Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
4.3.1. Двойное лучепреломление
Рис. 4.10. Кристаллические пластинки
Эффект двойного лучепреломления лежит в основе конструкций
кристаллических поляризаторов в виде призм (поляризационные призмы): призмы Николя, Глана, Аббе и др. Призменные поляризаторы –
это две или более соединенные трехгранные призмы, причем одна из
них обладает эффектом двойного лучепреломления. Суть работы призменных поляризаторов заключается в том, что один из получаемых в
результате двойного лучепреломления поляризованных лучей выводится
из кристалла либо поглощением, либо отклонением.
На рис. 4.11 схематично представлен ход лучей в призме Николя,
где один из лучей выводится через боковую грань призмы за счет полного внутреннего отражения от границы раздела.
Призма Николя изготавливается из кристалла исландского шпата,
разрезанного под определенным углом и затем склеенного канадским
Рис. 4.11. Ход лучей в призме Николя
91
4.3. Преобразование и управление оптическим излучением
бальзамом – веществом прозрачным для видимого света, с показателем преломления n
= 1,55. Поскольку ne n
к.б.
n0, подбором со-
к.б.
ответствующего угла можно добиться эффекта полного внутреннего
отражения в слое бальзама для обыкновенного луча.
4.3.2. Электрооптический эффект Керра. Эффект Керра
относится к явлениям искусственно создаваемой анизотропии под
действием электрического поля в жидких или газообразных веществах,
изначально находящихся в изотропном состоянии.
Ячейка Керра – это плоский конденсатор, между обкладками
которого помещается кювета с изотропным веществом (например с
жидким нитробензолом, в котором эффект Керра весьма велик). При
включении электрического поля происходит поляризация молекул
нитробензола и их выстраивание по полю. Таким образом создается
анизотропия вещества с преимущественным направлением (оптической
осью квазикристалла) вдоль электрического поля. Если пропускать
через ячейку Керра линейно поляризованный свет, то он распадется
на две волны, поляризованные вдоль поля (необыкновенная волна) и
перпендикулярно полю (обыкновенная волна), распространяющиеся с
разными скоростями. Это приведет к появлению разности фаз между
ними, и результирующая волна после выхода из ячейки окажется эллиптически поляризованной.
Количественно данный электрооптический эффект оценивается по
разности показателей преломления обыкновенной и необыкновенной
волны: n = n
– n0, которая пропорциональна квадрату напряженности
e
электрического поля Е, прикладываемого к ячейке:
n = kE2, [4.24]
где k – постоянная Керра.
Наиболее важной особенностью эффекта Керра является весьма
малая скорость переориентации молекул – малая инерционность, которая может составлять менее 10–9с. То есть при частоте электрического
поля менее 1 ГГц можно с такой же частотой модулировать световые
потоки.
4.3.3. Электрооптический эффект Поккельса. Эффект Поккельса – линейный электрооптический эффект, наблюдаемый в кристаллах, в частности в пьезоэлектриках. Величина, характеризующая
степень двойного лучепреломления n, здесь прямо пропорциональна
напряженности электрического поля Е: n = kE. Эффект Поккельса дает
значительно большие частоты модуляции световых лучей, до 1013 Гц .
92
4.3.4. Магнитооптический эффект Фарадея
4.3.4. Магнитооптический эффект Фарадея. Магнитооптический эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения, распространяющегося в веществе
(ферримагнетики: Y
3Fe5O12
, CdFe3O12, ортоферриты с цилиндрическими
магнитными доменами: MnBi, Eu, CdTbFe), вдоль (эффект максимален) магнитных силовых линий, пронизывающих это вещество. В намагниченном веществе показатели преломления электромагнитных
волн, имеющих правую или левую круговую поляризацию – n+, n–,
становятся различными.
Линейно поляризованное излучение можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу лучей, имеющих правое и
левое направление вращения. Поскольку n+ и n– различны, то волна по
мере распространения будет приобретать разность фаз, зависящую от
оптической длины пути. В результате плоскость поляризации на длине
пути l будет поворачиваться на угол = l(n+ – n–)/. Значение (n+ – n–)
в области не очень сильных полей линейно зависит от напряженности
магнитного поля Н, поэтому можно записать: = kHl.
Здесь k – константа, зависящая от напряженности магнитного
поля, свойств вещества, длины волны излучения, температуры, которая
называется постоянной Верде. Магнитооптические устройства позволяют модулировать излучение на частотах до 200 МГц за счет изменения
поляризации и последующего пропускания через анализатор.
4.3.5. Магнитооптический эффект Керра. Это эффект поворота плоскости поляризации лазерного луча при отражении от поверхности ферромагнитного материала. Он применяется в системах записи
информации на цифровых оптических накопителях. В этих системах
используется намагниченность тонких пленок (MnBi, ортоферриты,
CdTbFe), которая перпендикулярна поверхности. Если малый участок
пленки, помещенный в магнитное поле, нагреть лучом лазера до температуры выше точки Кюри, то этот участок намагничивается – запись
в точке Кюри. При облучении такого участка линейно поляризованным
светом происходит поворот плоскости поляризации, что может быть
зафиксировано при помощи анализатора. Эта технология привлекательна возможностью стирания информации путем равномерного
нагрева до температуры выше точки Кюри. При этом осуществляется
удаление перемагниченных участков и становится возможной запись
новой информации (рис. 4.12).
Как известно, принцип цифровой оптической записи информации
основан на записи при помощи лазера двухуровневого сигнала на носителе, способном фиксировать эти сигналы. Считывание информации
93
4.3. Преобразование и управление оптическим излучением
Рис. 4.12. Принцип работы перезаписывающих накопителей
Рис. 4.13. Принцип работы CD-накопителей
94
4.3.6. Акустооптический эффект
производится также с помощью луча лазера, который претерпевает изменение (поляризация, уровень сигнала) в зависимости от состояния
отражающей поверхности. Например, в системах CD-накопителей запись информации осуществляется удалением части материала под воздействием лазерной энергии – создается углубление (пит) (рис. 4.13, а).
Таким образом создаются условия для различения отраженных сигналов
от информационных питов и от необработанной поверхности диска
(рис. 4.13, б).
4.3.6. Акустооптический эффект. Акустооптический эффект
лежит в основе устройств по созданию искусственной анизотропии в
среде, позволяющей осуществлять модуляцию падающего излучения за
счет реализации периодических структур под действием ультразвуковых
колебаний (20–1000 кГц) в упругих средах, на которых за счет дифракции
происходит изменение коэффициента преломления светового потока.
Это явление трактуется более широко – как дифракция, преломление,
отражение или рассеяние на периодических неоднородностях среды –
зонах с разными показателями преломления. Суть явления заключается
в том, что образующиеся в кристалле стоячие акустические волны
создают дифракционную решетку, на которой происходит отклонение
пучка света (рис. 4.14).
Для генерирования ультразвуковых колебаний применяются
пьезоэлектрические кристаллы. Эти кристаллы преобразуют высокочастотную электрическую энергию в энергию упругих механических колебаний той же частоты – обратный пьезоэффект. Наиболее
Рис. 4.14. Принцип работы акустооптического модулятора
95
4.3. Преобразование и управление оптическим излучением
Рис. 4.15. Оптическая интегральная схема с акустооптическим
модулятором
распространенными пьезоэлектриками являются кристаллический кварц
(SiO2), ниобат лития (LiNbO3), окись цинка (ZnO) и др. Пьезокристаллический излучатель соединяется с акусточувствительным кристаллом
(тяжелый флинт, окись теллура, кристаллы PbMoO4, LiNbO3 и др.), в
котором возбуждается периодическая структура сжатий и разрежений.
Эта структура работает как дифракционная решетка для падающего на
нее излучения, осуществляя модуляцию потока за счет отклонений –
акустооптическая дифракция.
Интенсивность дифрагированного света пропорциональна силе
ультразвука. Изменяя амплитуду последнего, можно управлять интенсивностью излучения – аналоговая амплитудная модуляция. При
изменении частоты ультразвука изменяется доплеровское смещение
частоты оптических колебаний – частотная модуляция.
На рис. 4.15 показан пример размещения акустооптического модулятора внутри оптической интегральной схемы.
4.3.7. Нелинейные оптические эффекты. При взаимодей-
ствии электромагнитной волны с веществом происходит возбуждение
колебаний электронов в атомах и молекулах вещества под действием
электрического поля волны. В результате такой «наведенной поляризации атомов и молекул вещества» колеблющиеся электроны (своего
рода диполи) будут являться источником вторичных электромагнитных
волн с той же частотой, длиной волны и скоростью распространения,
что и у возбуждающего излучения. Результирующим эффектом являются процессы интерференции этих волн. В анизотропном веществе,
где есть преимущественные направления (оси), колебания электронов
96
4.3.7. Нелинейные оптические эффекты
легче возбуждаются именно в этих направлениях. Волны с различной
поляризацией имеют различную скорость распространения, что и объясняет явление двойного лучепреломления.
Коэффициентом пропорциональности между поляризуемостью
вещества и напряженностью электрического поля служит показатель
преломления, зависящий от вещества.
В обычной оптике поляризуемость вещества линейно пропорциональна величине электрического поля.
После появления лазеров – источников электромагнитных колебаний
с большой амплитудой напряженности электрического поля в волне,
стали возможны явления нелинейной поляризации второго порядка, когда
поляризуемость вещества становится пропорциональной квадрату силы
приложенного поля. Такие случаи назвали нелинейными оптическими
эффектами. Кроме явлений второго порядка, существуют нелинейные
эффекты и третьего порядка.
При нелинейных эффектах второго порядка возникают такие явления, как удвоение частоты излучения, сложение частот двух излучений,
параметрическое излучение и др.
Одно из широко применяемых нелинейных явлений в лазерной
технике – это генерация второй гармоники.
Генерация второй гармоники – получение излучения с удвоенной
частотой при облучении нелинейного оптического кристалла лазером
(рис. 4.16).
При падении на нелинейный кристалл световой волны с частотой
возникает частично нелинейная поляризация. В результате в наведенном излучении диполей кристалла, помимо основной частоты,
будут наблюдаться колебания с удвоенной частотой 2 – гармоники
второго порядка. Аналогично можно получить генерацию и третьей
гармоники.
Рис. 4.16. Принцип генерации второй гармоники
97
4.3. Преобразование и управление оптическим излучением
Хорошо известно применение генерации второй гармоники в излучении неодимового лазера YAG, имеющего в ближней ИК-области длину
волны генерации равную 1,06 мкм. При пропускании ИК-излучения
через нелинейный кристалл оно преобразуется в видимое излучение с
длиной волны 0,53 мкм (FD YAG лазер).
98
Тема 5. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О ЦВЕТЕ
Образование цвета. Визуальный колориметр. Законы
цветосинтеза. Субъективные характеристики цвета.
Субтрактивный синтез цвета. Полиграфическая триада.
Идеальный субтрактивный (полиграфический) синтез.
«Выделение красок»
Цвет – качественная субъективная характеристика электро-
магнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании
возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая
от ряда физических, физиологических и психологических факторов.
Индивидуальное восприятие цвета определяется его составом,
цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света
и несветящимися объектами.
5.1. Образование цвета
Белый свет солнца состоит из множества монохроматических
излучений или цветных составляющих, называемых спектром.
Спектр – spectrum (лат. видение, призрак). В научный обиход
этот термин ввел И. Ньютон в 1671–1672 гг. для обозначения
многоцветной полосы, похожей на радугу, которую он наблюдал при прохождении солнечного луча через стеклянную призму.
Любопытно, что разбиение спектра на семь основных цветов:
красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый – также принадлежит И. Ньютону, что, вероятно, связано
с влиянием европейской нумерологии того времени и основывается на аналогии с семью нотами в октаве (семь металлов, семь
планет и т. д.).
Чтобы объект проявил окраску, его необходимо осветить светом,
в котором представлены все составляющие видимой части солнечного
спектра. При этом отраженная часть и даст цвет объекта. При отражении
всех составляющих белого света объект выглядит белым или серым в
зависимости от интенсивности отраженной части падающего пучка.
Если падающие излучения не отражаются, то возникает ощущение
черного цвета.
99
5.1. Образование цвета
Рис. 5.1. Относительные кривые чувствительности глазных рецепторов
В процессе эволюции зрения у человека сформировалась чувствительность к трем частям солнечного спектра, которые мы условно называем
красной, зеленой и синей областями. В сетчатке глаза присутствуют три
типа рецепторов (нервных окончаний), каждый из которых чувствителен
примерно к 1/3 излучений видимого спектра. Уровень максимальной
чувствительности этих рецепторов в своих областях спектра не одинаков. Относительные кривые спектрального распределения частично
перекрывают друг друга (рис. 5.1).
В результате трехкомпонентность цвета, обусловленная физиологическими свойствами человеческого зрения, привела к развитию систем,
позволяющих проводить оценки, практические расчеты и измерения
цвета, которые рассматриваются наукой колориметрия.
Как показали исследования по оценкам цветового действия,
они для многих индивидуумов мало различаются между собой.
В результате возможно установить некоторую среднюю характеристику цветочувствительности глаза. Такой «усредненный» глаз
позволяет говорить о свете и о цвете не только как об ощущениях, но и как о технических понятиях (свободных от индивидуальных особенностей), определения которых базируются на сходстве
восприятий огромного большинства нормальных наблюдателей.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]