Измерительные преобразования в полях оптических излучений

Эти измерительные преобразования основаны на зависимости параметров потока оптического излучения от параметров источника излучения и среды распространения.

Физическая природа оптического излучения. Основные характеристики оптического излучения

Оптическое или световое излучение представляет собой электромагнитные волны, длина которых лежит в диапазоне 10 ³… 10' мкм (рис. 9.1). Диапазон радиоволн частично перекрывает оптический в интервале длин волн 50… 10³ мкм, а диапазон ионизирующих излучений — в интервале длин волн КГ³… 10 ² мкм.

В оптическом диапазоне различают три поддиапазона: инфракрасная (0,78… 10³ мкм), видимая (0,38…0,78 мкм) и ультрафиолетовая (10 '…0,38 мкм) области спектра. Границы областей определяются способностью человеческого глаза воспринимать электромагнитное излучение. Электромагнитные волны только видимой области спектра дают зрительное и цветовое ощущение. Инфракрасное излучение дает тепловое ощущение.

Электромагнитные волны оптического диапазона, как и любые электромагнитные волны, являются волнами поперечными и характеризуются взаимно перпендикулярными векторами Е и Н напряженностей электрического и магнитного полей, которые изменяются синхронно в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волн. Скорость распространения света в вакууме — фундаментальная физическая константа . Среда, отличающаяся от вакуума по электромагнитным свойствам, уменьшает скорость распространения световой волны, а отношение скоростей электромагнитной волны в вакууме и в среде п = с/v называется показателем преломления.

Возникновение оптического излучения связано с движением электрически заряженных частиц (электронов, атомов, ионов, молекул), а также с дискретными переходами носителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии. Энергетическими источниками оптического излучения являются тепловые, электрические, световые, радиационные и другие воздействия.

Рис. 9.1. Шкала электромагнитных волн и основные источники

их возбуждения

Оптическое излучение, имея волновую природу, обладает всеми свойствами ранее рассмотренных волн: поляризации, интерференции, дифракции, отражения, преломления и другими. В то же время ряд оптических явлений невозможно объяснить, нс привлекая представления об оптическом излучении как о потоке быстрых частиц-фотонов. Эта двойственность природы оптического излучения сближает его с объектами микромира и находит объяснение в квантовой механике.

Для описания оптических явлений применяют три системы величин: энергетическую, световую (фотометрическую) и квантовую. В квантовой системе свет рассматривается как поток частиц-квантов, энергия которых составляет w_K = hf, где h = 6,6256−10 '⁴ Дж-с — постоянная Планка, /- частота электромагнитных колебаний. Кванты видимого света обладают энергией 2…5 эВ.

Световые величины используются для оценки излучения по производимому им световому ощущению, т. е. по реакции человеческого глаза.

Взаимодействие оптического излучения со средой и объектами преобразования наиболее полно описывается энергетической системой величин, характеризующей излучение во всем его спектре, а нс только в диапазоне, воспринимаемом таким несовершенным приемником, как человеческий глаз. Поэтому далее более подробно рассмотрим основные величины этой системы.

Основной величиной энергетической системы световых величин является поток излучения q (Вт) — энергия электромагнитного излучения оптического диапазона, проходящая через площадь S в единицу времени.

Характеристиками равномерности распределения потока оптического излучения в пространстве служат величины: освещенность G (Вт/м‘), светимость R (Вт/м²) и сила света / (Вт/ср).

Освещенность в точке поверхности (поверхностная плотность светового потока) — отношение светового потока, падающего на малый элемент поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого элемента:

Сила света — отношение потока излучения, распространяющегося внутри малого телесного угла, который содержит данное направление, к этому телесному углу:

Понятие силы света используется главным образом для характеристики точечного источника света либо удаленного на расстояние, значительно превышающее его размеры. В иных случаях используется другая характеристика источника — светимость.

Светимость — величина светового потока, испускаемого единицей поверхности:

Для характеристики распределения энергии оптического излучения в зависимости от длины волны используется величина спектральная плотность потока оптического излучения р (Вт/м).

Спектральная плотность потока оптического излучения — отношение потока оптического излучения, взятого в малом интервале длин волн, содержащем данную длину волны, к ширине этого интервала:

График зависимости р (Х) характеризует распределение спектральной плотности потока по спектру.

Величины световой системы, как отмечено ранее, учитывают избирательность восприятия оптического излучения человеческим глазом. Человеческий глаз не одинаково чувствителен к излучению различных длин волн даже в диапазоне видимого спектра. Основной величиной световой системы, так же как и энергетической, является поток излучения Ф, называемый в этом случае световым потоком. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). Связь между энергетическим потоком оптического излучения и световым устанавливается соотношением:

где 6Ф и dq — световой и энергетический потоки в узком диапазоне длин волн dX; K (k) — спектральная световая эффективность глаза.

Спектральная световая эффективность (устаревшее «видность») излучения — характеристика частотной избирательности глаза, единицей измерения которой является лм/Вт.

Максимальное значение спектральной световой эффективности глаза К_т = 683 лм/Вт соответствует длине волны X = 0,555 мкм (воспринимается человеческим глазом как зеленый цвет). Для других длин волн диапазона видимого спектра излучения спектральная световая эффективность имеет меньшее значение, K (k) = V (k)K_m. Здесь V (X) = 0…1 — относительная спектральная световая эффективность глаза (относительная видность). На рис. 9.2 показана зависимость относительной видное™ от длины волны (кривая видности).

При известном спектральном распределении энергетического потока излучения световой поток находится по формуле.

Рис. 9.2. Кривая видности глаза

Остальные характеристики оптического излучения в световой системе величин связаны со световым потоком теми же соотношениями, что и в энергетической системе. Единицей измерения силы света в этой системе является одна из семи основных единиц системы СИ кандела (кд), равная силе света в заданном направлении источника, испускающего излучение частотой 540−10¹' Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Оптическое излучение складывается из элементарных актов излучения атомами и молекулами при определенных энергетических воздействиях отдельных порций (цугов) электромагнитных волн. Каждый атом или молекула излучают цуг волн в течение промежутка времени порядка 10 ^s с. Протяженность цуга имеет порядок 10⁷ длин волн. Спонтанно излучаемые цуги в общем случае могут иметь произвольные начальные фазы колебаний, различные частоты колебаний, различные направления колебаний вектора напряженности электрического поля Е . При времени наблюдения значительно превышающем время излучения цуга электромагнитное излучение является суперпозицией волн отдельных цугов. Согласованность колебаний отдельных цугов определяет монохроматичность, когерентность и поляризованность оптического излучения.

Монохроматичным называется излучение, для которого вектор Е колеблется с одной и той же частотой /₀. Степень монохроматичности характеризуется шириной оптической спектральной линии Дf определяемой с использованием графика распределения спектральной плотности потока по спектру p (f) по уровню 0,5 от максимального значения функции распределения /_тах (рис. 9.3). Наиболее близко к монохроматичному излучение лазера.

Рис. 9.3. Определение ширины оптической спектральной линии по графику распределения спектральной плотности потока излучения

Когерентными называются колебания, разность фаз между которыми постоянна. Такими колебаниями являются, в частности, колебания, полученные разделением пучка света от монохроматичного источника на два пучка в случае неизменной разности длины путей разделенных пучков до точки наблюдения.

Поляризованность света определяется ориентацией вектора Е в пространстве по мере распространения волны. По аналогии с радиоволнами (разд. 6.2) световые волны различаются на неполяризованные (естественные), линейно поляризованные, эллиптически поляризованные и с круговой (циркулярной) поляризацией. Свет большинства источников является естественным или частично поляризованным. Изменение поляризации света происходит при его прохождении через оптически анизотропные среды, а также при отражении и преломлении на границе сред с различными оптическими свойствами.