Изучение видов, свойств и источников оптического излучения

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ВВЕДЕНИЕ

Первое знакомство человека с оптическим излучением произошло с помощью глаза. Именно для видимого света были установлены сначала основные свойства излучения, величины, количественно оценивающие излучение, и единицы измерения этих величин. Сравнительно недавно (в XIX в.) было обнаружено излучение в областях спектра, смежных с видимой. Затем путем обобщения системы световых величин и единиц была создана система величин и единиц для измерения оптического излучения.

В науке и технике широко используется узконаправленное световое излучение. Оптическое излучение, свет в широком смысле слова, электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 1 нм до 1 мм. К оптическому излучению, помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения, относятся инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Параллельный термину «Оптическое излучение» термин «свет» исторически имеет менее определенные спектральные границы — часто им обозначают не все оптическое излучение, а лишь его видимый поддиапазон. Для оптических методов исследования характерно формирование направленных потоков излучения с помощью оптических систем, включающих линзы, зеркала, призмы оптические, дифракционные решётки и т. д.

Волновые свойства оптического излучение обусловливают явления дифракции света, интерференции света, поляризации света и др. В то же время ряд оптических явлений невозможно понять, не привлекая представления об оптическом излучении как о потоке быстрых частиц — фотонов.

Световой пучок -- оптическое излучение, распространяющееся по направлению от (или по направлению к) некоторой ограниченной области пространства, называемой центром (вершиной, фокусом) светового пучка. Пучок называют расходящимся, когда излучение распространяется от его центра и сходящимся, когда свет идет к центру.

Световой пучок в ряде физических явлений может расщепляться на конечное или бесконечное число других пучков. Например, при отражении от границы раздела двух прозрачных сред, пучок (луч) расщепляется на отраженный и преломленный в определенном соотношении.

Световой луч -- это пучок, который можно считать распространяющимся вдоль какой-нибудь линии, называемой траекторией светового луча, причем разным траекториям лучей соответствуют разные световые лучи. Будучи предельным случаем пучка, луч теряет некоторые его свойства. Луч не имеет центра, не может быть сходящимся или расходящимся, действительным или мнимым. Световой луч не может состоять из чего-либо; это первичный, не разложимый на более простые элементы объект.

Целью курсовой работы является изучение физических свойств различных типов традиционных и лазерных световых пучков и их применение.

1

1. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Оптической частью спектра электромагнитных излучений называют диапазон, состоящий из видимой области и примыкающих к ней ультрафиолетовой и инфракрасной областей. Место оптического диапазона на шкале длин волн электромагнитного излучения представлено на рисунке 1.1. Следует иметь в виду, что границы между областями, носящими различные названия, условны. Названия даны по способу возбуждения излучения, а излучение одних и тех же длин волн, лежащих вблизи границы между двумя областями, может в ряде случаев быть возбуждено как одним, так и другим способом. Это обстоятельство учтено на рисунке 1.1 частичным перекрытием разных областей спектра.

г ОД

РИ Р

УФ В ИК

1

Рисунок 1.1 — Спектр электромагнитных излучений:

г — г — излучение; РИ — рентгеновское излучение; ОД — оптический диапазон; УФ — ультрафиолетовое излучение; В — видимое излучение; ИК — инфракрасное излучение; Р — радиоволны.

Оптическое излучение создается колебаниями зарядов в атомах и молекулах. К нему примыкает с коротковолновой стороны рентгеновское излучение, возникающее при торможении быстрых электронов, с длинноволновой — излучение, получаемое радиотехническими способами.

Условными являются и границы между видимой областью и ультрафиолетовым и инфракрасным излучением. Эти границы определяются кривой спектральной чувствительности среднего человеческого глаза. Характер этой кривой таков, что чувствительность падает постепенно по мере приближения к ультрафиолетовой и инфракрасной областям, причем предельные длины волн указать даже для среднего глаза вряд ли возможно.

В настоящее время для границ оптического излучения приняты следующие значения длин волн: 1 нм и 1 мм. Коротковолновая (фиолетовая) граница видимого излучения принимается лежащей между 380 и 400 нм, длинноволновая (красная) — между 760 и 780 нм.

Кроме длины волны л, которой обычно пользуются в технике и экспериментальной физике, излучение можно характеризовать и другими величинами. В теоретической физике предпочитают применять частоту н — число колебаний в единицу времени:

, (1. 1)

где с — скорость света.

В инфракрасной спектроскопии пользуются волновым числом, т. е. числом длин волн, укладывающихся в единице длины:

(1. 2)

Следует отметить, что частота является более универсальной характеристикой, так как длина волны меняется в оптических средах вследствие изменения скорости света, тогда как частота остается постоянной. Когда нет специальных оговорок, подразумевается длина волны в вакууме или мало от нее отличающаяся длина волны в воздухе.

Длина волны оптического излучения измеряется в миллиметрах (мм), микрометрах или микронах (мкм), нанометрах (нм), ангстремах (1). Единицей измерения частоты во всех системах служит герц (Гц, 1 Гц = 1).

Оптический диапазон в указанных выше пределах охватывает частоты от Гц (л = 1 мм) до Гц (л = 1 нм). На видимую его часть приходится интервал от до Гц.

Волновые числа указывают обычно в обратных сантиметрах (); инфракрасный диапазон соответствует примерно интервалу от 10 до.

1.1 Видимое излучение

Видимое излучение -- электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом. Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

В спектре содержатся не все цвета, которые различает человеческий мозг. Таких оттенков, как розовый или маджента, нет в спектре видимого излучения, они образуются от смешения других цветов.

Видимое излучение также попадает в «оптическое окно», область спектра электромагнитного излучения, практически не поглощаемая земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым.

Таблица 1.1 — Характеристики границ видимого излучения

Длина волны, нм

740

380

Энергия фотонов, Дж

2,61·

4,97·

Энергия фотонов, эВ

1,6

3,1

Частота, Гц

3,94·

7,49·

Волновое число, см?1

1,32·

2,50·

Рисунок 1. 2

Спектр видимого излучения:

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице 1. 2:

Таблица 1.2 — основные спектральные цвета и характеристики излучения

Цвет

Диапазон длин волн, нм

Диапазон частот, ТГц

Диапазон энергии фотонов, эВ

Фиолетовый

380--440

790--680

2,82--3,26

Синий

440--485

680--620

2,56--2,82

Голубой

485--500

620--600

2,48--2,56

Зелёный

500--565

600--530

2,19--2,48

Жёлтый

565--590

530--510

2,10--2,19

Оранжевый

590--625

510--480

1,98--2,10

Красный

625--740

480--400

1,68--1,98

Рисунок 1. 3

1.2 Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и коротковолновым радиоизлучением. Верхняя граница инфракрасного излучения определяется чувствительностью человеческого глаза к видимому излучению, а нижняя — условна, т. к. ИК-диапазон перекрывается радиодиапазоном длин волн. ИК-область спектра обычно делят на ближнюю (0,76−2,5 мкм), среднюю (2,5−50 мкм) и далёкую (50−2000 мкм). Инфракрасное излучение подчиняется всем законам оптики и относится к оптическому излучению. Оно не видимо глазом, но создаёт ощущение тепла и поэтому часто называется тепловым. Спектр инфракрасного излучения может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от испускающего его источника.

ИК — спектры испускают возбуждённые атомы или ионы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии. Полосатые И К — спектры наблюдаются в спектрах испускания возбуждённых молекул, возникающих при переходах между колебательным и вращательным уровнями энергии. Колебательные и колебательно — вращательные спектры расположены главным образом в средней, а чисто вращательные — в далёкой ИК — области. Непрерывный ИК-спектр излучают нагретые твёрдые и жидкие тела. Инфракрасное излучение нагретого твёрдого тела зависит от его температуры. При температурах ниже 500 К излучение почти целиком расположено в ИК — области (тело кажется тёмным). Однако полная энергия излучения при таких температурах мала. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, тело становится тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при температурах выше 5000 К белым. Строгая зависимость энергии излучения нагретых тел от температуры существует только для абсолютно чёрного тела. Тепловое излучение всех диапазонов длин волн реальных тел меньше, чем излучение абсолютно чёрного тела той же температуры, и может носить селективный характер.

1.2.1 Источники инфракрасного излучения

Наиболее распространённые источники инфракрасного излучения — лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью до 1 кВт, 70−80% излучаемой энергии которых приходится на ИК — диапазон (они используются, напр., для сушки и нагрева), а также угольная электрическая дуга, газоразрядные лампы, электрические спирали из нихромовой проволоки. Для И К — фотографии и в некоторых ИК — приборах (напр., приборах ночного видения) для выделения инфракрасного излучения применяют ИК — светофильтры. В научных исследованиях (напр., в инфракрасной спектроскопии) применяют различные специальные источники инфракрасного излучения в зависимости от области спектра. Источниками инфракрасного излучения являются некоторые ИК — лазеры. Многие И К — лазеры могут работать в режиме перестраиваемой частоты излучения.

1.2.2 Методы обнаружения и измерения

Методы обнаружения и измерения инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии инфракрасного излучения в другие виды энергии, методы регистрации которых хорошо разработаны. В тепловых приёмниках поглощённое инфракрасное излучение вызывает повышение температуры термочувствительности элемента, которое тем или иным способом регистрируется. Тепловые приёмники могут работать практически во всей области инфракрасного излучения. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое инфракрасное излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Такие приёмники в отличие от тепловых селективны, т. е. чувствительны лишь в определенной ИК — области спектра. Многие фотоэлектрические приёмники инфракрасного излучения особенно для средней и далёкой ИК — области спектра работают лишь в охлаждённом состоянии. В качестве приёмников инфракрасного излучения также используются приборы, основанные на усилении или тушении люминесценции, под действием инфракрасного излучения. Существуют также специальные приборы, которые позволяют путём регистрации собственного теплового инфракрасного излучения получить распределение температуры по поверхности объекта, т. е. его тепловое (или температурное) изображение. Это так называемое тепловое изображение можно преобразовать в видимое изображение, в котором яркость видимого изображения в отдельных точках пропорциональна температуре соответствующих точек объекта. Изображение, полученное в этих приборах, не является ИК-изображением в обычном смысле, т. к. даёт лишь картину распределения температуры на поверхности объекта. Приборы визуализации инфракрасного излучения делятся на несканирующие и сканирующие. В первых инфракрасное излучение регистрируется непосредственно на фотоплёнке или люминесцентном экране, а также на экране с помощью электроннооптических преобразователей (ЭОП). К сканирующим приборам относятся тепловизоры или термографы с оптико-механическим сканированием объекта. Эвапорографы и тепловизоры могут быть использованы в средней ИК — области, и потому они позволяют получать тепловое изображение низкотемпературных тел.

1.2.3 Оптические свойства

Оптические свойства веществ в ИК — области спектра (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления), как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и УФ — областях спектра. Многие вещества прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения, и наоборот.

Поглощение инфракрасного излучения для большинства веществ в тонких слоях носит селективный характер в виде относительно узких областей — полос поглощения. Некоторые вещества даже при толщине до нескольких см прозрачны в достаточно больших определённых диапазонах ИК — спектра.

1.2.4 Применение ИК-излучения

Инфракрасное излучение находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения веществ в ИК-области является дополнением к исследованиям в видимой и УФ-областях и используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, определения структуры молекул. Широкое применение для изучения структуры атомов и молекул элементного состава вещества нашли ИК — лазеры. Благодаря особенностям взаимодействия инфракрасного излучения с веществом ИК-фотография имеет ряд преимуществ перед фотографией в видимом излучении. Так, в результате меньшего ослабления инфракрасного излучения вследствие рассеяния при прохождении через дымку и небольшой туман и при использовании инфраплёнок и ИК — светофильтров удаётся получить ИК — фотографии предметов, удалённых на расстояние в сотни км. В промышленности инфракрасное излучение используется для сушки различных материалов и изделий. На основе электронно — оптических преобразователей, чувствительных к инфракрасному излучению, созданы различного рода приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.). Эвапорографы и тепловизоры применяются в промышленности для обнаружения перегретых участков машин или электронных приборов, для получения температурных карт местности и т. д. ИК — локаторы и дальномеры позволяют обнаружить в темноте любые объекты и измерять расстояния до них. ИК — лазеры используются также для наземной и космической связи.

1.3 Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение — не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн от 400 до 10 нм. Область ультрафиолетового излучения условно делится на ближнюю и далёкую, или вакуумную области; последнее название связано с тем, что ультрафиолетовое излучение этого диапазона сильно поглощается воздухом и его исследование возможно только в вакууме. Спектр ультрафиолетового излучения может быть линейчатым, непрерывным или состоять из полос.

1.3.1 Источники ультрафиолетового излучения

Излучение накалённых до температур ~3000 К твёрдых тел содержит заметную долю ультрафиолетового излучения непрерывного спектра, интенсивность которого растёт с увеличением температуры. Более мощный источник ультрафиолетового излучения — газоразрядная и высокотемпературная плазма. Для различных применений ультрафиолетового излучения используют ртутные, ксеноновые и другие газоразрядные лампы, окна которых (либо целиком колбы) изготовляют из прозрачных для ультрафиолетового излучения материалов (чаще из кварца). Естеств. источники ультрафиолетового излучения — Солнце, звёзды, туманности и другие космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть их излучения достигает земной поверхности. Более коротковолновое излучение поглощается озоном, кислородом и другими компонентами атмосферы на высоте 30−200 км, что играет большую роль в атмосферных процессах.

1.3.2 Оптические свойства ультрафиолетового излучения

При взаимодействии ультрафиолетового излучения с веществом могут происходить ионизация его атомов и фотоэффект. Оптические свойства веществ в УФ — области спектра значительно отличаются от их оптических свойств в видимой и ИК — областях. Характерной чертой для УФ — излучения является уменьшение прозрачности (увеличение коэффициента поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области. Коэффициент отражения всех материалов в УФ — области убывает с уменьшением л.

В оптике ультрафиолетовое излучение применяют многие элементы рентгеновской оптики.

1.3.3 Применение ультрафиолетового излучения

Изучение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ — области позволяет определять электронную структуру атомов, молекул, ионов, твёрдых тел. УФ — спектры Солнца, звёзд, туманностей несут информацию о физических процессах, происходящих в горячих областях этих космических объектов. На фотоэффекте, вызываемом ультрафиолетовым излучением, основана фотоэлектронная спектроскопия. Ультрафиолетовое излучение может нарушать химические связи в молекулах, в результате чего могут возникать различные фотохимические реакции. Люминесценция под действием ультрафиолетового излучения используется для создания люминесцентных ламп, светящихся красок, в люминесцентном анализе, дефектоскопии. Ультрафиолетовое излучение применяется в криминалистике и искусствоведении.

2

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Свойства излучения, проявляющиеся в его взаимодействии с веществом, меняются в зависимости от длины волны. Человеческий глаз, как известно, устроен так, что изменение длины волны в пределах видимой области воспринимается как изменение цветности излучения. Вообще же при рассмотрении взаимодействия излучения с веществом можно прийти к следующим общим выводам. Излучение с любой длиной волны при его поглощении веществом может перейти в тепло. Однако для коротковолнового излучения (например, ультрафиолетового) велика вероятность того, что его энергия частично или полностью не перейдет в тепло, а вызовет фотоэффект, произведет фотохимическое действие, возбудит люминесценцию.

Чем больше длина волны, тем реже наблюдаются такие эффекты. Длинноволновое инфракрасное излучение удается наблюдать, как правило, лишь по его тепловому действию. Это обстоятельство легко объясняется квантовой природой излучения. Как известно, энергия кванта или фотона прямо пропорциональна частоте или обратно пропорциональна длине волны:

, (2. 1)

где h — постоянная Планка.

Энергия коротковолнового фотона может оказаться достаточной для того, чтобы в результате элементарного акта поглощения освободить электрон, возбудить атом, вызвать перестройку или диссоциацию молекул. Кванты длинноволнового излучения слишком малы для этого.

Среди других свойств различных областей оптического диапазона полезно иметь в виду также, что ультрафиолетовое излучение подавляющим большинством веществ сильно поглощается. Прозрачные (мало поглощающие) вещества легче всего найти для видимой и близкой инфракрасной областей спектра.

Рассматривая взаимодействие излучения с веществом, энергию фотона часто выражают в электрон — вольтах, т. е. приравнивают энергию фотона энергии заряда е, ускоренного разностью потенциалов U:

(2. 2)

Если подставить в это выражение значения постоянных, то получится, что энергия фотона в электрон — вольтах (эВ)

, (2. 3)

где н — в Гц, а л — в мкм.

Длинам волн 0,38 и 0,76 мкм (границы видимого спектра) соответствуют энергии фотонов 3,26 и 1,63 эВ.

Существует большое число различных источников оптического излучения, создающих излучение разного спектрального состава. Излучение, характеризуемое одной длиной волны (или частотой), называется монохроматическим излучением. Излучение, состоящее из нескольких или многих монохроматических излучений, называется сложным. Спектр сложного излучения может содержать как несколько отдельных длин волн, так и непрерывную последовательность меняющихся длин волн. В первом случае говорят о линейчатом спектре, во втором — о сплошном.

Диапазон длин волн, охватываемый сплошным спектром, может быть малым или большим, в частности, он может простираться от нуля до бесконечности (например, спектр теплового излучения).

Строго монохроматического излучения в природе не существует — это абстракция. Идеально монохроматической была бы волна, математически представляемая синусоидой, у которой не только частота, но также амплитуда и фаза не зависят от времени. Иначе говоря, она должна была бы длиться бесконечно долго. Однако любой элементарный акт излучения имеет начало и конец, т. е. по крайней мере его амплитуда не остается неизменной.

Излученная серия волн (даже при постоянных в пределах серии амплитуде и частоте) может быть путем преобразования Фурье разложена на некоторый интервал частот, причем этот интервал тем шире, чем короче время излучения.

В источниках, создающих излучение, имеющее линейчатый спектр, существуют и другие причины, приводящие к расширению спектральных линий. Поэтому, когда говорят о реальном излучении, под монохроматической радиацией подразумевают излучение, которое содержит достаточно узкий интервал длин волн, чтобы его можно было охарактеризовать указанием одной длины волны. На практике такое приближение почти всегда достаточно.

Первое знакомство человека с оптическим излучением произошло с помощью глаза. Именно для видимого света были установлены сначала основные свойства излучения, величины, количественно оценивающие излучение, и единицы измерения этих величин. Сравнительно недавно (в XIX в.) было обнаружено излучение в областях спектра, смежных с видимой. Затем путем обобщения системы световых величин и единиц была создана система величин и единиц для измерения оптического излучения.

Эти две системы удобно рассматривать параллельно. Однако для описания системы световых величин необходимо ввести понятие об относительной спектральной чувствительности человеческого глаза. Свет, по определению, это излучение, оцениваемое по его действию на средний глаз.

Как уже говорилось, чувствительность глаза даже в пределах видимой области спектра непостоянна — для получения одинаковых по силе зрительных ощущений необходимы различные интенсивности излучения в зависимости от длины волны. Понятно, что чувствительность можно оценивать величинами, обратно пропорциональными количествам излучения, необходимым для получения одинаковых по силе ощущений.

Измерение световых величин в свое время получило название фотометрии. Затем этим же термином стали называть измерение величин, оценивающих оптическое излучение в единицах, принятых в физике для оценки энергии. Когда нужно различать измерение световых и энергетических величин во втором случае используют термины энергетическая фотометрия или радиометрия.

3. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Источником оптического излучения называют устройство, преобразующее любой вид энергии в энергию электромагнитных излучений оптического диапазона спектра. В светотехнике за источник излучения принимают не только те тела, которые являются самосветящимися, но также и тела, отражающие или пропускающие свет. Самосветящиеся тела называются первичными источниками, источники отраженного или проходящего излучения — вторичными.

Классификация источников излучения может осуществляться по различным признакам, например:

— по размеру источников излучения;

— по характеру распределения силы излучения в пространстве (по форме фотометрического тела);

— по спектральному распределению потока излучения (световому потоку);

— по времени действия излучения;

— по цветовой температуре.

Источники делятся на искусственные и естественные.

Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным предназначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света.

Естественные источники света — это природные материальные объекты и явления, основным или вторичным свойством которых является способность испускать видимый свет. В отличие от естественных источников света, искусственные источники света являются продуктом производства человека или других разумных существ. К естественным или природным источникам света, прежде всего, относят: Солнце, Луну, планеты, кометы, полярные сияния, атмосферные электрические разряды, биолюминесценцию живых организмов, свет звезд и иных космических объектов, свечение окисляющихся органических продуктов и минералов, и прочее. Естественные источники света играют первостепенную роль в существовании жизни на земле и других планетах, и оказывают значительное воздействие на окружающую среду.

Все параметры источников излучения можно разбить на две группы: технические и эксплуатационные. Технические параметры — это те, которые характеризуют сам источник света безотносительно к условиям его применения. К техническим относятся все электрические, световые и механические параметры ламп.

Точечный источник света — источник, излучающий свет по всем направлениям равномерно и размерами которого по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие, можно пренебречь. Точечный источник — такая же идеализация, как «луч» — и то и другое не существует в природе. Свет точечного источника отражается от идеального рассеивателя по закону косинусов Ламберта: интенсивность отраженного света пропорциональна косинусу угла между направлением света и нормалью к поверхности.

B зависимости от соотношения размеров излучателя и расстояния его до исследуемой точки фотоприемника источники излучения можно условно разделить на две группы:

— точечные источники излучения;

— источники конечных размеров (линейные источники излучения).

Источник излучения, у которого размеры значительно меньше расстояния до исследуемой точки, называют точечным. Зa точечный источник принимают такой, максимальный размер которого не менее чем в 10 раз меньше расстояния до приемника излучения ® (рисунок 3. 1). Для таких источников излучения соблюдается закон обратных квадратов, согласно которому освещенность поверхности прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния между излучателем и облучаемой поверхностью.

Рисунок 3.1 — Точечный источник

излучение оптический лазерный световой

К группе излучателей конечных размеров относят те излучатели, у которых относительные размеры по всем направлениям больше размеров точечного излучателя. По мере удаления от исследуемой точки относительные размеры такого излучателя могут достигнуть такого значения, при котором данный излучатель можно будет принять за точечный.

По характеру распределения силы излучения (света) точечные источники можно разделить на симметричные и несимметричные.

Такое деление обусловлено различной формой фотометрического тела. Под фотометрическим телом излучателя понимают распределение силы излучения (света) в пространстве. Симметричные источники излучения имеют одинаковые значения потока излучения или светового потока по всем направлениям, составляющим одинаковые углы с осью симметрии излучателя. Симметричный излучатель представляет собой фотометрическое тело в виде тела вращения вокруг своей оси (рисунок 3. 2). Для такого источника все значения силы излучения (света) под любым углом б к оси симметрии источника будут одинаковы.

Рисунок 3.2 — Модель симметричного излучателя

Этo позволяет пространственное распределение силы света выразить в виде графических кривых. Такие кривые строят в полярной или прямоугольной системе координат для вертикального или горизонтального сечения фотометрического тела (рисунок 3. 3). Прямоугольную систему координат применяют для источников с распределением потоков излучения в пределах небольшого угла, например у прожекторов.

Рисунок 3.3 — «Поперечная кривая» распределения силы света симметричного источника

При сечении симметричного фотометрического тела вертикальной плоскостью по оси симметрии получают так называемую «продольную кривую» распределения силы света. Так как она симметрична, то ее строят обычно в пределах от 0 до 180°.

Сечение симметричного фотометрического тела горизонтальной плоскостью, проходящей перпендикулярно оси симметрии через центр источника, позволяет получить «поперечную кривую» распределения силы света.

Несимметричные излучатели не обладают симметрией распределения сил света, относительно оси вследствие чего их фотометрическое тело отличается от тела вращения и значения силы света неодинаковы для различных продольных плоскостей. В связи с этим строят семейство продольных кривых силы излучения, соответствующих различным направлениям в пространстве. Строят графическое распределение силы света в виде семейства кривых в полярной системе координат (рисунок 3. 4).

Рисунок 3.4 — «Продольные кривые» распределения силы света несимметричного источника

Источники с различным спектральным распределением энергии.

По спектральному распределению в светотехнике различают три основных вида источников излучения: тепловые, газоразрядные и лазерные. Последние основаны на явлении индуцированной (вынужденной) люминесценции.

Важнейшей характеристикой этих источников является спектральный состав излучения. Чаще всего он изображается графически в виде кривой спектрального распределения энергии. В зависимости от вещества излучателя спектры имеют различный характер. Различают спектры излучения линейчатые, полосатые и непрерывные (сплошные).

Тепловые источники света используют свойство тел излучать при нагревании лучистую энергию. При достаточно большой температуре это излучение переходит в область видимого — тело начинает светиться. Световое излучение увеличивается с увеличением температуры тела.

Любое тело, имеющее цветовую температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Если возбужденное состояние атомов и молекул этого тела вызвано нагреванием, то излучение, посылаемое этим телом в пространство, является тепловым.

Тепловое излучение возникает в результате изменения энергетических состояний электронов и ионов, входящих в состав излучающего тела, независимо от его агрегатного состояния. Однако для светотехники наибольший интерес представляют твердые тела. Излучение таких источников состоит из бесконечно большого числа монохроматических излучений, мощность которых непрерывно меняется с изменением длины волны (рисунок 3. 5).

Рисунок 3.5 — Спектральное распределение энергии тепловых источников: 1 — лампы накаливания; 2 — Солнца

Примером теплового источника может служить обыкновенная лампа накаливания, имеющая обычно излучающий элемент в виде нити или спирали из вольфрама. Помимо основных электрических (номинальное напряжение, мощность), светотехнических (световой поток, сила света) и эксплуатационных (срок службы) параметров лампы накаливания имеют еще одну важную характеристику — световую отдачу. Эта величина, выражаемая в лм/Вт, показывает сколько света (лм) излучает лампа на каждый ватт электрической энергии, подводимой к лампе. Чем выше световая отдача, тем лучше осуществляется преобразование электрической энергии в световую. Световая отдача ламп накаливания невысока и составляет 7−22 лм/Вт.

Используемые на практике в качестве источников освещения тепловые излучатели в большой степени отличаются друг от друга по спектральному составу и мощности излучения. Для характеристики тепловых источников с целью их практического применения и возможности их сравнения друг с другом используют искусственную модель теплового излучателя — абсолютно черное тело.

Абсолютно черным телом называется такое тело, которое способно полностью поглотить все падающие на него излучения. Поэтому, согласно закону Кирхгофа, такое тело испускает при данной температуре большую энергию, чем любой другой источник. Модель абсолютно черного тела можно получить, если в полом шаре из непрозрачного и зачерненного изнутри материала сделать отверстие. При этом весь свет, попадающий в полость шара, практически полностью поглощается.

Цветовая температура — при которой относительный спектральный состав его излучения тождественен составу излучения реального тела. Понятие цветовой температуры применимо только к тепловым источникам с непрерывным спектром излучения. Лишь с достаточной долей приближения можно характеризовать цветовой температурой источники смешанного излучения.

Газоразрядные источники света, приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и др. вещества (например, ртуть), находящиеся в парообразном состоянии.

В источниках этого типа используются излучения газов, возникающие под действием проходящего через них тока. Большое число газов и паров металлов, в которых можно получить достаточно мощный разряд, обусловило возможность создания большого числа разновидностей газоразрядных ламп. Газоразрядный источник света представляет собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, иногда некоторое количество металла или др. вещества (галоидной соли) с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы (впаяны) электроды, между которыми происходит разряд. Существуют газоразрядные источники света с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа, например угольная дуга.

Газоразрядный источник света применяют для общего освещения, облучения, сигнализации и др. целей. В газоразрядных источниках света для общего освещения важны высокая световая отдача, приемлемый цвет, простота и надёжность в эксплуатации. Наиболее массовыми газоразрядными источниками света для общего освещения являются люминесцентные лампы. Газоразрядные источники образуют линейчатый спектр, определяемый составом инертных газов или паров металлов, в которых происходит электрический разряд. В результате этого процесса атомы или молекулы газа возбуждаются электронным ударом и затем, испуская свет, переходят в исходное состояние.

Газоразрядные лампы могут быть непрерывного или импульсного горения. В газоразрядных лампах непрерывного горения используют преимущественно тлеющий и дуговой разряды.

Для тлеющего разряда характерны малое давление газа или паров металла, заполняющих разрядный промежуток, и малая плотность тока на электродах лампы. Лампы тлеющего разряда имеют, как правило, форму длинных трубок. Вследствие малых плотностей тока интенсивность излучения таких источников сравнительно невелика.

Дуговой разряд происходит при больших плотностях тока. Этот вид разряда наиболее широко используется в газоразрядных лампах, поскольку с его помощью удается создать источники света большой яркости при сравнительно низких рабочих напряжениях.

Импульсные газоразрядные лампы используют для создания как редких, но мощных импульсов, так и частых, но менее мощных. Длительность вспышки импульсных ламп составляет короткий промежуток времени. В связи с этим, несмотря на большую силу света в импульсе суммарная мощность импульсов достаточно мала.

4. СВЕТОВЫЕ ПУЧКИ

Световой пучок -- оптическое излучение, распространяющееся по направлению от (или по направлению к) некоторой ограниченной области пространства, называемой центром (вершиной, фокусом) светового пучка. Пучок называют расходящимся, когда излучение распространяется от его центра и сходящимся, когда свет идет к центру.

Если центр светового пучка -- лишь формальный геометрический образ, полученный в результате экстраполяции направления распространения света, то пучок имеет мнимый центр. Если же оптическое излучение реально существует внутри центра соответствующего пучка, то последний имеет действительный центр. Световой пучок имеет только один центр -- либо действительный, либо мнимый.

Световой пучок в ряде физических явлений может расщепляться на конечное или бесконечное число других пучков. Например, при отражении от границы раздела двух прозрачных сред, пучок (луч) расщепляется на отраженный и преломленный в определенном соотношении. Аналогично дело обстоит при дисперсии света в призме, дифракции на щели.

Световой луч -- это пучок, который можно считать распространяющимся вдоль какой-нибудь линии, называемой траекторией светового луча, причем разным траекториям лучей соответствуют разные световые лучи.

Пучок в одних случаях можно рассматривать как луч, а в других нет. Это зависит от того, интересуемся ли мы пространственной структурой пучка. Иногда весьма широкий пучок света от прожектора можно считать лучом, а порою даже излучение лазера нельзя рассматривать как луч. Понятие луча неприменимо для описания распространения света в сильно рассеивающих средах.

Прилагательное «световой» для краткости часто опускают и называют световой луч просто лучом, а световой пучок -- пучком. Это может вызвать путаницу и неверное понимание смысла текста, поскольку термины «пучок» и «луч» выражают еще и математические понятия. Однако световые лучи и пучки -- физические объекты, имеющие волновые и корпускулярные свойства. В связи с этим содержание понятия «световой пучок» не ограничивается рамками геометрической оптики. Траектория светового луча, в отличие от геометрического луча, может быть криволинейной -- в неоднородной среде.

Будучи предельным случаем пучка, луч теряет некоторые его свойства. Луч не имеет центра, не может быть сходящимся или расходящимся, действительным или мнимым. Световой луч не может состоять из чего-либо; это первичный, не разложимый на более простые элементы объект.

В прозрачной среде любой пучок представим в виде совокупности конечного или бесконечного числа световых лучей. Через действительный центр пучка проходят траектории его лучей, а через мнимый центр -- продолжения траекторий (на рисунке 4.1 обозначаются штрихованной линией). Заметим, что траектории световых лучей могут быть криволинейными (в неоднородной среде), но продолжения траекторий всегда прямолинейны.

Рисунок 4.1 — Свет, распространяющийся в прозрачной неоднородной среде, образует два пучка (сходящийся и расходящийся) c общим «размытым» центром.

Световой пучок, имеющий точечную вершину, называют гомоцентрическим, поскольку все составляющие его лучи (или их продолжения) проходят через одну точку. Для нахождения вершины гомоцентрического пучка достаточно знать траектории лишь двух его лучей. Эта особенность широко используется при построении изображений в абсолютных оптических системах. Понятие гомоцентрического пучка является идеализацией.

Пучок называют параллельным, если траектории составляющих его лучей (или их продолжения) можно считать не пересекающимися. Когда лучи в параллельном пучке прямолинейны, то они параллельны друг другу в обычном -- геометрическом смысле. Условились считать, что параллельный незамкнутый пучок имеет точечный центр, находящийся бесконечно далеко от рассматриваемой области пространства. Такой центр можно считать и действительным, и мнимым. Следовательно, параллельный пучок является гомоцентрическим. Реальные пучки либо сходящиеся, либо расходящиеся; параллельный пучок не может переносить энергию.

5. ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНЫЕ СВЕТОВЫЕ ПУЧКИ

Лазер -- усиление света посредством вынужденного излучения, оптический квантовый генератор -- устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

5.1 Принцип действия

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное -- через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим, поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки.

5.2 Устройство лазера

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

1. активной (рабочей) среды;

2. системы накачки (источник энергии);

3. оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Рисунок 5.1 — Устройство лазера: 1 -- активная среда; 2 -- энергия накачки лазера; 3 -- непрозрачное зеркало; 4 -- полупрозрачное зеркало; 5 -- лазерный луч.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

(5. 1)

здесь N -- число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, -- число атомов, находящихся в основном состоянии, k -- постоянная Больцмана, T -- температура среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

(5. 2)

здесь -- начальная интенсивность, -- интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, -- коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

, (5. 3)

где -- коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов.

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами — вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров. При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов.

Оптический резонатор

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:

, (5. 4)

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

(5. 5)

здесь c -- скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

(5. 6)

Линии в спектре излучения в силу различных причин всегда имеют определённую ширину. Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же, то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.

При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:

(5. 7)

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

6. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ

Известно, что любой световой пучок можно разложить в ряд или интеграл Фурье по плоским монохроматическим волнам, которые строго поперечны в изотропной однородной среде. Отсюда из геометрических соображений можно высказать следующие общие утверждения о поляризационных характеристиках произвольных световых полей.

Возможно существование линейно поляризованных мод в одной плоскости, например, Е = (, 0,) или H=(0, ,).

Возможны строго поперечные ТЕ- и ТМ-моды (в любом приближении). Они являются азимутально поляризованными, без радиальной компоненты. Вектор Е=(=0, ,) — для ТЕ-мод и вектор Н = (=0, ,) — для ТН-мод. Существуют радиально поляризованные моды без азимутальных компонент, Е = (, =0,).

Высказанные соображения относятся как к параксиальным электромагнитным пучкам (Гаусса, Эрмита-Гаусса, Лагерра-Гаусса, Бесселя-Гаусса Матье-Гаусса, Эйри-Гаусса и др.), так и к непараксиальным волновым полям типа Бесселя, Матье, Эйри и др. Возвратимся теперь к векторным параксиальным световым пучкам. Для описания их поляризационных и энергетических характеристик будем использовать упрощенный векторный формализм.

Будем исходить из уравнений Максвелла

(6. 1)

(6. 2)

для монохроматических световых пучков в прозрачных изотропных средах, характеризуемых материальными уравнениями связи

(6. 3)

Здесь и далее используются обозначения:

(6. 4)

Полагаем также м ?1, чтобы результаты можно было применять не только в оптике, и в радиодиапазоне частот электромагнитного излучения. Кроме того, одновременное присутствие проницаемостей е и м позволяет использовать симметрию уравнений Максвелла относительно замен е-?м E,-H.

Из (6. 1), (6. 3) следует векторное уравнение Гельмгольца

(6. 5)

простейшим решением которого является плоская волна. У таких волн волновой фронт — плоский, а амплитуда E — константа. Для параксиальных световых пучков волновой фронт — квазиплоский. Поэтому общее электрическое поле параксиальных векторных световых пучков можно описывать функцией вида

(6. 6)

где, однако, векторная амплитуда E не является постоянной, а зависит от координат x, y, z. Тогда векторное уравнение Гельмгольца (6. 5) для параксиальных пучков сводится к векторному параболическому уравнению

(6. 7)

где ?? — векторный поперечный оператор набла

(6. 8)

В параксиальных пучках продольная компонента поля значительно меньше поперечных компонент, т. е. < <. Поэтому все векторные поперечные амплитуды поля параксиального светового пучка можно выразить через его поперечные компоненты электрического поля E?, а продольные компоненты и можно найти из уравнений непрерывности (6. 2). Получаем в этом приближении

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой