Оптическая схема рефрактометра

Оптическая схема рефрактометра

Схема 1

1 — Источник света (осветитель) 2 — Линза 3 — Осветительная призма 4 — Измерительная призма 5 — Дисперсионый компенсатор

6 — Объектив 7 — Призма 8 — Сетка с визирной линией 9 — Шкала 10 — Окуляр

Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм – осветительной (3) и измерительной (4). На осветительную призму (3) от источника света (1) через линзу (2) направляют световой луч, который рассеивается, проходит тонкий слой исследуемого вещества и преломляется на плоскости измерительной призмы (4) (явление предельного преломления). Луч проходит дисперсионный компенсатор (5), объектив (6), призму (7), сетку (8), шкалу (9) и через окуляр (10) попадает в глаз наблюдателя

Дисперсионный компенсатор (5) предназначен для устранения спектральной окраски границы светотени. Визирная линия сетки совмещается с границей светотени, и по шкале производится отсчет значения показателя преломления

Licensed under the Creative Commons Attribution Non-commercial Share Alike 3.0 License

www.e-ope.ee

3. Устройство и принцип работы рефрактометра

3.1. Оптическая схема рефрактометра

В данной работе используется рефрактометр Аббе, действие которого основано на измерении предельного угла преломления. Оптическая схема рефрактометра приведена на рис. 4. Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм — осветительной 3 и измерительной 4, изготовленных из стекла с большим показателем преломления (n = 1.9). Большой показатель преломления измерительной призмы позволяет сохранять условие

n_p<n_ст для большого диапазона плотностей измеряемых жидкостей. Шкала прибора проградуирована до значения n_p=1.7. От источника 1 пучок света направляется конденсором 2 на входную грань осветительной призмы. Пройдя осветительную призму 3, свет падает на матовую гипотенузную грань АВ данной призмы, граничащую с тонким слоем исследуемой жидкости. Матовая поверхность имеет неровности, размеры которых составляют несколько длин волн. Свет рассеивается на этих неровностях по всей поверхности и, пройдя через тонкий слой раствора, падает на границу раздела “раствор-стекло” под всевозможными углами падения, т.е. угол падения изменяется в пределах от 0⁰до 90⁰ .

На зеркальной гипотенузной грани CD измерительной призмы

4 свет преломляется (размеры неровностей на этой грани меньше длины волны). Вследствие того, что n_p<n_ст, угол преломления изменяется в пределах от нуля до γ_пр. Под углами γ > γ_пр излучение не наблюдается. Таким образом, при угле преломления, равном γ_пр , возникает граница свет – тень. Величина n_p определяется из соотношения sin γ_пр = n_p/n_ст, где величина n_ст известна.

Ход лучей света при выходе его из измерительной призмы легко учитывается при градуировке прибора т. к. преломление света происходит на границе “стекло-воздух”,причем показатели преломления обеих сред известны. Угол преломления света на этой границе не влияет на точность измерения

n_p.

Благодаря засветке всего слоя раствора граница света и тени наблюдается достаточно резко. Поэтому, настраивая прибор к работе, свет от осветителя нужно направить на призму так, чтобы он равномерно осветил всю поверхность грани АВ рассеивающей призмы. Для определения угла, под которым выходят лучи из измерительной призмы, используется зрительная труба, образованная объективом 6 и окуляром 9, свет в которую поступает через систему призм прямого зрения 5. При этом используется то свойство зрительной трубы, что лучи, идущие к ней параллельно её оси, собираются в заднем фокусе, где помещена прозрачная пластинка 7 с нанесенным на ней перекрестием сетки. Перекрестие точно совпадает с фокусом.

Рис. 4. Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломления методом скользящего луча.

Оптическая схема прибора: 1-источник света, 2-конденсор, 3-осветительная призма, 4-измерительная призма, 5-призма прямого зрения, 6-объектив зрительной трубы, 7-сетка с перекрестием, 8-шкала, 9-окуляр зрительной трубы, 10-поле зрения окуляра.

Призмы прямого зрения и зрительная труба жёстко связаны между собой и могут поворачиваться относительно измерительной призмы. Угол поворота измеряется по неподвижной шкале 8, расположенной в общей фокальной плоскости объектива и окуляра. Шкала проградуирована в значениях показателя преломления исследуемого раствора на основании формулы (6). Осуществляя поворот зрительной трубы, можно установить её ось параллельно лучам, преломившимся на грани CD под предельным углом γ_пр. При этом в поле зрения окуляра будут наблюдаться светлая и тёмная области, граница между которыми будет совпадать с перекрестием. Светлая область образована лучами, преломлёнными на грани

CD под углами, меньшими предельного, а тёмная область возникает из-за отсутствия лучей, идущих под углами, большими предельного. Положение границы света и тени, образованной лучами, преломлёнными под предельным углом, укажет на шкале 8 искомую величину показателя преломления раствора.

Источник света 1 не является монохроматическим. Поэтому вследствие дисперсии как исследуемого вещества, так и материала измерительной призмы, (зависимости их показателей преломления от длины волны света), граница света и тени, наблюдаемая в зрительную трубу, оказывается размытой и окрашенной. Для устранения этого эффекта используются призмы прямого зрения 5, образующие дисперсионный компенсатор. Призмы рассчитаны так, чтобы лучи с длиной волны λ_D = 589,3 нм (среднее значение длины волны натрия) не отклонялись при прохождении через них. При повороте одной призмы относительно другой их суммарная дисперсия изменяется, что позволяет скомпенсировать различие в углах выхода лучей с различными длинами волн из измерительной призмы и направить их в зрительную трубу параллельно лучам с длиной волны

λ_D. Граница света и тени при этом получается резкой, неокрашенной и даёт значение показателя преломления исследуемого раствора n_D на длине волны λ_D.

studfiles.net

Аббе рефрактометр — Физическая энциклопедия

Принцып действия. Оптическая схема рефрактометра Аббе

АББЕ РЕФРАКТОМЕТР — визуальный оптический прибор для измерения показателя преломления жидких и твёрдых сред. Его действие основано на измерении угла полного внутреннего отражения в случае непрозрачной исследуемой среды или предельного угла преломления на плоской границе раздела прозрачных сред (исследуемой и известной) при распространении света из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем — (см.

Рефрактометр ).В обоих методах используется закон преломления света ( — угол падения, — угол преломления). Аббе рефрактометр состоит из двух стеклянных прямоугольных призм — измерительной призмы 3 (рис.) с высоким показателем преломления =1.7 (для жёлтой линии натрия =589 нм), с полированной гипотенузной гранью и вспомогательной откидной призмы 2 с матированной гипотенузной гранью, зрительной трубы, отсчётной шкалы, специального компенсатора 6. В поле зрения трубы наблюдается резкая линия раздела светлого и тёмного полей, соответствующая предельному углу.

Оптическая схема рефрактометра ИРФ-22: 1 -осветительное зеркало; 2 — вспомогательная откидная призма; 3 — основная измерительная призма; 4 — матированная грань откидной призмы; 5 — исследуемая жидкость; 6 — призмы Амичи компенсатора; 7 — объектив зрительной трубы; 8 — поворотная призма; 9 — окуляр зрительной трубы.

Исследуемые жидкости помещаются в зазор (ок. 0,1 мм) между гипотенузными гранями призм. Твёрдые прозрачные образцы должны иметь одну плоскую полированную грань, а одна из боковых граней должна быть перпендикулярной к полированной. Полированной гранью образцы прижимаются к гипотенузной грани измерительной призмы (при откинутой вспомогательной призме), а в зазор между ними вводится капля иммерсионной жидкости с показателем преломления таким, чтобы << (обычно моноброма — нафталина с =1.66). При измерении прозрачных жидких сред свет на границу раздела сред направляется через малый катет вспомогательной призмы (измерение в проходящем свете), а в случае непрозрачных сред освещается матовая грань измерительной призмы — её большой катет (измерение в отражённом свете). При совмещении линии раздела светлого и тёмного полей с перекрестием нитей в поле зрения трубы по шкале непосредственно отсчитывается величина . Компенсатор, состоящий из двух дисперсионных призм прямого зрения (призм Амичи, см.

Спектральные призмы ),позволяет вращением призм в противоположные стороны компенсировать дисперсию измерительной призмы и образца и измерить величину при использовании источника белого света.

Технические характеристики рефрактометра

Для рефрактометра ИРФ-22 пределы измерения в проходящем свете 1,3 — 1,7, в отражённом — 1,3 — 1,57; точность измерения ± 2·10^-4.

Литература

Иоффе Б. В., Рефрактометрические методы химии, 3 изд., Л., 1983.

В. И. Малышев.

      Предметный указатель      >>   

www.femto.com.ua

Устройство и принцип действия рефрактометра

Приборы для определения показателя преломления различных веществ называются рефрактометрами.

Прежде чем перейти к описанию прибора, напомним ход лучей через трехгранную призму, которая часто используется при устройстве различных оптических приборов. Пусть на ребро трехгранной призмы падает под углом /’; луч АВ монохроматического света (рис. 4, а).

Рис.4. Прохождение света через трехгранную призму.

В точке В луч преломляется так, что приближается к перпендикуляру, восставленному к грани призмы в точке падения, в точке С он, выходя из призмы, преломляется так, что отдаляется от перпендикуляра, восставленного к грани призмы. В результате луч АВ отклоняется к основанию призмы на угол , величина которого зависит от угла 8 при вершине призмы (преломляющий угол призмы), от показателя преломления п вещества призмы и от углаi₁падения луча на призму. На рис.4(б) показано преломление в призме белого света и разложение его при этом в спектр (дисперсия).

Если угол падения луча на вторую грань призмы будет больше предельного, луч претерпит полное внутреннее отражение и выйдет из призмы через ее третью грань (рис.5). На этом основано устройство поворотной и оборачивающей призм. Обе призмы имеют преломляющий угол 90°, т. е. являются прямоугольными призмами, ход лучей в них понятен из рисунка. Поворотная призма (рис.5, а) изменяет направление хода лучей на 90°. Оборотная призма (рис.5, б) изменяет взаимное расположение лучей, вследствие чего изображение, которое они образуют, поворачивается на 180°.

Рис.5. Изменение хода лучей с помощью трехгранной призмы.

В медицинской практике обычно приходится определять показатели преломления жидкостей. Для этой цели применяется рефрактометр типа РЛ-2. Основу прибора составляют две прямоугольные призмы из стекла с высоким показателем преломления пп, сложенные гипотенузными гранями, между которыми помещается тонкий слой исследуемой жидкости (рис. 6).

Рис.6 Принципиальная схема рефрактометра.

Верхняя призма О осветительная, ее гипотенузная грань матовая. Нижняя призма И — измерительная, у нее матовая часть боковой наружной грани. Определение показателя преломления можно делать как в преломленном, так и в отраженном свете. Последнее применяется при окрашенных и сильно поглощающих свет жидкостях.

Ход лучей в первом случае показан схематически на рис.6, а. Свет (дневной или от электрической лампочки) зеркалом 3 направляется на боковую грань осветительной призмы. Рассеиваясь при выходе через ее матовую грань АБ, свет проходит слой жидкости и входит в измерительную призму по всевозможным направлениям, включая и угол

падения, близкий к 90°. В измерительной призме лучи, преломляясь, проходят только по направлениям, лежащим внутри предельного угла преломления r_пр. Величина этого угла определяется с помощью зрительной трубы Т. Объектив трубы фокусирует параллельные лучи, выходящие из отдельных точек грани ГД призмы И под различными углами. В связи с этим наблюдаемое через окуляр поле зрения трубы разделяется на светлую и темную части, граница между которыми соответствует границе углаr_пр. Если труба установлена так, что эта граница проходит по ее оси, то угол наклона ее равен углу гпр. Угол наклона трубы может быть измерен по соответствующей шкале. Тогда показатель преломления исследуемой жидкости относительно воздуха п находится по формулеn=n₀sinr_np, гдеn₀— показатель преломления стекла призм.

Во втором случае (рис.6, б) свет от зеркала направляется на матовую боковую грань ГЕ измерительной призмы. Рассеиваясь, он входит в призму и падает на ее гипотенузную грань ГД по всевозможным направлениям, включая и угол падения, близкий к 90°. Часть лучей проходит в жидкость и верхнюю призму. Однако лучи, падающие под углом, больше предельного i_npотражаются от грани ГД и по выходе из призмы попадают в зрительную трубу, поле зрения которой также разделяется на светлую и темную части. Устанавливая трубу по границе между ними, определяют уголi_np, а по нему находят искомый показатель преломления: Оптическая система рефрактометра содержит еще две вспомогательные призмы. Одна из них компенсирует дисперсию белого света в призмах О и И., в связи с чем результаты измерения соответствуют желтой линии натрия. Вторая — поворотная призма позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно плоскости расположения призм О и И, что значительно облегчает наблюдение

Волоконная оптика и ее использование в оптических устройствах

Традиционными элементами оптических систем, формирую­щих световой пучок, являются линзы,

зеркала, призмы, плоско­параллельные пластинки и т. п. Начиная с 50-х гг. прошлого сто­летия к этим элементам прибавились волоконно-оптические дета­ли, которые способны передавать свет по каналам, называемым светопроводами.

Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопро­водам.

Этим же термином иногда называют и сами волоконно-оптические детали и приборы.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего от­ражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отра­жается и распространяется вдоль этого волокна (рис. 21.29). Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены погло­щением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—70% энергии.

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкос­ти светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) — световоды. На рис. 21.30 схематически показан световод; из-за хаотического расположения волокон изображение цифры 1 искажено.

В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения

В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдель­ных волокон в световоде, для второго сущест­венно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Примером применения волоконной опти­ки для модернизации существующих меди­цинских аппаратов является эндоскоп — спе­циальный прибор для осмотра внутренних по­лостей (желудок, прямая кишка и др.). Он состоит из двух основных частей: источника света и смотровой части. С использованием волоконной оптики удалось, во-первых, свет от лампочки передавать внутрь органа по световоду, тем самым из­бегая нежелательного нагревания этого органа, которое неизбежно возникало при помещении источника света внутри полости в эндо­скопах прежней конструкции; во-вторых, что самое главное, гиб­кость волоконно-оптических систем допускает осмотр большей час­ти полостей, чем с помощью жестких эндоскопов.

На рис. 21.31 показан волоконный гастроскоп. С его помощью можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики. Именно эти потребнос­ти медицины стимулировали развитие волоконной оптики вообще. С помощью световодов осуществляется передача лазерного излу­чения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опу­холи.

В заключение заметим, что сетчатка глаза человека является высокоорганизованной волоконно-оптической системой, состоящей примерно из 130 • 1,0^е волокон. Это, вероятно, наиболее сложная волоконно-оптическая система, существующая в настоящее время

Рис. 21.29

Рис. 21.30

Рис. 21.31

14

studfiles.net

3. Устройство и принцип работы рефрактометра

3.1. Оптическая схема рефрактометра

В данной работе используется рефрактометр Аббе, действие которого основано на измерении предельного угла преломления. Оптическая схема рефрактометра приведена на рис. 4. Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм — осветительной 3 и измерительной 4, изготовленных из стекла с большим показателем преломления (n = 1.9). Большой показатель преломления измерительной призмы позволяет сохранять условие n_p<n_ст для большого диапазона плотностей измеряемых жидкостей. Шкала прибора проградуирована до значения n_p=1.7. От источника 1 пучок света направляется конденсором 2 на входную грань осветительной призмы. Пройдя осветительную призму 3, свет падает на матовую гипотенузную грань АВ данной призмы, граничащую с тонким слоем исследуемой жидкости. Матовая поверхность имеет неровности, размеры которых составляют несколько длин волн. Свет рассеивается на этих неровностях по всей поверхности и, пройдя через тонкий слой раствора, падает на границу раздела “раствор-стекло” под всевозможными углами падения, т.е. угол падения изменяется в пределах от 0⁰до 90⁰ .

На зеркальной гипотенузной грани CD измерительной призмы 4 свет преломляется (размеры неровностей на этой грани меньше длины волны). Вследствие того, что n_p<n_ст, угол преломления изменяется в пределах от нуля до γ_пр. Под углами γ > γ_пр излучение не наблюдается. Таким образом, при угле преломления, равном γ_пр , возникает граница свет – тень. Величина n_p определяется из соотношения sin γ_пр = n_p/n_ст, где величина n_ст известна.

Ход лучей света при выходе его из измерительной призмы легко учитывается при градуировке прибора т. к. преломление света происходит на границе “стекло-воздух”,причем показатели преломления обеих сред известны. Угол преломления света на этой границе не влияет на точность измеренияn_p.

Благодаря засветке всего слоя раствора граница света и тени наблюдается достаточно резко. Поэтому, настраивая прибор к работе, свет от осветителя нужно направить на призму так, чтобы он равномерно осветил всю поверхность грани АВ рассеивающей призмы. Для определения угла, под которым выходят лучи из измерительной призмы, используется зрительная труба, образованная объективом 6 и окуляром 9, свет в которую поступает через систему призм прямого зрения 5. При этом используется то свойство зрительной трубы, что лучи, идущие к ней параллельно её оси, собираются в заднем фокусе, где помещена прозрачная пластинка 7 с нанесенным на ней перекрестием сетки. Перекрестие точно совпадает с фокусом.

Рис. 4. Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломления методом скользящего луча.

Оптическая схема прибора: 1-источник света, 2-конденсор, 3-осветительная призма, 4-измерительная призма, 5-призма прямого зрения, 6-объектив зрительной трубы, 7-сетка с перекрестием, 8-шкала, 9-окуляр зрительной трубы, 10-поле зрения окуляра.

Призмы прямого зрения и зрительная труба жёстко связаны между собой и могут поворачиваться относительно измерительной призмы. Угол поворота измеряется по неподвижной шкале 8, расположенной в общей фокальной плоскости объектива и окуляра. Шкала проградуирована в значениях показателя преломления исследуемого раствора на основании формулы (6). Осуществляя поворот зрительной трубы, можно установить её ось параллельно лучам, преломившимся на грани CD под предельным углом γ_пр. При этом в поле зрения окуляра будут наблюдаться светлая и тёмная области, граница между которыми будет совпадать с перекрестием. Светлая область образована лучами, преломлёнными на грани CD под углами, меньшими предельного, а тёмная область возникает из-за отсутствия лучей, идущих под углами, большими предельного. Положение границы света и тени, образованной лучами, преломлёнными под предельным углом, укажет на шкале 8 искомую величину показателя преломления раствора.

Источник света 1 не является монохроматическим. Поэтому вследствие дисперсии как исследуемого вещества, так и материала измерительной призмы, (зависимости их показателей преломления от длины волны света), граница света и тени, наблюдаемая в зрительную трубу, оказывается размытой и окрашенной. Для устранения этого эффекта используются призмы прямого зрения 5, образующие дисперсионный компенсатор. Призмы рассчитаны так, чтобы лучи с длиной волны λ_D = 589,3 нм (среднее значение длины волны натрия) не отклонялись при прохождении через них. При повороте одной призмы относительно другой их суммарная дисперсия изменяется, что позволяет скомпенсировать различие в углах выхода лучей с различными длинами волн из измерительной призмы и направить их в зрительную трубу параллельно лучам с длиной волны λ_D. Граница света и тени при этом получается резкой, неокрашенной и даёт значение показателя преломления исследуемого раствора n_D на длине волны λ_D.

studfiles.net

Устройство и принцип действия рефрактометра

Приборы для определения показателя преломления различных веществ называются рефрактометрами.

Прежде чем перейти к описанию прибора, напомним ход лучей через трехгранную призму, которая часто используется при устройстве различных оптических приборов. Пусть на ребро трехгранной призмы падает под углом /’; луч АВ монохроматического света (рис. 4, а).

Рис.4. Прохождение света через трехгранную призму.

В точке В луч преломляется так, что приближается к перпендикуляру, восставленному к грани призмы в точке падения, в точке С он, выходя из призмы, преломляется так, что отдаляется от перпендикуляра, восставленного к грани призмы. В результате луч АВ отклоняется к основанию призмы на угол , величина которого зависит от угла 8 при вершине призмы (преломляющий угол призмы), от показателя преломления п вещества призмы и от углаi₁падения луча на призму. На рис.4(б) показано преломление в призме белого света и разложение его при этом в спектр (дисперсия).

Если угол падения луча на вторую грань призмы будет больше предельного, луч претерпит полное внутреннее отражение и выйдет из призмы через ее третью грань (рис.5). На этом основано устройство поворотной и оборачивающей призм. Обе призмы имеют преломляющий угол 90°, т. е. являются прямоугольными призмами, ход лучей в них понятен из рисунка. Поворотная призма (рис.5, а) изменяет направление хода лучей на 90°. Оборотная призма (рис.5, б) изменяет взаимное расположение лучей, вследствие чего изображение, которое они образуют, поворачивается на 180°.

Рис.5. Изменение хода лучей с помощью трехгранной призмы.

В медицинской практике обычно приходится определять показатели преломления жидкостей. Для этой цели применяется рефрактометр типа РЛ-2. Основу прибора составляют две прямоугольные призмы из стекла с высоким показателем преломления пп, сложенные гипотенузными гранями, между которыми помещается тонкий слой исследуемой жидкости (рис. 6).

Рис.6 Принципиальная схема рефрактометра.

Верхняя призма О осветительная, ее гипотенузная грань матовая. Нижняя призма И — измерительная, у нее матовая часть боковой наружной грани. Определение показателя преломления можно делать как в преломленном, так и в отраженном свете. Последнее применяется при окрашенных и сильно поглощающих свет жидкостях.

Ход лучей в первом случае показан схематически на рис.6, а. Свет (дневной или от электрической лампочки) зеркалом 3 направляется на боковую грань осветительной призмы. Рассеиваясь при выходе через ее матовую грань АБ, свет проходит слой жидкости и входит в измерительную призму по всевозможным направлениям, включая и угол

падения, близкий к 90°. В измерительной призме лучи, преломляясь, проходят только по направлениям, лежащим внутри предельного угла преломления r_пр. Величина этого угла определяется с помощью зрительной трубы Т. Объектив трубы фокусирует параллельные лучи, выходящие из отдельных точек грани ГД призмы И под различными углами. В связи с этим наблюдаемое через окуляр поле зрения трубы разделяется на светлую и темную части, граница между которыми соответствует границе углаr_пр. Если труба установлена так, что эта граница проходит по ее оси, то угол наклона ее равен углу гпр. Угол наклона трубы может быть измерен по соответствующей шкале. Тогда показатель преломления исследуемой жидкости относительно воздуха п находится по формулеn=n₀sinr_np, гдеn₀— показатель преломления стекла призм.

Во втором случае (рис.6, б) свет от зеркала направляется на матовую боковую грань ГЕ измерительной призмы. Рассеиваясь, он входит в призму и падает на ее гипотенузную грань ГД по всевозможным направлениям, включая и угол падения, близкий к 90°. Часть лучей проходит в жидкость и верхнюю призму. Однако лучи, падающие под углом, больше предельного i_npотражаются от грани ГД и по выходе из призмы попадают в зрительную трубу, поле зрения которой также разделяется на светлую и темную части. Устанавливая трубу по границе между ними, определяют уголi_np, а по нему находят искомый показатель преломления: Оптическая система рефрактометра содержит еще две вспомогательные призмы. Одна из них компенсирует дисперсию белого света в призмах О и И., в связи с чем результаты измерения соответствуют желтой линии натрия. Вторая — поворотная призма позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно плоскости расположения призм О и И, что значительно облегчает наблюдение

Волоконная оптика и ее использование в оптических устройствах

Традиционными элементами оптических систем, формирую­щих световой пучок, являются линзы,

зеркала, призмы, плоско­параллельные пластинки и т. п. Начиная с 50-х гг. прошлого сто­летия к этим элементам прибавились волоконно-оптические дета­ли, которые способны передавать свет по каналам, называемым светопроводами.

Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопро­водам.

Этим же термином иногда называют и сами волоконно-оптические детали и приборы.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего от­ражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отра­жается и распространяется вдоль этого волокна (рис. 21.29). Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены погло­щением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—70% энергии.

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкос­ти светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) — световоды. На рис. 21.30 схематически показан световод; из-за хаотического расположения волокон изображение цифры 1 искажено.

В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения

В медицине световоды используют для решения двух задач: пере­дачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдель­ных волокон в световоде, для второго сущест­венно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Примером применения волоконной опти­ки для модернизации существующих меди­цинских аппаратов является эндоскоп — спе­циальный прибор для осмотра внутренних по­лостей (желудок, прямая кишка и др.). Он состоит из двух основных частей: источника света и смотровой части. С использованием волоконной оптики удалось, во-первых, свет от лампочки передавать внутрь органа по световоду, тем самым из­бегая нежелательного нагревания этого органа, которое неизбежно возникало при помещении источника света внутри полости в эндо­скопах прежней конструкции; во-вторых, что самое главное, гиб­кость волоконно-оптических систем допускает осмотр большей час­ти полостей, чем с помощью жестких эндоскопов.

На рис. 21.31 показан волоконный гастроскоп. С его помощью можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики. Именно эти потребнос­ти медицины стимулировали развитие волоконной оптики вообще. С помощью световодов осуществляется передача лазерного излу­чения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опу­холи.

В заключение заметим, что сетчатка глаза человека является высокоорганизованной волоконно-оптической системой, состоящей примерно из 130 • 1,0^е волокон. Это, вероятно, наиболее сложная волоконно-оптическая система, существующая в настоящее время

Рис. 21.29

Рис. 21.30

Рис. 21.31

14

studfiles.net

3. Устройство и принцип работы рефрактометра

3.1. Оптическая схема рефрактометра

В данной работе используется рефрактометр Аббе, действие которого основано на измерении предельного угла преломления. Оптическая схема рефрактометра приведена на рис. 4. Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм — осветительной 3 и измерительной 4, изготовленных из стекла с большим показателем преломления (n = 1.9). Большой показатель преломления измерительной призмы позволяет сохранять условие n_p<n_ст для большого диапазона плотностей измеряемых жидкостей. Шкала прибора проградуирована до значения n_p=1.7. От источника 1 пучок света направляется конденсором 2 на входную грань осветительной призмы. Пройдя осветительную призму 3, свет падает на матовую гипотенузную грань АВ данной призмы, граничащую с тонким слоем исследуемой жидкости. Матовая поверхность имеет неровности, размеры которых составляют несколько длин волн. Свет рассеивается на этих неровностях по всей поверхности и, пройдя через тонкий слой раствора, падает на границу раздела “раствор-стекло” под всевозможными углами падения, т.е. угол падения изменяется в пределах от 0⁰до 90⁰ .

На зеркальной гипотенузной грани CD измерительной призмы 4 свет преломляется (размеры неровностей на этой грани меньше длины волны). Вследствие того, что n_p<n_ст, угол преломления изменяется в пределах от нуля до γ_пр. Под углами γ > γ_пр излучение не наблюдается. Таким образом, при угле преломления, равном γ_пр , возникает граница свет – тень. Величина n_p определяется из соотношения sin γ_пр = n_p/n_ст, где величина n_ст известна.

Ход лучей света при выходе его из измерительной призмы легко учитывается при градуировке прибора т. к. преломление света происходит на границе “стекло-воздух”,причем показатели преломления обеих сред известны. Угол преломления света на этой границе не влияет на точность измеренияn_p.

Благодаря засветке всего слоя раствора граница света и тени наблюдается достаточно резко. Поэтому, настраивая прибор к работе, свет от осветителя нужно направить на призму так, чтобы он равномерно осветил всю поверхность грани АВ рассеивающей призмы. Для определения угла, под которым выходят лучи из измерительной призмы, используется зрительная труба, образованная объективом 6 и окуляром 9, свет в которую поступает через систему призм прямого зрения 5. При этом используется то свойство зрительной трубы, что лучи, идущие к ней параллельно её оси, собираются в заднем фокусе, где помещена прозрачная пластинка 7 с нанесенным на ней перекрестием сетки. Перекрестие точно совпадает с фокусом.

Рис. 4.Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломления методом скользящего луча.

Оптическая схема прибора: 1-источник света, 2-конденсор, 3-осветительная призма, 4-измерительная призма, 5-призма прямого зрения, 6-объектив зрительной трубы, 7-сетка с перекрестием, 8-шкала, 9-окуляр зрительной трубы.

Призмы прямого зрения и зрительная труба жёстко связаны между собой и могут поворачиваться относительно измерительной призмы. Угол поворота измеряется по неподвижной шкале 8, расположенной в общей фокальной плоскости объектива и окуляра. Шкала проградуирована в значениях показателя преломления исследуемого раствора на основании формулы (6). Осуществляя поворот зрительной трубы, можно установить её ось параллельно лучам, преломившимся на грани CD под предельным углом γ_пр. При этом в поле зрения окуляра будут наблюдаться светлая и тёмная области, граница между которыми будет совпадать с перекрестием. Светлая область образована лучами, преломлёнными на грани CD под углами, меньшими предельного, а тёмная область возникает из-за отсутствия лучей, идущих под углами, большими предельного. Положение границы света и тени, образованной лучами, преломлёнными под предельным углом, укажет на шкале 8 искомую величину показателя преломления раствора.

Источник света 1 не является монохроматическим. Поэтому вследствие дисперсии как исследуемого вещества, так и материала измерительной призмы, (зависимости их показателей преломления от длины волны света), граница света и тени, наблюдаемая в зрительную трубу, оказывается размытой и окрашенной. Для устранения этого эффекта используются призмы прямого зрения 5, образующие дисперсионный компенсатор. Призмы рассчитаны так, чтобы лучи с длиной волны λ_D = 589,3 нм (среднее значение длины волны натрия) не отклонялись при прохождении через них. При повороте одной призмы относительно другой их суммарная дисперсия изменяется, что позволяет скомпенсировать различие в углах выхода лучей с различными длинами волн из измерительной призмы и направить их в зрительную трубу параллельно лучам с длиной волны λ_D. Граница света и тени при этом получается резкой, неокрашенной и даёт значение показателя преломления исследуемого раствора n_D на длине волны λ_D.

studfiles.net