книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

Г Л А В А П Я Т А Я

ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ СКВОЗЬ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И АТМОСФЕРУ

22. Ослабление излучений в реальной среде

При прохождении излучений сквозь реальную среду — оптические материалы, воздух и т. д.— возникает ослабле­ ние лучистого потока, причинами которого являются по­ глощение излучения, связанное с превращением лучистой энергии в другие виды энергии, главным образом тепловую, и рассеяние излучения, при котором лучистая энергия пе­ рераспределяется в различных направлениях пространства, например в стороны и назад, так что в первоначальном на­ правлении проходит только часть проходящего через среду лучистого потока.

Любая реальная среда или вещество рассеивают излу­ чение вследствие своей неоднородности. В частности, в воз­ духе эта неоднородность создается водяными парами, твер­ дыми взвешенными частицами и т. п. включениями. Таким образом, всякую среду можно рассматривать как дисперс­ ную систему, состоящую в общем случае из нескольких фаз, каждая из которых имеет свой показатель преломле­ ния. Простейшая дисперсная система состоит из двух фаз: внешней (дисперсионной) фазы, в которой находятся взве­ шенные частицы внутренней (дисперсной) фазы. Характер системы определяется степенью измельчения (дисперсности) внутренней фазы и физической природой обеих фаз. По про­ стейшей классификации дисперсные системы делятся на три класса:

1) молекулярно-дисперсные системы; в них степень дисперсности внутренней фазы доходит до одной молекулы

100

или иона, частицы имеют размеры порядка 0,1—1 нм;

ктаким системам относятся, в частности, растворы;

2)высоко-дисперсные (коллоидные) системы, в них сте­ пень дисперсности внутренней фазы характеризуется тем, что каждая взвешенная частица содержит тысячи молекул,

аразмеры частиц порядка 1—100 нм;

3)грубо-дисперсные системы с крупными частицами внутренней фазы; эти системы делятся на суспензии (в ко­ торых внутренняя фаза является твердой, а внешняя либо жидкой, либо газообразной) и эмульсии (в которых внут­ ренняя фаза является жидкой). Примерами могут служить

где Ф — лучистый поток, прошедший через толщу х среды; Ф0 — вступивший в эту среду лучистый поток'; е — осно­ вание натуральных логарифмов; /г — натуральный пока­ затель ослабления, учитывающий обе причины ослабления (поглощения и рассеяния) и рассчитываемый на единицу толщи среды. Закон Бугера соблюдается с большей или меньшей точностью, причем имеет значение длина волны проходящего излучения.

Учет ослабления инфракрасных излучений при прохож­ дении через реальные среды имеет очень большое значение для инфракрасной техники, позволяет оценивать даль­ ность действия аппаратуры и рассчитывать ее оптические детали. Следует заметить, что теоретическое рассмотрение вопросов ослабления излучений в средах (в особенности рассеяния излучений) является чрезвычайно сложным и

нако коснемся только весьма поверхностно связи рассея­ ния излучений с их длиной волны.

Для рассеяния излучений очень малыми частицами Ре­ лей нашел значение коэффициента рассеяния /ер для мно­ жества частиц в однородной среде:

101

Здесь п — показатель преломления вещества частицы; /V — число частиц в 1 см3 ; К — длина волны проходящего излу­ чения.

Из этого выражения очевидно, что в очень чистой ат­ мосфере инфракрасные излучения, у которых длина волны значительно больше, чем у световых излучений, рассеи­ ваются значительно слабее, чем световые и ультрафиоле­

товые излучения.

Однако зависимость О/А,4 не соблюдается при прохожде­ нии излучения через плотные туманы, в которых инфра­ красные излучения ослабляются так же сильно, как и ви­ димые.

Важно также отметить, что вода чрезвычайно сильно поглощает инфракрасные излучения. Обладая очень малой прозрачностью для них в тонком слое (до 1 мм), уже при толщине слоя в 1 см вода становится совершенно непрони­ цаемой для инфракрасных излучений.

23. Оптические материалы и фильтры, применяемые в инфракрасной технике

Материалы, хорошо пропускающие инфракрасные из­ лучения, необходимы для изготовления многих ответствен­

пусканию в определенной спектральной области, эти ма­ териалы должны удовлетворять еще ряду других требова­ ний, относящихся к другим оптическим характеристикам (показателю преломления, дисперсии показателя прелом­ ления, отражательной способности и т. д.), к механическим и другим физическим свойствам. Так, например, многие материалы, удовлетворяющие оптическим требованиям, обладают такими серьезными недостатками, как высокой растворимостью в воде или недопустимой текучестью в хо­ лодном состоянии; некоторые материалы трудно обраба­ тываются для получения оптически точных поверхностей. Все это сужает круг материалов, пригодных для рассмат­ риваемых нами целей.

Оптические материалы для инфракрасной техники. Ос­ новные виды практически используемых в инфракрасной технике оптических материалов представляют собою кри­ сталлические вещества. В свою очередь их можно разде­ лить на монокристаллы природные или получаемые путем

102

синтеза и монокристаллы, получаемые исключительно син­ тетическими способами.

К первой группе монокристаллов относятся, например, каменная соль NaCl, сильвин KCl, флюорит CaF2 , кварц SiOo, -слюда (мусковит), сапфир А12 03 , периклаз MgO и многие др. Ко второй группе относятся, например, фто­ ристый литий LiF, фтористый стронций SrF2 ) бромистый калий КВт, бромистый таллий ТІВг, бромистый таллий — йодистый таллий (KRS-5), бромистый таллий — хлори­ стый таллий (KRS-6), бромистое серебро — хлористое се­ ребро (KRS-13) и многие другие.

Преимущества кристаллов состоят в очень большом многообразии их свойств и характеристик — физических (в частности, оптических), химических, механических и др. Для кристаллов характерна высокая теплостойкость. Не­ достатком монокристаллов является трудность их выра­ щивания до больших размеров, что ограничивает размеры изготовляемых оптических деталей.

Все кристаллические материалы можно разделить на кристаллы —диэлектрики (к ним относятся щелочно-гало- идные кристаллы и кристаллы некоторых окислов и солей) и кристаллы — полупроводники (к ним относятся моно­ кристаллы германия, кремния, карбида кремния и ряда других полупроводников). Большинство полупроводников непрозрачно в видимой и коротковолновой инфракрасной областях спектра, но они обладают высоким пропусканием для больших длин волн. Для полупроводников харак­ терны большие значения показателя преломления (напри­

материалы, изготовляемые при помощи горячего прессова­ ния,— иртраны (например, иртран-1 и иртран-51 (MgF2 ). иртран-2 (ZnS) и др.). Эти материалы обладают прозрач­ ностью и плотностью, соответствующими монокристаллам (однако до К = 1 мкм они менее прозрачны из-за рассеяния на границах между элементарными кристалликами). Ирт­ раны весьма перспективны в связи с их высокими оптиче­ скими, термическими и механическими свойствами и воз­ можностью изготовления из них изделий большого размера.

103

Кроме кристаллических веществ, в инфракрасной тех­ нике широко используются стеклообразные материалы — затвердевшие расплавы аморфного строения. Их преиму­ щества по сравнению с кристаллическими материалами со­ стоят в высокой оптической однородности, позволяющей изготовлять крупные детали, большой устойчивости к ат­ мосферным воздействиям и механической ударопрочности (из-за отсутствия спайности, свойственной кристаллам).

Стеклообразные материалы можно разделить на давно применяемые силикатные стекла и новые полупроводнико­ вые стекла. К первой группе стекол относятся кроны (боросиликатные стекла) с небольшим показателем преломле­ ния и повышенным коэффициентом дисперсии, достаточно хорошо пропускающие до 2,6 мкм, и флинты (стекла, со­ держащие РЬО,) пропускающие до А З мкм. Силикатные стекла тугоплавки и допускают использование при 600— 700 °С. К этой же группе относится кварцевое стекло (по­ чти чистый плавленый кварц Si02 ), хорошо пропускающее до m 4,5 мкм.

С целью расширения области пропускания в ряде сте­ кол Si02 заменяется другими окислами (Ge02 , Т е 0 2 и др.). К таким материалам относятся германатные стекла (с GeÖ2 ), пропускающие до ä 6 мкм и устойчивые до 450 °С, теллуритовые стекла (с Те02 ), пропускающие до ä 6 мкм и раз­ мягчающиеся при 450 °С.

Новыми стеклообразными материалами являются полу­ проводниковые халькогенидные стекла (бескислородные сплавы селенидов, сульфидов и теллуридов мышьяка, сурьмы, висмута, таллия, фосфора), например мышьякови­

(размягчение при 140—220 °С).

Наконец, используются также пластмассы, из которых можно изготовлять различные оптические детали — линзы, окна и т. д. К этой группе материалов относятся полиэти­ лен, фторопласты, полистирол и др. Пластмассы обладают высокой прозрачностью только в коротковолновой обла­ сти спектра; для больших длин волн наблюдается хорошее пропускание в определенных спектральных полосах. Пласт­ массы могут применяться только при невысоких темпера­ турах.

В табл. 20 приведены некоторые физические свойства ряда материалов [37], используемых для изготовления

104

окон, расположенных в порядке возрастания границы про­ пускания. На рис. 47, а—л показаны кривые спектраль­ ного пропускания для некоторых из перечисленных мате­ риалов. Подробные сведения о других характеристиках (оптических, механических, тепловых и др.) этих и многих других материалов содержатся в обстоятельном справоч­ нике Е. М. Воронковой, Б. Н. Гречушникова, Г. И. Дистлера, И. П. Петрова [30], а также в монографии Р. Смита, Ф. Джонса, Р. Чесмера [37].

Инфракрасные фильтры. Основное назначение фильтров состоит в выделении необходимой спектральной полосы пропускания с резко определенными границами с обеих сторон. Действие инфракрасных фильтров основано чаще всего либо на избирательном поглощении, либо на рассея­ нии, либо на интерференции излучений, проходящих через фильтр или отраженных от него.

Фильтры, основанные на избирательном поглощении, изготовляются из твердых материалов, обладающих поло­ сой пропускания в желательном участке спектра (рассмот­ ренных выше). Характер кривых пропускания этих мате­ риалов, приведенных на рис. 47, показывает, что при этом нельзя получить резкие границы полосы пропускания. Для работы в ближней инфракрасной области спектра бо­ лее резкие границы полосы можно получить при использо-

105

вании пластмасс, окрашенных красителями (например, меламиноформальдегидной смолы, окрашенной промыш­ ленными красителями). На рис. 48 показаны кривые спек­ трального пропускания таких окрашенных пластмасс. Для работы в средней и дальней инфракрасных областях спектра в качестве материала для фильтров используют монокристаллические германий и кремний, о которых ска­ зано выше, а также другие полупроводниковые материалы,

тром; излучения с другими длинами волн будут рас­ сеиваться. Характер полосы пропускания зависит от рас­ сеивающих свойств порошка и наклона кривых преломле­ ния порошка и среды в месте их пересечения. На рис. 50 показаны кривые спектрального пропускания фильтров Христиансена из различных материалов KCl (1), КВг (2), KJ (3) с различными положениями максимума пропуска­ ния.

Интерференционные фильтры в наибольшей степени удовлетворяют требованию к резкости границ полосы про­ пускания. Эти фильтры разделяются на отражающие и

108

пропускающие. Действие инфракрасных интерференцион­ ных фильтров основано на явлении интерференции в па­ раллельных пластинках.

°/ 'Si -г—I—І—I—i—I—I I I—r

'о

40

30\

20

1Q T i l l J—

5 мкм

О

Рис. 49. Кривые спектрального пропуска­ ния полупроводниковых материалов — PbS, PbSe, PbTe

Простейший отражающий фильтр получается путем на­ несения тонкого слоя прозрачного диэлектрика на перед­ нюю поверхность металлического зеркала; с противопо­ ложной стороны слой диэлек­ трика покрывается полупро- 0 / зрачным слоем металла. В иде- ^ альном случае (если зеркало да

имеет коэффициент отражения 2(J\ р = 1, а поглощение в диэ­ лектрике и полупрозрачном слое отсутствует) при длинах волн %, при которых толщина слоя диэлектрика

2s-f-1

4*

(где s — целое число) будет происходить гашение луча за счет разности фаз, т. е. при этих длинах волн не будет про­ исходить отражения. Наоборот, при К, соответствующих условию d — sK/2, будет происходить полное (р = 1) от­ ражение.

109