1. Оптическоеизлучение

1.1.Свойства оптического излученияиспособыегоописания

Оптическое излучение – один из видов электромагнитных колебаний(рис. 1.1) – занимает на шкале длин волн интервал, охватывающий пять по-рядков изменения λ: от λ_{min= 10}^–2мкм до λ_max= 10³мкм. Оптический диа-пазон включает ультрафиолетовое излучение (10^–2…0,38 мкм), видимое из-лучение (0,38…0,76 мкм) и инфракрасное излучение (0,76…10³мкм). Ука-занные границы являются примерными, резкого изменения свойств оптиче-ского излучения награницахнепроисходит.

₁₀–5

^10–2 0,38 _0,76 3 20 10³

Рис.1.1.Шкаладлинволнэлектромагнитныхколебаний

10⁵

λ,мкм

Коротковолновая часть оптического диапазона (УФ-излучение) облада-етярковыраженнымселективнымхарактеромвоздействиянаобъекты,впервуюочередьбиологические.Ультрафиолетобладаетбактерицидными(обеззараживающими), эритемными (загар, пигментация кожи), фотохимиче-скими, фотобиологическими и фотоэлектрическими свойствами.Оптическоеизлучение, воспринимаемое человеческим глазом и сосредоточенное в обла-сти длин волн 0,38…0,76 (0,78) мкм или частот (4,0…7,5)10¹⁴Гц, называютвидимымилисветовымизлучением,илипростосветом.Видимаяобласть

составляет малую часть оптического диапазона, порядка 0,05 %, но наиболеезначимадлячеловека.Длинноволновая,инфракраснаячастьоптическогодиапазона(ИК-излучение)делитсяна тризоны:ближнюю (0,76…3мкм),среднюю (3…20 мкм) и дальнюю (20…10³мкм) ИК-области. ИК-излучениеобладает в основном коллективным, тепловым характером воздействия насреды и используется для обогрева, в оптической связи, тепловидения, спек-троскопии,биологии и медицине.

Существует три способа описания оптического излучения: волновой,корпускулярный (квантовый) и лучевой. В рамках классического, волновогоподхода оптическое излучение представляется электромагнитными волнами,векторы напряженности электрическогоЕи магнитногоНполей и направле-нияраспространенияволнкоторыхвзаимноортогональны.Напряженность

электрическогополя оптическойволныописываетсягармоническойпро-странственно-временнойфункцией

ЕЕ

sin^2t^2z^Е

sin(tkz),

T





_m  _  _m

гдеТ– период колебаний; λ – длина волны;z– координата направления рас-пространения; φ – начальная фаза; ω = 2πν – круговая частота (ν = 1/Т– цик-лическаячастота);k= 2π /λ– волновое число.

Скоростьυраспространенияизлученияопределяетсядиэлектрическойεимагнитнойμпроницаемостямисреды.Дляоптическихнемагнитныхсред

относительнаямагнитнаяпроницаемостьμ_r=1.Тогдадляскоростиполу-

чимυ ¹  ¹

_ 1 1

^c,гдеn–показательпреломления

n

среды, определяемый относительной диэлектрическойε_rпроницаемостью.Чем большеn, тем медленнее распространяется излучение в среде. Длинаволны излучения зависит от скоростиυее распространения и периода иличастотыνколебаний:λ=υT=υ/ν.Прираспространенииоптическогоизлу-

чения в вакууме, а в первом приближении и в воздушной среде (n_в=n₀= 1),длина волны и частота колебаний связаны обратным соотношением λ =с/νчерез скорость света. Следует понимать, что при распространении излученияпериод колебаний и их частота сохраняются неизменными. В среде с показа-телем преломленияn> 1 будет изменяться только длина волны оптическогоизлучения,частотаже колебаний останется прежней.

Процесспереносаэлектромагнитнойэнергиихарактеризуетсявектором

Пойтинга

SEH.Количествоэнергии,переносимойвединицувремени

черезединицунормальнойповерхности,определяетсямодулемвектораПой-

тинга

n1

₀

cE^2

_E2

₀c

[Дж/(м^2·с)].Вприведенноевыражениевходит

мгновенное значениеЕоптической волны. Когда говорят об оптическом из-лучении, то характерной длиной волны часто считают λ = 1 мкм = 10^–6м.Следовательно, напряженность электрического поля такой оптической волныизменяется с частотойν =с/λ = 3 · 10¹⁴Гц. На практике при столь высокихчастотах колебаний измерительныеприборы будут регистрировать среднеезначениепараметра.СучетомгармоническогохарактераизмененияЕиквадратичнойзависимостимодулявектораПойтингаотнапряженности

электрического поля для его среднего значения можно получить

εcE²

_0 ^m

ср ₂

[Вт/м²].

Корпускулярный, или квантовый, способ описания оптического излу-чения предположил Планк. По гипотезе Планка, излучение происходит пор-циямиэнергии–квантами.Приоптическомпереходесверхувнизизлучается

квант с энергией, равной разнице энергий начального (верхнего)W₂и ко-нечного(нижнего)W_{1состояний}возбужденнойчастицы:ε_кв=hν=W_2–W₁,

гдеh= 6,62·10^{–34Дж · с (рис.}1.2).

Рис.1.2.Формированиеквантаоптическогоизлучения

Используяупрощенныеэнергетическиедиаграммысреды,процессформированиякванта можнопредставитьвином виде (рис.1.3).

Третий – лучевой способ описания базируется на том, что в изотропнойсреде оптическое излучение распространяется прямолинейно (лучами). Ранеев технической литературе для обозначения оптического излучения использо-вался термин «лучистая энергия». Лучевой метод используется в тех случаях,когда речь не идет о процессах формирования и генерирования излучения, атолько о его распространении в оптической среде. Лучевой способ описанияоптическогоизлучения–этоосновагеометрической оптики(рис.1.4).

_A*

W_i

hν= W_i

W_j

−W_j

Рис.1.3.Генерациикванта Рис. 1.4. Линзовый эффект

При лучевом описании излучения вводится понятие оптической длиныпути, пройденного в среде протяженностьюL_гс показателем преломленияn:L_опт=n L_г.Для воздухаn_в=n₀=1и,следовательно,L_опт=L_г.