|
|
|
РАДИОМЕТРИЯЗависимость коэффициента преломления от длины волны особенно четко проявляется в призме. Одну из таких призм использовал Исаак Ньютон в своих экспериментах при изучении спектра света. В видимом диапазоне спектра коэффициент преломления п часто определяется при длине волны 0.58756 мкм, соответствующей желто-оранжевой линии гелия. В Приложении приведены коэффициенты преломления некоторых материалов. Зависимость коэффициента преломления от длины волны называется дисперсией. Изменение п с увеличением длины волны обычно происходит очень плавно и часто незаметно, если только длина волны не приближается к области, где материал перестает быть прозрачным. На рис. 4.3 отображены зависимости коэффициентов пропускания различных оптических материалов от длины волны.
Рис. 4.3 Характеристики пропускания света различными
оптическими материалами
Доля света, отраженного от границы под углом &х, зависит
от скорости света в двух смежных средах. Отношение потока отраженного света Ф к
потоку падающего света Ф0 называется коэффициентом отражения р, который можно
выразить через коэффициенты преломления двух сред:
Уравнения (3.139) и (4.5) показывают, что коэффициенты
отражения и поглощения (излучения) зависят только от коэффициентов преломления
материала на определенной длине волны.
Если световой поток входит в объект с коэффициентом
преломления и из воздуха, уравнение (4.5) значительно упрощается:
Как только свет достигает границы среды с коэффициентом преломления и3 (рис. 4.2), часть его отражается от нее под углом 6'2. Рассмотрим прохождение света через трехслойную структуру, каждый слой той изготовлен из разного материала, называемого средой. На рис. 4.2 отображена траектория луча при его распространении через все слои структуры. Часть падающего света отражается от плоской границы между первыми двумя средами. Из закона отражения, исторически приписанного Евклиду, известно, что: 
Часть света, уже под другим углом проходит дальше — во
вторую среду. Величина нового угла в2 определяется законом преломления,
открытым в 1621 году В. Снел-лом (1580–1626):
Рис. 4.2 Прохождение света через материалы с разными
коэффициентами преломления
Во всех средах свет распространяется гораздо медленнее, чем в вакууме. Коэффициент преломления — это отношение скорости света в вакууме с0 к скорости света в среде с: 
Поскольку с < с0, коэффициент преломления среды всегда
больше единицы. Скорость света в среде зависит от диэлектрической проницаемости
среды е, которая,
в свою очередь, определяет коэффициент преломления:
Как правило, п также является и функцией длины волны. Оставшаяся часть света входит в третью среду под углом преломления вг также
определяемого законом Снелла. Если среды 1 и 3 с обоих сторон пластины из
второго материала (к примеру, стекла) являются одинаковыми (к примеру,
воздушными), выполняются следующие условия: п=пъ, 6= въ (этот случай
проиллюстрирован на рис. 4.4). Из уравнения (4.5) рекомендуется, что коэффициенты
отражения не зависят от направления пересечения светом границы двух сред: из
зоны с более низким коэффициентом преломления в зону с более высоким
преломлением или наоборот.
В реальной жизни свет, отраженный от второй границы, снова
отражается от первой границы по направлению ко второй и т.д. Таким образом,
если в материале не происходит поглощения света, то зная коэффициент
преломления материала, можно определить суммарные потери на отражение внутри
пластины:
Отражение усиливается при большой разности между
коэффициентами преломления. к примеру, если видимый свет из воздуха проходит без
поглощения через пластину из флинта (оптического стекла) и попадает снова в
воздух, два отражения приводят к потерям порядка 11%, в то время как при
прохождении света по траектории: воздух-германий-воздух (в дальнем ИК
спектральном диапазоне) аналогичные потери на отражение составляют около 59%. Для уменьшения потерь на оптические материалы часто наносят антиотражающие
покрытия, коэффициенты преломления и толщина которых определяются конкретной
длиной волны.
Уравнение баланса энергии излучения (3.134) для этого случая
будет иметь вид:
Здесь а — коэффициент поглощения (излучения), а у — коэффициент
пропускания. В зоне полной прозрачности, где отсутствует поглощение света.
Уравнение (4.10) определяет теоретический максимум
коэффициента пропускания оптической пластины. Для вышеприведенного примера
коэффициент пропускания стеклянной пластины в видимом спектральном диапазоне
составляет 88.6%, а для германиевой пластины этот коэффициент в дальней ИК
области спектра равен 41%. В видимом диапазоне пропускная способность германия
равна нулю. Это означает, что в нем отражается и поглощается 100% света. На
рис. 4.5 отображены зависимости коэффициентов отражения и пропускания от
коэффициента преломления в тонкой пластине. Здесь под пластиной подразумевается
оптическое устройство (к примеру, линза или диафрагма), работающее в пределах
присущего ему спектрального диапазона, в котором малы потери на поглощение,
т.е. а = 0.
На рис. 4.6 отображено распределение энергии внутри оптической
пластины, при попадании на ее поверхность потока света Ф0. Часть падающего
потока Ф отражается назад, другая часть Фа поглощается материалом пластины, третья
часть Ф проходит ее насквозь. Часть поглощенного света превращается в тепло и
увеличивает температуру пластины, а другая его часть АР теряется в опорной
конструкции и окружающей среде через механизмы теплопередачи и конвекции. В
ряде случаев, к примеру, когда речь идет о диафрагме мощного лазера, такое
повышение температуры необходимо учитывать. В других случаях увеличение
температуры, к примеру, в инфракрасных детекторах, может стать серьезной
проблемой. Это связано с тем, что рост температуры приводит к появлению
дополнительного потока: Ф = Ф — АР, называемого вторичным излучением. Естественно, что диапазон этого излучения определяется температурой материала и
находится в дальней ИК области спектра. Спектральное распределение вторичного
излучения соответствует распределению поглощенной энергии в материале,
поскольку поглощение и излучение являются одной и той же физической величиной.
Рис. 4.5 Пропускная и отражающая способность толстой
пластины как функция от коэффициента преломления
Для материалов с низкой поглощающей способностью выражение
для коэффициента поглощения имеет вид:
где m и с — масса и удельная теплоемкость оптического
материала, Т и TL — наклоны возрастающего и убывающего участков температурной
кривой материала при тестовой температуре Т0.
Строго говоря, потери света в материалах объясняются не
только его поглощением, но и рассеянием. Суммарные потери в материале могут
быть выражены через, так называемый, коэффициент ослабления g и толщину образца
h. Тогда уравнение для коэффициента пропускания (4.10) с учетом ослабления
преобразуется к виду:
Коэффициент ослабления (затухания) g обычно определяется
производителями оптических материалов.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
