Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
2.4.5. Условия усиления
Схема 7
плоская электромагнитная волна с интенсивностью, соответствующей
объемной плотности потока энергии .
Запишем изменение плотности потока d
дения слоя dx:
d
dx
–(–)
NB NB B N N
221 112 2 1
в результате прохож-
, [2.20]
где B = B12 = B21,
– сечение вынужденных процессов для переходов 1 2.
Из выражения видно, что, если N2 N1, то плотность потока по
координате х растет, происходит усиление, если N2 N1, то плотность
потока падает – происходит поглощение.
Таким образом, увеличение плотности энергии поля внешнего излучения происходит в квантовой системе тогда, когда распределение
населенностей таково, что верхние состояния заселены больше, чем
нижние, т. е. инвертированы по отношению к равновесному распределению населенностей, описываемому соотношением Больцмана, где
N2 N1 всегда.
Системы квантовых частиц, в которых хотя бы для двух уровней
энергии более высоко расположенный уровень был населен больше
нижнего, называются системами с инверсией населенности или средой
с «отрицательной температурой». Такие среды будем называть актив-
ными средами.
Итак, если выполняются условия инверсии и совпадения частот
внешнего поля и перехода активной среды, мы получим усилитель
излучения или LASER. Если частота перехода попадает в СВЧдиапазон, то соответствующий усилитель называется MASER (M –
microwave).
Поскольку в обычных термодинамически равновесных условиях
среда не обладает инверсными состояниями, то для реализации усилительных свойств необходимо внешнее воздействие, т. е. подвод внешней
энергии. Такое воздействие на квантовую среду называется накачкой.
Способы накачки могут быть весьма разнообразными: электрический
41
2.4. Лазеры и лазерное излучение
ток, внешнее облучение, протекание химических реакций, газодинамическая накачка и др.
Для того чтобы усилитель излучения превратить в генератор излучения (собственно именно под генератором излучения и понимают
термин Laser) необходимо ввести положительную обратную связь.
Обратная связь – понятие из радиотехники: часть сигнала с выхода подается на вход и тем самым, при компенсации потерь в
замкнутой цепи обратной связи, поддерживается незатухающий
режим.
В лазере обратную связь обычно получают размещением активной
среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения.
Простейшая система, состоящая из двух плоскопараллельных зеркал
именуется резонатором Фабри–Перо (схема 8).
В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном плоскости зеркал, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через
Схема 8
активную среду. Если одно из зеркал сделать частично прозрачным, то
на выходе можно выделить пучок полезного излучения. В общем случае
оптический резонатор – это система отражающих, преломляющих,
фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между
которыми могут возбуждаться волны оптического диапазона.
Однако переход от усиления к генерации возможен лишь при выполнении некоторых пороговых условий, когда усиление компенсирует
потери (например частичным выходом излучения из резонатора). Пороговые условия определяются соотношением усиления и природой потерь.
Усиление как правило определяется инверсией (N
–N1). Поэтому для
2
различных условий (резонаторов, сред и т. п.) порог по инверсии будет
разным и называется критической инверсией. Критическая инверсия в
общем случае может быть выражена:
42
2.4.6. Принципы построения и конструкции лазеров
RR
ln( )
(N2 –N1)кр = –
12
, [2.21]
l
2
где R1, R2 – коэффициенты отражения зеркал,
l – длина активной среды.
Генерация разовьется из спонтанного излучения, как только будет
достигнута критическая инверсия. При этом фотоны будут усиливаться
вдоль оси резонатора. Другие потоки, вызванные также спонтанными
фотонами, будут выведены за пределы активной среды или поглощены
(схема 9).
Схема 9
2.4.6. Принципы построения и конструкции лазеров. Функ-
ционально лазер состоит из следующих частей.
Излучатель лазера – активный элемент (среда) излучающий электромагнитную энергию, в котором реализуются условия инверсии. По типу
материала активного элемента или активной среды можно выделить
три основных класса.
I. ГАЗОВЫЕ. Активная среда – вещество в газообразном состоянии
(в том числе пары твердых веществ, например пары металлов).
II. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ. Активная среда – вещество в состоянии
твердого тела (в том числе полупроводники).
III. ЖИДКОСТНЫЕ. Активная среда – вещество в жидком состоянии.
Эффекты лазерного излучения можно наблюдать и от систем,
которые способны испускать электромагнитное излучение, не
являясь при этом конкретным агрегатным состоянием вещества.
Например, пучки ускоренных электронов – лазеры на свободных
электронах.
Источник энергии (внешний или внутренний), обеспечивающий
создание инверсии в активной среде (источник накачки). Конструктивно система накачки – совокупность элементов, предназначенных для
43
2.4. Лазеры и лазерное излучение
преобразования энергии и передачи ее от внешнего источника энергии
к лазерному активному элементу.
Система положительной обратной связи, создающая условия само-
генерации излучения. Конструктивно – система зеркал.
2.4.7. Основные параметры лазеров. Лазерное излучение
характеризуется пространственно-временными и энергетическими па-
раметрами.
К пространственно-временным относятся:
частота
•
лазерного излучения – средняя частота (или длина
волны) спектра лазерного излучения);
ширина линии лазерного излучения • – расстояние между
точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме;
расходимость лазерного излучения • d – плоский или телесный
угол, характеризующий угловое распределение энергии лазерного
излучения.
Формула для расчета угла расходимости электромагнитной волны
длиной испущенной антенной диаметром D:
,
d
D
где – коэффициент порядка 1 (для однородных лазерных пучков
1,2).
Здесь угол выражен в радианах (1 рад около 57° дуги). При диа-
метрах лазерных пучков порядка 1 см и длинах волн порядка 5 · 10–5 см
(500 нм) получим угол расходимости порядка 5 · 10–5 рад или около трех
тысячных долей градуса. Если увеличить поперечные размеры лазерного
пучка, например пропустив его через телескопическую систему, то для
телескопов с диаметром зеркал порядка 1 м (самый крупный телескоп
имеет диаметр зеркала порядка 6 м) можно уменьшить расходимость
до десятимиллионных долей радиана (0,5 · 10–6). Луч света от такой
оптической антенны, направленный на Луну, создаст световое пятно
на ее поверхности диаметром порядка 100 м. (Если использовать для
«освещения» Луны обычный прожектор, то его луч, пройдя почти
400 тыс. км (расстояние до Луны) разойдется настолько, что займет
в пространстве область, значительно превосходящую размеры самой
Луны.) С малой расходимостью лазерного излучения тесно связана и
другая его важная особенность: весь поток фотонов, испускаемый лазером, можно с помощью оптики сфокусировать в точку, диаметром:
Fd ,
где d =
,
D
44
2.4.7. Основные параметры лазеров
F – фокусное расстояние оптической системы. При выборе параметров оптики диаметр пятна можно сделать порядка длины волны
(для видимого диапазона это размеры 0,4–0,6 мкм).
К энергетическим параметрам относятся прежде всего энергия
Е и мощность Р лазерного излучения. Значения этих параметров необходимо рассматривать в зависимости от режимов работы лазеров,
которые подразделяются на непрерывный и импульсный, или импульсно-
периодический.
Мощность излучения лазеров непрерывного действия в настоящее
время доходит до десятков кВт (технологические), а в импульсном возможно достижение мощностей до 1000 МВт и более. Такие величины
пиковых мощностей обусловлены возможностью получения сверхкоротких импульсов излучения. Минимальная длительность импульса
лазерного излучения, достигнутая в настоящее время, составляет около
100 фм (10
–13
с). В принципе, возможно дальнейшее сокращение дли-
тельности световых импульсов вплоть до значений порядка периода
–14
световой волны, т. е. до 10
–15
–10
с. В столь коротком импульсе может
быть высвечена вся энергия, запасенная в довольно большом объеме
активной среды.
Энергия импульсных лазеров уже сейчас доходит до десятков кДж
за импульс. В химических лазерах на молекулах HF, DF или фотохимических лазерах на атомах I, которые прогнозируются для использования
в установках по получению лазерного термоядерного синтеза, возможно
достижение энергосъема до МДж за импульс, длительностью до мкс.
При длительностях импульсов в 10–9 и менее мощность излучения составит сотни или тысячи МВт.
Колоссальная мощность импульсных лазеров в сочетании с малой
расходимостью пучков обусловливает высокую яркость лазерного излучения.
Известно, что яркость изображения светящегося объекта, полученного с помощью какой-либо оптической системы, не может
быть больше яркости самого объекта. Отсюда следует, что температура, которую можно получить, фокусируя излучение, испускаемое светящимся телом, не может превосходить температуру
на его поверхности. Радиационная же температура лазерного излучения может быть сделана сколь угодно большой – все зависит
от мощности и расходимости лазерного излучения. Следовательно, можно разогреть поверхность до очень высоких температур. Например, интенсивность сфокусированного излучения (I)
мощных лазеров может достигать величин до 10
45
–20
Вт/см2, при
2.4. Лазеры и лазерное излучение
этом напряженность электрического поля световой волны может
достигнуть значений 10
11
В/см (E 20 I ). Это на два порядка
больше напряженности поля, удерживающего электрон в атоме
водорода. Следовательно, в таких световых полях произойдет
иони зация атомов.
Тема 3. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Типы приемников. Основные характеристики приемников
излучения. Тепловые приемники оптического излучения.
Фотоэлектрические приемники оптического излучения.
Фотохимические приемники излучения. Фотография.
Строение глаза. Спектральная чувствительность.
Световые единицы
3.1. Типы приемников
Под приемником излучения понимают физическое тело,
предназначенное для приема и преобразования поглощенной энергии
излучения в энергию какого-либо другого вида: электрическую, химическую, биологическую, тепловую и т. п. с последующей ее регистрацией
или измерением.
Приемники излучения делятся на два больших класса: физические
и биологические. Такое деление определяет и существование в фотометрии двух методов световых измерений:
субъективный (зрительный, при котором приемником служит человеческий глаз);
объективный, где для измерений используются физические при-
емники излучения.
В основе субъективного метода лежит способность глаза устанавливать
равенство яркостей двух соприкасающихся полей. Это равенство устанавливается с тем большей точностью, чем меньше по цвету отличается
одно поле сравнения от другого. Именно субъективными методами были
заложены основы колориметрии и теории цвета. Основные требования
при субъективных измерениях:
изображения полей сравнения должны размещаться на централь-
•
ной части сетчатой оболочки глаза. При этом угловые размеры полей
желательно иметь 2-3° (но не более 6°), чтобы изображения полей
сравнения укладывались в пределах желтого пятна и прилегающей
к нему части сетчатой оболочки (где сосредоточено около 200 000 кол-
бочек, что обусловливает наибольшую остроту зрения);
яркости полей сравнения должны лежать в области от 7 до
•
30 кд/м2;
поля сравнения должны быть окружены темным полем;
•
глаз должен быть адаптирован под условия наблюдений в течение
•
50–60 минут.
47
3.2. Основные характеристики приемников излучения
S
При объективных измерениях энергетических и эффективных ве-
личин используются физические приемники излучения.
3.2. Основные характеристики приемников излучения
Эффективным потоком называется поглощенный приемником поток излучения, преобразованный в полезный (регистрируемый)
сигнал. Эффективный поток всегда меньше полного потока (за исключением случаев проявления средой усилительных свойств)
Каждый приемник энергии излучения характеризуется чувстви-
тельностью S. Под чувствительностью понимают отношение величины
i, характеризующей реакцию приемника (ток, почернение фотомате-
риала и др.), к величине Q, вызвавшей эту реакцию:
Различают интегральную и спектральную чувствительности.
Спектральная чувствительность характеризует реакцию приемника
di при поступлении на него монохроматического потока излучения
dQ:
()diS
. [3.1]
dQ
Относительной спектральной чувствительностью называется
отношение спектральной чувствительности S( для данной длины
волны к максимальной чувствительности приемника S
волны
max
):
()()S
. [3.2]
S
max
s
Относительная спектральная чувствительность призвана характе-
ризовать границы применимости приемника по :1 – 2.
Интегральная чувствительность характеризует отношение реакции
приемника в диапазоне применимости его по длинам волн ко всему
падающему на него потоку независимо от длины волны:
, [3.3]
()Qqd
0
где q() – спектральная плотность падающего потока.
Таким образом, можно записать для интегральной чувствительности:
2
() ()
qsd
1
S
max
()
qd
0
. [3.4]
S
i
Q
max
.
(на длине
48
3.2. Основные характеристики приемников излучения
Видно, что интегральная чувствительность определяется не только
спектральной чувствительностью, но и спектральной плотностью падающего потока излучения.
У большинства приемников спектральная чувствительность зависит
от длины волны падающего излучения. Такие приемники называются
избирательными, или селективными.
Приемники, у которых спектральная чувствительность в широком
диапазоне длин волн не зависит от длины волны падающего излучения
называются неселективными (неизбирательными). Следует заметить, что
идеально неселективных приемников не существует.
В случае, если в качестве приемника потока излучения выступает
глаз или физический приемник, скорригированный под глаз (кривая
чувствительности приемника соответствует чувствительности глаза),
то такой эффективный поток называется световым. Если в качестве приемника выступает физический приемник с произвольной
чувствительностью, то используют понятие фотоактиничный или
актиничный поток.
Итак, фотоактиничный поток:
эфф 0
() ()QQSd
0
, [3.5]
световой поток:
() ()QQVd
эфф 0
0
. [3.6]
Поверхностная плотность фотоактиничного потока называется
актиничностью излучения. В случае светового потока – это освещенность.
Несмотря на то что чувствительность определяет уровень реакции
приемника, но не она определяет предельно малое значение измеряемой величины, которое можно обнаружить данным приемником. Это
значение называется порогом чувствительности и определяется условием превышения измеряемой величиной уровня внешних помех или
собственных шумов приемника.
Диапазон значений измеряемой величины (min – max), в пределах
которого может работать данный приемник, называется динамическим
диапазоном и определяется со стороны минимальных значений порогом
чувствительности, а со стороны максимальных – разрушением или
падением линейности.
Еще одной важной характеристикой приемников излучения является постоянная времени – скорость нарастания реакции приемника при
49
3.3. Физические приемники оптического излучения
включении излучения или скорость спада реакции после выключения.
Обычно за постоянную времени принимают время нарастания или
спада реакции при изменении сигнала в e раз. Постоянная времени
определяет допустимую частоту модуляции потока излучения, а также
применимость приемника для импульсных измерений.
3.3. Физические приемники оптического излучения
Физические приемники оптического излучения можно
подразделить на три основные группы:
1 – тепловые;
2 – фотоэлектрические;
3 – фотохимические.
3.3.1. Тепловые приемники оптического излучения. Тепловые
приемники основаны на преобразовании энергии оптического излучения в тепловую. Изменение теплового режима рабочего элемента
приемника приводит к изменению в электрических цепях регистрации.
Наиболее известными тепловыми приемниками являются болометры,
термоэлементы, оптико-акустические, пироэлектрические.
1. Принцип действия болометра основан на изменении электриче-
ского сопротивления тела приемника при изменении его температуры
под действием лучистого потока. В качестве тела приемника используются полупроводники – окислы Mn, Co, Ni, Ge или металлы – тонкие
пленки Au, Ni, Bi (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Схема болометра
Зависимость изменения сопротивления (R) от температуры (Т)
определяется следующим выражением:
R = R0 [1 + T(T – T0)], [3.7]
где R0 – сопротивление болометра при Т0;
T – температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]