2. Особенности оптическогоизлучения

1. Энергия оптического излучения W[Дж]. Полагая, что в пространствеприсутствуютравномернораспределенныеквантысодинаковойэнергией

hν,т.е.ν=const,полнуюэнергиюможнонайтикакWNhnVhnV^hc,



гдеN– общее количество частиц;n– концентрация;V– объем системы.Вобщем случае кванты могут различаться по энергиям – иметь разные длиныволн (частоты) и для определенияWпотребуется интегрирование спектраль-нойфункции.

2. Объемнаяспектральнаяплотностьэнергииучитываетпростран-ственно-спектральноераспределениеквантов.Различаютобъемнуюспек-

тральнуюплотностьэнергиивмасштабечастоты

_{w }²W



V

ивмасштабе

длиныволны

w_

²W

V

.Связьмеждуw_ν

иw_λ

устанавливаетсясучетомсо-

отношения ν = c/λ. Отсюда для дифференциала частоты получим

^c

_2

.Минусввыражениифизическогосмысланеимеет,аозначает,

что оси частоты и длины волны разнонаправлены:. Тогда

w_

²W²

Vc

_w²

.

c

3. Мощность(поток)излученияР[Вт;Дж·с^–1]определяетскоростьрасходованияэнергииилиэнергиюквантов,пересекающуюзаданнуюплос-

костьвединицувремени:

Р^W.Определяетлибомощность,излучаемую

t

источником,либопоток квантов.

4. ПоверхностнаяплотностьизлученияI

_P^Вт_;

Дж^

определя-



^S S^_м²

м²с^



етмощность,излучаемуюсэлементаплощади∂Sисточника,либопотокиз-

лучения,которыйпересекаетэлементарнуюплощадку.Поразмерностиифи-зическойсущностиI_{Sсовпадает}сосреднимзначениеммодулявектораПой-

тинга .

5. Угловаяплотностьизлучения,илисилаизлучения

_{I }P





[Вт/ср],

определяет количество излучения, распространяющееся в данном направле-нии в пределах элементарного телесного углаdω. Инымисловами,I_ωопре-деляетвиддиаграммынаправленностиисточникаизлучения.Ввидимом

диапазонеI_ωназывается силой света и выражается в канделах [кд]. У точеч-ногоисточника,излучающегоравномернововсехнаправлениях,силаизлу-

чениянезависитотуглаипостоянна:

II_0

f();P4I_0.Дляисточни-

ка излучения с произвольный формой диаграммы направленности ееширинав выбранной плоскости находится по удвоенному значению углаα_0,5, отсчи-тываемомунаполовинномуровнемаксимальногозначениясилыизлучения

I_0(рис.1.5).

Для диффузного излучателя сечение диаграммы направленности опре-деляетсязакономЛамберта (законом косинуса)I_α=I_0cosα(рис.1.6).

y _y

z

Рис.1.5.Определение Рис.1.6.Диаграмма

шириныдиаграммы направленностинаправленностиизлучения диффузногоизлучателя

²Р ^ Вт ^

6. 

   

   Угловаяповерхностнаяплотностьизлучения

В_S

^_м²_



^ср_

определяет мощность излучения, распространяющегося в данном направле-нии в пределах элементарного телесного углаdω с элементарной площадкиисточника, перпендикулярной к линии наблюдения. ПараметрВчасто назы-вают еще энергетической яркостью. Делается это по аналогии с термином,используемым дляВв световом диапазоне. При прочих равных условиях яр-костьтемвыше,чемменьшеразмерыисточникаиужеегодиаграмманаправленности. Если сравнить энергетические яркости лазера, лампы нака-ливания и люминесцентной лампы, излучающих одинаковые потоки, то ли-дироватьбудетлазер.Минимальнойяркостьюбудетобладатьгабаритнаялюминесцентнаялампа.

7. ОблученностьЕ

Р_В

определяетмощность,падающуюна

_{Sобм}^2_

элементарнуюплощадку

S_об

поверхностиобъектаоблучения,исовпадает

поразмерностисповерхностнойплотностьюизлучения.

8. Спектральнаяповерхностнаяплотностьизлучения.Различаютспек-тральную поверхностную плотность излучения в масштабе частоты

I_

^2Р

S

ивмасштабедлиныволны

I_

²Р_

S

f().Длякраткостиопре-

деление«поверхностная»обычноопускают.СвязьмеждуI_νиI_{λустанавлива-}

етсяаналогичносвязимеждуw_ν

иw_λ:

I ^2I.





с

Найдем соотношение между спектральной поверхностной плотностьюизлученияI_ν(λ)иобъемнойспектральнойплотностьюэнергииw_ν(λ)принаправленномраспространенииквантов.Поопределению,спектральнаяпо-

верхностнаяплотностьизлученияопределяетпотокэнергииизлучения,ко-

торый пересекает элементарную площадку ∂Sза единицу времени. Если из-лучениераспространяетсясоскоростьюυ,тоза1счерезэлементплощади

∂Sпройдет энергия, содержащаяся в объеме ∂V₁₌υ∂Sc объемной спек-тральной плотностью энергииw_ν(λ).ТогдаI_ν(λ)=υw_{ν(λ)и, соответственно,}для вакуума (воздуха)I_ν(λ)=c w_ν(λ). Для разнонаправленного потока квантовможнополучитьI_ν(λ)=cw_ν(λ)/4.

ЗависимостьI_λ=f(λ) называют спектральной функцией и с ее помощьюописывают различные оптические спектры, среди которых можно выделитьнесколько основныхвидов.

1. Линейчатый спектр(рис. 1.7). Условием линейчатости спектра явля-етсяпревышениерасстояниямеждусоседнимиспектральнымилинияминад

шириной самих линий: ∆λ_0,5< λ_i+1– λ_i. Линейчатый спектр характерен дляизлучения изолированных атомов, что в первом приближении реализуется вгазовыхразрядахнизкогодавления.

2. Монохроматический спектр(рис. 1.8), т. е. одноцветный, содержа-щийоднуспектральнуюлинию.Всеизлучениелокализовановобластиедин-

ственнойдлиныволныλ_0впределахшириныλ_0,5<<λ_{0спектральной}линии

наполовинномуровнемаксимальной интенсивности.Монохроматическийвид спектраимеютлазеры и светодиоды.

3. Сплошной спектр(рис. 1.9) типичен для нагретых тел (Солнце, лам-пы накаливания) и имеет плавный характер изменения спектральной функ-ции.

I_{λ Iλ}

^{λi λ}i+1 ^λ

^λ0 ^λ

Рис.1.7.Линейчатый спектр Рис.1.8.Монохроматическийспектр

I_λ I_λ

0,555 мкм λ λ

Рис.1.9.Сплошнойспектр Рис.1.10.Смешанныйспектр

4. Смешанный спектр(рис. 1.10) содержит отдельные уширенные спек-тральные линии излучения и сплошной фон. Такой спектр характерен для из-лучения газовых разрядов при высоких и сверхвысоких давлениях, а такжедля люминофоров. В газовом разряде сплошной фон формируется либо засчетвысокойтемпературыгаза,либозасчетперекрытиясоседнихспек-тральных линий.