорость счета системы вследствие набегания им-
пульсов. Ее можно увеличить с помощью соответствующей регулиров-
ки схемы, такой, как уменьшение времени спада импульса. Поскольку
возникают затруднения, связанные с температурными изменениями,
очень важно тщательно выбрать т. При использовании метода подклю-
чения с RC-цепочкой, показанного на рис. 12.46, а, на величину т будет
влиять паразитная емкость между выходом фотоумножителя и входом
предусилителя. При регистрации низких уровней излучения требуется
малошумящий усилитель с большим коэффициентом усиления; в этом
случае становятся важными тщательное соединение фотоумножителя
с предусилителем, заземление, установка ширины полосы пропускания
системы и подбор частей схемы.
Усилители. Усилители, используемые совместно с фотоумножителями,
должны иметь: 1) время нарастания, сравнимое с временем нарастания
фотоумножителя; 2) коэффициент усиления, достаточный для того,
чтобы в результате усиления в фотоумножителе и усилителе сигнал от
одиночных электронов был достаточно велик; 3) малые искажения (в
случае больших искажений надо использовать корреляционные методы).
Обычно коэффициент усиления фотоумножителей составляет 106—108,
Рис. 12.46. Эквивалентные схемы предусилителей [203] (воспроизводится с раз-
решения Hamamatsu TV Со., Japan).
502
Глава 12
мне
Рис. 12.47. Зависимость
амплитуды импульсов
напряжения от т и
[203] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu
TV Со., Japan).
и при использовании усилителей с коэффициентом усиления 10-100 по-
лучаются импульсы с амплитудой, превышающей пороговые уровни со-
временных дискриминаторов на туннельных диодах (разд. 15.4.1).
Дискриминаторы и счетчики. Важно, чтобы суммарное усиление системы
фотоумножитель-усилитель устанавливалось более низким, поскольку
его увеличение всегда сопровождается сужением полосы пропускания.
Поэтому дискриминатор всегда следует использовать при максималь-
ной чувствительности. Выходной сигнал с дискриминатора декодирует-
ся в счетчике, который играет роль быстродействующей памяти. Вход-
ная цепь счетчика должна быть тщательно разработана и отрегулирова-
на для того, чтобы ее чувствительность была такой же, как у
дискриминатора (разд. 15.4.1).
12.2.2.19.	Электронные умножители
Электронные умножители, выполняющие функции ионных ум-
ножителей, предназначены для регистрации отрицательно заряженных
частиц, вакуумного УФ излучения и мягкого рентгеновского излучения.
Эти умножители пригодны для регистрации очень слабых потоков ча-
стиц или частиц с очень малыми энергиями при использовании метода
счета фотонов. Промышленностью (например, фирмой Hamamatsu) вы-
пускаются умножители с 16-20 динодными каскадами и встроенными
делителями (1 МОм на каскад). Вокруг анода располагается экран, ко-
торый обычно находится под потенциалом анода. Характеристики элек-
тронных умножителей: материал динодов Си-Be; постоянное напряже-
ние питания 3000-5000 В; усиление тока 105—1О10; постоянное напряже-
ние между анодом и первым динодом 3000-5000 В; средний анодный
ток 1-10 мкА; постоянное напряжение между анодом и последним ди-
нодом 200-400 В.
Фотодетекторы
503
12.2.2.20.	Методы измерения основных
характеристик фотоумножителей
Литература 202
Измерения квантовой эффективности, усиления, эффективности
сбора, распределения импульсов по амплитудам и эффективности счета.
При попадании фотонов на фотокатод фотоумножителя с него испус-
каются фотоэлектроны (рис. 12.48). Квантовая эффективность Q опре-
деляется как среднее число фотоэлектронов, эмитируемых на один па-
дающий фотон:
Q = (Nk/Nph)x 100 %	(12.29)
где Nph~число фотонов, падающих за 1 с; Nk-число фотоэлектронов,
испускаемых за 1 с. Испускаемые с фотокатода фотоэлектроны усили-
ваются в результате каскадного процесса на динодах (рис. 12.48). Таким
образом, на анод поступает много электронов.
Усиление ц фотоумножителя определяется как
» = Np/Nk	(12.30)
где Np-полное число электронов, поступающих на анод за 1 с. Не все
испущенные с фотокатода электроны собираются на аноде, так как
часть их теряется при сборе на аноде, при пролете от катода к первому
диноду или при пролете от динода к диноду. Таким образом, число по-
ступающих на анод электронов Na обычно меньше чем Nk.
Отношение числа импульсов анодного тока к числу испущенных
с фотокатода фотоэлектронов называется эффективностью сбора т]сб :
Псб = (^М)х100 %
(12.31)
Падающие
(ротоны
Nph(c'1)
Рис. 12.48. Схема работы фотоумножителя в импульсном режиме [202] (во-
спроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
504
Глава 12
При очень низких световых уровнях и в тех случаях, когда интер-
валы между попаданиями фотонов на фотокатод больше временного
разрешения фотоумножителя, можно зарегистрировать амплитудное
распределение импульсов (рис. 12.49). В типичном амплитудном распре-
делении импульсы сигнала имеют пуассоново распределение, а шу-
мовые импульсы - экспоненциальное с максимумом вблизи нижней гра-
ницы амплитуд.
Эффективность счета т|сч-это отношение числа импульсов на ано-
де к числу поступающих фотонов:
Псч = Na/Nph = {[(^цсб) X 10-2]/[(W0 X 10-2]} х 100 =
= r|c6Q х 100 %	(12.32)
где Na-число импульсов на аноде; Nk~число фотоэлектронов, испус-
каемых за 1 с; Nph~число фотонов, поступающих за 1 с; Q-квантовая
эффективность, определяемая уравнением (12.29); т|сб- эффективность
сбора, определяемая уравнением (12.31).
В том случае, когда за период, меньший времени разрешения, на фо-
тоумножитель попадает несколько фотонов (так называемое многофо-
тонное событие), эффективность счета определяется выражением
Р1(Х) = тхе~т/Х1	(12.33)
где х-число фотонов, эмитированных за один импульс; т-среднее чис-
ло поступающих фотонов. Приходящий в фотоумножитель световой
импульс описывается распределением Пуассона для среднего числа фо-
тонов, испущенных в результате сцинтилляции за 1 с. Распределение
эмитированных с фотокатода фотоэлектронов описывается бино-
миальным распределением
P2(y) = xCyQy(l-Q)x-y	(12.34)
где у-число фотоэлектронов, испущенных за один импульс, х-число
фотонов, поступающих за один импульс.
Рис. 12.49. Типичное амплитудное рас-
пределение импульсов фотоумножите-
ля [202] (воспроизводится с разреше-
ния Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
505
Рис. 12.50. Эффективность счета как
функция числа поступающих фотонов
[202] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Таким образом, при многофотонном событии вероятность выхода
электрона с фотокатода определяется из уравнений (12.33) и (12.34):
Р(т - у) = f xCyQy(i - Q)x-ymxexj?(- m)/Xl	(12.35)
x=o
Использовав для каждого значения т уравнение (12.31), можно по-
строить кривую (рис. 12.50), показывающую, каким образом эффектив-
ность счета при многофотонном событии зависит от числа поступаю-
щих фотонов.
Экспериментальное измерение квантового выхода и усиления. Блок-схема
установки для измерения квантовой эффективности и усиления приведе-
на на рис. 12.51. Белый свет от источника преобразуется в монохрома-
тический; число фотонов Nph, поступающих на катод фотоумножителя,
определяется заранее. Число фотоэлектронов, испущенных с катода, из-
меряется с помощью амперметра Ml как фототок Ik. Этот фототок
усиливается динодной системой и достигает анода; анодный ток изме-
ряется с помощью амперметра М2. Примечание: поскольку 1а»Ik, при
измерениях 1а с целью устранения насыщения применяют ослабитель
света.
Из уравнения (12.29) и результатов описанных выше измерений
получаем
Q = Nk/Nph = [(Ik/e)/Nph]xlOO %	(12.36)
где е- заряд электрона. При изменении длины волны монохроматора
получаем изменение Q или спектральный квантовый выход Q (X).
Усиление ц фотоумножителя равно
g = 7p/(77fc)
(12.37)
506
Глава 12
Рис. 12.51. Блок-схема установки для измерения квантовой эффективности
и усиления [202] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
где Т-пропускание ослабителя света. Примечание: поскольку Т«1,
важно знать его точное значение.
Экспериментальное измерение амплитудного распределения импульсов.
Блок-схема установки для измерения амплитудного распределения им-
пульсов показана на рис. 12.52. Эффективность счета т|сч вычисляется
по формуле
т|сч = 100 X Na / [Q (Nph /Т)] %	(12.38)
где Na-число выходных импульсов на аноде, измеренных за 1с;
Nph-число фотонов, попадающих на фотокатод за 1 с; Т-пропускание
ослабителя света; Q-квантовая эффективность. Число приходящих фо-
тонов измеряется с помощью термопары, откалиброванной по черному
телу. С помощью уравнения (12.31) можно вычислить эффективность
сбора.
На рис. 12.53 показано определенное с помощью анализатора ам-
плитуды импульсов амплитудное распределение импульсов выходного
сигнала, снимаемого с анода фотоумножителя. Число сигнальных им-
Лампа
накаливания
Фотоумножитель Предусилитель Многоканальный
анализатор
Рис. 12.52. Блок-схема установки для измерения амплитудного распределения
импульсов [202] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
507 .
Рис. 12.53. Типичное ам-
плитудное распределение
импульсов анодных вы-
ходных сигналов фотоум-
ножителя [202] (воспрои-
зводится с разрешения
Hamamatsu TV Со.,
Japan).
пульсов Na в области между hr и h2 выражается формулой
Na = J [Рп (й) - dn (й)] dh	(12.39)
где Рп (/?)-суммарное амплитудное распределение сигнальных и тем-
новых импульсов; dn (/г) - амплитудное распределение темновых импуль-
сов; /^-нижний порог дискриминатора, равный 0,3/?.т. (/?.т-средняя
амплитуда импульса в данном амплитудном распределении);
h2-верхний порог дискриминатора, равный 3/i.m.
На рис. 12.53 верхний порог дискриминатора (h2 = 3/?.m.) выбран та-
ким образом, чтобы исключить ошибку в результате появления шу-
мовых импульсов с амплитудой, большей амплитуды сигнальных им-
пульсов. Выбор нижнего порога дискриминатора hx = 0,3h.m. обеспечи-
вает получение оптимального отношения сигнал-шум (устранение
темновых импульсов с меньшей амплитудой). При работе нормального
фотоумножителя при комнатной температуре получается среднее значе-
ние 1,3/?. т.
Точность измерений эффективности сбора зависит от пропускания Т
ослабителя света (нейтрального фильтра), определяемого как отноше-
ние световых уровней с ослабителем и без ослабителя, которые изме-
ряются фотоумножителем с малым темновым и высоким допустимым
рабочим током.
Измерение временных характеристик. Для измерения временных харак-
теристик фотоумножитель освещают очень коротким световым импуль-
сом и регистрируют выходной импульс на аноде. Этот процесс можно
описать с помощью следующих временных характеристик:
1.	Время нарастания анодного импульса. При засветке фотоумножи-
теля световым импульсом в форме дельта-функции импульс анодного
508
Глава 12
тока, как правило, расширяется вследствие флуктуаций времени пролета
электронов (рис. 12.54, а). Время нарастания анодного импульса опреде-
ляется как время, необходимое для изменения тока от 10 до 90% его
максимальной амплитуды.
2.	Время пролета электрона. Это время равно интервалу между при-
ходом короткого светового импульса на входное окошко фотоумножи-
теля и моментом достижения максимального значения анодного им-
пульса (рис. 12.54, а).
3.	Разброс времени пролета с фотокатода. Этот параметр опреде-
ляется как разность времен пролета фотоэлектронов, испущенных из
центра фотокатода и из нецентральных участков (рис. 12.54, в).
4.	Одноэлектронный разброс времени пролета. Когда на фотокатод
с некоторым интервалом приходит последовательность световых им-
пульсов, время пролета электрона может флуктуировать от события
к событию. Одноэлектронный разброс времени пролета определяется как
полная ширина на половине амплитуды среднего распределения времен
пролета (рис. 12.54,6).
Примечание: величины, определяемые в п. 1-4, могут изменяться
в зависимости от того, засвечивается ли катод полностью или в одной
точке.
Световой импульс в
форме дельта-функции
а
6
Рис. 12.54. Временные характеристики [202] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
509
Рис. 12.55. Блок-схема установки для измерения времени нарастания и времени
пролета электронов [202] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
Экспериментальные методы измерения времени нарастания анодного им-
пульса и времени пролета электрона. Время нарастания анодного им-
пульса и время пролета электрона измеряются с помощью установки,
в которой используются полупроводниковый лазер с соответствующей
частотой повторения импульсов (длительность импульса около 50 пс)
и стробирующий осциллограф (время нарастания 50 пс) (рис. 12.55).
Экспериментальные методы измерения разброса времени пролета с фото-
катода. Разброс времени пролета с фотокатода измеряется с помощью
установки, блок-схема которой показана на рис. 12.56. Световой им-
пульс с помощью световода подается в различные точки фотокатода
фотоумножителя. Анодный импульс подается на преобразователь вре-
мя-амплитуда (разд. 22.1.4) в качестве стоп-импульса через дискрими-
натор и дискриминатор постоянного отношения, а отмечающий им-
пульс, соответствующий приходу светового импульса, подается на
Рис. 12.56. Блок-схема установки для измерения разброса времени пролета
с фотокатода [202] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
510
Глава 12
Рис. 12.57. Блок-схема установки для измерения разброса одноэлектронного
времени пролета [202] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
преобразователь время-амплитуда в качестве старт-импульса. Пре-
образованная в амплитуду импульсов разность времен поступления
старт- и стоп-импульсов анализируется с помощью анализатора ампли-
туды импульсов.
Экспериментальные методы измерения одноэлектронного разброса вре-
мени пролета. Приходящие световые импульсы приводятся к однофо-
тонным событиям с помощью ослабителя света (рис. 12.57), и регистри-
руется временное распределение импульсов на аноде за одно событие.
На практике при измерении характеристик фотоумножителей исполь-
зуется делитель напряжения (рис. 12.58). Временные характеристики фо-
тоумножителей зависят от двух параметров делителя: 1) напряжения
питания фотоумножителя, 2) распределения коэффициента деления по
цепочке. Примечание: следует использовать распределение коэффициен-
та деления, соответствующее конкретному приложению.
Рис. 12.58. Схема типичного делителя напряжения для использования ФЭУ
в режимах высокого быстродействия и сильного тока [202] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
511
Лампа
накаливания
Рис. 12.59. Блок-схема установки для измерения температурных характеристик
[202] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Измерение температурных характеристик. Как правило, температурные
характеристики определяются в виде температурного коэффициента
тока
= 100(iA — i20)/[i20 | х — 20| ] %	(12.40)
где Тх-температурный коэффициент, [хток при х°С (А), г20-ток при
20°С (А). Измерение температурных характеристик можно провести на
установке, блок-схема которой показана на рис. 12.59.
12.3.	ФОТОДЕТЕКТОРЫ С ВНУТРЕННИМ
ФОТОЭФФЕКТОМ
Литература 79, 130, 360, 491, 569
Фотодетекторы с внутренним фотоэффектом разделяются на
следующие группы (рис. 12.1): 1) фоторезисторы (фотоэлемент с внут-
ренним фотоэффектом) (разд. 12.3.1), 2) фотодетекторы с р-и-переходом
(полупроводниковые фотоэлементы, фотодиоды и т.д.) (разд. 12.3.2). На
практике внутренний фотоэффект используется в собственных и при-
месных полупроводниках (разд. 12.1.2).
В собственных полупроводниках (высокочистых полупроводниках)
проводимость изменяется как функция падающего на них света. Собст-
венная проводимость определяется термически генерируемыми электро-
нами и дырками, которые присутствуют в полупроводнике в равных
концентрациях. При облучении полупроводника за счет энергии фото-
нов возникают дополнительные носители заряда и проводимость
увеличивается.
В примесных полупроводниках (в которых существуют доноры или
акцепторы п- или p-типа) изменение собственной проводимости объяс-
няется изменением плотности квазисвободных носителей заряда (элек-
512
Глава 12
тронов или дырок) при падении света на полупроводник. Для того
чтобы вызвать в полупроводнике возбуждение, фотон должен иметь ми-
нимальную энергию, которая равна энергетической щели ЛИ/ между ва-
лентной зоной и зоной проводимости.
Предельная длина волны Хе, ниже которой примесный полупровод-
ник обладает фоточувствительностью, равна
= 1,2398/ДРИ	(12.41)
где ЛW-ширина запрещенной зоны (эВ). В табл. 12.3 приведены ши-
рина запрещенной зоны ДИ7 и предельная длина волны для раз-
личных полупроводников.
Фотоэффект в р-п-переходе-это внутренний фотоэффект в полупро-
водниковом фотодиоде с р-и-переходом (разд. 12.3.2.1).
Таблица 123. Ширина запрещенной зоны ЛРИи предельная длина волны Хе
для различных полупроводников, рассчитанные в случае внутреннего фотоэф-
фекта [79] (воспроизводится с разрешения Texas Instruments)
Полупро-	Ширина зап- Предельная			Полупро-	Ширина зап-	Предельная
водник	решенной	длина волны		водник	рещенной	длина волны
	зоны ДИ7,	эВ Хе, мкм			зоны ДИ7, эВ Хе, мкм	
Ge	0,67	1,85		GaAs	1,35	0,9
Se	2	0,62		GaSb	0,8	1,35
Si	1,12	1,1		InAs	0,35	3,54
Те	0,33	3,75		InP	1,25	0,995
AlSb	1,6	0,775		InSb	0,18	6,9
CdS	2,4	0,520		PbS	0,37	3,35
ZnS	3,6	0,345		PbSe	0,27	4,58
CdSe	1,8	0,69		PbTe	0,3	4,13
CdTe	1,5	0,83				
12.3.1.	Фотопроводники (фоторезисторы)
В фоторезисторах используется эффект изменения проводимо-
сти полупроводника под действием падающего излучения. Фоторези-
сторы изготавливаются либо из чистых собственных полупроводников,
либо из примесных полупроводников (п- или p-типа). Они выпускаются
для следующих областей спектра: 1) видимая и ближняя ИК области
[сульфид кадмия (CdS), селенид кадмия (CdSe) и теллурид кадмия
(CdTe)]; 2) ближняя инфракрасная область [сульфид свинца (PbS), селе-
нид свинца (PbSe) и теллурид свинца (РЬТе)]; 3) средняя и дальняя ИК
области [арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), теллур (Те)
и ртуть-теллурид кадмия (HgCdTe)].
Фотодетекторы
513
Электрод
Чувствительная
поверхность
Рис. 12.60. Конструкция (а) и общий вид (б) фоторезистора с покрытием [702]
(воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
1 -фотопроводящий слой, 2-электрод, 3- керамическое основание, 4 -вывод.
Примесные полупроводники изготавливаются из германия или спла-
ва германия с кремнием и легируются соответствующими веществами
(золото, цинк, медь, кадмий) с целью получения нужной чувствительно-
сти в средней и дальней ИК областях вплоть до 40 мкм. В зависимости
от процесса изготовления фотопроводящего слоя фоторезисторы в ос-
новном разделяются на следующие типы: 1) изготавливаемые с по-
мощью спекания, 2) монокристаллические, 3) изготавливаемые с по-
мощью напыления.
12.3.1.1.	Фоторезисторы, изготовляемые с помощью спекания
Фоторезисторы этого типа наиболее распространены, посколь-
ку они имеют высокую чувствительность при относительной простоте
получения фотопроводящего слоя необходимого размера и формы. По-
рошки сульфида и селенида кадмия спекаются на керамической подлож-
ке, а затем на них напыляют два электрода (рис. 12.60). Затем фоторези-
стор покрывают пластмассовым слоем либо монтируют в металличе-
ский, стеклянный или пластмассовый корпус в зависимости от
конкретной области применения и условий, в которых он будет рабо-
тать (рис. 12.61).
Рис. 12.61. Различные типы фоторези-
сторов (вид сбоку) [702] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
а-с защитным покрытием, б-в пластмассовом кор-
пусе, в-в металлическом корпусе, ?-в стеклянном
баллоне
33-644
514
Глава 12
12.3.1.2.	Чувствительность фоторезисторов
Чувствительность фоторезистора -это отношение интенсивно-
сти света, падающего на чувствительную поверхность, к выходному сиг-
налу фотоприемника, включенного по данной схеме. Чувствительность
можно выражать либо через световой ток приемника (амперы), либо че-
рез его сопротивление (омы); обычно используют сопротивление прием-
ника (как правило, оно измеряется при 10 лк при освещении лампой на-
каливания с температурой, соответствующей спектральному распреде-
лению энергии для 2856 К) (рис. 12.20).
На рис. 12.62 показана зависимость сопротивления фото резистора
от освещенности. Наклон кривой изменяется от фоторезистора к фото-
резистору ; важной характеристикой является скорость изменения сопро-
тивления как функция изменения интенсивности света. Величина, описы-
вающая наклон, называется у-характеристикой; она определяется как
наклон прямой линии, проходящей через две определенные точки на
кривой (рис. 12.62):
у (b/a) = tg 0 = (1g Ra -\gRb)I(1g b - 1ga) = 1g (Ra/Rb)/ 1g(b/a)	(12.42)
где Ra и Кь-сопротивление приемника при освещенностях а лк и b лк
[обычно в каталогах на приборы (например, в каталогах фирмы
Hamamatsu TV Со., Japan) приводятся величины Ra и Rb при 10 и 100 лк
соответственно].
Рис. 12.62. Типичная зависимость со-
противления фоторезистора от осве-
щенности для одного из фоторезисто-
ров типа P201D-7R [702] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
Фотодетекторы
515
12.3.1.3.	Спектральные характеристики
Относительная чувствительность фоторезистора зависит от
длины волны света. Чувствительность как функция длины волны назы-
вается спектральной характеристикой (рис. 12.63). Спектральная харак-
теристика фоторезистора на основе сульфида кадмия близка к кривой
видности, поэтому этот приемник во многих приложениях часто ис-
пользуют в качестве эквивалента человеческого глаза. Кроме того,
с увеличением количества селена в фоточувствительном материале мак-
симум спектральной характеристики смещается в длинноволновую сто-
рону. Фоторезисторы на основе селенида кадмия имеют высокую чув-
ствительность в ближнем ИК диапазоне. При разработке конкретной
установки важно выбрать фотопроводящий материал и (или) источник
света, обеспечивающие оптимальную чувствительность установки
в целом.
12.3.1.4.	Световой ток
Световой ток зависит приблизительно линейно от освещенно-
сти в области допустимой рассеиваемой мощности. Эта зависимость
имеет место при выходных напряжениях, значительно меньших 1 В. Од-
нако при уровнях светового потока, превышающих допустимую рассеи-
ваемую мощность, фототок будет отклоняться от линейной зависимо-
сти. В основном это связано с изменением сопротивления фоторезисто-
ра вследствие возрастания его температуры при увеличении рассеивае-
мой им мощности. На рис. 12.64 показаны типичные зависимости све-
тового тока от напряжения на фоторезисторе при разных освещенно-
стях.
Рис. 12.63. Типичные спектральные характеристики [702] (воспроизводится с
разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
516
Глава 12
Постоянное напряжение
питания, В
Рис. 12.64. Типичные зависимости во-
льт-амперных характеристик от осве-
щенности для одного из фоторезисто-
ров типа P201D-7R [702] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
1 -максимально допустимое выделение мощности
100 мВт
12.3.1.5.	Постоянная времени
Постоянная времени фоторезистора определяется как время,
необходимое для увеличения проводимости до 63% максимального зна-
чения при освещении фоторезистора (время нарастания), и как время,
необходимое для уменьшения проводимости до 37% максимального
значения после выключения света (время спада) (рис. 12.65). Постоянная
времени зависит от интенсивности освещения, сопротивления нагрузоч-
ного резистора, окружающей температуры и исходного состояния фото-
резистора. При увеличении интенсивности освещения постоянная време-
ни уменьшается. Фоторезисторы, хранившиеся в .темноте, имеют
большую постоянную времени, чем хранившиеся на ярком свету, и этот
Рис. 12.65. Время нарастания и время спада фоторезистора [702] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
517
эффект тем значительнее, чем дольше фоторезисторы хранились в тем-
ноте. Кроме того, время нарастания уменьшается с увеличением сопро-
тивления нагрузочного резистора, а время спада увеличивается.
12.3.1.6.	Эффект исходного состояния
Чувствительность и временные характеристики фоторезисторов
изменяются в зависимости от их исходного состояния. Обычно если фо-
торезисторы хранятся в течение некоторого времени в темноте, то во
время измерений при одинаковых интенсивностях освещения они имеют
большую проводимость по сравнению с теми, которые хранились на
свету. Это различие называется эффектом исходного состояния. Вели-
чина этого эффекта больше для фоторезисторов на основе селенида
кадмия по сравнению с фоторезисторами на основе сульфида свинца.
Влияние исходного состояния обычно незаметно в приложениях, свя-
занных с регистрацией больших световых потоков, а также для режи-
мов, когда чередуются свет и темнота, однако при освещенностях мень-
ших 1 лк, этот эффект следует учитывать.
12.3.1.7.	Температурные характеристики
Чувствительность фоторезисторов изменяется с температурой
(рис. 12.66), и величина этого изменения тем больше, чем меньше интен-
сивность освещения. Для минимизации температурной зависимости же-
лательно работать при как можно больших интенсивностях освещения.
Постоянная времени фоторезистора практически не зависит от темпера-
туры в интервале 0-50°С. Ниже 0°С и при очень низких интенсивностях
освещения она может увеличиваться.
Рис. 12.66. Типичные температурные
характеристики для одного из фоторе-
зисторов типа P201D-7R [702] (во-
спроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
518
Глава 12
12.3.1.8.	Срок службы фоторезисторов
Если фоторезисторы работают не в предельных режимах, то их
можно использовать в течение длительного времени и стабильность
при этом будет достаточно хорошей. Их срок службы может умень-
шаться по следующим причинам: 1) чувствительная поверхность под-
вергается воздействию среды с высокой влажностью из-за нарушения
герметичности корпуса или повреждения защитного покрытия; 2) чув-
ствительная поверхность в течение длительного времени освещается
УФ излучением высокой интенсивности.
12.3.1.9.	Предельные режимы
Предельные режимы соответствуют предельным значениям ра-
бочих параметров и характеристик окружающей среды. Не следует пре-
вышать предельные значения следующих параметров:
1.	Напряжение питания фоторезистора.
2.	Мощность, рассеиваемая фоторезистором при работе в электрон-
ной схеме. При превышении этой величины может произойти поврежде-
ние фоточуветвительной поверхности и соответственно ухудшение чув-
ствительности. Максимально допустимая рассеиваемая мощность
уменьшается при увеличении температуры окружающей среды сверх
25°С (рис. 12.67).
3.	Диапазон рабочих температур (диапазон температур окружающей
среды).
12.3.2.	Фотодетекторы на основе
р-и-перехода
Фотодетекторы на основе р-и-перехода разделяются на
(рис. 12.1): 1) фотодетекторы без усиления (фотоэлементы, фотодиоды)
(разд. 12.3.2.1), 2) фотодетекторы с усилением (фототранзисторы, по-
Рис. 12.67. Типичная зависимость мак-
симально допустимой рассеиваемой
фоторезистором мощности от темпе-
ратуры [702] (воспроизводится с раз-
решения Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
519
левые фототранзисторы, фототиристоры, лавинные фотодиоды)
(разд. 12.3.2.2).
12.3.2.1.	Фотодетекторы без усиления
(фотоэлементы и фотодиоды)
Работа фотодиодов и фотоэлементов основана на одном и том
же физическом принципе. Они различаются только ее режимом. Фото-
диоды работают с внешним источником напряжения, генерируя сигнал
противоположной полярности, в то время как фотоэлементы (солнечные
батареи) сами генерируют напряжение (фотонапряжение).
Фотодиод (или фотоэлемент) состоит из (рис. 12.68): 1) легированно-
го донорами участка с и-проводимостью, 2) легированного акцептора-
ми участка с р-проводимостью. Свободные электроны и дырки находят-
ся в состоянии непрерывного случайного теплового движения,
и некоторые из них проходят через граничный слой между двумя участ-
ками, который называется р-и-переходом. В результате этого процесса
в узкой области по обе стороны от граничного слоя происходит сле-
дующее: 1) в участке с и-проводимостью образуются положительно за-
ряженные донорные ионы, 2) в участке с р-проводимостью образуются
отрицательно заряженные акцепторные ионы. Эти ионы удерживаются
в узлах кристаллической решетки. При этом в переходном слое обра-
зуется пространственный заряд, но в равновесных условиях на внешних
выводах (аноде и катоде) никакого напряжения не будет, поскольку внут-
ренняя разность потенциалов между участками с и- и р-проводимостью
точно компенсируется контактными разностями потенциалов внешних
соединений.
Если на граничный слой (р-и-переход) попадают фотоны, то со-
здаются дополнительные свободные носители заряда: дополнительные
электроны переходят в зону с и-проводимостью, а дырки-в зону с р-
проводимостью. В результате этого процесса между анодом и катодом
возникает разность потенциалов (фотонапряжение Vp), которая очень
О Акцепторный ион
(?) Донорный ион о Дырка
• Электрон
Рис. 12.68. Схема диода с р-и-переходом.
520
Глава 12
быстро достигает насыщения. Ток в закороченном фотодиоде пропор-
ционален энергетической освещенности Ее (разд. 2.3), т.е. числу фото-
нов, попадающих на р-и-переход.
Квантовая эффективность фотоэлемента Q-это отношение числа
электронов N, перемещающихся во внешней цепи за единицу времени t,
к числу фотонов Nph, приходящих на фотодетектор за то же время:
Q = (N/t)/(Nph/t)	(12.43)
или Q = N/Nph	(12.44)
Планарные диффузные кремниевые фотодиоды. Планарные диффузные
кремниевые фотодиоды можно использовать в диапазоне 400-1200 нм
(рис. 12.69). Они имеют квантовую эффективность Q около 70-90%
в диапазоне 700-900 нм. В планарных диффузных кремниевых фотодио-
дах р-и-переход расположен очень близко к поверхности кристалла, на
Рис. 12.69. Спектральная характеристика планарных кремниевых диффузных фо-
тодиодов [703] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Фотодетекторы
52
Рис. 12.70. Кремниевые фотодиоды в металлическом (л) и керамическом (б) кор-
пусе [703] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
которую с помощью напыления нанесено просветляющее покрытие.
Эти фотодиоды выпускаются в герметизированном круглом металличе-
ском корпусе, в керамическом корпусе (рис. 12.70) или в пластмассовом
корпусе с прозрачным верхом. Планарные диффузные кремниевые фо-
тодиоды характеризуются низким уровнем шума, малой постоянной
времени, высокой стабильностью и большим сроком службы. У них
очень высокая чувствительность, так что можно измерять излучение
с очень низкой мощностью. На практике измерения излучения с по-
мощью кремниевых фотодиодов проводить проще, чем с помощью те-
пловых фотодетекторов (разд. 27.1.1.1). Фотодиоды можно использо-
вать вместо фотоэлементов и фотоумножителей в спектрофотометрах,
колориметрах, экспонометрах, фотореле и т.д.
Кремниевые p-i-и-фотодиоды с барьером Шотки. Кремниевые p-i-n-фо-
тодиоды с барьером Шотки можно использовать в видимом и ближнем
ИК диапазонах спектра (400-1200 нм) (рис. 12.71), в которых они обла-
дают хорошей линейностью. В этих диодах имеется переход металл —
полупроводник, получаемый путем напыления тонкого слоя золота на
кремний с и-проводимостью. Если на фотодиод напряжение подается
таким образом, что потенциал золотой пленки отрицательный, а потен-
циал кремния с и-проводимостью - положительный, то во всем переходе
образуется объемный электронный заряд. Носители заряда, возникаю-
щие при поглощении света, могут диффундировать с относительно
большой скоростью через этот внутренний слой, благодаря чему прибор
имеет малые времена нарастания и спада сигнала. Кремниевые p-i-n-
фотодиоды с барьером Шотки обладают большей чувствительностью
в коротковолновом диапазоне, чем планарные диффузные кремниевые
522
Глава 12
Длина волны, нм
Рис. 12.71. Спектральная характеристика кремниевого p-i-и-фотодиода с барье-
ром Шотки [703] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
фотодиоды. Они подходят для лазерных исследований и волоконно-оп-
тической связи, а также используются в тех областях, где основным па-
раметром являются временные характеристики.
Ga-AsP-фотодиоды. Ga-AsP-фотодиоды бывают двух типов (рис. 12.72):
1) диффузные, чувствительные только к свету видимого диапазона;
2) шотковские, чувствительные к излучению в УФ и видимом диапазо-
нах. Они обладают линейностью в широком интервале интенсивностей
света, низким уровнем шума и высокой стабильностью. Эти фотодиоды
выпускаются в герметичном круглом металлическом корпусе или же за-
ливаются эпоксидной смолой на керамической подложке; они могут ис-
пользоваться для лазерных исследований и волоконно-оптической свя-
зи.
12.3.2.2.	Фотодетекторы с усилением (фототранзисторы)
р-и-Переходы действуют не только как фотоэлементы. При
подаче внешнего напряжения противоположной полярности их можно
Фотодетекторы
523
Длина волны, нм
Рис. 12.72. Спектральные характеристики Ga-AsP-фотодиодов [703] (воспроиз-
водится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
использовать в качестве детекторов излучения (фототранзисторов).
В отсутствие излучения через переход протекает только обратный ток
пренебрежимо малой величины; это так называемый темновой ток.
С увеличением мощности излучения на переходе увеличивается число
дополнительных свободных носителей заряда и обратный ток значи-
тельно возрастает. Выбор рабочего режима-фотогальванического или
с обратным смещением-зависит в основном от специфики конкретного
применения и от условий согласования с последующими схемами. Чув-
ствительность фототранзистора в несколько раз больше чувствительно-
сти фотодиода, но его верхняя граничная частота ниже. Как и в фото-
диоде, фототок получается при облучении системы, но затем он
значительно усиливается в результате транзисторного эффекта. Основ-
ная компонента управляющего тока в фототранзисторе является фото-
током 1р, генерированным в фотодиоде. Коэффициент усиления зависит
от величины фототока. Таким образом, квантовая эффективность фото-
транзистора определяется р-и-переходом, работающим как фотоэле-
мент.
Глава 13.
Многоканальные детекторы
Литература 36, 63, 269, 338, 445, 452, 489, 512-514, 668
Многоканальные детекторы -это устройства, позволяющие
в одном наблюдении одновременно зарегистрировать все диспергиро-
ванное излучение. Впервые применена и наиболее широко распростране-
на в качестве многоканального спектрометрического детектора фотоэ-
мульсия. В разработанных позднее многоканальных детекторах исполь-
зуются фотоумножители. Самые современные многоканальные детек-
торы на основе телевизионных трубок позволяют получить несколько
сотен независимых оптических каналов в режиме одномерного сканиро-
вания и много тысяч таких каналов в режиме двумерного сканирова-
ния (эшелле-спектроскопия).
Многоканальные детекторы, связанные с мини-ЭВМ, позволяют по-
лучить следующие режимы обработки данных: 1) обработка сигнала;
2) выбор скорости сканирования; 3) интегрирование; 4) быстрое нако-
пление данных; 5) получение изображения в реальном масштабе вре-
мени; 6) устранение нежелательной спектральной информации. В спек-
троскопии используются многоканальные детекторы следующих типов:
1) электронные усилители изображения (разд. 13.1); 2) электронно-опти-
ческие преобразователи (разд. 13.2); 3) быстродействующие элек-
тронные сканирующие устройства (разд. 13.3); 4) преобразователи из-
ображения с генерацией сигнала (разд. 13.4).
13.1.	УСИЛИТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
13.1.1.	Электронные усилители изображения
Литература 513.
Электронные усилители изображения -это устройства, которые
могут преобразовывать входной поток фотонов в усиленный выходной
поток, а также, возможно, изменять спектральный состав радиации, т. е.
преобразовывать УФ или ИК излучение в видимое. Сначала изображе-
ние, создаваемое фотонами, преобразуется на фотокатоде в соответ-
ствующее электронное изображение, которое затем фокусируется элек-
тронно-оптическим каскадом на экран, покрытый люминофором, на
котором восстанавливается усиленное оптическое изображение
Многоканальные детекторы
525
Рис. 13.1. Сечение электронного уси-
лителя изображения УФ диапазона
[513]. Copyright 1975 American
Chemical Society.
/-фотокатод Cs-Te; 2-алюминиевый слой; 3-лю-
минофор; 4-оптико-волоконная пластина (выходное
изображение).
(рис. 13.1). Усиление по свету (отношение числа выходных фотонов
к числу входных фотонов) достигается путем ускорения фотоэлектро-
нов, выходящих с фотокатода, на пути к люминофору. При использова-
нии оптико-волоконных шайб можно расположить друг за другом не-
сколько таких усилителей и получить многокаскадное устройство
с коэффициентом усиления до 106. С целью достижения лучшего разре-
шения фотоэлектроны можно фокусировать электростатическими или
магнитными полями.
13.1.2.	Микроканальный усилитель
Литература: 374, 452, 513, 1478.
Микроканальный усилитель (называемый также микрока-
нальным детектором)-это умножитель вторичных электронов, предста-
вляющий собой матрицу из миллионов стеклянных капилляров (кана-
лов), сплавленных в виде диска толщиной около 1 мм (рис. 13.2).
526
Глава 13
Каналы
Рис. 13.2. Микроканальный усилитель [374] (воспрои-
зводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan),
а-схема конструкции микроканальной пластины; б-схема процесса уси-
ления электронного потока.
Первичный
электрон
Внутренняя поверхность каждого канала (диаметром 12-20 мкм) покры-
та материалом, испускающим вторичные электроны и обладающим
подходящим сопротивлением. Таким образом, каждый канал предста-
вляет собой независимый умножитель вторичных электронов. При со-
здании разности потенциалов Ур между основаниями микроканальной
пластины (рис. 13.3) вдоль ее оси возникает электрическое поле. При
столкновении попавшего в канал электрона со стенкой образуются вто-
ричные электроны. После движения по параболическим траекториям,
определяемым их скоростью и ускорением в электрическом поле, эти
электроны попадают на противоположную стенку и создают новые вто-
ричные электроны. Этот каскадный процесс повторяется много раз, и
в результате поток электронов экспоненциально возрастает к другому
концу канала.
Микроканальные усилители изготавливаются путем нарезания ди-
сков из бруска, содержащего множество каналов. На рис. 13.4, а показа-
на увеличенная фотография части микроканальной пластины
(рис. 13.4, б), на которой видна решетка каналов. Для создания электро-
дов на входную и выходную поверхности микроканальной пластины на-
носится с помощью испарения железо-хромовый сплав. Толщина элек-
трода выбирается такой, чтобы получить между краями микроканалов
Многоканальные детекторы
527
—l/h-
0-1,5 кВ
W77
Рис. 13.3. Микроканальный усилитель с одной пла-
стиной [700] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
Рис. 13.4. Увеличенное изображение (а) и общий вид (б) микроканальной пла-
стины [374] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
528
Глава 13
сопротивление 50-100 Ом. Усиление микроканальной пластины опреде-
ляется следующими факторами:
1)	отношением а длины канала L к его диаметру d:
a = L/d	(13.1)
2)	мерой напряженности электрического поля внутри пластины, ко-
торой является величина Vp, определяемая формулой
Vd=Vd/^	(13.2)
Усиление д определяется формулой
g = exp(Ga)	(13.3)
где G- коэффициент усиления, представляющий собой характеристику
материала стенки канала и определяемый коэффициентом испускания
вторичных электронов и напряженностью электрического поля. Усиле-
ние можно повысить путем увеличения а при постоянном Vp, однако
при усилении порядка 104 могут возникать затруднения, связанные
с шумом, возникающим вследствие ионной обратной связи. С помощью
одной микроканальной пластины может быть получено полезное усиле-
ние до 104. При необходимости получения большего усиления можно
использовать систему с двумя пластинами (тандемного типа) (рис. 13.5),
в которой две микроканальные пластины (ось каналов одной пластины
составляет определенный угол с осью каналов другой) установлены ря-
дом, а в плоскости их контакта создана ионная ловушка. Такая система
дает усиление до 106. На рис. 13.6 и 13.7 показаны типичные зависимо-
сти усиления от приложенного напряжения для микроканальных усили-
телей с одной и двумя пластинами соответственно.
Рис. 13.5. Схема микроканального
усилителя с двумя пластинами (тан-
демного типа) [700] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
Многоканальные детекторы
529
Рис. 13.6. Типичная зависимость уси-
ления от приложенного напряжения
для микроканального усилителя
с одной пластиной [374] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
Рис. 13.7. Типичные зависимости уси-
ления от приложенного напряжения
для микроканального усилителя с дву-
мя пластинами [374] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
Приложенное напряжение для
Суммарное приложенное
напряжение, В
Микроканальные усилители используются как: 1) усилители изобра-
жения; 2) быстродействующие фотоумножители; 3) детекторы УФ из-
лучения.
13.1.3.	Фотоумножитель с высоким быстродействием
В фотоумножителе длительность сигнального импульса обыч-
но возрастает при прохождении от фотокатода до анода вследствие
распределения углов испускания и скоростей фотоэлектронов и вто-
ричных электронов, а также из-за влияния фокусирующей системы.
В обычных фотоумножителях наилучшее время нарастания составляет
приблизительно 1,8 нс. В быстродействующих усилителях диноды рас-
положены таким образом, что время пролета всех электронов от фото-
катода к системе динодов одинаково и расширение электронного пучка
в процессе усиления мало. В качестве динодной системы фотоумножйте-
34-644
530
Глава 13
лей используются микроканальные пластины. Имеется два типа фо-
тоумножителей с высоким быстродействием: 1) микроканальный фо-
тоумножитель с непрозрачным фотокатодом (разд. 13.1.3.1); 2) микро-
канальный фотоумножитель с полупрозрачным фотокатодом
(разд. 13.1.3.2).
13.1.3.1.	Микроканальный фотоумножитель
с непрозрачным фотокатодом
Конструкция этого фотоумножителя показана на рис. 13.8.
Тормозящая сетка, микроканальная пластина тандемного типа и анод
расположены на расстоянии около 1,5 мм друг от друга. Фотокатод
в фотоумножителе такого типа наносится непосредственно на входную
поверхность микроканальной пластины. Фотоэлектроны попадают на
входную поверхность пластины, так как с другой стороны фотокатода
расположена тормозящая сетка, на которую подается отрицательное
напряжение. Для уменьшения индуктивности выходной электрод микро-
канальной пластины выполнен в виде диска.
На рис. 13.9 показан импульсный отклик фотоумножителя при осве-
щении фотокатода лазерным импульсом с полной шириной на полови-
не максимальной амплитуды (полушириной) около 30 пс; напряжения
между анодом и сеткой и между пластиной и анодом равны 300 В, на-
пряжение на микроканальной пластине составляет 1200 В. После по-
правки на время нарастания регистрационной системы получается вре-
мя нарастания собственно фотоумножителя 0,33 нс. На рис. 13.10
Рис. 13.8. Конструкция микроканального фотоумножителя с непрозрачным ка-
тодом [374] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Многоканальные детекторы
531
Рис. 13.9. Импульсный отклик ми-
кроканального фотоумножителя
с непрозрачным фотокатодом (вре-
мя нарастания 0,61 нс, полуширина
0,88 нс) [374] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со.,
Japan).
Рис. 13.10. Кривая затухания фото-
люминесценции N-диметил анилина
в циклогексане [374] (воспроизво-
дится с разрешения Hamamatsu TV
Со., Japan).
Время, 1нс/дел
показана кривая затухания фотолюминесценции N-диметиланилина
в циклогексане, измеренная с помощью этого фотоумножителя. Флуо-
ресценция возбуждалась лазерным импульсом с полушириной 26 пс.
13.1.3.2.	Микроканальный фотоумножитель
с полупрозрачным фотокатодом
Конструкция фотоумножителя такого типа показана на
рис. 13.11. Он состоит из фотокагода, микроканальной пластины и ано-
да, расположенных на расстояниях соответственно 20 и 2 мм друг от
друга. Столь большое расстояние между фотокатодом и микроканаль-
ной пластиной используется для того, чтобы можно было напылять фо-
токатод. Такое расстояние приводит к ухудшению временных характе-
ристик и чувствительности к магнитному полю, которое, однако, можно
в значительной мере нивелировать путем увеличения прикладываемого
напряжения. Фотоумножитель помещен в специальный кожух, так что
выходной сигнал можно снимать с коаксиального кабеля с нагру-
зочным резистором 50 Ом. На рис. 13.12 показан импульсный отклик
фотоумножителя при освещении фотокатода световым импульсом
с временем нарастания 50 пс. Для отклика время нарастания равно
375 пс при точечном освещении и 400 пс при освещении всего фотокато-
да.
532
Глава 13
На грузочныи
Рис. 13.11. Конструкция микроканального фотоумножителя с полупрозрачным
фотокатодом [374] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Время, 500пс/дел
Рис. 13.12. Типичные импульсные отклики микроканального фотоумножителя
с полупрозрачным фотокатодом при точечном освещении фотокатода (а) и при
освещении всего фотокатода (б) [374] (воспроизводится с разрешения
Hamamatsu TV Со., Japan).
13.2.	ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Литература: 649, 761.
Электронно-оптический преобразователь (рис. 13.13)-это
многоканальный детектор, в выходном сигнале которого содержится
информация о временном и пространственном распределении интенсив-
ности на входной щели. Изображение щели в падающем свете фокуси-
руется с помощью оборачивающей оптической системы на полупроз-
рачный фотокатод, где оно преобразуется в электроны изображения,
которые, пройдя через ускоряющее поле, созданное высоковольтной
Многоканальные детекторы
533
Кольцевой
элекг-‘а
из коо
Полезный участок
(ротокатода
Стеклянная
колба
Фотокатод
Сетчатый
электрод *"
Фокусирующая Отклоняющие Система коррекции
сетка пластины отклонений по Вертикали
Микроканальная
' пластина
Флуоресцентный
Отклоняющие
пластины
Сетчатый
электрод
Штифт отклоняю-
щей системы
а
Рис. 13.13. Схема (а) и общий вид (б) электронно-оптического преобразователя
изображения [704] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Europa
GmbH, Seefeld/Hechendorf, FRG).
сеткой, попадают в отклоняющее поле (рис. 13.14). Электрическое поле
между горизонтальными отклоняющими электродами уменьшается ли-
нейно со временем; электроны сканируются этим полем сверху вниз,
в результате чего получается изображение в виде полос. Развертка поля
синхронизирована с поступлением электронного изображения благода-
ря тому, что генератор развертки запускается незадолго до момента по-
ступления светового импульса (обычно за 10-20 нс) с целью учета за-
держки в цепи развертки.
Развернутое изображение проецируется на микроканальную пласти-
ну (разд. 13.1.2), в которой осуществляется умножение электронного по-
534
Глава 13
Рис. 13.14. Иллюстрация принципа действия электронно-оптического преобразо-
вателя [649] (воспроизводится с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
тока. Электроны изображения, выходящие из пластины, попадают на
экран, покрытый люминофором, и преобразуются в оптическое изобра-
жение. Это изображение с помощью системы оборачивающих линз
(разд. 18.5) фокусируется на катоде телекамеры или пленке камеры со
ждущей разверткой. У полученного таким образом изображения в виде
полос временная ткала направлена вертикально сверху вниз
(рис. 13.15). Распределение интенсивности по входной щели (например,
спектральное распределение) отображается в горизонтальном направле-
нии. Таким образом, электронно-оптический преобразователь предста-
вляет собой многомерный детектор, выходной сигнал которого несет
информацию об интенсивности излучения на входной щели как функции
времени и пространственного распределения.
Рис. 13.15. Формирование изображения в виде полос [649] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
Многоканальные детекторы
535
13.3.	БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Литература 63, 512, 513, 647, 765, 1162
Диссектор (рис. 13.16) представляет собой фотоумножитель, в ко-
тором поле зрения сканируется электронным способом по малой апер-
туре. Изображение проецируется на фотокатод; катушки магнитной от-
клоняющей системы заключают область между катодом и точечной
диафрагмой (рис. 13.17). Эти катушки действуют таким образом, что
электроны, испущенные из выбранного небольшого участка на катоде,
проходят через точечную диафрагму и затем усиливаются динодной си-
стемой. Ток в катушках изменяется, поэтому эффективная область пере-
мещается по катоду по заданному закону. Выходной сигнал фотоумно-
жителя обеспечивает поточечное считывание интенсивности изображе-
ния. Типичный диссектор имеет квадратный катод размерами 25 х
х 25 мм, который разбивается на 1000 х 1000 элементов изображения.
Чувствительность диссектора определяется отношением площади
диафрагмы к площади, занимаемой сканируемым спектром. Выбрав со-
ответствующую форму и размер диафрагмы можно увеличить чув-
ствительность за счет разрешения. Диссектор обладает следующими до-
стоинствами: 1) очень большим динамическим диапазоном (диапазон
Рис. 13.16. Диссектор [647] (воспроизводится
с разрешения Hamamatsu TV Со., Japan).
536
Глава 13
Схема
управления
отклоняющей
каптуихкои
Диафрагма.
Фокусирующа я
катушка
Отклоняющая -
катушка
Фотокатод
wra
Дисплеи
Усилитель
сигнала
Источник
питания
фотоумножителя
Схема
управления „
фокусирующей
катушкой
Рис. 13.17. Схемы диссектора («) и его включения (б).
яркости в одном кадре, в котором детектор остается чувствительным
к изменениям яркости; границы этого диапазона определяют наиниз-
шую и наивысшую интенсивность, которые могут быть зарегистриро-
ваны в одном кадре); 2) возможностью работы в режиме счета фото-
нов; 3) очень высокой скоростью сканирования (до 1 сканирования за
наносекунду); 4) высоким линейным разрешением; 5) выходным сигна-
лом в реальном масштабе времени; 6) возможностью произвольной
выборки (возможность локального сканирования только тех областей
изображения, которые содержат нужную информацию, а не всего
изображения).
Многоканальные детекторы
537
13.4.	ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ С
ГЕНЕРАЦИЕЙ СИГНАЛА
Литература: 63, 512, 513.
Преобразователи изображения с генерацией сигнала -это устрой-
ства, в которых электронный пучок используется для считывания
скрытого изображения с фотопроводника или диэлектрического запоми-
нающего слоя. Для регистрации оптического изображения оно сначала
преобразуется в распределение потенциала, затем накапливается и за-
поминается и, наконец, считывается. Считывание производится с по-
мощью быстрого сканирования распределения потенциала на мишени
сфокусированным электронным пучком, который также восстанавли-
вает на ней однородный равновесный потенциал (равный потенциалу
катода электронной пушки), подготавливая ее таким образом к следую-
щему циклу записи. Усиление сигнала изображения может производить-
ся по одной из следующих схем: 1) усиление входного света (усиление
изображения); 2) усиление модуляции заряда за счет характеристик ре-
жима интегрирования и хранения; 3) увеличение числа фотоэлектронов
до этапа хранения, как в микроканальных пластинах (разд. 13.1.2);
4) усиление на стадии считывания электронным пучком, как в ортико-
нах (разд. 13.4.2).
Преобразователи изображения с генерацией сигнала можно разде-
лить на две группы:
1. Видиконы (разд. 13.4.1). В них мишень из фотопроводника исполь-
зуется и в качестве преобразователя оптического изображения в распре-
деление зарядов, и в качестве элемента, хранящего это распределение.
2. Ортиконы (разд. 13.4.2) и трубки с усиливающей кремниевой ми-
шенью (разд. 13.4.3). В этих трубках фотонное изображение сначала
преобразуется фотокатодом в распределение заряда (или потенциала),
которое затем усиливается и запоминается на мишени.
13.4.1.	Видиконы
Литература: 63, 352, 369, 512, 513, 869-871. 935, 1078, 1086, 1233, 1234, 1257, 1295, 1433-1435, 1469,
1546, 1569.
Видиконы (рис. 13.18)-это устройства, в которых мишень из
фотопроводника используется в качестве чувствительного и запоминаю-
щего элемента. На рис. 13.19 показана схема видикона с кремниевой
мишенью. На одном конце трубки расположена электронная пушка-
источник пучка электронов. Окружающие трубку фокусирующие катуш-
ки фокусируют электронный пучок на мишень. Отклоняющие катушки
позволяют сканировать мишень электронным пучком. Мишень (рис.
13.20) содержит подложку из кремния /i-типа на которой сформирована
система островков из кремния p-типа, образующая мозаику фотодиодов
(разд. 12.3.2.1). Участки между островками кремния p-типа покрыты
538
Глава 13
Рис. 13.18. Видиконы (воспроизводится с разрешения English Electric Valve Со.,
England).
двуокисью кремния с целью защиты подложки от электронного
пучка.
Во время работы видикона электронный пучок сканирует мишень,
заряжая островки из кремния p-типа до отрицательного потенциала
электронной пушки. При подаче положительного напряжения на под-
ложку островки из кремния p-типа (диоды) оказываются смещенными
в обратном направлении. Благодаря изолирующим свойствам обеднен-
ного слоя, образующегося в таких диодах, каждый из них работает как
запоминающий конденсатор. Фотоны, поглощенные в кремнии и-типа,
электронов
Рис. 13.19. Схема видикона с кремниевой мишенью [63] (воспроизводится с раз-
решения American Chemical Society).
/-лицевая пластина; 2-кремниевая подложка, 3-модулятор, 4-отклоняющая катушка, 5-фокусирующая
катушка; 6-электронная пушка, 7-управляющая сетка
Многоканальные детекторы
539
Рис. 13.20. Схема кремниевой мишени для
видикона [63] Copyright 1975 American
Chemical Society.
/-изолирующая область из SiCh, 2-островки полупровод-
ника р-типа
е -электрон
©- дырка
обеднения
создают электронно-дырочные пары. Образующиеся при этом дырки
диффундируют через обедненный слой в ближайшие островки кремния
p-типа и разряжают конденсаторы на облученных участках. В результа-
те эти островки оказываются заряженными до более высокого положи-
тельного потенциала по сравнению с островками, на которые дырки не
поступали. При сканировании электронным пучком участка, не потеряв-
шего своего отрицательного заряда, который был создан во время
предыдущего сканирования, выходной сигнал отсутствует. Однако он
появляется при сканировании пучком областей, частично потерявших
отрицательный заряд либо в результате утечек, либо благодаря посту-
плению на них дырок, созданных фотонами. Ток смещения, возникаю-
щий при перезарядке этих частично разряженных конденсаторов, усили-
вается как сигнал.
Другими словами, изображение на передней поверхности фотопрово-
дящей мишени постоянно воспроизводится в виде положительного по-
тенциального рельефа на ее задней поверхности. Сканирующий элек-
тронный пучок разряжает каждый элемент изображения по очереди.
Чем больше положительный заряд на отдельном элементе, тем больше
электронов поступает из пучка для разряда этого элемента. Разряжаю-
щие электроны стекают на нагрузочный резистор, на котором и форми-
руется видеосигнал.
Достоинствами видикона являются широкий спектральный диапазон
(200-1100 нм), высокая квантовая эффективность (0,8 в максимуме) и ли-
нейность амплитудной характеристики в большом динамическом диапа-
зоне. Недостаток - меньшая, чем у обычного фотоумножителя, чувстви-
тельность.
В оптическом многоканальном анализаторе (ОМА) (разд. 15.5) ис-
пользуется видикон с кремниевой мишенью. В ОМА имеется 500 кана-
лов на 1 см2 поверхности мишени. Диапазон длин волн, регистри-
руемый трубкой, зависит от дисперсии монохроматора, к которому она
подсоединяется. Это устройство имеет двойную память, благодаря чему
можно запоминать и затем вычитать из спектра фон. Усреднение сигна-
540
Глава 13
ла (разд. 15.1) может производиться с помощью накопления заданного
числа сканирований в определенном участке памяти. При задержке ска-
нирования электронным пучком возможно интегрирование на мишени
видикона. Видиконы широко применяются в ряде областей спектроско-
пии, таких, как абсорбционная, пламенная и эмиссионная спектроскопия
(флуоресценция), биолюминесценция и т.д.
13.4.2.	Ортикон
Литература: 512, 513
Ортикон (рис. 13.21)-это устройство, в котором для усиления
фотоэлектронного сигнала используется секция формирования изобра-
жения, а в качестве элемента памяти - тонкая стеклянная мембрана
(кремниевая пленка). В этом устройстве свет вызывает эмиссию элек-
тронов с левой поверхности фотокатода (рис. 13.22). Электроны уско-
ряются электрическим полем и попадают на стеклянную мембрану, где
удерживаются непродолжительное время положительным зарядом, ко-
Рис. 13.21. Ортикон (воспроизводится с разрешения English Electric Valve Со.,
England).
Умножитель
электроное
Фотохатод
ВМратный^УУ^^^-
К;
Электронная Выходной электрод
пусика.
Экран из мелкой
сетки
Рис. 13.22. Схема ортикона [373] (воспроизводится с разрешения Prentice-Hall,
Inc., Englewood Cliffs., N.J.).
Многоканальные детекторы
541
торый создается экраном из мелкой сетки, расположенным на расстоя-
нии 50 мкм от мембраны. Электронный пучок из электронной пушки
сканирует мембрану и осуществляет перенос изображения. Возвратный
пучок после усиления в левой части трубки образует выходной сигнал.
13.4.3.	Трубки с усиливающей кремниевой мишенью
Литература 63, 452, 512-514, 638, 869, 937, 1257, 1301, 1377, 1434, 1435, 1454, 1604, 1653, 1766
Трубки с усиливающей кремниевой мишенью (SIT) (рис. 13.23)
и трубки с двойным усилением изображения на мишени (ISIT) имеют
большую, чем у видикона, чувствительность (разд. 13.4.1). Они отли-
чаются от стандартного видикона с кремниевой мишенью дополни-
тельным фотокатодным каскадом перед мишенью (рис. 13.24). Фото-
электроны, инжектированные с фоточувствительной поверхности, уско-
ряются в направлении подложки из кремния и-типа, на которую они
фокусируются в виде электронного изображения.
В этих трубках кремниевая мишень разделена на 500 регистра-
ционных каналов, принимающих в отличие от видикона не фотоны,
а фотоэлектроны (электроны, испускаемые фотокатодом при попадании
на него света). В результате ускорения фотоэлектронов после выхода из
фотокатода усилителя увеличивается сигнал, создаваемый отдельными
фотоэлектронами, которые, проникая в мишень, образуют в ней много
заряженных пар. Образование ускоренными электронами множества
электронно-дырочных пар приводит к усилению оптического сигнала.
Коэффициент усиления (около 1500) несколько снижается вследствие
меньшей квантовой эффективности фотокатода по сравнению с крем-
ниевой мишенью, в результате чего для видимого света получается уси-
ление около 200. Поскольку эффективность образования электронно-ды-
рочных пар ускоренными электронами выше, чем при поглощении
фотонов, трубки с усиливающей кремниевой мишенью чувствительнее
стандартного видикона.
Усиливающие кремниевые мишени покрывают алюминием с целью
уменьшения чувствительности к свету, проходящему через фотокатод,
а также для поддержания постоянного потенциала на поверхности,
принимающей фотоэлектроны. Под алюминиевым покрытием располо-
жен сильно легированный слой, называемый накопительным слоем; он
улучшает характеристики трубки как усилителя. Усиление трубки с та-
кой мишенью достигается в результате ускорения отдельных электро-
нов. Благодаря наличию усилительного каскада возможно электронное
стробирование этих детекторов с помощью высоковольтного импульс-
ного генератора (разд. 15.5). Стробирование -это режим работы усили-
вающих детекторов, позволяющий улучшить временное разрешение пу-
тем управления процессом ускорения электронов между фотокатодом
и мишенью. Данный метод позволяет получить разрешение лучше 50
нс. Параметрами, важными для стробирования, являются приложенное
542
Глава 13
Рис. 13.23. Трубка с усиливающей кремниевой мишенью (модель 1254) [638]
(воспроизводится с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
Рис. 13.24. Схема трубки с усиливающей кремниевой мишенью [638] (воспроиз-
водится с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
7-пучок быстрых электронов, формирующий изображение на мишени, 2-электроды для фокусировки изоб-
ражения, 3 -фокусирующий анод, 4 -кремниевая мишень, 5-фокусирующая сетка электронной пушки,
6-ускоряющий электрод, 7-управляющий электрод, S-сканирующий пучок медленных электронов
напряжение, отношение коэффициентов усиления (чувствительность при
включенном каскаде, деленная на чувствительность при выключенном
каскаде) и шум стробирования.
Спектральная чувствительность трубок с усиливающей кремниевой
мишенью определяется фотокатодом, нанесенным на находящуюся
в вакууме сторону оптико-волоконной пластины (рис. 13.25). Поскольку
оптические волокна изготовлены из стекла, излучение с длиной волны
Многоканальные детекторы
543
Рис. 13.25. Спектральные харак-
теристики трубок с усиливаю-
щей кремниевой мишенью (SIT)
и с двойным усилением изобра-
жения на мишени (ISIT) [638]
(воспроизводится с разрешения
EG & G Princeton Applied
Research Co., USA).
Длина волны, нм
менее 330 нм по ним не проходит. Для измерений в области ниже
330 нм необходимо применять УФ сцинтиллятор, устанавливаемый не-
посредственно на волоконно-оптическом блоке. В большинстве усили-
вающих детекторов сцинтиллятор нельзя использовать из-за того, что
входная оптика покрыта защитным стеклянным слоем. Имеются детек-
торы обоих типов (с усиливающей кремниевой мишенью и с двойным
усилением изображения на мишени) с унифицированными вакуумными
фланцами; они предназначены для работы в спектральном диапазоне
ниже 200 нм. Для измерений в диапазоне 800-850 нм следует использо-
вать специальный многощелочной фотокатод с повышенной чувстви-
тельностью в красной области. При работе с очень низкими интенсив-
ностями света эти детекторы следует охлаждать. Трубки обоих типов
применяются в ряде областей спектроскопии, таких, как абсорбционная
и пламенная спектроскопия, флюорометрия, пикосекундный флеш-фото-
лиз, пикосекундная флеш-флюорометрия и т.д.
Глава 14.
Осциллографы
Литература. 15, 28, 219, 537
Осциллограф -это прибор, создающий видимое изображение
одной или большего числа быстро изменяющихся электрических вели-
чин как функции времени или другой электрической величины. Простой
осциллограф состоит из следующих элементов: 1) электронно-лучевая
трубка (ЭЛТ) (рис. 14.1); 2) источник питания; 3) RC-соединения с гори-
зонтальными и вертикальными отклоняющими пластинами ЭЛТ. Хоро-
шее отклонение на экране может быть получено только при подаче на
входы вертикального и горизонтального каналов достаточно высокого
напряжения. Изображение зависимости напряжения от времени можно
получить только при использовании внешнего генератора пилообразно-
го напряжения. Этот генератор дает линейно изменяющееся смещение;
он управляет усилителем горизонтального отклонения. Сигнал, изобра-
жение которого нужно получить на экране ЭЛТ, подается на усилитель
вертикального отклонения.
Электронный пучок в ЭЛТ можно отклонять с использованием: 1)
электромагнитных сил (ЭЛТ с магнитной отклоняющей системой имеет
отклоняющие обмотки, расположенные на внешней поверхности труб-
ки); 2) электростатических сил (элементы электронно-лучевой трубки
с электростатическим отклонением целиком расположены внутри ее
корпуса). В большинстве осциллографов применяется электростатиче-
ское отклонение, поскольку на высоких частотах наличие обмоток при-
водит к ухудшению частотной характеристики.
Основные элементы ЭЛТ показаны на рис. 14.2. Стеклянная оболоч-
ка состоит из конической части, спаянной со стеклянным цилиндром,
в котором располагается электронная пушка. Углеродное покрытие на
внутренней части корпуса (аквадаг) используется для получения одно-
родного электростатического поля внутри трубки и экранирования ее от
внешних электростатических полей. Электронная пушка создает сфоку-
сированный пучок электронов, попадающий на люминофор, который
преобразует электрическую энергию в видимый свет. В состав пушки
входят следующие элементы (рис. 14.2):
1.	Триодная секция, содержащая нить накала, катод, сетку и первый
анод. Катод представляет собой расположенный внутри сетки нике-
левый колпачок, покрытый окисью бария и окисью стронция. На катод
обычно подается отрицательное напряжение порядка — 1 кВ, а сетка
Осциллографы
545
Вход
усилителя
вертикального
отклонения
Усилитель
вертикального
отклонения
Усилитель
горизонтального
отклонения
Рис. 14.1. Электронно-лучевая трубка с усилителями.
Вход
усилителя
горизонтального
отклонения
поддерживается под несколько большим по абсолютной величине отри-
цательным потенциалом. Напряжение на сетке можно изменять с по-
мощью ручки регулировки интенсивности пучка, тем самым разность
потенциалов между сеткой и катодом определяет интенсивность из-
ображения.
В отсутствие сигнала, поступающего на осциллограф, смещение на
сетке оказывается ниже напряжения отсечки и электроны с катода на
люминофор не попадают. Когда начинается развертка по горизонтали,
на сетку подается положительный импульс, называемый импульсом за-
пуска, в результате чего смещение на ней оказывается выше напряжения
отсечки и ЭЛТ включается. Последним элементом триодной секции
является первый анод; совместно с катодом и сеткой он образует уско-
Триод
Отклонение
Ускорение
Вертикальная ось
координатной
сетки *
Горизонтальная ось
Второй
анод
Горизонтальная ось
координатной сетки
Алюминированный
люминофор с
координатной сеткой,
высокое напряжение
Первый анод
Фокусирующее
кольцо
электронной пушки
Рис. 14.2. Схема электронно-лучевой трубки.
35-644 -
546
Глава 14
ритель электронной пушки. На анод обычно подается положительное
напряжение порядка 0-102 В.
2.	Фокусирующая линза, состоящая из первого анода, фокусирующе-
го кольца и астигматической диафрагмы (называемой также вторым
анодом). Этот элемент предназначен для преобразования электронного
пучка таким образом, чтобы на люминофоре получалось пятно мини-
мального размера. И первый, и второй аноды работают при напряже-
ниях, близких к нулю, в то время как на фокусирующее кольцо подается
отрицательный потенциал порядка — 1 кВ (по абсолютной величине не-
сколько меньший, чем потенциал катода). Потенциал фокусирующего
кольца регулируется ручкой, расположенной на передней панели. Когда
на фокусирующее кольцо подается отрицательное относительно перво-
го и второго анодов напряжение, фокусное расстояние линзы умень-
шается (регулировка производится до тех пор, пока на экране ЭЛТ не
будет наблюдаться пятно минимального размера). Путем регулировки
потенциала на втором аноде формируется цилиндрическое поле между
ним и отклоняющими пластинами (регулировка астигматизма). Целью
этой регулировки является получение формы пятна, наиболее близкой
к круглой.
3.	Секция отклонения пучка, в которой происходит отклонение элек-
тронного пучка по вертикали и по горизонтали с помощью двух набо-
ров отклоняющих пластин с взаимно перпендикулярными осями откло-
нения. Пластины обычно располагаются сразу же за вторым анодом,
причем пластины вертикального отклонения находятся ближе ко второ-
му аноду, а пластины горизонтального отклонения - ближе к люмино-
фору. Для увеличения угла отклонения пучка с целью получения из-
ображения большего размера при меньших длинах трубки отклоняю-
щие пластины обычно устанавливаются под углом к оси или изгибают-
ся.
Электронно-лучевые трубки с одним ускоряющим электродом
(рис. 14.3) чаще всего используются в осциллографах с полосой пропу-
скания менее 5 МГц. В трубках такого типа электроны ускоряются
только в электронной пушке, на которую подается ускоряющее напря-
жение до 5 кВ. В последних моделях ЭЛТ применяется ускорение элек-
тронного пучка после прохождения отклоняющей системы (рис. 14.4),
что дает возможность получить более высокую яркость. В некоторых
ЭЛТ устанавливается дополнительная сферическая сетка, выпрямляю-
щая силовые линии ускоряющего поля (так называемые ЭЛТ с се-
точным катодом радиального поля).
До последнего времени в большинстве осциллографических элек-
тронно-лучевых трубок использовались пластмассовые шкалы, закре-
пляемые на лицевой стороне экрана. Эти шкалы легко поцарапать, они
дают сильные блики и значительную ошибку параллакса. Ошибка па-
раллакса возникает в том случае, когда шкала и люминофор располо-
жены не в одной плоскости (рис. 14.5). Разница показателей преломле-
ния стекла и пластмассы также дает вклад в эту ошибку.
Осциллографы
547
Рис. 14.3. Электронно-лучевая трубка с одним ускоряющим электродом [28]
(воспроизводится с разрешения Hewlett-Packard, USA).
В электронно-лучевых трубках последних моделей (например, выпу-
скаемых фирмой Hewlett-Packard, USA) люминофор и координатная
сетка нанесены на одну (внутреннюю) плоскость (рис. 14.6), благодаря
чему устраняется ошибка параллакса. Тонкий слой алюминия на задней
поверхности слоя люминофора значительно увеличивает яркость и за-
щищает люминофор от постепенного разрушения. Электронно-лучевые
трубки, используемые для фотографирования с экрана, должны быть
алюминированы, так как в противном случае свет от нити накала будет
приводить к образованию вуали на фотопленке.
Люминофоры -это материалы, люминесцирующие после бомбарди-
ровки электронами. Процесс люминесценции включает следующие ста-
дии: 1) первоначальное испускание света во время возбуждения электро-
нами (флуоресценция); 2) продолжительное испускание излучения после
снятия возбуждения (фосфоресценция). Наблюдаемый цвет траекторий
начального свечения и послесвечения часто путают, поскольку имеются
значительные расхождения между люминофорами, выпускаемыми раз-
личными изготовителями, а цветовое восприятие также весьма субъек-
тивно. Люминофоры, используемые как покрытия экранов ЭЛТ, обла-
Рис. 14.4. Электронно-лучевая трубка с сетчатым катодом радиального поля
[28] (воспроизводится с разрешения Hewlett-Packard, USA).
35*
548
Глава 14
Рис. 14.5. Возникновение ошибки параллакса в электронно-лучевой трубке [28]
(воспроизводится с разрешения Hewlett-Packard, USA).
дают следующими тремя основными переменными характеристиками:
1) спектральное распределение, 2) время затухания послесвечения 3) эф-
фективность или яркость. Люминофоры, классифицированные Объеди-
ненным техническим советом по электронным устройствам (JEDEC),
имеют обозначения от Р1 до Р35. Номер группы указывает не на состав
люминофора, а только на его характеристики. Люминофоры, которые
применяются наиболее часто, перечислены в табл. 14.1.
Эффективность люминофора (отношение энергйи испускаемого света
к энергии падающего электронного пучка), как правило, меньше 10%;
по этой причине люминофор должен рассеивать много тепла, иначе он
будет выгорать. Выгоревший участок обычно кажется бесцветным, а его
эффективность меньше эффективности окружающих областей. Выгора-
ние происходит при подаче на некоторый участок люминофора избы-
Рис. 14.6. Электронно-лучевая трубка без ошибки параллакса [28] (воспроизво-
дится с разрешения Hewlett-Packard, USA).
Осциллографы
549
Таблица 14.1. Характеристики люминофоров для осциллографов
Люмино- Спектраль-		Начальная флуорес- ценция	Послесвечение (фос- форесценция)	Время затухания послесвечения3
фор	ные максиму- мы, нм			
Р1	525	Зеленая	Зеленое	Умеренно боль- шое
Р2	535	Сине-зеленая	Желто-зеленое	Большое (умерен-
РЗ	415	Синяя	Синее	но короткое при использо- вании синего фильтра) Умеренно корот-
Р7	440, 555	Сине-белая	Желтое	кое Большое (меньше
Р11	460	Синяя	Синее	с синим фильт- ром) Умеренно корот-
Р15	390, 505	Сине-зеленая	Сине-зеленое	кое Короткое
Р16	385	Фиолетовая	Фиолетовое	Очень короткое
Р24	510	(ближний УФ диапазон) Зеленая	(ближний УФ диапазон) Зеленое	Короткое
а Время затухания послесвечения (до 10% максимальной яркости); очень большое-
более 1с; большое-100 мс-1 с; умеренно большое-1-100 мс; умеренно короткое-10 мкс-
1мс; короткое-1-10 мкс; очень короткое-менее 1мкс.
точной энергии. Стандартные люминофоры могут быть классифициро-
ваны по стойкости к выгоранию (рис. 14.7). Для предотвращения
выгорания люминофора рекомендуются следующие меры: 1) использо-
вать пучок минимальной интенсивности; 2) уменьшать интенсивность
при медленных развертках; 3) избегать подачи на экран яркого хорошо
сфокусированного неподвижного или медленно перемещающегося пят-
на.
Для улучшения четкости зарегистрированного на экране ЭЛТ сигна-
ла используются следующие фильтры:
1.	Фильтры из окрашенной пластмассы. Например, желто-зеленая
люминесценция люминофора Р7 может быть ослаблена синим филь-
тром. Синий фильтр необходим также для ослабления красного света,
преимущественно испускаемого ЭЛТ с неалюминированным экраном.
Пропускание света окрашенными фильтрами в зависимости от цвета
может изменяться приблизительно от 25 до 90%.
2.	Сетчатые фильтры для улучшения контраста изображения относи-
тельно фонового свечения. Они состоят из металлической или пласт-
массовой сетки и покрывающей ее поглощающей краски (обычно чер-
ной). Пропускание сетчатых фильтров составляет 30-50%.
550
Глава 14
Рис. 14.7. Классификация стандартных люминофоров по стойкости к выгора-
нию [28] (воспроизводится с разрешения Hewlett-Packard, USA).
3.	Циркулярно поляризующие фильтры для улучшения контраста за
счет подавления отражений комнатного света от экрана ЭЛТ. Улучше-
ние контраста составляет 5-30:1.
Сигнал, форму которого надо наблюдать на экране ЭЛТ, подается
на вход усилителя вертикального отклонения. Основные формы сигна-
лов, отображаемых при линейной во времени развертке, показаны на
рис. 14.8. Обычный рабочий осциллограф должен иметь следующий ми-
нимальный набор ручек управления:
1.	Ручка усиления по вертикали позволяет плавно изменять высоту
изображения. Ступенчатая регулировка х 1, х 10, х 100 позволяет по-
лучить десятикратное изменение чувствительности по вертикали (высо-
ту изображения).
2.	Ручка смещения по вертикали позволяет перемещать изображение
на экране вверх или вниз.
3.	Ручка смещения по горизонтали позволяет перемещать изображе-
ние на экране вправо или влево.
4.	Ручка фокусировки позволяет получать резкое изображение.
5.	Ручка «Яркость» регулирует яркость изображения.
6.	Ручка «Скорость развертки» позволяет плавно изменять скорость
развертки по горизонтали: а) если установлена низкая скорость разверт-
ки, то на экране будет отображаться несколько периодов сигнала; б)
когда частота следования пилообразного напряжения равна частоте сле-
дования сигнала, на экране будет отображаться один период; в) если
установлена слишком высокая скорость развертки, то изображение бу-
дет искажаться.
7.	Переключатель «Высокий/низкий» устанавливает один из двух ос-
новных диапазонов развертки по горизонтали.
8.	Переключатель «Внутренний/внешний» позволяет использовать
для развертки также и внешнее напряжение.
Осциллографы
551
Рис. 14.8. Сигналы, отображаемые при линейной временной развертке.
о-синусоидальный сигнал; б-прямоугольный сигнал, в-пилообразный сигнал, г-экспоненциальные сиг-
налы
Осциллограф с внешним запуском обладает автоматической синхро-
низацией и не требует каких-либо регулировок. Он имеет ряд преиму-
ществ по сравнению с обычными осциллографами: 1) малый участок
изображения можно значительно растянуть по горизонтали для деталь-
ного анализа формы сигнала; 2) внешний запуск развертки позволяет
измерять время нарастания сигналов с крутыми фронтами; 3) может ре-
гистрировать одиночные сигналы.
Двухлучевые осциллографы имеют два усилителя развертки по вер-
тикали, обычно обозначаемые как каналы А и Б. Любой из этих кана-
лов может использоваться по отдельности либо оба канала могут рабо-
тать одновременно. Применяются два режима формирования изображе-
ния (рис. 14.9):
1. Режим переключения каналов, когда сначала на экране получается
изображение сигнала в канале А, затем луч опускается ниже и форми-
Рис. 14.9. Основные режимы работы двухлучевых осциллографов,
о-режим переключения каналов; б-режим коммутации
О	
	111 111111 41 1Ц Hl  W
6
552
Глава 14
руется изображение сигнала в канале Б. Этот цикл постоянно повто-
ряется.
2. Режим коммутации, когда луч быстро отклоняется вверх и вниз,
непрерывно формируя изображения сигналов в обоих каналах. Каждое
такое изображение состоит из последовательности точек или штрихов.
Однако они расположены так близко друг к другу, что при наблюдении
экрана даже с небольшого расстояния изображения кажутся непреры-
вными.
Существуют осциллографы с задержанной разверткой; в них имеется
два генератора развертки, один из которых запускается с задержкой от-
носительно другого. Генераторы развертки могут работать независимо
друг от друга либо совместно. Например, первый генератор может
быть установлен на скорость развертки 1 см/с, а второй-на скорость
1 см/мкс. Первый генератор можно отрегулировать таким образом,
чтобы он осуществлял развертку на одной половине экрана, а второй-
на другой половине в течение намного большего временного интервала
по сравнению с первым. Например, можно установить такую задержку,
при которой первая 0,01 часть длительности входного сигнала раз-
вертывается с высокой скоростью, а остальные 0,99-с низкой. Таким
способом любую выбранную часть сигнала можно значительно растя-
нуть с целью детального исследования. На рис. 14.10 показано изобра-'
жение синусоидального сигнала, первая часть которого развертывается
со скоростью, в три раза превышающей скорость развертки второй ча-
сти. Осциллограф с задержанной разверткой может быть как однолу-
чевым, так и двухлучевым.
Кроме задержанной развертки, обеспечиваемой двумя генераторами,
и двухлучевого режима работы у осциллографа может быть также схе-
Рис. 14.10. Изображение синусоидаль-
ного сигнала, первая часть которого
развертывается со скоростью, превы-
шающей скорость развертки второй
части в три раза.
Рис. 14.11. Передний фронт прямоу-
гольного сигнала (обычно ненаблю-
даемый на осциллограмме, показан-
ной в верхней части).
а-с увеличенной яркостью, б-растянутый
Осциллографы
553
Рис. 14.12. Измерение времени нара-
стания.
ма интенсификации изображения. В этом режиме в канале А может
быть получено изображение прямоугольного сигнала с увеличенной яр-
костью переднего фронта (рис. 14.11). В свою очередь в канале Б может
быть получено изображение сильно растянутого переднего фронта. Та-
кая растяжка позволяет проводить измерения времени нарастания
(рис. 14.12). Время нарастания определяется как временной промежуток,
в течение которого передний фронт сигнала изменяется от 10 до 90%
максимальной амплитуды.
Панорамный осциллограф (или спектроанализатор) (рис. 14.13) позво-
ляет получить изображение частотных компонент сигнала сложной
формы (вторая, третья, четвертая и более высокие гармоники). Сложные
осциллографы (рис. 14.14) могут включать встроенные микропроцес-
соры с анализаторами логического состояния, с помощью которых опе-
ратор может получить информацию, выраженную либо через вре-
менные параметры, либо через характеристики данных. Автоматически
регистрируются следующие параметры сигнала: время нарастания, дли-
тельность, период и задержка. Вместо временных интервалов могут
указываться частоты. Для фотохимических и фотофизических исследо-
ваний могут оказаться особенно полезными два следующих сложных
осциллографа: 1) стробоскопический осциллограф (разд. 14.1); 2) запо-
минающий осциллограф (разд. 14.2).
14.1.	СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
Стробоскопические осциллографы позволяют выполнять каче-
ственный и количественный анализ повторяющихся сигналов с времена-
ми нарастания пикосекундного диапазона. На стробоскопическом ос-
циллографе легко получается изображение амплитудной характеристики
усилителя промежуточной частоты, из которой извлекается информация
о фазовых сдвигах и частотных зависимостях усиления. Характерной
особенностью стробоскопических осциллографов является большой
динамический диапазон и малое время восстановления:
1.	Динамический диапазон может быть определен как возможность
наблюдения очень маленького импульса или пульсаций на вершине
554
Глава 14
Рис. 14.13. Спектроанализатор (модель 5L4N) (воспроизводится с разрешения
Tektronix, USA).
большого импульса. Стробоскопические осциллографы точно воспроиз-
водят малые импульсы или искажения в присутствии больших импуль-
сов при отношении амплитуд около 1000:1.
2.	Время восстановления -это фактор, ограничивающий возмож-
ность изображения быстроменяющихся величин, как, например, в случае
наблюдения короткого импульса малой амплитуды, следующего за им-
пульсом большой амплитуды, вызывающего насыщение усилителя. Им-
пульс малой амплитуды будет замаскирован картиной восстановления
характеристик усилителя после большого импульса, если усилитель
имеет достаточно большое время восстановления. В стробоскопических
осциллографах такое ограничение практически отсутствует, поскольку
после стробоскопического преобразователя сигнал поступит на низкоча-
стотный тракт, а также вследствие большого интервала между выборка-
ми (типичная величина 10 мкс).
Осциллографы
555
Рис. 14.14. Сложный осциллограф (модель 7603) (воспроизводится с разрешения
Tektronix, USA).
На рис. 14.15 показан один из современных стробоскопических ос-
циллографов (модель 7904 фирмы Tektronix, USA).
14.2.	ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Запоминающие осциллографы могут хранить изображение. Даже
при анализе одиночного события запоминающий осциллограф может
сформировать на экране форму импульса и сохранять изображение
в течение 30 с; затем изображение стирается с помощью переключателя.
В некоторых конструкциях запоминающих осциллографов изображение
может сохраняться более 1 ч. В запоминающих осциллографах исполь-
зуются специально разработанные электронно-лучевые трубки. В них
кроме обычных элементов ЭЛТ имеются дополнительные элементы
(рис. 14.16):
556
Глава 14
Рис. 14.15. Стробоскопический осциллограф (модель 7904) [707] (воспроизводит-
ся с разрешения Tektronix, USA).
1.	Прожектор подсветки. Записывающая пушка обычно работает
при напряжениях порядка — 1 кВ, в то время как прожектор подсветки
испускает на люминофор медленные электроны при напряжении 0 В.
Электронное облако, создаваемое прожектором подсветки, проецирует
изображение через систему линз на люминофор экрана, где создается
видимое изображение.
2.	Коллиматор-проводящее покрытие на внутренней стенке трубки,
предназначенное для регулировки размеров луча прожектора подсветки.
3.	Коллекторная сетка изготавливается из тонкой проволоки; на нее
всегда подается постоянное положительное напряжение.
4.	Запоминающая сетка расположена несколько дальше коллектор-
ной и тоже изготавливается из тонкой проволоки. На ее заднюю по-
верхность наносится с помощью испарения дополнительный изолирую-
щий слой.
Регистрируемый сигнал записывается на запоминающей сетке, нахо-
дящейся вблизи отклоняющих пластин. Эта сетка может хранить очень
отчетливые изображения сигнала. Пучок из прожектора подсветки про-
ецирует изображение через систему линз на люминофор экрана с целью
получения видимого изображения. Сочетание запоминающих элементов
малой площади с увеличительными линзами позволяет регистрировать
Осциллографы
557
Рис. 14.16. Запоминающая электронно-лучевая трубка (а-схема;
б-общий вид) (воспроизводится с разрешения English Electric Valve
Со., England).
с помощью запоминающей трубки переходные процессы при скорости
развертки отклоняющей системы 100 МГц. Скорость записи -это откло-
нение электронного луча за единицу времени (при условии, что луч все
еще формирует запоминаемый сигнал в виде, пригодном для получения
изображения). При скорости записи 1800 см/мкс можно зарегистриро-
вать одиночную синусоидальную волну с амплитудой в 8 больших де-
558
Глава 14
Рис. 14.17. Запоминающий осциллограф (модель 1774А) (воспроизводится с раз-
решения Hewlett-Packard, USA).
лений и частотой 100 МГц. Одиночный импульс с временем нарастания
3,5 нс тоже можно зарегистрировать и получить его качественное из-
ображение в любом месте экрана.
На рис. 14.17 показан современный запоминающий осциллограф
(модель 1744A Hewlett-Packard, USA). Большая скорость записи и боль-
шой размер экрана делают эту модель очень полезной для анализа ко-
ротких импульсов (рис. 14.18).
14.3.	ФОТОРЕГИСТРАЦИЯ ОСЦИЛЛОГРАММ
Литература: 9, 28, 219, 326, 511
Фоторегистрация осциллограмм осуществляется с помощью
одного из следующих методов: 1) получаемая на неподвижной пленке
одиночная фотография либо повторяющегося, либо однократного из-
ображения; 2) стрик-регистрация на непрерывно движущейся пленке
(развертка во времени получается благодаря перемещению пленки, гене-
ратор развертки осциллографа не используется). Для этих методов ре-
гистрации требуются различные фотокамеры, иногда используются раз-
ные фоточувствительные материалы и экраны на основе разных
Осциллографы
559
Рис. 14.18. Фотография сигнала на экране запоминающего осциллографа (во-
спроизводится с разрешения Tektronix, USA).
люминофоров. Камера должна быть надежно соединена с кожухом, не
пропускающим на экран окружающий свет, но позволяющим наблю-
дать экран при регулировке осциллографа и, возможно, в процессе фо-
тографирования. В продаже имеются различные системы с непо-
движным или шарнирным креплением камеры и разнообразными
видоискателями, начиная от простых отверстий с крышкой и кончая де-
лителями пучка на основе дихроичного зеркала.
Скорость фотозаписи определяет возможность получения отчетли-
вой фотографии быстрой однократной осциллограммы с помощью дан-
ной системы осциллограф-фотокамера. Эта величина выражается
в единицах см/с, см/мс, дюйм/с и т.д. и приводится в качестве характе-
ристики осциллографа. Она дает информацию о скорости, при которой
самые быстрые однократные осциллограммы могут быть зарегистриро-
ваны данной системой осциллограф - фотокамера. Скорость фотозаписи
определяют следующие параметры: 1) скорость развертки по горизон-
тали (скорость движения пленки в кинокамерах с непрерывной подачей
ленты); 2) форма осциллограммы, получаемой на экране осциллографа
(рис. 14.19); 3) тип люминофора (спектральный выход, послесвечение,
размер зарен); 4) интенсивность изображения; 5) фокусировка и размер
луча; 6) тип фотокамеры; 7) тип пленки (чувствительность, время изго-
560
Глава 14
Напряжение, В
Рис. 14.19. Влияние формы осцил-
лограммы на скорость записи.
В точке А наклон равен 100, скорость записи со-
ставляет |/10 001 » 100 см/мкс; в точке В нак-
лон равен 0, скорость записи-1 см/мкс; в точке
С наклон равен 1, скорость запи-
си -J/2 х 1,4 см/мкс.
Рис. 14.20. Осциллографическая камера, в которой используется пленка Polaroid
(воспроизводится с разрешения Tektronix, USA).
товления, уровень вуали, температура и время проявления). Оптималь-
ной является такая экспозиция, при которой регистрируются все важные
детали осциллограммы. Важно помнить, что, приводя данные о скоро-
сти записи (например, 300 см/с), необходимо указать марку осциллогра-
фа, типы электронно-лучевой трубки, фотокамеры и пленки. Для реги-
Осциллографы
561
Таблица 14.2. Факторы, связанные с экспонированием пленки
Polaroid (воспроизводится с разрешения Polaroid Со., USA)
Пленка Polaroid		Относительная скорость записи	
эквивалентная чувствительность ASA	Тип	без вуалирования	с вуалированием
3000	107 084 47	1 (эталонная)	3
10000	410	2	4
страции одиночных сигналов можно использовать почти все камеры.
Наиболее широкое применение нашли осциллографические камеры
Polaroid®, заднюю часть которых можно перемещать по горизонтали
и по вертикали в несколько положений, так что последовательные осцил-
лограммы могут регистрироваться на одном кадре (рис. 14.20). Экран
осциллографа наблюдается с помощью делительного зеркала.
Чаще всего используются позитивные фотопленки Polaroid® типов
107 и 410 (изготовитель - Polaroid Со., USA). При сравнимых условиях
пленка типа 410 позволяет использовать скорость записи, приблизи-
тельно в два раза превосходящую скорость записи с пленкой типа 107.
Пленка типа 410 имеет зернистую структуру и дает более высокий кон-
траст, чем пленка типа 107, поэтому она не применяется в фотографии
общего назначения. Пленки обоих типов могут использоваться для фо-
тографирования осциллограмм с экранов, изготовленных с примене-
нием почти любого из распространенных люминофоров, но наилучшие
результаты получаются с люминофором Р11. Для правильной обработ-
ки пленки необходимо выполнять надлежащие условия, поскольку вре-
мя проявления пленок Polaroid изменяется обратно пропорционально
температуре. Контролируемая короткая засветка пленки Polaroid
слабым диффузным светом после фотографирования осциллограммы
позволяет увеличить скорость записи в 2-3 раза (табл. 14.2). Это вуали-
рование пленки представляет собой наиболее эффективный метод увели-
чения скорости записи при использовании пленок Polaroid.
36-644
Глава 15.
Оборудование для восстановления
сигнала
Литература 268.
С помощью появившегося недавно оборудования для
восстановления сигналов измерения можно выполнять точнее и удоб-
нее, чем раньше. На рис. 15.1 показана схема, облегчающая правильный
выбор такого оборудования в зависимости от цели исследования.
15.1.	УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСРЕДНЕНИЯ СЕРИИ
СИГНАЛОВ *
Литература: 635-637, 1494.
Во многих фотохимических и фотофизических исследованиях
требуется измерять среднее значение небольшой части повторяющегося
сигнала либо восстанавливать форму всего повторяющегося слабого
сигнала, замаскированного шумом. Усреднение позволяет: 1) восстана-
вливать форму всего сигнала, 2) измерять амплитуду сигнала, 3) опреде-
лять временную задержку между импульсом запуска и отраженным сиг-
налом, скрытым шумами. К усреднению сигналов можно прибегать
в том случае, когда выполняются следующие условия: 1) сигнал повто-
ряющийся, хотя и не обязательно периодический; 2) каждому появле-
нию сигнала или импульса предшествует не искаженный шумами им-
пульс запуска; 3) и сигнал, и импульс запуска синхронизованы друг
с другом. В тех случаях, когда возможна синхронизация импульса запу-
ска с исследуемым сигналом, устройство для усреднения сигнала часто
оказывается наиболее эффективным для проведения нужных измерений.
Устройства для усреднения серии сигналов усредняют повторяющий-
ся сигнал посредством регистрации одной определенной части сигнала
в данный момент времени. Эти устройства позволяют также «замед-
лять» быстрые сигналы с целью вывода их на двухкоординатные само-
писцы и другие устройства записи данных.
* В зарубежной литературе для обозначения устройств, предназначенных
для усреднения серии сигналов, используется термин «бокскар» (boxcar).- Прим,
перев.
Оборудование для восстановления сигнала
563
Начало
Сигнал
Рис. 15.1. Схема, позволяющая правильно выбрать устройство для восстановле-
ния сигнала [635] (воспроизводится с разрешения EG & G, Princeton Applied
Research Co., USA).
15.1.1.	Принципы работы устройств для усреднения
серии сигналов
В основе работы устройств для усреднения серии сигналов ле-
жат следующие принципы. В приборе используются повторяющиеся
сигнал и импульс запуска (рис. 15.2). В точно выбранный момент вре-
мени после прихода сигнала запуска электронный переключатель вы-
борки сигнала замыкается и находится в этом состоянии в течение от-
носительно короткого заданного временного интервала 7g, называемо-
го апертурным интервалом, шириной строба или интервалом выборки.
После размыкания переключателя накопленный сигнал независимо от
его амплитуды удерживается достаточно долго, до прихода следующего
импульса запуска. Допустим, что каждый раз выбирается один и тот же
участок сигнала. Напряжение на выходе устройства для усреднения се-
рии сигналов асимптотически приближается к среднему значению части
сигнала, совпадающей с интервалом выборки. После наблюдения в те-
36*
564
Глава 15
rG
Апертурный
интервал
Кривая накопленного
заряда- выходной сигнал
устройства для
усреднения серии
сигналов
Заряд ВС-цепочки G
Управление
апертурным
интервалом
Первый Второй
импульс импульс
запуска запуска
Рис. 15.2. Упрощенная схема устройства для усреднения серии сигналов [637]
(воспроизводится с разрешения EG & G, Princeton Applied Research Co., USA).
Опорный канал
чение пяти постоянных времени измерения выходной сигнал будет от-
личаться от стационарного среднего не более чем на 0,7%.
Постоянная времени измерения (ПВИ) определяется как
ПВИ = RC(Tp/TG)	(15.1)
где RC-постоянная времени фильтра нижних частот, TG-короткий
установленный заранее временной интервал, Тр-интервал между после-
довательными импульсами запуска. Шум (любой сигнал, не синхронизо-
ванный с частотой запуска) выбирается так же, как и исследуемый сиг-
нал, но в выходном сигнале устройства для усреднения серии сигналов
его доля будет уменьшаться.
Максимальное улучшение отношения сигнал-шум (УОСШ) для слу-
чая белого шума равно
УОСШ = |/2RC/rG	(15.2)
Первая часть этой формулы эквивалентна |/2/V, где N-число импуль-
сов запуска за время, равное десяти постоянным времени. При исследо-
вании более одного участка сигнала или же при восстановлении формы
всего сигнала строб устройства можно перемещать вручную или авто-
матически по нужному временному интервалу или диапазону апертур-
ной задержки. В устройствах для усреднения серии сигналов имеется ка-
либрованное напряжение апертурной задержки или калиброванное
пилообразное напряжение, используемое для калибровки оси х и полу-
чения соответствующего отклонения пера самописца, или луча на экра-
Оборудование для восстановления сигнала
565
не осциллографа либо показания цифрового регистратора сигнала
(разд. 15.1.4). Длительность строба в устройствах для усреднения серии
сигналов изменяется в широких пределах-от 100 пс до порядка 1 мс.
Выбор оптимального интервала выборки для данного приложения
определяется компромиссом между необходимым улучшением отноше-
ния сигнал-шум и допустимой временной эффективностью: чем мень-
ше длительность строба, тем выше разрешение, но тем большее число
повторений сигнала требуется для получения заданного отношения
сигнал-шум.
Одним из наиболее сложных и универсальных устройств для усред-
нения серии сигналов, предназначенных для восстановления формы сиг-
нала, интенсивностей импульса и определения временных задержек сиг-
нала, является двухканальный усреднитель серии сигналов модели 162
(рис. 15.3), выпускаемый фирмой EG & G Princeton Applied Research
Co., USA. Модули стробируемого интегратора модели 165, вставляемые
в корпус этого прибора (рис. 15.4), позволяют обрабатывать либо один
сигнал, либо одновременно два сигнала, что требуется для сравнитель-
ного анализа. Это устройство используется в тех приложениях, для ко-
торых требуется апертурный интервал от 2 нс до 50 мс. Апертурная за-
держка выбирается от 0,1 мкс до 50 мс. Использование внутренней
временной базы сканирования позволяет выбирать время сканирования
в интервале от 10“ 2 до 104 с, при этом каждое значение этого времени
можно плавно увеличить в 10 раз. Мгновенное значение пилообразного
напряжения сканирования и является мерой задержки строба или поло-
жения выборки. При установке в корпус усреднителя модели 162 моду-
лей стробируемого интегратора модели 163 (рис. 15.5) можно получить
Рис. 15.3. Двухканальный усреднитель серии сигналов (модель 162) [637] (вос-
производится с разрешения EG & G, Princeton Applied Research Co., USA).
566
Глава 15
Рис. 15.4. Стробируемый интегратор
(модель 165) [637] (воспроизводится
с разрешения EG & G Princeton
Applied Research Co., USA).
Рис. 15.5. Стробируемый интегратор
(модель 163) [637] (воспроизводится
с разрешения EG & G Princeton
Applied Research Co., USA).
временное разрешение в диапазоне 0,1-1 нс в зависимости от выбран-
ной измерительной головки.
15.1.2.	Применение устройств для усреднения серии
сигналов
Литература 635, 637, 1494
Во всех экспериментах с импульсным возбуждением примене-
ние подходящего устройства для усреднения сигнала позволяет точно
определить форму сигнала затухания или же точно синхронизировать
и исследовать нестационарный процесс, индуцированный сложной по-
следовательностью импульсов. В этих экспериментах часто получаются
очень слабые сигналы, а шумовые выбросы в детекторах создают боль-
шие затруднения, но с помощью усреднителя можно легко отделить ре-
зонансный сигнал от скрывающих его помех.
Оборудование для восстановления сигнала
567
15.1.2.1.	Исследование оптического поглощения
Литература: 1814.
Для многих видов фотохимических исследований очень хоро-
шие результаты дает применение импульсного возбуждения при измере-
нии оптического поглощения. Частично это объясняется более высокой
мощностью возбуждения, достижение которой оказывается возможным
благодаря меньщему выделению тепла в образце при импульсном воз-
буждении по сравнению с непрерывным. Схемы типичных измери-
тельных установок, предназначенных для исследования свойств мате-
риалов с использованием устройств для усреднения сигналов, показаны
на рис. 15.6 и 15.7.
15.1.2.2.	Флуоресцентные измерения
Литература’ 857, 948, 1094.
Устройство для усреднения серии сигналов используется
в флуоресцентной спектроскопии наносекундного диапазона для выде-
ления слабых сигналов из естественно возникающего шума. На
рис. 15.8 показана схема типичного флуоресцентного спектрометра. Вы-
ходное излучение перестраиваемого лазера на красителях фокусируется
на измерительную кювету с образцом, а флуоресценция собирается
и анализируется с помощью монохроматора. Устройство для усредне-
ния серии сигналов модели 162 с двумя модулями стробируемого инте-
гратора модели 165 позволяет проводить сложные измерения. Апер-
турный интервал можно изменять от 2 нс до 50 мс, что позволяет
экспериментатору выбрать разрешение, соответствующее требованиям
данного измерения. Апертурный интервал для каждого канала можно
устанавливать независимо, изменяя его в широком диапазоне. Напри-
Рис. 15.6. Схема типичной установки для исследования оптического поглощения
материалов [635] (воспроизводится с разрешения EG & G Princeton Applied
Research Co., USA).
568
Глава 15
Рис. 15.7. Схема типичного экспериментального двухлучевого лазерного спек-
трометра [635] (воспроизводится с разрешения EG & G Princeton Applied
Research Co., USA).
мер, в канале В апертуру можно установить равной 5 нс, а в канале
А - 2 нс; эти значения могут различаться гораздо больше. Канал В кон-
тролирует флуоресцентный сигнал, а канал А - флуктуирующий выход-
ной сигнал лазера на красителях. При сканировании монохроматора
с известной скоростью получаем спектр флуоресценции образца; конеч-
но, необходимо сканировать и выходной сигнал лазера на красителях.
Время затухания флуоресценции можно контролировать, регистри-
руя нужную спектральную линию с помощью быстродействующего де-
А
Рис. 15.8. Схема типичного флуоресцентного спектрометра, в котором исполь-
зуется устройство для усреднения серии сигналов [637] (воспроизводится с раз-
решения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
Оборудование для восстановления сигнала
569
Рис. 15.9. Сигналы затухания флуорес-
ценции [637] (воспроизводится с раз-
решения EG & G Princeton Applied
Research Co., USA).
а-исходный, б-выходной сигнал лазера; в-сигнал
флуоресценции, усредненный и нормированный на
выходной сигнал лазера
лектора в режиме сканирования строба. Измерение времени затухания
флуоресценции образцов при лазерном возбуждении-это один из мно-
жесГва примеров применения устройств для усреднения серии сигналов.
В этом случае флуоресцентный сигнал с большим уровнем шума (рис.
15.9, я) сканируется с помощью канала А, а флуктуирующее выходное
излучение лазера (рис. 15.9,6) измеряется с помощью фиксированного
строба в канале В. В результате, взяв отношение выходных сигналов
двух этих каналов A/В, можно получить результирующий сигнал
(рис. 15.9, в) с точностью, большей, чем получаемая другими методами.
При наличии дополнительной приставки кривую однокомпонентного
затухания можно получить в виде прямой линии. Устройства для усред-
нения серии сигналов широко используются в импульсных методах из-
мерения времени затухания флуоресценции (разд. 22.1.10).
15.1.2.3.	Измерения с использованием двойного резонанса
Устройства для усреднения серии сигналов могут облегчить
выделение сигналов флуоресценции из фона, возникающего вследствие
переходов в неравновесные состояния («горячая флуоресценция»). Для
эксперимента с использованием двойного резонанса применяются им-
пульсные лазеры накачки и зондирования. Сначала лазер накачки
возбуждает молекулы, находящиеся в газовой фазе, из основного со-
стояния So в первое электронно-возбужденное состояние Sr. Возбу-
жденные молекулы могут либо возвращаться в основное состояние So
с испусканием флуоресценции, либо совершать безызлучательный пере-
570
Глава 15
ход на более высокие колебательные уровни So (разд. 20.1.3). Далее, для
нахождения этих высоких заселенных уровней So применяют сканирова-
ние по длине волны излучения лазера на красителях или зонда, осу-
ществляющего перекачку электронов с высокоэнергетических уровней
So путем различных резонансных переходов в откуда электроны
переходят в состояние So с испусканием флуоресценции. Однако зонди-
рующий импульс может также возбуждать электроны с уровней, не
являющихся высокоэнергетическими уровнями So, в результате чего по-
является фоновая флуоресценция с большой длиной волны.
Для решения проблемы фоновой флуоресценции можно использо-
вать следующий метод. Зондирующий лазер запускается вскоре после
появления импульса лазера накачки и с помощью канала А устройства
для усреднения серии сигналов модели 162 (рис. 15.3) (разд. 15.1.1) выби-
рается сигнал, представляющий собой сумму сигнала двойного резонан-
са и фона. Позднее (приблизительно через 100 мс) генерирует импульс
только зондирующий лазер и возникающая в результате фоновая флуо-
ресценция (из возбужденной полосы) регистрируется каналом
В (рис. 15.10). Этот чередующийся измерительный цикл повторяется
с требуемой частотой на различных длинах волн зонда для того, чтобы
усреднить шум, не синхронный сигналу. Использование комбинации ка-
налов А-В в устройстве для усреднения серии сигналов позволяет вы-
читать фон из сигнала двойного резонанса.
15.1.2.4.	Оптическое упорядочение ориентаций спинов
Метод оптического упорядочения ориентаций спинов исполь-
зуется для регистрации слабой поляризации и (или) быстрого сканиро-
вания поляризации спектров люминесценции. Например, измерения кру-
говой поляризации дают информацию об упорядочении электронных
спинов в полупроводниках. Основной элемент анализатора поляриза-
ции-четвертьволновая пластинка, фазовый сдвиг в которой изменяется
от -F Х/4 до — Х/4 с частотой 50 кГц. Лазер с системой подавления ре-
зонатора генерирует импульс при достижении экстремумов в разности
хода лучей. При прохождении через анализатор поляризации амплитуда
соответствующих световых импульсов изменяется в зависимости от
степени их круговой поляризации. Последовательность импульсов реги-
стрируется с помощью одного фотоумножителя, выходной сигнал кото-
рого подается на входы модулей модели 165 устройства для усреднения
серии сигналов (разд. 15.1.1). Чередующиеся импульсы направляются
в соответствующие каналы при работе в режиме чередующегося запу-
ска каналов (рис. 15.11). Наконец, усредненные выходные сигналы при-
водятся к круговой поляризации [(А-В)/(А + В)], и этот сигнал выво-
дится на самописец.
Оборудование для восстановления сигнала
571
Рис. 15.10. Блок-схема установки для измерений сигналов двойного резонанса
с помощью устройства для усреднения серии импульсов [637] (воспроизводится
с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
15.1.2.5.	Лазерные измерения
Литература. 909, 1412, 1493
С помощью устройства для усреднения серии сигналов можно
определять следующие параметры газового лазера: 1) энергия и форма
выходного импульса, 2) длительность импульса, 3) время разряда, 4) ча-
стота повторения импульсов. Все эти параметры можно измерять в за-
висимости от катодного напряжения и давления газа в разрядной труб-
ке. В экспериментальной установке (рис. 15.12) фотодиод с временем
нарастания, малым по сравнению с длительностью измеряемого им-
пульса, обычно используется совместно с устройством для усреднения
Рис. 15.11. Блок-схема установки для измерения оптического упорядочения спи-
нов с использованием устройства для усреднения серии сигналов [637]
(воспроизводится с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
572
Глава 15
напряжение сканирования
Рис. 15.12. Блок-схема установки для лазерных исследований, в которой исполь-
зуется устройство для усреднения серии сигналов [637] (воспроизводится с раз-
решения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
серии сигналов. Схема поджига газового лазера может также использо-
ваться и для запуска измерительного устройства. При измерении
формы импульса применяется режим сканирования строба; результат
такого измерения показан на рис. 15.13.
Для измерений параметров перестраиваемых лазеров на красителях
(разд. 16.5) обычно применяются два детектора. При работе устройства
для усреднения серии сигналов модели 162 в режиме A/В (рис. 15.14)
можно значительно уменьшить влияние флуктуаций излучения лазера
на азоте и в результате более точно определить характеристики лазера
Рис. 15.13. Форма импульса, получен-
ная с помощью сканирования строба
устройства для усреднения серии сиг-
налов [637] (воспроизводится с разре-
шения EG & G Princeton Applied
Research Co., USA).
Оборудование для восстановления сигнала
573
Расширитель Кювета
пучка	с красителем Выходной сигнал
самописец
Рис. 15.14. Схема установки для измерения характеристик перестраиваемого ла-
зера на красителях с накачкой лазером на азоте, в которой используется устрой-
ство для усреднения серии сигналов [637] (воспроизводится с разрешения EG &
G Princeton Applied Research Co., USA).
на красителях. Режим А-В полезен для измерения дифференциального
поглощения, а режим ^(А/В)-для получения линейных зависимостей
поглощения. Диапазон перестройки по длинам волн для красителя
в конкретной конфигурации легко получить, контролируя амплитуду
выходного излучения лазера на красителях с помощью устройства для
усреднения серии сигналов, работающего в «стационарном режиме»
(без сканирования строба), при одновременном повороте дифракцион-
ной решетки с известной скоростью, в результате которого происходит
перестройка лазера по диапазону длин волн. Кроме того, из измерения
выходной мощности лазера и длительности импульсов можно получить
эффективность преобразования красителя.
15.1.3.	Коррелятор на основе устройства
для усреднения серии сигналов
Удобным методом определения подобия двух сигналов или
свойств одиночного сигнала является корреляционный анализ. Каждая
точка корреляционной функции представляет собой среднее произведе-
ния двух функций времени, взятое по большому интервалу изменения
независимой переменной. Полная корреляционная функция получается
при изменении задержки между временными функциями:
1.	Если одно напряжение (t) и другое напряжение V2 (t — т) (где
т-конечная регулируемая задержка) непрерывно умножать друг на дру-
га, а их произведение подавать на фильтр нижних частот, то выходной
сигнал фильтра будет близок к истинной математической корреляцион-
ной функции.
574
Глава 15
Рис. 15.15. Коррелятор на основе устройства для усреднения серии сигналов
[637] (воспроизводится с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co.,
USA).
2.	Если V2 идентично во всех отношениях за исключением за-
держки т, то в результате получается автокорреляционная функция.
3.	Если и V2 -совершенно различные функции, то в результате по-
лучается кросс-корреляционная функция.
В случаях 2 и 3 выходные сигналы представляют собой функции
времени задержки т.
С помощью устройства для усреднения серии сигналов модели 162
с дополнительным перемножительным фильтром нижних частот моде-
ли 193 можно получить приближенную корреляционную функцию. На
рис. 15.15 показана блок-схема такого коррелятора. Спаренные выборки
a(t) и b(t + Ат) осуществляются с частотой запуска основного блока. Ве-
личина Ат-это медленно увеличивающаяся задержка между выборка-
ми. Строб в канале А фиксируют во времени (например, в середине диа-
пазона апертурной задержки), а строб в канале В медленно сканируют
по нужному диапазону задержки. Мгновенное расстояние между стро-
бами равно Ат. Диапазоном апертурной задержки определяется диапа-
зон временной задержки т. Амплитуда пилообразного напряжения ска-
нирования на задней панели основного блока пропорциональна
мгновенному значению задержки Ат.
15.1.4.	Многоточечные усреднители сигнала
Литература: 635, 636.
Можно считать, что многоточечный усреднитель сигнала со-
стоит из N идентичных устройств для усреднения серии сигналов, под-
ключенных к общей цепи запуска и общему сигнальному входу. Дли-
Оборудование для восстановления сигнала
575
тельность стробов выборки одинакова, но каждая выборка происходит
несколько позднее предыдущей. Таким образом, в результате каждого
импульса запуска получаются N выборок, которые запоминаются в
N элементах памяти. Этот очень эффективный метод определения
формы сигнала практичен при длительности строба не менее 5 мкс.
Многоточечные усреднители, такие, как модели 4202 или 4203
(рис. 15.16), выпускаемые фирмой EG & G Princeton Applied Research
Co., USA могут дать значительную экономию времени при измерении
медленно меняющихся сигналов. Усреднители моделей 4202 и 4203 са-
ми по себе не могут реагировать достаточно быстро для того, чтобы
регистрировать сигналы с длительностью в субмикросекундном диапа-
зоне. Сигнал длительностью 50 мкс регистрируется в десяти точках
с мертвым временем 5 мкс на точку. Это ограничение можно преодо-
леть, если устройство модели 4202 или 4203 использовать в качестве
процессора для стробирующих осциллографов (разд. 14.1) или
устройств для усреднения серии сигналов (разд. 15.1). Кроме того, ус-
реднитель модели 4203 можно подключать к быстродействующим реги-
страторам переходных процессов с целью получения многоточечных
кривых на каждый импульс запуска (разд. 15.1.4.1).
15.1.4.1.	Использование многоточечных усреднителей
сигналов
Исследование времени жизни. Свободные радикалы образуются
при воздействии на образцы УФ излучения. Механический прерыватель
модулирует излучение и формирует прямоугольные световые импульсы,
когда установлено такое статическое магнитное поле, при котором по-
лучается сигнал поглощения. При выключении света сигнал поглощения
затухает с постоянной времени, связанной с динамикой исчезновения
радикалов. При включении света сигнал поглощения нарастает асимп-
тотически до стационарного уровня (рис. 15.17). Усреднитель, синхрони-
зованный с частотой прерывания света, позволяет исследовать динами-
ку образования и исчезновения радикалов с помощью выделения
сигнала из шума.
Обращенное усреднение. При обычном усреднении синхронные шумовые
компоненты не уменьшаются (например, модулированный паразитный
свет или помеха, поступающая из силовой сети, в том случае, если вы-
бранная частота запуска совпадает с частотой сети), поскольку такой
шум синхронизован с импульсом запуска. Когда такой шум действи-
тельно существует или когда в усредненных данных имеется соответ-
ствующая компонента, для определения уровня шума или для устране-
ния шума из сигнала может оказаться полезным «обращенное
усреднение». Типичными измерениями, в которых наблюдается наложе-
ние синхронного шума на результирующий сигнал, являются измерения
Рис. 15.16. Многоточечные усреднители сигналов моделей 4202 (а) и 4203 (б)
[636] (воспроизводится с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co.,
USA).
Оборудование для восстановления сигнала
577
Стационарная
концентрация
радикалов
___Выключение
света
Базовая
линия
Включение света
Рис. 15.17. Возникновение и затухание сигнала поглощения [636] (воспроизво-
дится с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
с модулированными оптическими пучками. Сигналы отклика и возбу-
ждения накапливаются синфазно в памяти каналов А и В за N сканиро-
ваний. Затем выбирается режим «Обращение», источник сигнала (напри-
мер, лампа) выключается и опыт повторяется. В течение второго цикла
измерений синхронные шумы вычитаются из данных, хранящихся в па-
мяти. По окончании измерений можно найти отношение данных, остав-
шихся в каждом канале памяти, выбрав режим A/В. Отображаемый ре-
зультат имеет вид (А-А')ДВ-В'), где А и В-данные, накопленные за
N сканирований, А' и В'-синхронный шум, накопленный в течение вто-
рой серии из N сканирований.
Усреднение коротких сигналов. Устройство для усреднения серии сигна-
лов в отличие от стробирующего осциллографа или регистратора пере-
ходных процессов может также выделять форму сигнала из шума. Сиг-
нал, выбираемый стробом малой длительности (например, 2 нс),
интегрируется КС-цепочкой с изменяющейся постоянной времени. При
медленном сканировании строба по сигналу в течение многократных
повторений последнего случайный шум подавляется, а времена нараста-
ния наносекундного диапазона можно восстановить. В некоторых экспе-
риментах дрейф по постоянному току может искажать результаты
вследствие больших времен сканирования. В этом случае постоянная
времени устройства для усреднения серии сигналов устанавливается ми-
нимальной, а скорость сканирования - такой, чтобы можно было согла-
совать сигнал с устройства со скоростью сбора данных от многото-
чечных усреднителей. При запуске усреднителя пилообразным напряже-
нием сканирования он оцифровывает и суммирует выходной сигнал
37-644
578
Глава 15
в памяти. В результате получается сигнал, очищенный от шума и сво-
бодный от дрейфа. Аналогично удается очистить от шумов выходной
сигнал стробирующего осциллографа. При использовании скорости ска-
нирования, совпадающей с временной базой усреднителя, можно син-
хронизовать импульс запуска и также очистить сигнал от шума.
Регистрация нестационарных процессов. Кинетика фотохимических реак-
ций двух компонентов обычно контролируется фотоэлектрическими ме-
тодами [поглощение и (или) испускание]. Результирующий, изменяю-
щийся во времени сигнал поглощения или флуоресценции оцифровы-
вается, запоминается и отображается на экране встроенной электронно-
лучевой трубки (рис. 15.18). Можно точно определить константы
скоростей реакций, времена протекания которых являются величинами
порядка от 1 мкс до 1 мин. Для сравнения кинетики реакций, прово-
димых в последовательных экспериментах, полученные данные можно
хранить в отдельных участках памяти (А, В) и отображать на экране
одновременно. По команде отображаемые данные выводятся на двух-
координатный самописец или передаются в цифровом виде в ЭВМ для
дальнейшей обработки. Для достижения максимальной информативно-
сти можно использовать систему с двойной регистрацией кинетики
(рис. 15.19), поскольку в этом случае можно регистрировать и заносить
в каналы памяти А и В одновременно два оптических сигнала-погло-
щение и флуоресценцию-или пропускание на двух различных длинах
волн. Разрешение можно улучшить благодаря наблюдению разностных
(А-В) кривых или кривых отношения (A/В), поскольку при этом умень-
шается вклад помех, вызванных такими артефактами, как пузырьки воз-
духа, мутность или взвешенные частицы.
Кабель цифрового интерфейса.
Оборудование для восстановления сигнала
579
А
Рис. 15.19. Система с двойной регистрацией кинетики [636] (воспроизводится
с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
15.2.	РЕГИСТРАТОРЫ СИГНАЛОВ
Регистраторы сигналов используются для оцифровки, хранения,
ускорения, замедления, сложения, вычитания или деления полных спек-
тров или отдельных сигналов, полученных с помощью синхронных уси-
лителей или других аналоговых приборов. Эти устройства можно ис-
пользовать в тех случаях, когда требуется скомпенсировать вклад
источника света, произвести коррекцию базовой линии, обеспечить
связь с ЭВМ, зарегистрировать нестационарные процессы, осуществить
преобразование временной базы или получить с высокой точностью за-
висимости X-Y или Y-T. Выходной сигнал регистратора сигналов
Рис. 15.20. Регистратор сигналов типа 4102 [634] (воспроизводится с разреше-
ния EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
580
Глава 15
можно вывести на осциллограф. Возможно суммирование, вычитание
или нахождение отношения двух различных спектров с отображением
результата на экране или с выводом его на самописец. На рис. 15.20 по-
казан регистратор сигналов типа 4102, выпускаемый фирмой EG &
G Princeton Applied Research Co., USA. В этом приборе имеются два
идентичных канала, так что одновременно можно накапливать и обра-
батывать два сигнала.
15.3.	СИНХРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Литература: 88, 634, 1113, 1463.
В синхронных усилителях для выделения слабых сигналов из
шума используется принцип синхронного детектирования. Исследуемый
сигнал модулируется с некоторой выбранной опорной частотой обычно
путем прерывания сигнала с этой частотой. После того как установлена
опорная частота, входной сигнал усиливается и демодулируется по от-
ношению к этой частоте. Все сигналы, не когерентные с опорным сигна-
лом, резко ослабляются. Выходным сигналом синхронного усилителя
является постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде входно-
го сигнала и косинусу разности фаз между входным и опорным сигна-
лами. С помощью синхронного усилителя можно измерять амплитуду
и фазу сигнала, на который наложены шумы. В отличие от электроме-
трических усилителей, с помощью которых измеряют постоянные сиг-
налы, для синхронного усилителя нужен переменный сигнал или моду-
лированный сигнал. Это усложнение компенсируется устранением
дрейфов (изменением со временем входных параметров измерительной
системы) и шумов, которые создают серьезные проблемы в электроме-
трических усилителях. С помощью синхронного усилителя нельзя изме-
рять столь слабые световые сигналы, как в случае счета фотонов (разд.
15.4), однако можно проводить измерения в широком диапазоне интен-
сивностей света. Возможности этого прибора не ограничиваются только
измерениями излучения.
15.3.1.	Принцип действия синхронного усилителя
Литература: 88, 631-633
Синхронный усилитель -это специализированный вольтметр
переменного напряжения, в котором для точного измерения амплитуды
слабого сигнала, замаскированного шумом, применяется принцип фазо-
чувствительного детектирования. Основой синхронного усилителя
является фазочувствительный детектор, который можно представить
как двухполюсный электронный переключатель (рис. 15.21). Изме-
ряемый сигнал Есиг, состоящий из полезного сигнала и фонового шума,
подается на входные клеммы электронного переключателя. Работа
переключателя синхронизуется опорным прямоугольным сигналом Еоп
Оборудование для восстановления сигнала
581
Рис. 15.21. Упрощенная схема фазочувствительного детектора [631] (воспроиз-
водится с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
точно такой же частоты, что и полезный сигнал. На рис. 15.22 показано
соотношение между измеряемым, опорным и выходным сигналами:
1.	В течение первой половины цикла опорный сигнал имеет положи-
тельную полярность, при которой электронный переключатель устана-
вливается в неинвертирующее положение. Сигнал на выходе переключа-
теля идентичен входному сигналу.
2.	В течение второй половины цикла опорный сигнал имеет отрица-
тельную полярность, при которой электронный переключатель устана-
вливается в инвертирующее положение. Однако в это время изме-
ряемый сигнал также имеет отрицательную полярность. Поскольку
электронный переключатель установлен в инвертирующее положение,
выходной сигнал в этот период времени имеет положительную поляр-
ность.
В результате этого процесса получается неотфильтрованный по-
стоянный сигнал в виде двухполупериодно выпрямленного входного
сигнала. Среднее значение выпрямленного сигнала можно получить,
пропустив его через фильтр нижних частот. Поскольку среднее значение
Рис. 15.22. Соотношение между измеряемым сиг-
налом Есиг (а\ опорным сигналом Еоп (б), вы-
ходным сигналом фазочувствительного детектора
ЕФД W и выходным сигналом синхронного усили-
теля Евых (г) [631] (воспроизводится с разрешения
EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
582
Глава 15
в
Рис. 15.23. Усреднение до нуля входного сигнала в случае, когда его частота от-
личается от опорной частоты [631] (воспроизводится с разрешения EG &
G Princeton Applied Research Co., USA).
а-входной сигнал Есиг; б-опорный сигнал Еоп: в-выходной сигнал фазочувствительного детектора Ефд.
Отметим, что площади выше и ниже нулевого уровня выходного сигнала детектора равны, что соответствует
нулевому выходному напряжению.
отфильтрованного постоянного сигнала прямо пропорционально вход-
ному сигналу, его можно подавать на калиброванный измерительный
прибор или другой индикатор. Для правильного функционирования
синхронного усилителя исследуемый сигнал должен иметь ту же часто-
ту, что и опорный. Если эти два сигнала не синхронизованы, то среднее
выходное напряжение детектора за период времени, большой по сравне-
нию с обратной величиной разности частот и постоянной времени
фильтра, будет равно нулю. На рис. 15.23 показано, каким образом вы-
ходной сигнал усредняется до нуля при отсутствии синхронизации ме-
жду исследуемым и опорным сигналами.
Фоновый шум состоит из случайных выбросов энергии и дополни-
тельных сигналов, отличающихся по частоте от опорного сигнала. Из-
за этого отличия такие сигналы на выходе детектора практически усред-
няются до нуля. На выходе синхронного усилителя будет регистриро-
ваться только средняя величина сигнала, точно совпадающего по
частоте с опорным сигналом. Степень подавления шума зависит от не-
скольких факторов, включая степень фильтрации сигнала до фазочув-
ствительного детектора. Поскольку выходной сигнал детектора пред-
ставляет собой постоянный ток, ширину полосы пропускания фильтра
нижних частот можно сделать очень малой. Суммарное подавление шу-
ма можно рассчитать, взяв отношение квадратных корней из ширины
полосы входного сигнала и из ширины полосы пропускания фильтра
нижних частот. Например, если шум, наложенный на исследуемый сиг-
нал, распределен в полосе 10 кГц, а полоса пропускания фильтра ниж-
них частот равна 1 Гц, то среднее улучшение отношения сигнал-шум
составляет 100. Если, например, отношение сигнал-шум для входного
Оборудование для восстановления сигнала
583
сигнала, использованного в этом примере, было 1:10, то отношение
сигнал-шум для выходного сигнала будет 10:1.
Полоса пропускания выходного фильтра нижних частот зависит от
конструкции синхронного усилителя. В некоторых синхронных усилите-
лях можно использовать внешние элементы фильтра с целью получения
полосы пропускания, меньшей, чем у встроенного фильтра; при этом
можно получить полосу пропускания порядка 1 мГц. Детектор назы-
вается фазочувствительным, поскольку максимальный выходной сигнал
получается в том случае, когда исследуемый сигнал синхронизован
с опорным как по частоте, так и по фазе. Если исследуемый сигнал
сдвинут по фазе относительно опорного, то он может не появиться на
выходе либо выходной сигнал будет иметь меньшую амплитуду или
противоположную полярность. На рис. 15.24 показано влияние на вы-
ходной сигнал разности фаз между входным и опорным сигналами.
Во всех серийных синхронных усилителях имеются встроенные
схемы, с помощью которых вводится калиброванный фазовый сдвиг
между источником опорного сигнала и фазочувствительным детекто-
ром. С помощью этих схем исследователь может точно согласовать фа-
зу опорного сигнала на детекторе с фазой исследуемого сигнала. Для
самого же детектора подаваемый на него опорный сигнал имеет нуле-
вой фазовый сдвиг. Поэтому с помощью фазосдвигающей схемы мож-
Рис. 15.24. Влияние на
выходной сигнал разно-
сти фаз между входным
и опорным сигналами,
подаваемыми	на
фазочувствительный де-
тектор [631] (воспроизво-
дится с разрешения EG &
G Princeton Applied
Research Co., USA).
584
Глава 15
но установить фазовый сдвиг между опорным сигналом и детектором
равным 90° и измерять амплитуду квадратурной компоненты. В этом
случае фазочувствительный детектор будет воспринимать как синфаз-
ную компоненту сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно опор-
ного, а основной сигнал будет усредняться до нуля. В результате на вы-
ходе детектора появится только квадратурная компонента сигнала.
Основные компоненты схемы синхронного усилителя показаны на
рис. 15.25. В канале переменного сигнала входной сигнал (и шум) при-
водятся к нужному уровню с помощью малошумящего усилителя
и второго усилителя, между которыми включен фильтр. Это так назы-
ваемый входной фильтр может представлять собой перестраиваемый
полосовой фильтр, режекторный фильтр, фильтр нижних частот или
фильтр верхних частот. В результате устранения части шума умень-
шается вероятность перегрузки смесителя при большой амплитуде шу-
ма. В опорном канале внешний опорный сигнал преобразуется в прямо-
угольное напряжение (с опорной частотой), необходимое для работы
смесителя. Выходное напряжение синхронного усилителя не зависит от
амплитуды опорного напряжения, если последнее превышает определен-
ную величину (обычно 100 мВ). Постоянный выходной сигнал зависит
от разности фаз между входным сигналом и опорным напряжением.
Поскольку обычно разность фаз неизвестна, для облегчения измерений
амплитуды сигнала в опорный канал включено регулируемое вручную
фазосдвигающее устройство (диапазон регулировки фазы от 0 до 360°).
У большинства синхронных усилителей имеется режим 2/, позволяю-
щий переключать смеситель на частоту, равную двум опорным часто-
там, что необходимо для регистрации второй гармоники, как, например,
в случае производной спектроскопии.
Смесители синхронных усилителей не должны перегружаться при ра-
боте с шумом большой амплитуды. Для описания характеристик, свя-
Фильтр
Фазо^увствиптельный_ детектор gbJKOgHO^
| сигнал
(постоянный')
Смеситель
Входной Канал переменного сигнала
сигнал г
(переменный^
Опорный канал
Рис. 15.25. Блок-схема синхронного усилителя [88, 633] (воспроизводится с раз-
решения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
1 -усилитель переменного напряжения; 2-усилитель постоянного напряжения.
Оборудование для восстановления сигнала
585
занных с перегрузкой шумовым сигналом, используется термин «дина-
мический запас». Динамический запас смесителя (или любой другой
схемы подобного рода) определяется как отношение амплитудного зна-
чения асинхронного сигнала, при котором появляется заметная нели-
нейность характеристики, к амплитудному значению синхронного сиг-
нала, соответствующего полной шкале прибора. В сигнальном канале
ненастраиваемых или широкополосных синхронных усилителей проис-
ходит усиление всех сигналов, попадающих в рабочий диапазон частот.
Соответственно их динамический запас ограничен динамическим запа-
сом фазочувствительного детектора. В некоторых широкополосных
синхронных усилителях для увеличения динамического запаса имеются
фильтры нижних и верхних частот в канале сигнала. Широкополосными
синхронными усилителями в основном легче управлять, поскольку ни-
какой ручной настройки не требуется. Кроме того, они дают мини-
мальные ошибки выходного сигнала при дрейфе частоты сигнала или
сканировании ее в значительном диапазоне. Поскольку в сигнальном
канале широкополосного усилителя нет сложных схем фильтрации сиг-
нала, стоимость таких усилителей относительно невелика. В перестраи-
ваемых синхронных усилителях используются узкополосные цепи, пред-
назначенные для увеличения динамического запаса за счет ограничения
спектра шумов, которые не попадают в полосу пропускания фильтра.
Поскольку синхронный усилитель такого типа имеет максимальный
динамический запас, он обеспечивает наилучшие характеристики в тех
случаях, когда исследуемый сигнал сопровождается шумом значитель-
ной амплитуды.
Полоса пропускания фильтра связана с центральной частотой через
безразмерный коэффициент Q :
Q = (центральная частота)/(ширина полосы пропускания по
уровню — 3 дБ)	(15.3)
В некоторых перестраиваемых синхронных усилителях величина Q фик-
сируется изготовителем (ее значение устанавливается равным, напри-
мер, 5 или 10). В более сложных приборах Q можно изменять от 1 до
100. В последние годы разнообразие и сложность синхронных усилите-
лей значительно увеличились. Для выбора нужного прибора следует яс-
но понимать, какие операции может выполнять каждый усилитель и ка-
кими преимуществами и недостатками он обладает. Некоторые
синхронные усилители обладают лучшими характеристиками пере-
страиваемых и широкополосных приборов. Типичным примером таких
приборов является синхронный усилитель модели 124А (рис. 15.26), вы-
пускаемый фирмой EG & G Princeton Applied Research Co., USA. В нем
можно выбирать один из пяти режимов фильтрации: широкополосный
(плоская частотная характеристика), перестраиваемый, режекторный,
высокочастотный и низкочастотный.
В усилителе второго типа, гетеродинном синхронном усилителе [на-
586
Глава 15
Рис. 15.26. Синхронный усилитель модели 124А [634] (воспроизводится с разре-
шения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
пример, в приборе модели 186А (рис. 15.27), выпускаемом фирмой EG
& G Princeton Applied Research Co., USA], входной сигнал преобразует-
ся в сигнал с фиксированной промежуточной частотой, на которой
и происходит его дальнейшая обработка. Усилитель такого типа обла-
дает преимуществами и широкополосного, и перестраиваемого синх-
ронных усилителей, поскольку никакой настройки на частоту сигнала не
требуется, хотя динамический запас может приближаться к величине,
характерной для перестраиваемого синхронного усилителя. Такой при-
бор может усиливать сигналы в диапазоне частот 5-100 кГц без не-
Рис. 15.27. Синхронный усилитель модели 186А [634] (воспроизводится с разре-
шения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
Оборудование для восстановления сигнала
587
Рис. 15.28. Синхронный усилитель модели 5202 [634] (воспроизводится с разре-
шения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
удобств, связанных с перестройкой, изменением положений ручек на
передней панели и т. д. Синхронный усилитель третьего типа [например,
прибор модели 5202 (рис. 15.28), выпускаемый фирмой EG &
G Princeton Applied Research Co., USA] работает в диапазоне
0,1-50 МГц и обладает динамическим запасом более 2000 и чувстви-
тельностью до 10 мкВ. Он особенно удобен для оптических измерений
и лазерной спектроскопии.
Самым современным синхронным усилителем является прибор мо-
дели 5204 (рис. 15.29), выпускаемый фирмой EG & G Princeton Applied
Рис. 15.29. Синхронный усилитель модели 5204 [634] (воспроизводится с разре
шения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
588
Глава 15
Research Со., USA; он может усиливать сигналы с частотой от 0,5 Гц до
100 кГц и обладает динамическим запасом до 105. В других вариантах
этой модели имеются перестраиваемый избирательный усилитель, вну-
тренний опорный генератор, вычислительное устройство для получения
отношения сигналов и разъемы для подключения контрольных
устройств. Прибор модели 5204 при использовании его в качестве двух-
фазного синхронного усилителя позволяет: 1) одновременно измерять
величины сфазированного сигнала и квадратурной составляющей, 2) не-
зависимо изменять величину выходного сигнала в каждом из двух кана-
лов, 3) независимо изменять постоянную времени фильтров в каждом
из двух каналов. При использовании в качестве векторного вольтметра
прибор модели 5204 обеспечивает: 1) одновременное измерение ампли-
туды и фазы, 2) отсчет фазы в диапазоне 0-360°, 3) автоматическое от-
слеживание вектора, 4) сильное подавление шумов. При использовании
в качестве измерительного лабораторного прибора общего назначения
синхронный усилитель модели 5204 может выполнять функции: 1) узко-
полосного сканирующего анализатора спектра, 2) калиброванного из-
мерителя шумов, 3) широкодиапазонного измерителя отношений. Этот
усилитель может найти широкое применение в различных областях
(разд. 15.3.3).
15.3.2.	Динамический диапазон синхронных усилителей
Одной из наиболее важных характеристик синхронных усилите-
лей является динамический диапазон. Полный динамический диапазон
синхронного усилителя определяется как отношение максимального
входного сигнала, который можно подать на вход без перегрузки при-
бора, к минимально различимому сигналу. Полный динамический диа-
пазон разделяют на две части (каждая из них относится к входному сиг-
налу, необходимому для получения максимального выходного сигнала):
1) выходной динамический диапазон - отношение амплитуды сигнала, не-
обходимого для получения максимального выходного сигнала, к мини-
мально различимому сигналу; 2) динамический запас-отношение мак-
симального входного сигнала, при котором еще не наступает перегруз-
ка, к амплитуде сигнала, необходимого для получения максимального
выходного сигнала. Таким образом, полный динамический диапазон
представляет собой просто сумму (логарифмов) выходного динамиче-
ского диапазона и динамического запаса. Эти три величины оказывают-
ся важными для описания характеристик, связанных с динамическим
диапазоном, поскольку в зависимости от того, как мы подразделяем ха-
рактеристики сигналов, может значительно изменяться пригодность
данного синхронного усилителя для проведения измерений данного
типа.
Оборудование для восстановления сигнала
589
15.3.3.	Применение синхронных усилителей
Литература: 425, 630, 632
Измерения повторяющихся слабых световых сигналов можно
проводить с помощью синхронных усилителей. Промодулировав свето-
вой сигнал и использовав для измерения модулированного сигнала
синхронный усилитель, можно значительно уменьшить шум детектора
и низкочастотный дрейф. Типичные области применения синхронных
усилителей: 1) оптическая спектроскопия, 2) спектральный анализ коле-
баний, 3) измерения частотных характеристик, 4) измерения спектраль-
ной плотности шума. Поскольку синхронный усилитель является также
фазочувствительным прибором, его можно использовать в таких обла-
стях, как полярография на переменном токе и балансировка мостиков
переменного тока, где необходимо измерять амплитуду различных фа-
зовых компонент исследуемого сигнала.
Двухлучевые фотометрические измерения. Схема типичной двухлучевой
фотометрической системы, работающей в широком динамическом диа-
пазоне входных сигналов, показана на рис. 15.30. В этой системе моду-
лированный пучок монохроматического излучения проходит поперемен-
но через измерительную и опорную кюветы и попадает на фотоумно-
житель. Измерительный и опорный сигналы поступают на отдельные
синхронные усилители. На выходе измерителя отношения сигналов (на-
пример, измерителя модели 188, выпускаемого фирмой EG &
G Princeton Applied Research Co., USA), можно получить отношение A/В
или lg(A/B), т.е. прибор может регистрировать сигнал в единицах про-
пускания или поглощения.
Методы оптического кодирования. Свет из спектрометра пропускается
через пластинку полихроматора, сквозь отверстия в которой проходят
только нужные длины волн. Затем свет с этими длинами волн проходит
Рис. 15.30. Схема типичной двухлучевой фотометрической системы, в которой
используются синхронные усилители [634] (воспроизводится с разрешения EG &
G Princeton Applied Research Co., USA).
Рис. 15.31. Схема метода оптического кодирования [331] (воспроизводится
с разрешения International Scientific Communication, USA).
Рис. 15.32. Блок-схема прибора для обработки сигнала в методе оптического
кодирования (см. рис. 15.31) [331] (воспроизводится с разрешения International
Scientific Communication, USA).
Оборудование для восстановления сигнала
591
через вращающийся диск [сетку (разд. 9.8)] с серией щелей, располо-
женных с одинаковыми промежутками на окружностях, радиусы ко-
торых соответствуют положениям лучей, прошедших сквозь отверстия
в полихроматоре. Для каждой длины волны расстояние между щелями
и, следовательно, модуляция, разные. Все промодулированные лучи
с различными длинами волн затем собираются на катоде одного фо-
тоумножителя (рис. 15.31). Для выделения сигнала, соответствующего
каждой длине волны, в каждом электронном канале используется от-
дельный синхронизованный синхронный усилитель (рис. 15.32).
Измерение слабой фосфоресценции [88]. Синхронные усилители можно
использовать для измерения зависимости слабой фосфоресценции неко-
торых материалов от длины волны возбуждающего излучения
(рис. 15.33). Сигнал фосфоресценции после прохождения малошумящего
предусилителя подается на синхронный усилитель. Опорный сигнал по-
лучается с вращающегося секторного цилиндра. Все шумовые сигналы,
не когерентные с опорным, значительно ослабляются.
Измерение затухания слабой фотолюминесценции [634]. Синхронные уси-
лители используются для исследования затухания фотолюминесценции
(рис. 15.34). Механический прерыватель света (разд. 15.4.6) работает
Рис. 15.33. Схема типичной системы, в которой синхронный ^силитель исполь-
зуется для измерения зависимости фосфоресценции образца от длины волны
возбуждающего излучения [88] (воспроизводится с разрешения EG &
G Princeton Applied Research Co., USA).
592
Глава 15
Рис. 15.34. Блок-схема типичной системы для измерения затухания слабой фо-
толюминесценции [634] (воспроизводится с разрешения EG & G Princeton
Applied Research Co., USA).
с частотой, равной половине частоты повторения импульсов источника
возбуждения. Выборка результирующего сигнала затухания произво-
дится постоянно, а выходной сигнал подается на синхронный усилитель.
Опорная частота усилителя равна частоте прерывания света. Электро-
магнитные возмущения, вызванные вспышкой лампы, устраняются, по-
скольку они следуют с двойной опорной частотой, к которой синх-
ронный усилитель нечувствителен. Все другие шумы значительно
ослабляются, так как они не синхронизованы с частотой вращения
прерывателя.
15.4.	СИСТЕМЫ СЧЕТА ФОТОНОВ (ЧАСТЬ 2)*
Литература. 98, 586, 640, 725, 736, 749, 813, 960, 961, 1036, 1071, 1146, 1186, 1199, 1247, 1249, 1250,
1271, 1392, 1446, 1458, 1461, 1471, 1707, 1767, 1820.
Системы счета фотонов используются для измерения слабых
сигналов с фотоумножителей или электронных умножителей
(разд. 12.2.2). Система счета фотонов подсчитывает импульсы тока с фо-
тоумножителя или электронного умножителя. В ней для регистрации
сигнальных импульсов и подавления слабых шумовых импульсов ис-
пользуется дискриминатор с предварительно выставляемым порогом
дискриминации. На выходе дискриминатора получается импульс стан-
дартного уровня в ответ на каждый входной импульс с амплитудой,
превышающей порог дискриминации. Эти выходные импульсы посту-
пают на счетчик, который измеряет число отсчетов за единицу времени,
обычно за 1 с (до 10б отсчет/с). Основными элементами типичной си-
* Часть 1'-разд. 12.2.2.17.
Оборудование для восстановлены < сигнала
593
Упрощенная схема
модели. 111Z
Рис. 15.35. Схема типичной цифровой системы счета фотонов, в которой ис-
пользуется синхронное детектирование [640] (воспроизводится с разрешения EG
& G Princeton Applied Research Co., USA).
стемы счета фотонов (рис. 15.35) являются: 1) фотоэлектронный умно-
житель (разд. 12.2.2), 2) кожух фотоумножителя, 3) источник высокого
напряжения, 4) усилитель-дискриминатор (по одному на каждый фо-
тоумножитель) (разд. 15.4.1), 5) прибор для измерения скорости счета
фотонов (разд. 15.4.2 и 15.4.3), 6) прерыватель света (разд. 15.4.6).
Система счета фотонов обладает следующими преимуществами по
сравнению с аналоговыми измерительными системами: 1) дискримина-
ция шума, возникающего не на фотокатоде, благодаря чему увеличи-
вается отношение сигнал-шум системы; 2) цифровая обработка ди-
скретной по своей природе спектральной информации; 3) устранение
ошибок, связанных с преобразованиями области данных; 4) чувстви-
тельность к очень низким световым уровням; 5) точное интегрирование
в течение длительного времени; 6) уменьшенная чувствительность к шу-
му 1/^ долговременным дрейфам, изменениям напряжения и темпера-
туры. Недостатком метода счета фотонов является набегание импуль-
сов при умеренных и больших световых потоках, в результате чего
характеристика становится нелинейной. Набегание импульсов возникает
либо вследствие прихода на фотокатод двух или более фотонов в тече-
ние импульса от уже пришедшего фотона, либо из-за поступления тако-
го потока фотонов, какой система усилитель-счетчик обрабатывать не
может. Для измерения интенсивных световых потоков необходима ана-
логовая измерительная система либо методы коррекции потерь импуль-
сов при счете и учете мертвого времени. При применении более быстро-
действующих счетных систем счет фотонов можно применять для
измерения более интенсивных световых потоков при условии, что разре-
шение импульсов ограничивается именно счетной системой.
38-644
594
Глава 15
15.4.1.	Усилитель-дискриминатор
Усилитель-дискриминатор включает быстродействующий мало-
шумящий усилитель с переменным коэффициентом усиления, связанный
с двухуровневым дискриминатором, который обладает очень высоким
быстродействием; это устройство подключается между фотоумножите-
лем и измерителем скорости счета фотонов. На рис. 15.36 показан уси-
литель-дискриминатор модели 1121 А, выпускаемый фирмой EG &
G Princeton Applied Research Co., USA. У этого устройства имеются
четыре режима работы:
1.	В одиночном режиме получается один отсчет при поступлении на
вход дискриминатора одного импульса с амплитудой, превышающей
первый уровень дискриминации.
2.	В режиме формирования окна отсчет получается для импульсов,
амплитуда которых находится между первым и вторым уровнями ди-
скриминации (для всех других импульсов отсчет отсутствует).
3.	В режиме коррекции набегания импульсов формируются два от-
счета для импульсов с амплитудой, превышающей второй уровень ди-
скриминации (один отсчет для амплитуд между первым и вторым уров-
нями дискриминации и нуль отсчетов для импульсов с амплитудой
меньше первого уровня дискриминации).
4.	В режиме анализа амплитуды импульсов узкий фиксированный
интервал регистрируемых амплитуд сканируется по выбранному диапа-
зону дискриминатора с частотой около 6 Гц. Выходной сигнал, пропор-
циональный зарегистрированной скорости счета импульсов, подается на
Рис. 15.36. Усилитель-дискриминатор модели 1121А [640] (воспроизводится
с разрешения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
Оборудование для восстановления сигнала
595
Рис. 15.37. Выходной сиг-
нал фотоумножителя
в режиме анализа ампли-
туды импульсов [640]
(воспроизводится с разре-
шения EG & G Princeton
Applied Research Co.,
USA).
Шум ФЭУ и Одноэлектронныи, пил
дисплей, на экране которого получается распределение амплитуд им-
пульсов (рис. 15.37). Оптимальная рабочая точка по высоковольтному
напряжению на фотоумножителе определяется в режиме анализа ам-
плитуды импульсов из зависимости формы одноэлектронного пика от
величины этого напряжения.
15.4.2.	Квантовый фотометр
Квантовый фотометр обладает особенностями и возможностя-
ми системы счета фотонов, предназначенной для измерения слабых све-
Рис. 15.38. Квантовый фотометр модели 1140А [640] (воспроизводится с разре-
шения EG & G Princeton Applied Research Co., USA).
596
Глава 15
товых потоков, и возможностью расширения динамического диапазона
посредством перехода на нормированные диапазоны электрометриче-
ского усилителя при измерении умеренных и высоких интенсивностей
света. Благодаря этому с помощью одного компактного прибора мож-
но измерять с высокой линейностью интенсивность света в диапазоне,
превышающем девять порядков. Такой квантовый фотометр (модель
1140А) выпускается фирмой EG & G Princeton Applied Research Co.,.
USA (рис. 15.38). В этом приборе имеется встроенный источник высоко-
го напряжения, который регулируется независимо для режима счета фо-
тонов и для электрометрического режима, что позволяет выбрать опти-
мальные условия для обоих этих режимов. На измерительном приборе
имеются две линейные и одна пятидекадная логарифмическая шкалы,
предназначенные для измерения скорости счета фотонов, постоянного
анодного тока и напряжения на фотоумножителе. Имеются также ана-
логовые выходные сигналы для самописца, но нет выходов на управле-
ние ЭВМ или для цифрового считывания информации.
15.4.3.	Сканирующий квантовый спектрометр
Литература 694
Сканирующий квантовый спектрометр показан на рис. 15.39.
Этот прибор измеряет излучение в диапазоне 400-740 нм, а интенсив-
ность излучения представляется в единицах квант/(м2 с нм). Кроме ре-
гистрации спектрального распределения и интенсивности излучения
Рис. 15.39. Сканирующий квантовый спектрометр [694] (воспроизводится с раз-
решения Techtum Instrument, Umea, Sweden).
Оборудование для восстановления сигнала
597
Рис. 15.40. Счетчик фотонов модели 1105 [640] (воспроизводится с разрешения
EG & G Princeton Applied Research Co.. USA).
можно интегрировать интенсивность в любом желаемом интервале
длин волн с помощью дополнительного модуля интегратора.
15.4.4.	Измеритель скорости счета импульсов
С помощью измерителя скорости счета импульсов получают
аналоговый сигнал для самописца; возможности вывода цифровой ин-
формации на печать или в ЭВМ нет. Аналоговый выходной сигнал про-
порционален скорости счета импульсов. На рис. 15.40 показан счетчик
фотонов модели 1105 (выпускается фирмой EG & G Princeton Applied
Research Co., USA), который подключается к усилителю-дискриминато-
ру модели И21А (разд. 15.4.1). При использовании этого счетчика все,
что необходимо сделать для проведения эксперимента,-это выбрать
подходящий фотоумножитель и кожух.
15.4.5.	Цифровая система счета фотонов
В цифровой системе счета фотонов получается аналоговый вы-
ходной сигнал для самописца, а также цифровая информация, которую
можно распечатать или ввести в ЭВМ. На рис. 15.41 показан комбини-
Рис. 15.41. Цифровой счетчик фотонов модели 1112 [640] (воспроизводится
с разрешения Princeton Applied Research Со., USA).
598
Глава 15
рованный прибор счетчик фотонов-процессор модели 1112 (выпускается
фирмой EG & G Princeton Applied Research Co., USA), который подклю-
чается к усилителю-дискриминатору модели 1121А (разд. 15.4.1). При
использовании такого прибора все, что необходимо сделать для прове-
дения эксперимента,-это выбрать подходящий фотоумножитель и ко-
жух. Для реализации всех возможностей системы счета фотонов
(рис. 15.35) рекомендуется использовать синхронное детектирование
с модуляцией света (разд. 15.4.6). Этот метод позволяет вычитать из-
меняющийся фоновый сигнал из получаемых данных.
15.4.6.	Прерыватели света
Прерыватели света позволяют получить модулированный свет,
который часто используется для измерений с помощью синхронных
усилителей, счетчиков фотонов или других систем обработки оптиче-
ской информации. При использовании модуляции света [модуляция
и (или) стробирование] можно скорректировать фоновые сигналы в сис-
теме счета фотонов, и, кроме того, появляется возможность интегриро-
вать сигнал в большом временном интервале. На рис. 15.42 показан
прерыватель света с регулируемой частотой модуляции модели 192, ко-
торый выпускается фирмой EG & G Princeton Applied Research Co.,
USA. Это устройство представляет собой двухчастотный прерыватель
света, позволяющий получать частоты модуляции от 5 до 5500 Гц. Та-
кой диапазон получается благодаря применению вращающихся дисков
с многими отверстиями (рис. 15.43) и двигателя, число оборотов кото-
рого можно изменять в 40 раз.
15.5.	ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗАТОР
Литература: 380, 514, 639
Оптический многоканальный анализатор (ОМА) (выпускается
фирмой EG & G Princeton Applied Research Co., USA)-это модульная
электрооптическая система обработки сигналов, предназначенная для
сбора оптических данных (рис. 15.44). Оптический многоканальный ана-
лизатор включает следующие компоненты:
1.	Детектор, представляющий собой простой видикон (разд. 13.4.1)
или трубку с усиливающей кремниевой мишенью (разд. 13.4.3). Видикон
следует использовать в том случае, когда интенсивность света достаточ-
но велика для получения хорошего сигнала и когда длины волн излуче-
ния находятся в диапазоне 300-1100 нм. При этом получается лучшее
отношение сигнал-шум и, следовательно, более высокая точность, чем
при использовании детекторов с усиливающей мишенью, работающих
в режиме уменьшенного усиления или с ослаблением светового сигнала.
Охлаждаемые видиконы имеют лучшее отношение сигнал-шум, чем
Рис. 15.42. Прерыватель света с регулируемой частотой (модель 192) [640] (вос-
производится с разрешения Princeton Applied Research Со., USA).
Рис. 15.43. Диски с многими отверстиями.
600
Глава 15
Рис. 15.44. Оптический многоканальный анализатор модели 1215 [639] (вос-
производится с разрешения Princeton Applied Research Со., USA).
детекторы с усиливающей мишенью, для случая непрерывных слабых
сигналов. Их также лучше применять для длин волн более 900 нм.
При очень низких интенсивностях света наилучшими детекторами
являются охлаждаемые трубки с усиливающей кремниевой мишенью
(трубки SIT) и трубки с двойным усилением изображения на мишени
(трубки ISIT) (разд. 13.4.3). Трубки ISIT могут регистрировать очень
слабые импульсные сигналы. Их следует использовать для измерения
одиночных импульсов или в тех случаях, когда свет имеет длину волны
в диапазоне 500-900 нм. Решение о применении трубки ISIT следует вы-
носить с большой осмотрительностью. Это дорогое устройство,
а область, в которой ее характеристики превосходят характеристики
трубки SIT, весьма ограниченна. Для длин волн менее 300 нм следует
всегда использовать детекторы с усиливающей мишенью и сцинтилля-
торами. С помощью таких детекторов обычно лучше регистрируются
импульсные сигналы, так как в них предусмотрено внутреннее строби-
рование.
2.	Контроллер детектора, предназначенный для работы с видикона-
ми. Детектор можно сканировать по всем 500 каналам либо по нужно-
му их числу. Время обработки регулируется в пределах 20-140 мкс на
канал. Данные можно собирать за одно сканирование по оси у детекто-
ра либо, если время или какие-либо другие параметры откладываются
по вертикальной оси, можно получить несколько кривых с целью
нахождения зависимости данных от времени или других параметров.
Данные можно собирать, проводя повторные сканирования сигнала
и суммируя их, в результате чего улучшается отношение сигнал-шум;
Оборудование для восстановления сигнала
601
Рис. 15.45. Высоковольтный импульсный генератор модели 1211	[639]
(воспроизводится с разрешения Princeton Applied Research Со., USA).
можно остановить сканирование и произвести интегрирование сигнала
на мишени детектора до возобновления сканирования.
3.	Высоковольтный импульсный генератор (рис. 15.45) используется
только в том случае, если применяется детектор с усиливающей крем-
ниевой мишенью модели 1254 (рис. 13.23); этот генератор позволяет
стробировать экспонирование мишени детектора. Можно получить вре-
менное разрешение до 40 нс. Пикосекундное разрешение можно полу-
чить, подключив ОМА к стрик-камере (разд. 18.5).
4.	Процессор системы, который осуществляет сбор данных, их хра-
нение, автоматическое вычитание экспериментального и инструменталь-
ного шума, накопление и хранение сигнала от источника, ввод калибро-
вочных коэффициентов с целью получения абсолютных значений
измеряемых величин, а также нормирование накопленного сигнала на
интенсивность источника. Имеющееся математическое обеспечение по-
зволяет выполнять основные математические действия, включая нахож-
дение логарифма (по основанию 10 или е) всего массива данных, степе-
ней и корней и составление уравнений с вложенными скобками (до семи
пар скобок). Имеется набор специальных функций, включающий сдвиг
данных, полиномиальное сглаживание со скользящим средним и инте-
грирование площади под пиком. Для описания экспериментального шу-
ма можно вычислять стандартное отклонение и среднее значение. Если
нужно получить распределение энергии во времени, то с помощью
удобного режима временной гистограммы будет производиться сумми-
рование спектральной информации с отображением времени по оси х.
602
Глава 15
15.5.1. Применение оптического многоканального
анализатора
Литература: 515, 751, 758, 759, 868, 879, 890, 937, 1047, 1055, 1135, 1160, 1258, 1297, 1387, 1400, 1511,
1538, 1614, 1629, 1576, 1691, 1766.
Основным достоинством оптического многоканального анали-
затора (ОМА) R является одновременный сбор данных по множеству ка-
налов, в результате чего приобретается такая информация, которая не
может быть получена с помощью одноканального детектора, либо до-
стигается большая экономия времени при измерении таких сигналов,
которые можно регистрировать и с помощью одноканальных детекто-
ров. Поскольку детекторы ОМА работают параллельно, регистрируя
одновременно все каналы, с их помощью часто можно получать лучшее
отношение сигнал-шум за меньшее время, чем с помощью однока-
нальных детекторов. Это объясняется тем, что часто точность таких де-
текторов ограничивается отношением сигнал-шум самого сигнала
и временем, в течение которого сигнал действует на детектор. Посколь-
ку все каналы ОМА работают одновременно, они могут принимать сиг-
нал в течение одинакового промежутка времени.
Рассмотрим, какие преимущества дает экспозиция 10 с. В каждом из
500 каналов ОМА информация может быть собрана за 10 с, тогда как
для получения такой же точности с помощью одноканального детекто-
ра за 10 с можно собрать информацию только в одном канале. Для
сбора всего массива данных потребуется 5000 с, т. е. при использовании
одноканального детектора сбор данных будет продолжаться около
1,5 ч. ОМА очень полезны для экспериментов с одиночными импульса-
ми в эмиссионной спектроскопии, спектроскопических измерений пико-
секундных кинетик, при разработке лазеров, для регистрации световых
пучков с очень низкой интенсивностью (например, в случаях хемилюми-
несценции и термолюминесценции).
Содержание
Предисловие редактора перевода....................................... 5
Предисловие.......................................................... 7
Глава 1. Природа и свойства света.................................... 9
Глава 2. Радиометрические и фотометрические	единицы................. 14
2.1.	Основные термины.......................................... 14
2.1.1.	Телесный угол......................................... 15
2.2.	Единицы измерения, относящиеся	к	источникам излучения 17
2.3.	Единицы измерения, относящиеся	к	приемникам излучения 21
2.4.	Спектральные единицы...................................... 24
2.5.	Тепловые излучатели....................................... 27
2.5.1.	Излучение черного тела................................ 27
2.5.2.	Излучение серого тела................................. 33
2.5.3.	Селективные излучатели................................ 33
2.5.4.	Смешанные излучатели.................................. 33
2.6.	Основные законы фотометрии................................ 33
2.6.1.	Первый закон......................................... 33
2.6.2.	Второй закон (закон косинуса)........................ 34
2.6.3.	Третий закон (закон обратных	квадратов).............. 35
2.6.4.	Четвертый закон (закон фотометрического лимитирующе-
го расстояния).............................................. 36
2.7.	Фотометрические соотношения между передатчиком и прием-
ником излучения............................................... 36
2.8.	Взаимодействие между оптическим	излучением и веществом 37
2.9.	Рассеяние оптического излучения........................... 38
2.10.	Отражение излучения...................................... 39
Глава 3.	Источники оптического излучения........................... 40
3.1.	Естественные источники излучения.......................... 42
3.1.1.	Солнечное излучение................................... 42
3.1.2.	Освещенность солнечным светом......................... 44
3.1.3.	Спектральное распределение энергии солнечного излучения 48
3.2.	Искусственные источники излучения......................... 48
3.2.1.	Нитевые лампы накаливания............................. 48
3.2.2.	Вольфрамогалогенные лампы............................. 56
3.2.3.	Угольная дуга......................................... 58
3.2.4.	Поверхностно-искровой разряд.......................... 59
3.2.5.	Специальные температурные излучатели.................. 61
3.2.6.	Люминесцентные источники излучения.................... 64
604
Содержание
3.2.7.	Водородная и дейтериевая лампы......................... 69
3.2.8.	Монохроматический источник............................. 70
3.2.9.	Лампы с полыми катодами................................ 71
3.2.10.	Высокоинтенсивные разрядные лампы..................... 71
3.2.11.	Безэлектродные разрядные фотохимические лампы ...	149
3.2.12.	Источники излучения в диапазоне вакуумного ультрафио-
летового света............................................. 150
3.2.13.	Выбор источника излучения для фотохимического процесса 153
Глава 4.	Оптические системы........................................ 154
4.1.	Линзы и системы линз...................................... 154
4.1.1.	Кривизна поверхности.................................. 154
4.1.2.	Параксиальные формулы линзы........................... 157
4.1.3.	Фокусные расстояния и главные	плоскости................160
4.1.4.	Формулы для комбинации линз .	.................... 163
4.1.5.	Аберрации линз........................................ 167
4.1.6.	Размер пятна.......................................... 173
4.1.7.	Оптимальный диаметр и значение диафрагмы...............174
4.1.8.	Плоско-выпуклые линзы................................. 177
4.1.9.	Двояковыпуклые линзы.................................. 178
4.1.10.	Плоско-вогнутые линзы................................ 179
4.1.11.	Двояковогнутые линзы................................. 180
4.1.12.	Мениски.............................................. 180
4.1.13.	Цилиндрические линзы................................. 181
4.1.14.	Ахроматические линзы................................. 182
4.1.15.	Ахроматические триплеты Хастингса.................... 183
4.1.16.	Асферические линзы................................... 184
4.1.17.	Линзы Френеля........................................ 186
4.1.18.	Одинарные линзы для фокусировки	лазерных линий . . .	190
4.1.19.	Расширители пучка лазерного излучения (часть 1) . . .	192
4.2.	Зеркала................................................... 195
4.2.1.	Плоские зеркала....................................... 196
4.2.2.	Сферические зеркала................................... 197
4.2.3.	Асферические зеркала...................................199
4.2.4.	Внеосевые параболические зеркала.......................202
4.3.	Светоделители..............................................204
4.3.1.	Светоделительная пластина..............................204
4.3.2.	Светоделительный кубик.................................206
4.3.3.	Пленочный светоделитель................................206
4.4.	Окошки.....................................................211
4.5.	Оптические плоскости.......................................211
4.6.	Призмы.....................................................212
4.6.1.	Отражающие призмы......................................212
4.6.2.	Прямоугольные призмы...................................214
4.6.3.	Призма Порро...........................................216
4.6.4.	Призма Дове............................................216
4.6.5.	Крышеобразная призма...................................217
4.6.6.	Пентапризмы............................................218
4.6.7.	Равнобочные дисперсионные призмы.......................218
4.6.8.	Дисперсионные призмы Брюстера	и Литтрова ....	221
4.6.9.	Клиновидная призма.....................................224
4.6.10.	Ретроотражатели.......................................225
Содержание	605
Глава 5.	Фильтры.............................................227
5.1.	Элементы, регулирующие тепловые потоки.............227
5.1.1.	Тепловые фильтры...................................... 227
5.1.2.	Горячие зеркала....................................... 229
5.1.3.	Холодные зеркала.......................................229
5.1.4.	Вогнутые холодные зеркала..............................230
5.2.	Нейтральные фильтры................................231
5.2.1.	Нейтральные фильтры на основе коллоидного углерода	233
5.2.2.	Нейтральные фильтры на основе фотографического серебра	235
5.2.3.	Металлические нейтральные фильтры......................235
5.2.4.	Ступенчатые нейтральные фильтры........................235
5.2.5.	Прямоугольные линейные клинообразные нейтральные
фильтры................................................ 236
5.2.6.	Круговые линейные клинообразные нейтральные фильтры	238
5.3.	Стеклянные фильтры................................. 239
5.3.1.	Интерпретация кривой пропускания...................... 239
5.4.	Интерференционные фильтры..........................240
5.4.1.	Полосовые интерференционные фильтры....................242
5.4.2.	Зависимость длины волны от угла падения................244
5.4.3.	Широкополосные фильтры................................ 247
5.4.4.	Корректное использование интерференционных фильтров	249
5.4.5.	Список терминов, относящихся к интерференционным
фильтрам................................................250
5.4.6.	Наборы интерференционных фильтров......................253
5.5.	Наборы фильтров для изменения цвета....................... 258
5.6.	Фильтры для преобразования цветовой температуры ....	260
5.7.	Оптические фильтры для вакуумного и обычного	ультрафио-
летового излучения	 263
Глава 6. Поляризационные компоненты................................. 264
6.1.	Природа поляризованного света............................. 264
6.2.	Поляризационные эффекты при отражении......................265
6.3.	Поляризаторы.............................................. 266
6.4.	Двулучепреломляющие кристаллы..............................268
6.5.	Фазовые пластинки..........................................270
6.5.1.	Полноволновая фазовая пластинка....................... 272
6.5.2.	Полуволновая фазовая пластинка........................ 272
6.5.3.	Четвертьволновая фазовая пластинка.....................274
6.5.4.	Применение четвертьволновых фазовых пластинок ....	276
6.5.5.	Фазовые пластинки из слюды............................ 277
6.5.6.	Кварцевые фазовые пластинки............................278
6.6.	Пленочные (дихроичные) поляризаторы........................278
6.7.	Компенсаторы.............................................. 281
6.7.1.	Компенсатор Бабине.................................... 281
6.7.2.	Компенсатор Солейля - Бабине.......................... 282
6.8.	Поляризация света при отражении от диэлектрической	среды	283
6.9.	Поляризующие светоделители для лазерного излучения	...	285
6.10.	Деполяризатор Корню...............................287
Глава 7.	Световоды........................................... 289
7.1.	Конструкция световодов............................. 289
606
Содержание
7.2.	Оптика волокон............................................291
7.3.	Источники света со световодами............................296
7.4.	Соединители волокон.......................................297
7.5.	Оптиковолоконные линзовые преобразователи.................300
7.6.	Волоконные соединители....................................300
Глава 8. Оптические материалы......................................304
8.1.	Описание типов оптических стекол..........................304
8.2.	Синтетический сапфир..................................... 308
8.3.	Плавленый кварц...........................................308
8.4.	Стеклокерамика............................................310
8.5.	Стекло VYCOR R............................................311
8.6.	Окошки для вакуумного УФ излучения........................311
8.7.	Стекла для ИК диапазона...................................313
8.8.	Материалы для ИК диапазона................................314
8.9.	Материалы для изготовления окошек и зеркал для лазеров 316
8.10.	Пластмассы как оптические материалы..................... 316
8.11.	Отражающие материалы.....................................318
8.12.	Покрытия для зеркал, светоделителей, окошек, оптических
плоскостей, призм и ретроотражателей........................ 319
8.13.	Отражающие и частично отражающие металлические покрытия 325
8.14.	Зеркальные металлические поверхности....................326
8.15.	Диэлектрические просветляющие покрытия..................330
8.15.1.	Однослойное диэлектрическое просветляющее	покрытие	330
8.15.2.	Многослойное диэлектрическое просветляющее	покрытие	331
8.16.	Оптические связывающие материалы.........................332
8.17.	Материалы для покрытия линз..............................332
8.18.	Отражающие покрытия для области ниже 200 нм..............335
Глава 9. Оптико-механические компоненты............................336
9.1.	Оптические скамьи.........................................336
9.1.1.	Металлические оптические скамьи............... 336
9.1.2.	Соединители и опоры оптических скамей.........336
9.1.3.	Столики.......................................339
9.1.4.	Гранитные оптические скамьи...................339
9.2.	Столы и рамные системы................................... 345
9.2.1.	Собственные вибрации компонентов стола........348
9.3.	Установка оптической оси........................... 362
9.3.1.	Модульные блоки (позиционеры)................. 363
9.4.	Держатели.................................................375
9.4.1.	Прецизионные держатели зеркал	и линз.................379
9.5.	Расширители лазерного пучка (часть 2).....................382
9.6.	Диафрагмы................................................ 382
9.6.1.	Точечные диафрагмы.................................. 386
9.6.2.	Ирисовые диафрагмы...................................386
9.6.3.	Щели.................................................387
9.7.	Затворы...................................................388
9.7.1.	Применение вращающихся секторов......................391
9.7.2.	Стробоскопический диск...............................392
9.8.	Модулирующие диски........................................393
9.8.1.	Диски для фазовой модуляции..........................393
Содержание	607
9.8.2.	Диски для частотной модуляции.........................395
9.8.3.	Диски для широтно-импульсной модуляции................396
9.8.4.	Диски для амплитудной модуляции.......................397
9.9.	Световые ловушки..........................................398
9.10.	Измерение физических величин и сбор данных...............399
9.10.1.	Аналоговые измерительные методы......................399
9.10.2.	Цифровые методы измерений............................403
9.11.	Трехзеркальные системы .	 406
9.12.	Крепление лазеров и юстировка лазерных пучков............409
Глава 10. Оптические приборы и системы..............................412
10.1.	Спектрометры..............................................412
10.1.1.	Призменный спектрометр..............................412
10.1.2.	Дифракционный спектрометр с пропускающей решеткой 414
10.1.3.	Дифракционный спектрометр с плоской отражающей ре-
шеткой ....................................................416
10.1.4.	Дифракционный спектрометр с вогнутой отражающей ре-
шеткой ....................................................418
10.1.5.	Дифракционные решетки................................420
10.1.6.	Дифракционные спектрометры с эшелле..................421
10.2.	Монохроматоры.............................................422
10.2.1.	Монохроматоры с быстрым сканированием................423
10.3.	Интерферометры.....................................  .	424
10.3.1.	Двухлучевые интерферометры...........................424
10.3.2.	Многолучевые интерферометры..........................435
10.4.	Фотоупругость.............................................445
Глава И.	Нетрадиционная спектроскопия..............................447
11.1.	Одно волновая спектроскопия...............................447
11.2.	Двухволновая спектроскопия................................447
11.2.1.	Сравнение различных спектроскопических	методов . . .	449
11.3.	Производная спектроскопия.................................450
11.4.	Спектроскопия с модуляцией длины волны....................451
11.5.	Импульсная спектроскопия в потоке.........................453
11.6.	Фотоакустическая спектроскопия............................456
11.7.	Фототермическая спектроскопия.............................458
11.8.	Трехкомпонентная спектроскопия............................459
Глава 12.	Фотодетекторы.............................................460
12.1.	Сравнение детекторов......................................460
12.1.1.	Основные правила для выбора фоточувствительных уст-
ройств для детектирования излучения........................460
12.1.2.	Фотоэлектрические явления...........................460
12.1.3.	Характеристики, по которым	сравниваются детекторы	463
12.1.4.	Основные правила выбора фотодетекторов для регистра-
ции света..................................................467
608
Содержание
12.2.	Фотодетекторы с внешним фотоэффектом...................468
12.2.1.	Фотоприемники без усиления (фотоэлементы).........468
12.2.2.	Фотоумножители....................................471
12.3.	Фотодетекторы с внутренним фотоэффектом................511
12.3.1.	Фотопроводники (фоторезисторы)................... 512
12.3.2.	Фотодетекторы на основе р- «-перехода............518
Глава 13. Многоканальные детекторы.............................. 524
13.1.	Усилители изображения..................................524
13.1.1.	Электронные усилители изображения................ 524
13.1.2.	Микроканальный усилитель......................... 525
13.1.3.	Фотоумножитель с высоким быстродействием..........529
13.2.	Электронно-оптические преобразователи..................532
13.3.	Быстродействующие электронные сканирующие устройства 535
13.4.	Преобразователи изображения с генерацией сигнала ....	537
13.4.1.	Видиконы......................................... 537
13.4.2.	Ортикон.......................................... 540
13.4.3.	Трубки с усиливающей кремниевой мишенью ....	541
Глава 14. Осциллографы.......................................... 544
14.1.	Стробоскопический осциллограф..........................553
14.2.	Запоминающие осциллографы............................. 555
14.3.	Фоторегистрация осциллограмм.......................... 558
Глава 15. Оборудование для восстановления	сигнала...............562
15.1.	Устройство для усреднения серии	сигналов...............562
15.1.1.	Принципы работы устройств для усреднения серии сигна-
лов ..................................................... 563
15.1.2.	Применение устройств для усреднения серии сигналов 566
15.1.3.	Коррелятор на основе устройства для усреднения серии
сигналов................................................. 573
15.1.4.	Многоточечные усреднители сигнала.................574
15.2.	Регистраторы сигналов..................................579
15.3.	Синхронные усилители...................................580
15.3.1.	Принцип действия синхронного усилителя............580
15.3.2.	Динамический диапазон синхронных усилителей ....	588
15.3.3.	Применение синхронных усилителей..................589
15.4.	Системы счета фотонов (часть 2)........................592
15.4.1.	Усилитель-дискриминатор...........................594
15.4.2.	Квантовый фотометр............................... 595
15.4.3.	Сканирующий квантовый спектрометр.................596
15.4.4.	Измеритель скорости счета импульсов...............597
15.4.5.	Цифровая система счета фотонов....................597
15.4.6.	Прерыватели света.................................598
15.5.	Оптический многоканальный анализатор...................598
15.5.1.	Применение оптического многоканального анализатора 602