Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

Многие фотохромные вещества при облучении интенсивным

светом могут темнеть, причем их «быстродействие» достигает несколько микросекунд. Это позволяет использовать фотохромные тела

как светозатворы для защиты глаз или светочувствительных прибо-

ров от неожиданной вспышки мощного излучения. Есть возможность использовать их как регуляторы светопропускания в зависимости от интенсивности света.

Явление фотохромизма объясняется переходом вещества при поглощении света из основного состояния, называемого состоянием A,

в фотоиндуцированное состояние B, для которого характерен иной спектр поглощения света, чем в состоянии A (см. рис. 2.63). Фотоиндуцированное состояние B, в которое под действием света переходят некоторые вещества под действием света, имеет определенное время жизни, по истечении которого происходит самопроизвольный обратный переход в состояние A за счет внутренней энергии вещества.

Математическое описание

На основании закона Бугера — Ламберта отношение интенсивности двух спектральных составляющих проходящего света — I(l1), соответствующей длине волны l1, è I(l2), соответствующей длине волны l2, по мере распространения в ФВ будет уменьшаться экспоненциально для коэффициентов поглощения k(l1) k(l2):

I(l1)/I(l2) = (I01/I02)exp(–(k(l1) – k(l2))x),

ãäå I01 è I02 — интенсивности, соответствующие длинам волн l1 è l2 спектральных составляющих света перед и после прохождения ФВ.

Применение

Явление фотохромизма широко используется в оптике, оптоэлектронике и голографии. В частности, явление фотохромизма применяется

131

в устройствах регистрации, обработки и хранения оптической информации, устройствах модуляции оптического излучения (лазерный затворы).

А. с. 267967. Устройство для представления информации в трехмерной форме, отличающееся тем, что с целью улучшения стереоскопиче- ского восприятия трехмерных изображений и упрощения устройства оно содержит три параллельных ряда плоских панелей, на противоположных концах их нанесены изготовленные из фотохромного материала активные зоны, одна из которых служит для просмотра изображения, а другая — для обработки информации, причем все панели установлены на разной высоте на трех осях.

Пат. 355824 США. Световой затвор содержит фотохромное тело, показатель преломления которого может изменяться при облучении световым потоком определенной длины волны для данного фотохромного материала. Фотохромное тело совместно с модулятором света образует изображение при изменении показателя преломления. Например, фотохромное тело может вводиться в полость эталона Фабри — Перо или в призму Волластона.

2.17. Люминесценция

Входы: энергия. Выходы: световой поток.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.64.

Сущность

Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым излучением тела и имеющее длительность, превышающую период световых колебаний. Люминесценция возникает при возбуждении вещества за счет притока энергии и, в отличие от других видов «холодного» свечения (например, излучение Вавилова — Черенкова), продолжается в течение некоторого времени после прекращения возбуждения. По продолжительности после свечения выделяют флуоресценцию (менее 10 с) и фосфоресценцию. Последняя продолжается большой промежуток времени после снятия возбуждения (от 10 с до нескольких часов). Способностью люминесцировать обладает большая группа газообразных, жидких и твердых веществ, как органических, так и неорганических (люминофоров). Характер процесса люминесценции существенным образом зависит от агрегатного состояния вещества и типа возбуждения. Люминофоры являются своеобразными преоб-

132

–фотолюминесценция — свечение под действием света (видимого

èУФ-диапазона). Она, в свою очередь, делится на флуоресценцию (время жизни 10–9–10–6 с) и фосфоресценцию (10–3–10 ñ);

–хемилюминесценция — свечение, использующее энергию хими- ческих реакций;

–катодолюминесценция — люминисценция, вызванная облучением быстрыми электронами (катодными лучами);

–сонолюминесценция — люминесценция, вызванная звуком высокой частоты;

–рентгенолюминесценция — свечение под действием рентгеновских лучей;

–радиолюминесценция — свечение при возбуждении вещества -из- лучением;

–триболюминесценция — люминесценция, возникающая при растирании, раздавливании или раскалывании люминофоров. Триболюминесценция вызывается электрическими разрядами, происходящими между образовавшимися наэлектризованными частями — свет разряда вызывает фотолюминесценцию люминофора.

Математическое описание

1. Затухание мономолекулярной люминесценции с квантовым выхо-

äîì

133

1

I (t) I 0 e ,

где — среднее время возбужденного состояния; I0 — начальная интенсивность свечения.

2. Кинетика вынужденной люминесценции в случае с одним метастабильным уровнем

ãäå C1, C2 — константы, характеризующие интенсивность возбуждения;

— среднее время возбужденного состояния.

3.Рекомбинационная люминесценция

I (t) I 0 (1 pt) 2 ,

ãäå ð — коэффициент рекомбинации;

pt — вероятность рекомбинации электронов за единицу времени; I0 — начальная интенсивность свечения.

Применение

Фотолюминесценция часто применяется в лампах дневного света. В них свечение люминофора происходит под действием ультрафиолета, которым богато излучение газоразрядной части лампы (в связи с наличи- ем паров ртути).

Основная область применения электролюминесценции — индикаторные устройства, подсветка шкал, преобразователи изображения.

Хемилюминесценция используется для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химически активные вещества.

2.18. Анизотропия и свет

Анизотропия — зависимость физических свойств вещества (механи- ческих, тепловых, электрических, магнитных, оптических) от направления (в противоположность изотропии — независимости свойств от направления).

134

2.18.1. Фотоупругость

Входы: ñèëà.

Выходы: оптическая анизотропия.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.65.

Сущность

Фотоупругостью или пьезооптическим эффектом называется возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических напряжений. Фотоупругость — следствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества

от деформации, проявляется в виде двойного лучепреломления и дихроизма, возникающих под действием механических нагрузок. При одноосном растяжении или сжатии изотропное тело приобретает свойства оптически одноосного кристалла с оптической осью, параллельной оси растяжения или сжатия. При более сложных деформациях, например при двухстороннем растяжении, образец становится оптически двухосным.

Математическое описание

Фотоупругость обусловлена деформацией электронных оболочек атомов и молекул и ориентацией оптически анизотропных молекул либо их частей, а в полимерах — раскручиванием и ориентацией полимерных цепей. Для малых одноосных растяжений и сжатий выполняется соотношение Брюстера:

Dn = kP,

ãäå Dn — величина двойного лучепреломления (разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн);

P — напряжение;

k — упругооптическая постоянная (постоянная Брюстера).

Применение

Эффект фотоупругости — один из самых точных методов изучения структуры и внутренних напряжений в твердых телах.

А. с. 249025. Способ оценки распределения контактного напряжения по величине деформации частичной прокладки, располагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями, отличается тем,

135

что с целью повышения точности в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил и по картине полос судят о распределении контактных напряжений.

2.18.2. Электрооптический эффект Керра

Входы: электрическое поле. Выходы: световой поток.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.66.

Сущность

Электрооптический эффект Кeppa — возникновение двойного луче- преломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях

èгазах, под воздействием однородного электрического поля. В результате эффекта Керра газ или жидкость в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля. Многие жидкие диэлектрики становятся анизотропными под действием электрического поля. Для наблюдения эффекта Керра монохроматиче- ский свет пропускают через поляризатор N1 (например, призму Николя)

èнаправляют в плоский конденсатор, заполненный изотропным веществом,— ячейку Керра (см. рис. 2.66). Поляризатор преобразует естественно поляризованный свет в линейно-поляризованный. Если к обкладкам конденсатора не приложено напряжение, то поляризация света, проходящего через вещество, не изменяется и свет полностью гасится второй призмой Николя N2 (анализатором), повернутой на 90° по отношению к первой. Если к обкладкам приложено напряжение, то линейно-поляризованная световая волна в веществе распадается на две волны, поляризованные вдоль

Рис. 2.66. Ячейка Керра

136

ïîëÿ Åí (необыкновенная волна) и под прямым углом к полю Å0 (обыкновенная волна), которые распространяются с разными скоростями. Из-за разной скорости распространения волн фазы колебаний электрического вектора у необыкновенной волны Åí и обыкновенной Å0 волн по выходе из ячейки не совпадают, в результате чего результирующая световая волна оказывается эллиптически поляризованной и частично проходит через анализатор. Если между ячейкой Керра и анализатором N2 поставить компенсатор Ê, преобразующий эллиптически поляризованный свет в линей- но-поляризованный, то поворотом компенсатора можно снова добиться полного гашения света анализатором.

Математическое описание

Для монохроматического света данной длины волны разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей (n0 è ne) пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Å:

n0 – ne = E2.

Следовательно, разность хода, приобретаемая лучами на пути l,

= l(ne – n0) = /E2,

где — константа.

Угол сдвига фаз на выходе вещества

= 2 / = 2Â/E2,

ãäå B — постоянная Керра, Â = / .

Максимальным значением Â среди известных веществ обладает нитробензол. Постоянная Керра увеличивается при уменьшении длины волны (дисперсия) и сильно уменьшается при повышении температуры.

Применение

Если к обкладкам конденсатора Керра подавать импульс напряжения, то ячейка играет роль затвора, длительность действия которого определяется длительностью электрического импульса. Ячейки Керра как модулятор и затвор применяются для управления режимом работы опти- ческих квантовых генераторов.

Благодаря чрезвычайной быстроте установления и исчезновения эффекта Керра оказалось возможным использовать его во многих науч- но-технических исследованиях.

137

2.18.3. Фарадея эффект

Входы: напряженность магнитного поля, угол поворота. Выходы: световой поток.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.67.

Сущность

Эффект Фарадея — один из эффектов магнитооптики. Заключается во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществе вдоль силовых ли- ний постоянного магнитного поля, проходя-

щих через это вещество. Принципиальная схема устройства для на-

блюдения эффекта Фарадея показана на рис. 2.67. Схема состоит из источника света, поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворота плоскости

поляризации отсчитывается по углу поворота анализатора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле.

Если линейно-поляризованный свет проходит через вещество, помещенное в магнитное поле, вектор напряженности которого совпадает с направлением распространения света, то плоскость поляризации света поворачивается на некоторый угол. Этот угол прямо пропорционален длине пути света в веществе и напряженности поля и обратно пропорционален квадрату длины волны. Зависит он от свойств вещества. Так, он сильно изменяется вблизи линий поглощения данного вещества. Особенно сильный эффект наблюдается в тонких прозрачных пленках железа, никеля и кобальта.

Математическое описание

Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса:

I I 0 cos2 ,

ãäå I — интенсивность пучка света.

На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации , выражается формулой

138

Hl,

ãäå v — постоянная Верде, которая содержит в себе информацию о свойствах, присущих исследуемому образцу; зависит от частоты, свойств среды и температуры;

l — длина образца, полностью находящегося в поле; H — напряженность магнитного поля.

Применение

À.ñ. 491916. Позиционно-чувствительный датчик с магнитооптиче- ской модуляцией, содержащий поляризатор, анализатор и ячейку Фарадея, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности магнитооптический активный элемент ячейки Фарадея выполнен из составных двух частей, например, призм с противоположными по знаку постоянными Верде, которые расположены симметрично относительно оптической оси системы.

Как обычно, возможные применения вытекают из физической сущности эффекта: управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота плоскости поляризации.

À.с. 412698. Оптический квантовый генератор, содержащий задающий генератор, оптический квантовый усилитель и установленное между ними согласующее устройство, отличается тем, что с целью улучшения однородности пучка без уменьшения его мощности согласующее устройство выполнено в виде расположенного между двумя поляризаторами элемента, обладающего измеряющейся по радиусу вращательной способностью.

À.с. 479147. Устройство магнитооптического воспроизведения информации с магнитного носителя, содержащее источник плоскополяризованного света, анализатор, фотоприемник и магнитную головку, отличающееся тем, что с целью повышения чувствительности его магнитная головка снабжена магнитооптическим кристаллом, установленным на участке заднего зазора, расположенным на одной линии между источником плоскополяризованного света и анализатором пучка этого света.

Часто эффект Фарадея используют для создания невзаимных элементов, т. е. устройств, пропускающих излучение только в определенном направлении.

139

2.18.4. Эффект Зеемана

Входы: магнитное поле.

Выходы: спектр.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.68.

Сущность

Прямой (обращенный) эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (поглощаемого) излучения под действием магнитного поля. При этом неполяризованное излучение с частотой направ-

го поля. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением в магнитном поле энергетических уровней атомов или молекул на подуровни, между которыми возможны квантовые переходы.

Математическое описание

Энергетические уровни электронов, помещенных в магнитное поле, расщепляются в этом поле в зависимости от величины спинового магнитного момента и интенсивности магнитного поля:

E sH ,

ãäå s — магнитный момент электрона;

H — напряженность магнитного поля.

Применение

Эффект Зеемана нашел полезное применение в астрономии, поскольку по расщеплению линий в спектре излучения небесных тел мож-

140