Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микрооптика. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
А. Д. БЯЛИК, В. А. КУЗНЕЦОВ
МИКРООПТИКА
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2025
1
УДК 681.7.067(075.8)
Б994
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент Филимонова Н. И.
канд. техн. наук, доцент кафедры физики СГУГИТ Чесноков Д. В.
Работа подготовлена на кафедрах полупроводниковых приборов
и микроэлектроники (ППиМЭ) и Автономных информационных
и управляющих систем (АИУС)
Бялик А. Д.
Б994 Микрооптика: учебное пособие / А. Д. Бялик, В. А.
Кузне-
цов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2025. – 84 с.
ISBN 978-5-7782-5510-4
Пособие предназначено для магистрантов II курса РЭФ; направление подготовки 28.04.01 – Нанотехнологии и микросистемная
техника, а также для студентов IV курса ФЛА; направление подготовки 27.03.04 – Управление в технических системах.
УДК 681.7.067(075.8)
ISBN 978-5-7782-5510-4 © Бялик А. Д., Кузнецов В. А., 2025
© Новосибирский государственный
технический университет, 2025
2
R
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
A – световой вектор, амплитуда светового вектора
D – вектор электрической индукции
d – длина, расстояние
E – освещенность, вектор напряженности электрического поля
H – вектор напряженности магнитного поля
I – сила света
k – волновой вектор
J – интенсивность оптического излучения
L – длина, расстояние, яркость, оптическая длина пути
M – светимость
n – показатель преломления
P – поляризованность среды
r – коэффициент отражения
S – путь, расстояние, геометрическая длина пути
t – коэффициент пропускания
v – скорость
W – энергия излучения
ε – диэлектрическая проницаемость среды
μ – магнитная проницаемость среды
ν – частота
χ – диэлектрическая восприимчивость
Δ – оптическая разность хода
Φ – световой поток, разность фаз
Ω – телесный угол
σ – удельная электропроводность
δ – разность фаз
τ – время,
интервал
λ – длина волны
– угол падения
1
– угол отражения
ω – циклическая частота
3
РЕКОМЕНДАЦИИ
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ
Материал настоящего учебного пособия составлен таким образом,
чтобы он способствовал закреплению теоретических знаний, а также
вырабатывал навык в решении инженерных задач.
При решении задачи прежде всего необходимо установить, какие
физические закономерности лежат в ее основе. Затем с помощью формул, выражающих эти закономерности, следует
найти решение задачи
или ее части в общем виде (т. е. в буквенных обозначениях), причем искомая величина должна быть выражена через заданные величины. После этого можно перейти к подстановке числовых данных, выражен-
ных в одной и той же системе единиц. Рекомендуется пользоваться
единицами системы СИ. Числовой ответ обязательно должен
иметь раз-
мерность.
В некоторых задачах для нахождения искомых величин приходится
решать систему достаточно громоздких уравнений. В этом случае целесообразно сначала подставить в эти уравнения известные числовые коэффициенты, а затем находить искомые величины.
Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан
в решении задачи. Вычисления, как правило,
достаточно делать с точностью до второго-третьего знака после запятой. Это обычно определяется точностью представления исходных данных.
Полученное в виде числового ответа решение необходимо проверить каким-либо способом. Полезно оценить результат, сначала вычислив его приближенно путем округления значений до удобных для вычисления.
Некоторые задачи можно решить
несколькими методами, что позво-
ляет сделать вывод о том, какие из них наиболее рациональны. Всегда
4
следует считать лучшим тот метод решения, который проще, т. е. требует меньшего числа действий.
В заключение кратко перечислим основные рекомендации, следование которым поможет существенно облегчить решение инженерных задач.
1. Необходимо обращать внимание на все без исключения слова
в условии, поскольку при наличии или отсутствии каких-либо, на пер
вый взгляд, малосущественных ограничений ощутимо упрощается решение.
2. Перед решением задачи желательно выписать все известные и, на
первый взгляд, относящиеся к решению законы и формулы.
3. Перед решением сложной и непонятной задачи необходимо по-
пытаться сначала свести ее к более частной и, как правило, к более простой.
4.
Для удобства интерпретации условия задачи и поиска решения
полезно делать соответствующие рисунки и чертежи желательно как
можно более крупными, в натуральную величину или в масштабе. Имеющиеся в условии чертежи достраивать до удобных.
5. Число уравнений должно соответствовать количеству неизвест-
ных по ходу решения. При необходимости нужно вводить новые неизвестные
.
6. Если возможные пути решения задачи сразу после прочтения
условия не очевидны, необходимо сначала формально записать все возможные уравнения, которые могут привести к решению.
7. Необходимо помнить, что в конечных формулах должны присут-
ствовать только обозначения (данные), которые описываются в условии
как известные плюс общеизвестные константы. Если условие задачи
составлено корректно, то в одном из вариантов решения должны присутствовать все известные по условию данные. Если это не так, то либо вариантов решения несколько, либо (что вероятнее) задача решена неверно.
8. Всякое решение необходимо проверить на здравый смысл, на пре-
дельные и частные случаи, на размерность и
на порядки.
-
5
ВВЕДЕНИЕ
Принципиальным отличием оптоэлектронных устройств по сравнению с более традиционными электронными приборами является использование оптического излучения [1, 2].
Сформулируем несколько базовых определений, касающихся рассматриваемой темы.
Оптическое излучение – электромагнитное излучение оптического
диапазона.
Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные
колебания, длина волн которых лежит в пределах от одного метра до
одного нанометра. Внутри оптического
(λ = 0,38...0,78 мкм), инфракрасное (λ = 0,78...1000 мкм) и ультрафиолетовое (λ = 0,001...0,38 мкм) излучение.
Оптоэлектроника – область науки и техники, которая исследует и
применяет процессы взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации.
Интегральная оптика (микрооптика) – раздел оптоэлектроники,
изучающий и применяющий оптические явления
лупроводниковых и диэлектрических волноводах и структурах, изготовленных на единой подложке методами групповой (интегральной)
технологии.
Монохроматическое излучение – оптическое излучение, характеризующееся какой-либо одной частотой (одной длиной волны) световых колебаний.
Когерентность – согласованное протекание во времени и в пространстве колебательных или волновых процессов. Электромагнитная
волна называется когерентной
ление распространения и поляризация постоянны или изменяются по
определенному закону.
, если ее амплитуда, частота, фаза, направ-
диапазона выделяют видимое
в тонкопленочных по-
6
1. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением
световых потоков и величин, связанных с такими потоками [3].
Для количественной оценки параметров оптического излучения,
кроме энергии излучения (W), основной характеристикой является световой поток (Φ). Единицей светового потока является люмен (лм).
Он равен количеству энергии, проходящей в единицу времени через
единичную площадку, излучаемому изотропным источником
:
Опытным путем установлено, что световому потоку в 1 лм, образованному излучением с длиной волны λ = 0,555 мкм, соответствует поток
энергии в 0,0016 Вт. Световому потоку в 1 лм, образованному излучением с другой λ, соответствует поток энергии:
где V(λ) – относительная спектральная чувствительность.
Источник света, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от места наблюдения до источника, называется точечным. В однородной и изотропной среде волна, излучаемая точечным
источником, будет сферической. Для характеристики точечных источников света применяется сила света I, которая определяется как поток
излучения источника, приходящийся на единицу телесного угла:
I
dW
(1)
.
dt
0,0016
d
d
7
(2)
,
()V
(3)
,
где dΦ – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного
угла dΩ). В общем случае сила света зависит от направления:
где
и φ – полярный и азимутальный углы в сферической системе ко-
(, ),II
(4)
ординат.
Если I не зависит от направления, источник света называется изотропным. Для изотропного источника
(5)
/4 ,I
где Ф – полный световой поток, излучаемый источником по всем
направлениям.
В случае протяженного источника можно говорить о силе света элемента его поверхности dS. Тогда под dФ в формуле (3) следует понимать
световой поток, излучаемый элементом поверхности dS в пределах телесного угла dΩ. Единица измерения силы света – кандела (
кд).
Протяженный источник света можно охарактеризовать светимостью М различных его участков, под которой понимается световой по-
ток, испускаемый единицей площади наружу по всем направлениям:
d
M
исп
(6)
,
dS
d
где
– поток, испускаемый в окружающее пространство по всем
исп
направлениям элементом поверхности dS источника.
Светимость может возникнуть за счет отражения поверхностью падающего на нее света. Тогда под
d
в формуле (6) следует понимать
исп
поток, отраженный элементом поверхности dS по всем направлениям.
Единицей светимости является люмен на квадратный метр
(лм / м ).
2
Степень освещенности некоторой поверхности падающим на нее
светом характеризуется величиной
называемой освещенностью
элемент поверхности dS).
E
(d
d
пад
,
(7)
dS
– световой поток, падающий на
пад
8
Единицей освещенности является люкс (лк), равный освещенности,
создаваемой потоком в 1 лм, равномерно распределенным по поверхно-
сти площади в 1
м .
2
Освещенность Е, создаваемую точечным источником, можно выразить через силу света I, расстояние r от поверхности до источника и угол
между нормалью к поверхности n и направлением на источник:
cos
I
E
.
(8)
2
r
Светимость характеризует излучение (или отражение) света данным
участком поверхности по всем направлениям. Для характеристики излучения (отражения) света в заданном направлении служит яркость L.
Направление можно задать полярным углом
(отсчитываемым от
внешней нормали n к излучающей площадке ΔS) и азимутальным углом φ. Яркость определяется как отношение силы света элементарной
поверхности dS в данном направлении к проекции площадки dS на плос-
кость, перпендикулярную к взятому направлению:
dI
L
dS
(9)
.
cos
Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям
(L = const), называются ламбертовскими или косинусными (поток, посылаемый элементом поверхности такого источника, пропорционален
cos .)
Светимость М и яркость L ламбертовского источника связаны
простым соотношением
(10)
.ML
Единицей яркости служит кандела на квадратный метр
2
Яркостью в 1
кд / м
обладает равномерно светящаяся плоская поверх-
2
(кд / м ).
ность в направлении нормали к ней, если в этом направлении сила света
одного квадратного метра поверхности равна одной канделе.
В сводной таблице (табл. 1) приведены физические (энергетические и оптические) величины, которые используются при рассмотрении процессов, связанных с оптическим излучением, а также соотношения между
этими величинами [4, 5].
9
Таблица 1
р
р
р
–
–
у
J
J
J
Единица
Символ,
Оптическая
Единица
Символ,
ения
изме
зависимость
величина
Оптическая
ения
изме
зависимость
2
2
кд
лм
кд/м
лк
dt
dW
W лм ꞏ с
d
d
I
лм/м
d
dS
d
M
E
dS
cos
dI
dS
L
В случае плоской
2
Вт/м
,
2
m
0
2
2
m
E
~
или
E
0
1
монохроматической
световой волны
гия
Сила
света
поток
эне
Световой
Интенсивность
оптического
излучения
Освещенность
Светимость
2
2
Дж
Вт
Дж/с (Вт)
dt
e
e
d
d
e
I
e
e
dW
W
Вт/м
Вт/м
e
e
d
E
dS
dS
d
e
e
M
2
Вт/м
S
Яркость
10
Энергетические и оптические величины
поток энергии,
количество энер-
Энергетическая величина
гии, проходящей в единицу вре-
1 Энергия излучения
№
2 Поток энергии
п/п
гла
волны – энергия, переносимая
электромагнитной волной через
перпендикулярную единичную
площадку в единицу времени
заключенный в пределах единич-
мени
ного телесного
3 Сила излучения
4 Облученность
5 Энергетическая светимость
6 Энергетическая яркость
7 Интенсивность электромагнитной
(модуль среднего значения вектора
Умова – Пойнтинга)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]