- •В.Ш. Берикашвили э.А. Засовин а.К.Черепанов
- •Оптоэлектронные и радиооптические устройства и системы
- •Монография
- •Москва 2010
- •Введение
- •1. Когерентная оптика и оптическая
- •1.1. Свойства света и его параметры
- •1.2. Оптоэлектронные приборы и устройства
- •1.3. Монохроматичность, когерентность и поляризация света
- •1.3.1. Монохроматическое излучение
- •1.3.2. Когерентность
- •1.3.3. Поляризация излучения
- •1.3.4. Состояние и степень поляризации света
- •2. Геометрическая оптика
- •2.1. Распространение света
- •2.2. Преломление и отражение света на границе двух однородных сред
- •2.3. Особенности распространения оптического излучения в световодах
- •2.3.1. Конструкция волоконного световода
- •2.3.2. Потери излучения в световодах из кварцевых стекол
- •2.4. Взаимодействие света с веществом
- •2.5. Классификация оптоэлектронных приборов и устройств
- •2.6. Пассивные оптические элементы
- •2.6.1. Тонкие линзы и объективы
- •2.6.2. Коллиматоры
- •2.6.3. Зеркальный телескоп
- •2.6.4. Матричное описание оптических систем
- •2.6.5. Аберрации оптических систем
- •2.6.6. Градиентные цилиндрические линзы (гцл)
- •3. Дисперсия, дифракция и интерференция света
- •3.1. Дисперсия света
- •3.2. Дифракция света
- •3.3. Интерференция света и интерферометры
- •3.4. Двухлучевые интерферометры
- •3.4.1. Интерферометр Майкельсона
- •3.4.2. Эшелон Майкельсона
- •3.4.3. Интерферометр Фабри-Перо
- •3.4.4. Интерферометры Фабри-Перо на клине
- •3.4.5. Аналоги интерферометра Фабри-Перо
- •4.6. Интерферометр Маха-Цендера
- •1 ¬ Лазер одномодовый, 2 ¬ расширитель луча, 3, 6 ¬ полупрозрачные пластины, 4, 7 ¬ зеркала, 5 ¬ исследуемая среда, 8 ¬ видеокамера, 9 ¬ интерфейс, 10 ¬ пк
- •3.5. Волоконно-оптические и интегрально-оптические интерферометры
- •3.5.1. Волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо
- •3.5.2. Волоконно-оптический интерферометр Маха-Цендера
- •3.6. Планарные диспергирующие элементы интегральной оптики
- •3.6.1. Планарные волноводы
- •3.6.2. Волноводные диспергирующие элементы
- •3.6.3. Многоканальные волоконно-оптические линии связи
- •4. Электрооптические, магнитооптические и акустооптические устройства
- •4.1. Электрооптические эффекты
- •4.1.1. Поперечный электрооптический эффект Поккельса
- •4.1.2. Продольный электрооптический эффект Поккельса
- •4.1.3. Квадратичный электрооптический эффект Керра
- •4.2. Электрооптические модуляторы света
- •4.2.1.Модуляторы на основе продольного электрооптического эффекта Поккельса
- •4.2.2.Электрооптические модуляторы на основе поперечного электрооптического эффекта Поккельса
- •4.2.3. Электрооптические модуляторы вч и свч
- •4.3. Модуляторы на жидких кристаллах
- •4.3.1. Физические свойства жк
- •4.4. Электрооптический эффект в цтсл-керамике
- •4.5. Магнитооптические эффекты
- •4.6. Акустооптическая модуляция
- •4.6.1. Явление фотоупругости
- •4.6.2. Акустооптические преобразователи
- •4.6.3. Свойства регулярных дифракционных решеток
- •4.6.4. Конструкция и особенности функционирования акустооптического модулятора
- •5. Оптическая обработка информации
- •5.1. Описание оптического сигнала
- •5.2. Методы Фурье-анализа
- •5.2.1. Частотный спектр одномерных сигналов
- •5.2.2. Разложение оптического сигнала в пространственно-временной спектр
- •5.2.2.1. Двумерный оптический сигнал и его информационная структура.
- •5.2.2.2. Дискретизация оптического сигнала
- •5.2.2.3. Дискретное двумерное преобразование Фурье
- •5.3. Аналоговые оптические процессоры
- •5.3.1. Акустооптические процессоры и их применение
- •5.3.2. Оптический процессор двумерного преобразования Фурье
- •5.4. Оптоэлектронные ацп
- •5.4.1. Поляризационные электрооптические ацп
- •5.4.2. Фазовые электрооптические ацп
- •5.4.3. Гибридный электрооптический ацп
- •6. Радиооптические системы
- •6.1. Классификация радиооптических систем
- •6.2. Структурные схемы основных радиооптических систем
- •6.2.1. Система с открытым каналом
- •6.2.2. Компоненты радиооптической системы с открытым каналом
- •6.2.3. Передающие оптические модули
- •6.2.4. Передающие оптические антенны
- •6.2.5. Источники излучения
- •6.2.5.1. Светоизлучающие диоды
- •6.2.5.2. Лазерные диоды
- •6.2.5.3. Лазеры
- •Приемный оптический модуль
- •Приемные антенны
- •6.2.6.2. Компоненты приемного модуля
- •7. Распространение электромагнитных волн в атмосфере
- •7.1. Электрические и метеорологические характеристики атмосферы
- •7.1.1. Молекулярное поглощение радиоволн в парах воды и в кислороде
- •7.1.2. Влияние аэрозолей, дымки, туманов и облаков на ослабление коротковолнового и оптического излучения
- •7.1.3. Ослабление энергии радио и оптического излучения в гидрометеорах
- •7.1.4. Влияние рефракции радиоволн и оптического излучения на связь
- •7.1.5. Потери электромагнитной энергии на преодоление замираний
- •7.1.6. Распространение электромагнитных волн в ионосфере
- •8. Лазерные локационные системы
- •8.1. Схема лазерной локационной системы
- •8.1.1. Многофункциональная система лазерной локации
- •8.1.2. Лазерные системы управления оружием
- •8.1.3. Лазерные системы связи и стыковки космических аппаратов
- •8.1.4. Расчеты параметров оптической связи
- •9. Обзорно–поисковые оптические системы
- •9.1. Системы с последовательным построением отдельных участков изображения
- •9.2. Двухканальные системы
- •9.3. Измерение дальности
- •Импульсные дальномеры
- •9.3.2. Фазовые дальномеры
- •9.4. Измерение скорости в лабораторных условиях
- •9.4.1. Измерение скорости с помощью некогерентного излучения
- •9.4.2. Дифференциально-интерференционный метод измерения скорости
- •9.4.3. Дифракционный метод измерения скорости
- •9.4.4. Измерения скорости в поле движущихся отсчетных точек
- •9.5. Измерение угловых координат
- •9.5.1. Система кодирования без воспроизведения изображения
- •9.5.2. Система кодирования с воспроизведением изображения
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Содержание
1. Когерентная оптика и оптическая
обработка информации
1.1. Свойства света и его параметры
Специальные исследования показали, что человек получает 90% информации через органы зрения. Диапазон видимого электромагнитного излучения простирается от 0,38 мкм до 0,78 мкм. Однако, оптическим диапазоном в настоящее время называют значительно более широкий диапазон: от 0,1 мкм до 100 мкм. Излучение этого диапазона с большой точностью подчиняется законам геометрической оптики, как и видимый свет. Кроме того, оно воспринимается и преобразуется современными оптоэлектронными устройствами.
Весь оптический диапазон принято разбивать на следующие диапазоны:
Вакуумный ультрафиолетовый (ВУФ) - от 0,1 до 0,2 мкм.
Ультрафиолетовый (УФ) - от 0,2 до 0,38 мкм.
Видимый - от 0,38 до 0,78 мкм.
Ближний инфракрасный (Ближний ИК) - от 0,78 до 2,0 мкм.
Средний инфракрасный (Средний ИК) - от 2,0 до 10,0 мкм.
Дальний инфракрасный (Дальний ИК) - от 10,0 до 100,0 мкм.
В связи с тем, что полупроводниковые оптоэлектронные приборы играют значительную роль в генерации и преобразовании излучения оптического диапазона, следует отметить рабочий диапазон полупроводниковых источников излучения, который заключен в пределах от 0,2 мкм до 20 мкм.
В свою очередь современные полупроводниковые фотоприемные устройства воспринимают и преобразуют излучение всего оптического диапазона.
Волновые свойства излучения проявляются при распространении волн за препятствия (дифракция) и при взаимодействии световых пучков (интерференция). Взаимодействие пучков света с одной длиной волны (пучков когерентного излучения) приводит к появлению светлых и темных полос в суммарном поле, т.е. амплитуды света суммируются при совпадении фазы колебаний и взаимно уничтожаются при колебаниях в противофазе. Волновые свойства света и законы интерференции используются в высокочувствительных оптических датчиках и измерительных приборах фазового типа, а также в голографии.
Впервые представление о квантах светового излучения ввел Планк. Позже Эйнштейн, при изучении взаимодействия света с веществом на микроскопическом уровне, вывел уравнение фотоэффекта, в котором впервые использовал понятие фотона как кванта света. В соответствии с теорией относительности фотон, обладающий энергией Е=hν, должен иметь массу покоя m0=hν/с2 и импульс P=hν/с, где с- скорость света. Российский ученый Лебедев П.Н. впервые экспериментально доказал наличие импульса у света, измерив световое давление на тонкие металлические лепестки вертушки, вращающейся под действием света в вакууме. Наличие импульса у света свидетельствует о корпускулярных свойствах оптического излучения, которое подтверждается также опытами по квантовому взаимодействию света с электронами атомов различных веществ в разных агрегатных состояниях (твердых, жидких и газообразных).
Таким образом, оптическое излучение обладает свойствами частицы и волны т.е. имеет место так называемый корпускулярно-волновой дуализм.
Для описания видимого света вводятся специальные фотометрические величины, дополняющие известные энергетические характеристики.
В оптике традиционно принято использовать следующие физические величины:
– световой поток - Ф количество лучистой энергии, протекающей в единицу времени сквозь некоторую поверхность σ; измеряется в люменах ; (лм) – световой поток, посылаемый источником света 1 кд внутрь телесного угла в 1 ср (ср-стерадиан); люмен может быть выражен в ваттах;
– сила света I – отношение светового потока dФ, распространяющегося от источника в рассматриваемом направлении внутри малого телесного угла dΏ, к этому телесному углу
(I=dФ/dΏ); единицей силы света является кандела (кд) – сила света, испускаемого с 1/600000 м2 площади сечения излучения в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре затвердевания платины Т=2042 К и при давлении р=101325 Па. Международная свеча составляет 1,005 кд; кд может быть также выражена в ватт/ср;
– освещенность Е – величина светового потока, приходящегося на единицу площади освещаемой поверхности, Е=dФ/dσ; для измерения освещенности используется единица люкс; лк=лм/м2 – световой поток в 1 лм, распределенный по площади 1 м2; может быть выражена в ватт/м2;
– яркость источника В (для протяженных источников) – световой поток, излучаемый в данном направлении единицей площади видимой поверхности источника внутрь единичного телесного угла; может быть выражена в ватт/(м2 ·ср);
– светимость S – суммарный световой поток, отходящий от единицы площади светящейся поверхности внутрь телесного угла равного 2π; S=Ф/σ,; для измерения освещенности используется также единица люкс (лк) = лм/м2 – световой поток в 1 лм, распределенный по площади 1 м2; выражается в ватт/м2, как и освещенность.
При разработке средств освещения внутри помещений, на городских улицах и магистралях необходимо учитывать чувствительность человеческого глаза к различным участкам спектра видимого излучения. Многочисленными измерениями была получена чувствительность усредненного человеческого глаза к разным частям видимого спектра, которую назвали кривой видности. Максимум кривой видности соответствует длине волны 0,555 мкм. Таким образом, глаз человека на этой длине волны (зеленый цвет) обладает наибольшей чувствительностью.
Следует заметить, что и фотоприемные устройства имеют характерные кривые спектральной чувствительности.