УСТРОЙСТВА И ОПЫТЫ
СДЕЛАЙ САМ
Спектроскопия.
Мой канал на Дзен dzen.ru/id/5c50c2abee8f3100ade4748d?tab=articles
Есть обновлённая версия этой статьи. Советую почитать её на Дзен!
Эта красивая картинка является фотографией светового и инфракрасного спектра, излучаемого натриевой лампой высокого давления НЛВД типа ДНаТ (Дуговые Натриевые Трубчатые). Для просмотра и фотографирования различных спектров достаточно иметь цифровой фотоаппарат и специально подготовленный CD-R или DVD-R. Последний, занижает яркость, особенно красного. CD-R снижает яркость синего и даёт меньшее разрешение. Первая фотография сделана через DVD-R.
Две жёлтые линии - это дублет натрия с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм. Второй дублет - инфракрасный 818,3 и 819,4 нм.
Теперь несколько слов о подготовке дисков. Из диска нужно вырезать часть, позволяющую полностью закрыть объектив.
На фото DVD-R фиолетового цвета. Нам нужна прозрачная дифракционная решётка, поэтому на CD-R наклеиваем широкий скотч со стороны надписей. Отрываем его и вместе со скотчем снимается покрытие диска. С DVD-R ещё проще, вырезанный кусок легко расслаивается на две части, одна из которых нам и нужна.
Теперь с помощью двухстороннего скотча нужно приклеить дифракционную решётку к объективу, как на фото ниже. Клеить нужно на сторону, противоположную той, с которой оторван слой, т.к. поверхность под слоем легко загрязнится от объектива, а после очистки качество изображения спектра будет хуже.
Получился простейший спектроскоп, подходящий лучше всего для исследования источников света с некоторого расстояния.
Если мы хотим исследовать не только видимый спектр, но и инфракрасный, а в некоторых случаях ультрафиолетовый, то необходимо удалить из фотоаппарата фильтр, блокирующий ИК лучи. Стоит отметить, что часть спектра ИК и УФ видима глазом при достаточно большой интенсивности излучения (точки лазеров 780 и 808 нм, кристалл светодиода 940 нм в темноте). Если необходимо обеспечить одинаковое зрительное ощущение для длин волн 760 нм и 555 нм, то поток излучения для 760 нм должен быть в 20 000 раз мощнее. А для 365 нм в миллион раз мощнее.
Вернёмся к фильтру, который называется Hot Mirror и находится перед матрицей. Нужно открыть корпус фотоаппарата, открутить шурупы, прикрепляющие матрицу к объективу, вытащить фильтр, собрать фотоаппарат в обратной последовательности. Выглядит Hot Mirror так:
2 левых фильтра из фотоаппаратов. У них розовый блеск, а бирюзовый цвет проявляется под другим углом. Кроме ИК, они ещё могут частично или полностью задерживать ультрафиолетовые лучи. Поэтому их удаление открывает возможности не только инфракрасной съёмки, но и ультрафиолетовой, если позволяет оптика и матрица фотоаппарата. Для УФ фотографии используют UV-pass фильтры, блокирующие видимый свет.
Теперь переходим к самому процессу фотографирования спектров. Помещение должно быть тёмное, дополнительно можно использовать чёрный экран около фотоаппарата, источник света точечный или щелевой, минимально освещающий комнату. Включив фотоаппарат, мы увидим такое изображение на примере лазера 405 нм, светящего через узкую щель между двух лезвий:
Центральная точка - это сам лазер. Две линии - его спектр. Можно использовать любую из них. Для это нужно повернуть фотоаппарат и приблизить. Если продолжать двигать фотоаппарат, то мы увидим несколько других линий второго, третьего и т.д. порядков спектра. В некоторых случаях они будут мешать, например зелёная линия второго порядка будут накладываться на инфракрасную линию 1064 нм. Это происходит в спектре зелёного лазера, если в нём не установлен фильтр, отсекающий ИК излучение. Он правый нижний на фотографии фильтров. Чтобы убрать наложение, я использовал красный светофильтр. Фото этого примера с подписанными длинами волн:
Как видно, зелёная линия второго порядка полностью закрыла линию 1064 нм. А следующее фото с заблокированным зелёным светом, где остаются только две ИК линии 808 нм и 1064 нм. Подписывать не стал, т.к. расположение идентично предыдущему фото.
По изображению, где присутствует источник излучения, одна известная длина волны и несколько неизвестных, их легко можно определить. Для примера открываем фото с подписями в фотошопе. С помощью инструмента "Линейка" измеряем расстояние от лазера до линии 532. Оно равно 1876 пикселей. Измеряем расстояние от лазера до линии, длину волны которой хотим узнать, до 808. Расстояние 2815 п. Считаем 532*2815/1876=798 нм. Неточность происходит из-за искажения оптики объектива. При максимальном оптическом приближении ошибка уменьшается. Также было замечено, что лазер 808 нм излучает более короткую волну, около 802 нм, и у него уменьшается длина волны при уменьшении питающего тока.
И без источника излучения на фото можно определить, зная две другие длины волны. Измеряем длину от линии 532 до 1064, там 1901 п. От 532 до 808 получается 939 п. Считаем (1064-532)/1901*939+532=795 нм.
Но проще всего фотографию с двумя известными линиями сопоставить со шкалой. В этом случае ничего считать не нужно.
Далее спектр лампы накаливания, который очень похож на спектр Солнца, но не содержит Фраунгоферовы линии. Интересно, что инфракрасное излучение до 800 нм фотоаппарат отображает как оранжевое, а более 800 нм выглядит как фиолетовый цвет.
Спектр белого светодиода также непрерывный, но имеет провал перед зелёной областью и пик в синей области 450-460нм, который вызван использованием соответствующего синего светодиода, покрытого жёлтым люминофором. Чем выше цветовая температура светодиода, тем выше синий пик. В нём отсутствует ультрафиолет и инфракрасные лучи, которые присутствовали в спектре лампы накаливания.
А вот спектр лампы с холодным катодом из подсветки монитора. Он линейчатый и точно повторяет спектр люминесцентной лампы. ИК часть спектра взята от КЛЛ для получения лучшего качества изображения.
Теперь переходим к ультрафиолетовой лампе чёрного света, или, как её ещё называют, лампе Вуда. Она излучает мягкий длинноволновый ультрафиолет. Фотография получилась такая:
Спектр инфракрасного излучения у люминесцентных ламп, CCFL, Вуда практически одинаковый. Только у последней отсутствует несколько линий, наиболее близких к видимому диапазону. ИК лучи наиболее интенсивно излучаются из тех частей ламп, где находятся нити накала. Фотография сделана через бумажный спектроскоп, подробнее о котором ниже.
Спектроскоп из бумаги.
Такой спектроскоп хорошо подходит для просмотра спектра глазом. Также его можно использовать с разными камерами, например телефонной. Существуют две разновидности.
1. Работает на просвет через дифракционную решётку. Для него нужно подготавливать диски, как было описано выше. Файл содержит чертёж, который нужно распечатать на принтере, вырезать, сложить и склеить. Картинки по сборке можно посмотреть здесь.
2. Работает на отражение от дифракционной решётки. Можно не расслаивать диски, но тогда рядом с яркими линиями от лазеров будут появляться бледные дублирующие, из-за переотражений внутри диска, которых в спектре не должно быть. Перенести блестящий слой CD на другую поверхность, чтобы он остался таким же гладким очень сложно. Поэтому нужно использовать CD, обладающий одинаковой радужной поверхностью с двух сторон. Со стороны, где на обычных дисках надписи, с помощью скотча нужно оторвать прозрачный слой. Важно, чтобы блестящий слой остался на диске. У меня получилось так сделать с половиной диска (от края к центру), этого хватило для спектроскопа. Если не оторвать прозрачный слой, то равномерный спектр будет казаться прерывистым с чередующимися тёмными полосами.
Файл для печати. Помощь по сборке здесь.
На спектроскоп приклеено дополнительное кольцо, с помощью которого он держится на объективе фотоаппарата. Между источником света и спектроскопом рекомендуется ставить матовую плёнку или призму с двумя матовыми гранями, как на фото, для лучшего распределения света. Внутренняя часть спектроскопа из чёрной бумаги без блеска, второй слой из фольги, а сверху обычная бумага, на которой распечатан чертёж. Сторону, в которую поступает свет, можно покрасить в чёрный цвет, чтобы УФ и фиолетовое излучение не вызывали белое свечение бумаги, искажающее картинку.
С помощью этого спектроскопа удалось чётко и ярко сфотографировать спектр неоновой индикаторной лампы. Их используют для подсветки выключателей, в индикаторах работы чайников, плит и других приборах.
Одну тонкую линию спектра дают не только лазеры. Если проволоку опустить в раствор соли NaCl, а потом внести в огонь газовой турбо горелки или зажигалки, то появится жёлтое свечение с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм.
В некоторых турбо зажигалках есть пластина, содержащая литий. Он окрашивает пламя в красный цвет с линией 670,78 нм.
Ниже фотография этих спектральных линий вместе с линиями лазеров: зелёного 532 нм, красного 663 нм, инфракрасных 780 нм и 808 нм.
Удобно использовать описанный выше жёлтый свет для определения периода дифракционной решётки при отсутствии лазера, и вычисления длины волны источников света. Простейшее устройство на рисунке ниже состоит из двух линеек, на одной из которых закреплена дифракционная решётка, а над второй возвышается узкая щель из двух лезвий. Используются расстояния в миллиметрах от дифракционной решётки до экрана (линейки) с щелью и от щели (максимума нолевого порядка) до максимума первого порядка. На первом рисунке нужно смотреть через дифракционную решётку на источник света с известной длиной волны. Таким образом можно посчитать период дифракционной решётки формулой под этим изображением, а потом, этим же способом можно определять длину волны, но по формуле из под второго рисунка. На нём показано определение длины волны лазера немного другим способом: лазер светит через дифракционную решётку на линейку. В этом случае щель не нужна. Я использовал дифракционную решётку из насадки "Звёздное небо", которая шла в комплекте с лазерной указкой. Там две решётки, но насадка разбиралась и вытаскивалась одна решётка. Дифракционная решётка из CD совершенно не подошла, т.к. давала огромную ошибку в 100 нм.
Следующая фотография редкого источника света - молнии. Спектр заходит в УФ диапазон примерно до 373 нм, что является пределом для этого фотоаппарата.
Спектр белой газоразрядной лампы, которая освещает футбольное поле.
Фотография спектра ультрафиолетового светодиода 365 нм 3 Вт KW-UV-3WS-B KonWin.
Светодиод с длиной волны 365 нанометров имеет такой кристалл:
Он излучает ультрафиолет вместе с белым светом. Если на выключенный светодиод светить лампой чёрного света, то кристалл начинает флуоресцировать таким же лунным белым светом, как и при работе самого светодиода, но с меньшей яркостью. Похоже, что из-за этого эффекта не получается сделать светодиод с чистым излучением 365 нм - 370 нм.
Этот светодиод можно использовать как датчик УФ. Он вырабатывает ток при освещении ультрафиолетом. Синий и зелёный светодиоды также чувствительны к УФ + первый чувствителен ещё к фиолетовому и синему свету, а второй ко всем перечисленным цветам и к зелёному.
Красный светодиод не реагирует на УФ (или очень слабо реагирует; нет источника чистого УФ для точной проверки), но реагирует на все семь цветов радуги. ИК диод 940 нм создаёт напряжение от всех длин волн, начиная от УФ 365 нм до его собственной.
Фито светодиод 3 Вт полного спектра 400нм-840нм KW-F-3WS KonWin. Фотография спектра наложена на график длин волн, нужных для растений. Мощность ИК излучения слабая. Верхний спектр с маленькой яркостью, на котором видны только наиболее яркие участки. Нижний спектр более яркий, где видны все цвета, в том числе и с маленькой мощностью излучения.
Трёхцветный светодиод ARPL-9W RGB/6-pin (RGBF93).
Инфракрасный светодиод 940 нм.
Спектр металлогалогенной лампы проектора.
Есть обновлённая версия этой статьи. Советую почитать её на Дзен!