Джерела і приймачі оптичного випромінювання

ДЖЕРЕЛА І ПРИЙМАЧІ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

1. Теплове випромінювання

Однією з форм енергії є оптичне випромінювання, виникнення якого пов’язане із зміною енергетичних станів електронів в атомі, а також з коливальним або обертальним рушенням молекул, що входять до складу випромінюючого тіла. Оптичне випромінювання включає теплове (температурне) і люмінесцентне випромінювання.

Під тепловим випромінюванням розуміють випромінювання, яке виникає внаслідок теплового збудження атомів і молекул. Воно випускається всіма тілами при температурах, відмінних від абсолютного нуля, і характеризується температурою тіла. Теплове випромінювання твердих і рідких тіл має безперервний спектр. Люмінесцентне випромінювання виникає при збудженні атомів і молекул речовини за рахунок будь-якого вигляду енергії, крім теплової, наприклад, енергії хімічних реакцій, електричного струму і т.д. Теплове і люмінесцентне випромінювання є некогерентний і розповсюджуються в просторі у різних напрямах. Одночасно з випущенням випромінювання кожне тіло поглинає падаюче на нього випромінювання, внаслідок чого встановлюється рівноважна температура. Спектральні випромінювальні властивості тіл характеризуються спектральною щільністю енергетичної світності, а поглинальні властивості - спектральним коефіцієнтом поглинання, який показує, яка частина падаючого на поверхню тіла монохроматичного потоку випромінювання при певній температурі і довжині хвилі поглинається. Тіло, що повністю поглинає весь падаючий потік незалежно від напряму падіння, спектрального складу і поляризації випромінювання, називають чорним тілом. Випромінювання цього джерела підкоряється законам, які застосовуються також для розрахунку випромінювання реальних тіл з використанням поправочних коефіцієнтів.

Кількісний зв’язок між процесами випущення і поглинання енергії випромінювання для будь-якого тіла встановлює закон Кирхгофа. Згідно з цим законом для певної довжини хвилі при даній температурі відношення спектральної щільності енергетичної світності до спектрального коефіцієнта поглинання є величина постійна для будь-яких тіл незалежно від їх природи і форми:

.

Оскільки для чорного тіла, то із закону Кірхгофа випливає, що спектральна щільність

тобто чим вище коефіцієнт поглинання тіла, тим кращим випромінювачем воно є.

Розподіл енергії в спектрі випромінювання чорного тіла описується законом Планка:

(1)

де — постійна, рівна; - постійна, рівна; - основа натурального логарифма.

Криві розподіли спектральної щільності енергетичної світності, розраховані по формулі Планка, представлені на рис. 1. Для цих кривих довжина хвилі в мікрометрах, відповідна найбільшій спектральній щільності

; (2)

. (3)

Закон Стефана Больцмана описує залежність між енергетичною світністю чорного тіла і його температурою:

де. Оскільки випромінювання чорного тіла підкоряється закону Ламберта, то

.

Для обчислення спектральної щільності енергетичної світности формулу (1) записують з використанням відносних величин і :

(4)

де; .

Формулу (4) називають рівнянням єдиної ізотермічної кривої, яка може бути представлена у вигляді єдиного графіка або таблиці значень. Користуючись цими даними, можна визначити для будь-якої довжини хвилі і температури. Для обчислення за формулами (2), (3) розраховують і. Знаючи, з таблиці або графіка знаходять, а потім визначають .

У природі чорних тіл не існує. Реальні випромінювачі, у яких, звичайно розділяють на тіла з селективним (виборчим) випромінюванням і тіла з сірим випромінюванням. Для характеристики наближення випромінювання реального тіла при даній температурі до випромінювання чорного тіла при тій же температурі вводиться інтегральний і спектральний коефіцієнти випромінювання:

;, (5)

де, , , — відповідно енергетична світність і спектральна щільність енергетичної світності реального і чорного тіл.

Значення і для різних випромінювачів визначаються експериментально.

2. Теплові і газоразрядні джерела випромінювання. Світлодіоди

З фізичної точки зору будь-яке тіло, що здатне випромінювати енергію навкруги, можна назвати джерелом випромінювання. Всі існуючі джерела випромінювання можна розділити на дві групи: штучні і природні, які в свою чергу класифікуються або за фізичною природою випромінювання, або за призначенням.

До природних джерел випромінювання відносяться Сонце, Місяць, планети, зірки, поверхня Землі, хмари, атмосфера. Природні джерела, випромінювання яких не можна регулювати, як правило, використовуються в системах пасивного типу або для наукових досліджень. Крім того, їх випромінювання є фоном, що створює перешкоди при роботі оптико-електронних приладів.

Найбільше практичне значення мають штучні джерела випромінювання, які можна розділити на технічні і зразкові (модель чорного тіла, порожнисті випромінювачі, імітатори випромінювання). До основних технічних джерел відносяться теплові (температурні), люмінесцентні, змішаного випромінювання і лазери.

Теплові джерела. Випромінювання цих джерел підкоряється законам теплового випромінювання. Типовими представниками теплових джерел є електричні лампи розжарювання, штифт Нернста, силитовий випромінювач, моделі чорного тіла.

Електричні лампи розжарювання використовують як джерела випромінювання в інфрачервоній і видимій областях спектра. Джерелом випромінювання в електричних лампах розжарювання служить нитка з тугоплавкого чистого металу або тугоплавких з'єднань металу. Матеріал тіла напруження повинен мати високу температуру плавлення, мінімальну швидкість випаровування і необхідну спектральну характеристику випромінювання. З чистих металів цим вимогам найбільш повно задовольняє вольфрам (температура плавлення). З тугоплавких з'єднань найбільш придатний карбід тантала. Широке застосування ламп розжарювання пояснюється можливістю їх включення в мережу живлення без додаткових пристроїв, суцільним спектром випромінювання, відпрацьованою технологією виготовлення в широкому діапазоні потужностей, малою вартістю і високою надійністю.

Лампи розжарювання характеризуються температурою тіла напруження, яскравістю, світловим потоком, світловою віддачею, споживаною потужністю і робочим напруженням. Світлові і енергетичні параметри ламп розжарювання визначає температура тіла напруження. Економічність роботи лампи характеризується світловою віддачею, що визначається відношенням світлового потоку до загальної потужності випромінювання. У цей час випускаються Лампи розжарювання самого різного призначення для різних Областей застосування. Позначення ламп має таку структуру: де 1 — буквене позначення (ОП — оптична, ІЧ — інфрачервона з кремнієвим вікном, Г — галогенна, М — малогабаритна, К — кіноапаратурна і т.д.); 2 — напруження живлення у вольтах; 3 — електрична потужність у ватах; 4 — відмінність від базової моделі.

Кіноапаратурні лампи призначені для використання у звукозаписній, звуковідтворюючій, проекційній і копіювальній апаратурі. Для малоформатних діапроекторів застосовують лампи марок До 127−100, До 127−300, К220−300, а для 8- і 16-міліметрових кінопроекторів К16−90, К16−90−1, К21−500. Докладні відомості про характеристики і габаритні розміри наводяться в каталогах.

Штифт Нердста — це джерело інфрачервоного випромінювання, яке широко використовується в спектрометрії і лабораторній практиці. Перевагою цього джерела є широкий спектр випромінювання і великий термін служби. Штифт являє собою циліндричний стержень (або трубку), спресований з тугоплавких оксидів: окисел цирконія (85%) з домішками оксидів рідкоземельних або інших елементів (15%). Довжина штифта біля 30 мм, діаметр 1−3 мм. Необхідне напруження постійного або змінного струму біля 100 В при амперажі 0,25−1 А. Для підведення струму служать платинові електроди. При температурі 1700 К штифт випромінює селективно в областях 1,6−2,4 і 5,5−6 мкм. У області понад 7 мкм його випромінювання можна вважати сірим.

Силитовий випромінювач, що являє собою стержень з карбіду кремнію і званого іноді силитом або глобаром, широко застосовується як джерело інфрачервоного випромінювання середньохвильового діапазону. У залежності від призначення стержні виготовляють різних розмірів: найменші - діаметром 8 мм і довжиною 25 см, найбільші - діаметром 3,5 см і довжиною 1 м. Для нагрівання стержнів до них підводиться постійний або змінний струм з напруженням до 100 В. Звичайна робоча температура стержня 1250−1350 К.

Газорозрядні джерела. Випромінювання оптичного діапазону в джерелах цього типу виникає внаслідок електричного розряду в атмосфері інертних газів, пар металів або їх сумішей. Газорозрядні джерела характеризуються лінійчатим або смуговим спектром і називаються газорозрядними лампами. Стисло розглянемо деякі типи газорозрядних ламп.

Ртутні і ксенонові дугові лампи високої інтенсивності є могутніми джерелами і придатні для систем телекомунікації, інфрачервоних прожекторів і маяків далекої дії. Вони складаються з масивних вольфрамових електродів, упаяних в товсту кварцову колбу, наповнену парами ртуті і ксенону при тиску біля 200 кПа. Додання ксенону скорочує час розгорання лампи. Спектр випромінювання цих ламп лежить у межах від ближньої ультрафіолетової до ближньої інфрачервоної області. Потужність ламп досягає 1 кВт при амперажі 50 А.

Цезієві дугові лампи володіють сильним випромінюванням в найближчій інфрачервоній області спектра з смугами випромінювання при 0,852 і 0,894 мкм. До достоїнств цезієвих ламп, в яких випромінювачем є пари цезія, потрібно віднести великий термін служби і можливість модуляції на звукових частотах.

Цирконієві дугові лампи мають дуже високу яскравість і широко використовуються в інфрачервоній мікроскопії. Особливістю цирконієвої лампи є одночасне випромінювання суцільного спектра (до 1 мкм) і лінійчатого (в області 0,75 0,85 мкм). Включається лампа вмить і в процесі роботи не вимагає регулювання. Випускається великий набір спектральних ламп типів ДРС50 (дугова ртутна спектральна типу 50), ДРШ, ДРТ, які знаходять широке застосування в світлотехніці, спектроскопії і т.д. Параметри і характеристики ламп визначаються ГОСТом.

Світлодіоди. У світлодіодах використовується явище електролюмінісценції, що виникає при пропущенні струму в прямому напрямі черезперехід. Властивістю випромінювати в оптичному діапазоні спектра володіють деякі складні напівпровідникові з'єднання, основою яких є галій, миш’як, карбід кремнію, що служить початковим матеріалом для виготовлення світлодіодів. У цей час головними матеріалами для світлодіодів служать GaAs, GaP, GaAsP, GaInP. При подачі наперехід прямого напруження (рис. 2) виникає інжекція неосновних носіїв заряду через перехід. Внаслідок їх подальшої рекомбінації з основними носіями виділяється енергія оптичного діапазону. Рекомбінаційне випромінювання в світлодіоді генерується в шарі, прилеглому до межі розділунапівпровідників, і виводиться назовні звичайно черезобласть. Площа випромінюючої поверхні не перевищує декількох квадратних міліметрів. Схематичний пристрій світлодіода з плоскою і півсферичною випромінюючими поверхнями зображений на рис. 2. Для світлодіодів характерна висока щільність спектрально-енергетичної яскравості. Основна частина випромінювання доводиться на спектральний інтервал, шириною 40−100 нм. Довжина хвилі випромінювання визначається енергетичною шириною зон напівпровідника, частіше за все шириною забороненої зони ().

Істотною перевагою світлодіода є їх швидкодія, що дозволяє реалізувати імпульсний режим роботи і отримати короткі світлові імпульси тривалістю не більше за 10 нс з частотою повторення до 10⁸ Гц. Випромінювання світлодіодів ненаправлене, тому для його концентрації в певному напрямі використовують зовнішні фокусуючі лінзи або відображаючі покриття, які наносять безпосередньо на кристал напівпровідника. Докладні відомості про параметри різних світлодіодів наведені у відповідній літературі.

Найбільш істотними недоліками світлодіодів є розкид характеристик від зразка до зразка і їх залежність від температури. Світлодіоди володіють малими розмірами, підвищеною економічністю, великим терміном служби, стійкістю до механічних впливів, високою швидкодією, що дозволяють здійснювати модуляцію випромінювання шляхом зміни струму живлення.

Позитивні властивості світлодіодів сприяють успішному їх застосуванню як твердотільні цифрові індикатори, в пристроях оптичного зв’язку, оптико-електронних приладах і т.д.

3. Лазери

Радянські вчені Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, а також американський вчений Ч. Таунс в 1964 р. були удостоєні Нобелівської премії з фізики за фундаментальні дослідження в області квантової електроніки, які послужили базою для створення принципово нових джерел випромінювання лазерів.

Лазер оснований на використанні так званого стимульованого випромінювання, яке виникає при виконанні особливих умов в квантових системах. Властивості квантових систем визначаються енергетичним станом системи. Внутрішня енергія таких систем може приймати суворо певні дискретні значення. Одне з можливих значень енергії називається рівнем енергії. Перехід квантової системи з одного енергетичного стану в інше відбувається тільки стрибкоподібно і пов’язаний з випромінюванням або поглинанням енергії, яка може мати різні форми: електромагнітну, теплову або звукову. Переходи, внаслідок яких поглинається або випромінюється електромагнітна енергія, називаються оптичними. Для частки, що знаходиться в збудженому стані (на верхньому енергетичному рівні), є імовірність того, що через деякий час вона перейде в стан з меншою енергією (на нижній рівень) і відбудеться випромінювання фотона частоти, яка визначається енергією початкового і кінцевого станів:

де — постійна Планка.

Вплив зовнішнього електромагнітного поля на частоті переходу підвищує ймовірність такого переходу. Взаємодія зовнішнього фотона зі збудженою часткою викликає перехід частки в стан з меншою енергією, і при цьому випромінюється додатковий фотон. Фотон, що змушує (стимулюючий) перехід, і фотон, що випускається внаслідок переходу, не відрізняється один від одного. Вони мають однакову частоту, напрям поширення і фазу.

Таблиця 1 — Параметри лазерів

Стан квантової системи, при якому населеність верхнього енергетичного рівня вище за населеність нижнього енергетичного рівня, називається станом з інверсною населеністю. Середовище, в якому може бути отриманий стан з інверсною населеністю, є активним середовищем лазера. Переклад квантової системи в інверсний стан здійснюється підведенням енергії, яку прийнято називати енергією накачки. Середовище, в якому існує інверсна населеність, може служити підсилювачем випромінювання, але для цього необхідний початковий ініціюючий вплив. Ініціатором процесу вимушеного випромінювання може бути зовнішній сигнал або один з квантів спонтанного випромінювання в самому середовищі. Значне посилення випромінювання може бути досягнуте, якщо вмістити активне середовище в систему двох дзеркал оптичного резонатора. Одне з дзеркал резонатора частково прозоре, що необхідно для виведення. У резонаторі випромінювання, розповсюджуючись майже суворо в напрямі його осі, багато разів відбивається від дзеркал і проходить середовище, що спричиняє посилення випромінювання.

Таким чином, для отримання вимушеного (лазерного) випромінювання необхідно мати:

— активне середовище лазера, в якому в процесі накачки може бути створений інверсний стан;

— систему накачки, що забезпечує досягнення інверсної населеності;

— оптичний резонатор, що призначений для посилення і формування направленого випромінювання.

Вимушене випромінювання лазера характеризується високою мірою монохроматичності, когерентністю і спрямованістю. Енергія лазерного випромінювання зосереджена у вузькому спектральному інтервалі, який досягає в граничному випадку нм (в газових лазерах). Розбіжність лазерного випромінювання характеризується плоским або тілесним кутом, в середовищі якого розповсюджується енергія або потужність випромінювання. Для лазерів деяких типів розбіжність не перевищує .

Найбільш поширені в цей час лазери можна розділити на групи за різними ознаками. На вигляд лазерної речовини лазери ділять на твердотільні, газові, напівпровідникові і рідинні. Лазери класифікують також і на вигляд накачки, яка може здійснюватися оптичним випромінюванням, електричним струмом, електронним пучком, за рахунок хімічних реакцій і іншими способами. За характером режиму роботи розрізнюють лазери, що працюють в безперервному і імпульсному режимах.

Властивості лазерів і можливість їх використання оцінюються енергетичними, спектральними, просторовими і тимчасовими характеристиками згідно з ГОСТ 15 093 75.