Способы описания электромагнитного излучения оптического диапазона
Оптическое излучение, является частью электромагнитного излучения, характеризуется как с волновых, так и с корпускулярных позиций.
Световые лучи. Простейшее представление оптического излучения в виде светового луча (совокупности световых лучей, образующих световой пучок) соответствует приближению геометрической оптики. Основу геометрической оптики составляет принцип Ферма, называемый также принципом наикратчайшего оптического пути или принципом наименьшего времени. Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики и соответствует значению Явления дифракции и интерференции не могут быть объяснены в рамках геометрической оптики и свидетельствуют о волновой природе света. Теория Максвелла обобщает основные законы, описывающие электрические и магнитные явления, установленные экспериментально: закон Кулона, закон Био – Саварра – Лапласа и закон электромагнитной индукции Фарадея. При распространении электромагнитной волны в различных средах ее частота остается неизменной.
Скорость распространения излучения в веществе всегда меньше, чем в вакууме, и зависит от свойств вещества
Все приемники оптоэлектроники реагируют на электрическую составляющую излучения
Длина волны:
Частота оптических колебаний
Если рассматривать оптическое излучение с корпускулярных позиций, то его можно представить как поток фотонов. Энергия фотона определяется по формуле:
- постоянная Планка
если энергию фотона измерять в электронвольтах, а длину волны в микронах
Если мощность измеряется в микроватах, а длина волны в микронах, то:
4. Оптический спектр электромагнитных колебаний. Распределение энергии излучения в зависимости от длины волны и частоты принято называть его спектром. Принято широкий оптический диапазон (λ; изменяется от 0,01 нм до 1 мм) разделять на рентгеновское (РИ), (от 0,01 нм до 5 нм) ультрафиолетое (УФ) (от 0,005 мкм до 0,4 мкм), видимое (от 0,4 мкм до 0,76 мкм) и инфракрасное излучения (от 0,76 мкм до 1 мм). Инфракрасная часть спектра делится на ближнюю (от 0, 76 мкм до 3 мкм), среднюю (от 3 мкм до 6 мкм) дальнюю (от 6 мкм до 15 мкм) и очень далекую области. Следует отметить, что указанные границы этих диапазонов и участков также являются в значительной степени условными, вследствие чего в ряде источников информации можно встретить и другое деление спектра.
В зависимости от характера распределения энергии излучения по спектру источники излучения принято делить на источники с непрерывным спектром, к которым в первую очередь относятся источники теплового излучения (излучения, возникающего в результате теплового возбуждения частиц вещества: атомов, молекул, ионов), источники с полосовым и линейным спектрами, к которым относятся люминесцентные излучатели и лазеры, а также источники смешанного типа, у которых наряду со сплошным спектром излучения имеются отдельные заметные полосы или линии излучения. В соответствии с квантово-механической теорией, элементарными источниками излучения являются атомы и молекулы вещества. Атомарное излучение происходит при переходе электронов с одного энергетического уровня, более высокого, на другой, более низкий. Каждому типу перехода соответствует монохроматическое излучение. Излучение мощности происходит при их колебательном и вращательном движениях, причем спектр вращательного движения молекул расположен в более длинноволновой области. При колебательно-вращательном движении молекул спектр состоит из группы монохроматических линий, образующих полосу излучения. Монохроматическое излучение, т. е. излучение с практически одной частотой f или длиной волны λ = c / f, где c - скорость распространения излучения, можно представить как поток квантов с одинаковой энергией: E = hf = hc / λ;, где h = 6,626 10-34 Дж с - постоянная Планка. Поскольку частота оптического излучения больше частоты радиоволн, кванты излучения в оптическом диапазоне более мощны, чем в радиодиапазоне. Оптическое излучение – это электромагнитное излучение с длинами волн, простирающимися от 1 нм до 1 мм. Рассмотрим, какую часть электромагнитного спектра занимает оптическое излучение, а в последнем - видимое
В пределах оптического диапазона видимое излучение, воспринимаемое человеческим глазом, имеет l=0,38…0,78 мкм. Длины волн от 0,78 до 1000 мкм образуют инфракрасное излучение, а длины волн от 0,38 до 0,001 мкм относятся к ультрафиолетовой области оптического излучения.
Таким образом: 1. Распределение энергии излучения в зависимости от длины волны и частоты принято называть его спектром. 2. Широкий оптический диапазон (λ изменяется от 0,01 нм до 1 мм) делится на рентгеновское (РИ), (от 0,01 нм до 5 нм) ультрафиолетое (УФ) (от 0,005 мкм до 0,4 мкм), видимое (от 0,4 мкм до 0,76 мкм) и инфракрасное излучения (от 0,76 мкм до 1 мм). Инфракрасная часть спектра делится на ближнюю (от 0, 76 мкм до 3 мкм), среднюю (от 3 мкм до 6 мкм) дальнюю (от 6 мкм до 15 мкм) и очень далекую области. 3. В зависимости от характера распределения энергии излучения по спектру источники излучения принято делить на источники с непрерывным спектром и источники с полосовым и линейным спектрами. 4. Кванты излучения в оптическом диапазоне более мощные, чем в радиодиапазоне.
|
В общем виде распространение электромагнитных волн описывается волновыми уравнениями Максвелла
Скорость распространения электромагнитной волны в веществе определяется по формуле:
При распространении электромагнитных волн в каком-либо направлении векторы E и H оказываются перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны
Система волновых уравнений сводится к одному уравнению с одной независимой переменной - либо Е, либо H
Поэтому в случае оптического излучения анализируется только электрическая составляющая электромагнитного излучения
Если известна мощность оптического излучения, падающего на единицу площади, то можно определить количество фотонов, падающих на эту поверхность, в единицу времени:
