книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы
.pdf2.6 |
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ |
141 |
На рис. 2.6.2 показаны зависимости от и>/и>0 величин п, х и R, вычисленных для классического осциллятора с п |ч = 16 и ш0/д = 30, что приблизительно
Р и с . 2.6.2. Теоретические свойства классического осциллятора
соответствует полосе остаточных лучей для антимонида индия (подробнее в разделе «Оптические свойства полупроводников»).
Строгое квантовомеханическое рассмотрение дисперсии приводит к весь ма близким частотным зависимостям. При этом резонансная частота w0 уже не является эмпирической постоянной, а определяется правилом Бора: hu)if = £j —£{.
Взаимная зависимость спектральных характеристик показателя прелом ления и коэффициента экстинции устанавливается соотношением Крамерса-
Кронига:
ОО
О
аналогичным дисперсионному соотношению между активной и реактивной составляющими сопротивления или диаграмме Боде в теории электрических це пей.
2.6.4. Фазовая и групповая скорости. Вследствие дисперсии показателя преломления среды электромагнитное излучение с каждой частотой распро страняется со своей фазовой скоростью Оф = z /t = с/п (w) = w//3. Поэтому при распространении импульсного сигнала в среде с дисперсией он искажается. Пусть вдоль оси г распространяется узкий волновой пакет с резонансной ча стотой w0 и шириной полосы Aw = ш\ —w2 < w0 Запишем электрическое поле в точке с координатой г в виде разложения по монохроматическим волнам (то
142 |
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ |
Гл. 2 |
есть представим его в виде интеграла Фурье)
E (z,t) -- I Е0 (со)exp j [cot —/3 (со) z] dco |
(2.6.19) |
Разложим показатель экспоненты в ряд вблизи и = со0 и ограничимся пер выми двумя членами:
Тогда уравнение (2.6.19) принимает вид
Видно, что скорость распространения огибающей поля E (z,t), которая называ ется групповой скоростью пакета волн, составляет
Групповая скорость соответствует реальной физической скорости распростра нения световых сигналов.
2.6.5. Двойное лучепреломление. Во многих монокристаллах коэффици енты, характеризующие взаимодействие излучения со средой, отличаются для различных кристаллографических направлений. Если отложить по различным направлениям отрезки, численно равные показателю преломления монокри сталла для этих направлений, то геометрическое место концов этих отрезков образует эллипсоид, называемый оптической индикатрисой. В оптически изо тропной среде эллипсоид показателей преломления вырождается в шар.
У ряда кристаллов (например, кварца или кальцита — исландского шпата СаСОз) эллипсоид показателей преломления является эллипсоидом вращения. Такие кристаллы характеризуются двумя показателями преломления (напри мер, пх = пу и nz) и называются одноосными. Оптическая ось эллипсоида вра щения г перпендикулярна к круговому сечению показателей преломления. Если вырезать из кристалла кальцита пластину так, чтобы ее грани были перпенди кулярны оптической оси, и направить на пластину неполяризованное излучение под углом к оптической оси, то на выходе из кристалла появляются два лу
2.6 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ 143
ча, поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Это явление называется двойным лучепреломлением.
Луч, называемый обыкновенным, создается падающим излучением, в кото ром электрический вектор колеблется в плоскости, перпендикулярной плоско сти падения. Колебания электрического поля в преломленном луче происходит при этом перпендикулярно оптической оси кристалла. Показатель преломления (а следовательно и скорость распространения излучения вдоль обыкновенного луча) не зависит от угла падения и, например, в кальците составляет 1,658.
В необыкновенном луче вектор напряженности электрического поля колеб лется в плоскости падения, причем чем больше угол падения, тем больше про екция вектора электрического поля на оптическую ось. В результате с увели чением угла падения коэффициент преломления для этого луча уменьшается (в кальците от значения 1,658 — при нормальном падении до 1,486).
Если направить пучок неполяризованного излучения на пластинку двулучепреломляющего турмалина, причем вырезанную не поперек, а вдоль оптической оси, то при толщине пластины всего в несколько миллиметров обыкновенный луч полностью поглотится и из кристалла выйдет только необыкновенный луч. Такое явление — дихроизм — происходит, когда частота излучения в обыкно венном луче близка к собственной частоте колебаний электронов в направле нии, перпендикулярном оптической оси.
2.6.6. Рассеяние излучения. В средах с оптическими неоднородностями электромагнитное излучение ослабляется не только за счет поглощения, но и вследствие рассеяния — изменения пространственного распределения излуче ния. К оптическим неоднородным или мутным средам относятся, например, аэрозоли — взвеси в газе мельчайших твердых частиц или капелек жидкости; суспензии и эмульсии — твердые частицы, капельки инородных жидкостей, или газа в жидкости; твердые тела типа опалов, композиционных материалов и др. Отличительная особенность рассеяния по сравнению с поглощением — возмож ность обнаружить рассеянное излучение, не размещая приемник в падающем луче (например, удается увидеть луч света в рассеивающей среде со стороны). При наблюдении изображений рассеяние приводит к снижению контраста, не зависящему от пространственной частоты.
Электрическое поле волны излучения, проходящего через вещество, рас качивает электроны атомов и молекул и они становятся источниками вторич ных волн, распространяющихся во всех направлениях. Из теории квантовых переходов следует, что взаимодействие атомов и молекул с фотонами может происходить и в тех случаях, когда правило частот Бора не выполняется даже приблизительно. Такие процессы возможны только во втором и более высоких порядках теории возмущений, то есть имеют существенно меньшую вероят ность, чем резонансное поглощение.
Когда частота электромагнитного излучения далека от частоты линии по глощения, квант энергии все же может быть передан от поля излучения атому
144 ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Гл. 2
или молекуле, которые переходят в короткоживущее (виртуальное) возбужден ное состояние. Время жизни в этом промежуточном состоянии очень мало — оно определяется соотношением неопределенности Гейзенберга. Затем атом или молекула возвращается в исходное состояние, вновь испуская излучение той же частоты, что и падающее. Однако направление распространения и поляризации испускаемого фотона обычно иные. В простейшем случае падающая волна — плоская, а испускаемая — сферическая.
При рассеянии излучения атомами и молекулами соблюдаются законы со хранения энергии и импульса. Но они соблюдаются для процесса в целом: при переходе в виртуальное состояние закон сохранения энергии не выполняется. Кроме того, импульс фотона значительно меньше импульсов электрона, атома или молекулы и закон сохранения импульса трансформируется в соотношение |к,| ~ |к/| (хотя к; ф к / — фотон после рассеяния меняет направление). Здесь к, и к / — волновые векторы до и после рассеяния соответственно.
Однако в оптически однородной среде вторичные волны когерентны и в результате интерференции гасят друг друга по всем направлениям, кроме на правления первичного луча.
Обычно уменьшение интенсивности излучения вследствие рассеяния в мут ных непоглощающих средах определяют соотношением, аналогичным закону поглощения
I(z) = /о exр (—7Л2),
где 7л — спектральный коэффициент рассеяния.
Различают рассеяние излучения на отдельных частицах и рассеяние опти чески неоднородной средой, в которой излучение, рассеянное одной из частиц, затем рассеивается и другими. В ряде случаев многократным рассеянием уда ется пренебречь.
Пусть в однородной и прозрачной для излучения с частотой и>среде с отно сительной диэлектрической проницаемостью ес хаотически распределены ма ленькие частицы вещества с диэлектрической проницаемостью еч, также про зрачного для излучения. Если радиус частиц много меньше длины волны из лучения в среде (так что электрическое поле волны одинаково по всему объему частицы), а среднее расстояние между частицами много больше их размера, то происходит упругое рассеяние, при котором изменяются только направление и поляризация излучения, а энергия (частота) фотона остается неизменной. При этом мощность, рассеиваемая по всем направлениям одной частицей, оказыва ется равной
где / 0 — интенсивность падающего естественно-поляризованного излучения, а — сечение рассеяния частицы. Амплитуда рассеянной волны пропорциональ на второй производной по времени от вектора поляризации частицы, то есть
2.6 |
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ |
145 |
квадрату частоты электромагнитной волны и объему частицы |
(4тга3/3). Рассе |
янная же мощность определяется квадратом этой амплитуды.
Если в объеме V находится N V беспорядочно распределенных частиц (N — средняя концентрация частиц), то интенсивности рассеяния от отдельных ча стиц складываются и полная интенсивность рассеянного излучения, измерен
ная на расстоянии г от объема V |
(г > ^ V ) |
составляет |
/р М ) |
£4 ~ gc |
2 1 + cos2в |
£ч + 2ес |
N V I0. |
|
с 4 г 2 |
2 |
Здесь в — угол между направлениями распространения первичного и рассеян ного пучков излучения: по направлениям в = 0 и 180° распространяется вдвое большая мощность, чем в нормальных к ним направлениях. Причем при рас сеянии естественно поляризованного излучения в направлениях в = 0 и 180° рассеянное излучение не поляризовано, а при в = 90° наблюдается линейно поляризованное излучение (поляризация частиц происходит в направлениях, перпендикулярных падающему лучу).
Несложно убедиться, что спектральный коэффициент рассеяния на отдель ных частицах при а < А
7а = crN
Рассеяние, при котором рассеиваемая мощность меняется с длиной волны пропорционально А-4 (или и 4) называется рэлеевским.
С увеличением размера частиц а рассеяние на них изменяется под влиянием дифракции. Сечение рассеяния резко увеличивается с ростом а, достигая при а ~ А максимального значения, когда а » бтга2, и перестает зависеть от частоты излучения а;.
При а ) А в зависимости сечения рассеяния от а появляются резкие мини мумы и максимумы (резонансы Ми), сглаживающиеся с увеличением а. Изме няется также поляризация и индикатриса рассеянного излучения — большая его часть рассеивается вперед.
Рассеяние еще большими частицами определяется уже на основе законов геометрической оптики и является причиной возникновения в аэрозолях и ту манах ореолов, радуг и других оптических явлений.
С приближением к рентгеновской области спектра и в диапазоне гамма-из лучения при рассеянии излучения на электронах наблюдается небольшое из менение энергии фотона, которое зависит от угла рассеяния. Такое рассеяние называют эффектом Комптона. В этом спектральном диапазоне пренебречь импульсом фотона по сравнению с импульсом внешних электронов в атоме уже нельзя. Кроме того, при рассмотрении упругого столкновения частиц необхо димо использовать релятивистское выражение для энергии электрона, так как его скорость приближается к скорости света. Эффект Комптона является убе дительным доказательством корпускулярной теории излучения.
146 |
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ |
Гл. 2 |
Основные особенности релеевского рассеяния присущи и так называемому молекулярному рассеянию. Молекулярное рассеяние происходит в макроско пически однородных средах при изменениях локального показателя преломле ния, обусловленных тепловыми флуктуациями числа молекул в микрообъемах ДУ; (AV; < А3). Так для идеальных газов, где средний квадрат отклонения числа молекул в микрообъеме равен среднему числу молекул в нем, спектраль ный коэффициент рассеяния оказывается равным
|
_ |
8тг3 (е - |
I)2 |
1п |
~ |
~ Т А 4 УV |
|
Поскольку в газах (е — 1 ) ~ 7V, то уп, как и для рассеяния на малых частицах, |
|||
оказывается пропорциональным |
Х~4 и N |
Зависимости мощности и поляри |
зации рассеянного излучения от угла рассеяния в также аналогичны ранее описанным.
Многократное молекулярное рассеяние вносит заметный вклад в ослабле ние ультрафиолетового и видимого излучения в атмосфере. Так, пропускание трассы длиной в 10 км в нормальных условиях при молекулярном поглощении на длине волны 0,45 мкм составляет всего 45% на длине волны 0,55 мкм — 89% и только при длинах волн более 0,76 мкм пропускание превышает 97%. Именно молекулярное рассеяние обуславливает голубой цвет дневного неба и красноватый цвет солнца на заре.
К рассеянию света приводят и тепловые флуктуации концентрации раство ренного вещества в растворах, особенно при критической температуре. Молеку лярное рассеяние в кристаллах очень слабо (относительная величина ~ 10-8).
В спектрах излучения, рассеянного в среде, содержащей многоатомные мо лекулы, также появляются дополнительные частоты, однако не изменяющиеся в зависимости от угла рассеяния. Рассеяние с изменением не только направ ления распространения и поляризации излучения, но и энергии фотонов, на зывается комбинационным. Линии комбинационного рассеяния оказываются на несколько порядков менее интенсивными, чем падающее излучение, и ча стично поляризованными. Рассеянное излучение модулируется относительно низкочастотными собственными тепловыми колебаниями рассеивающей моле кулы с образованием сателлитов — сумм и разностей частоты падающей волны и собственных частот молекулы.
При квантовом описании комбинационное рассеяние происходит, когда мо лекула из возбужденного виртуального состояния переходит не в начальное, а в другое колебательное состояние, отличающееся по энергии. При этом интен сивность линий, смещенных в область меньших частот (больших длин волн) оказывается в термодинамически равновесных условиях больше, чем для высо кочастотных сателлитов.
Рассеяние излучения твердыми телами и кристаллами, обусловленное тепловыми акустическими волнами в этих средах, называют рассеянием Мандельштама-Бриллюэна.
2.7 |
ПРОПУСКАНИЕ АТМОСФЕРЫ |
147 |
Таким образом, принципиально необходимым условием для рассеяния из лучения в сплошной среде также является ее оптическая неоднородность. При анализе рассеяния излучения сплошными средами, включающими большое число частиц, необходимо учитывать кооперативные эффекты и, прежде все го, влияние многократного рассеяния, возможность взаимодействия частиц и интерференцию рассеянного отдельными частицами излучения между собой и с падающем лучом. В общем случае уравнения радиационного переноса в рассеивающей среде математически очень сложны и не имеют аналитических решений. Исключение составляют частные случаи, причем редко интересные. В реальных условиях ситуация усложняется из-за наличия в среде частиц раз ного вида, одновременного рассеяния и поглощения излучения, неоднородных трасс (например, наклонных трасс в атмосфере). Чтобы получить формулы, пригодные для практического использования, приходится идти на компромиссы при определении граничных условий, применять допущения или использовать полуэмпирические соотношения.
При рассеянии мощного лазерного излучения возникают нелинейность и но вые физические эффекты (например, вынужденное комбинационное рассеяние, при котором резко возрастает интенсивность и число сателлитов, а излучение на комбинационных частотах становится когерентным).
2.7. Пропускание атмосферы
Энергия электромагнитного излучения ослабляется при прохождении через атмосферу. Ослабление зависит от используемого спектрального диапазо на, дистанции наблюдения и метеорологических условий и определяется в основном двумя явлениями.
Первое — молекулярное поглощение газов, составляющих атмосферу. Уро вень молекулярного поглощения определяется концентрацией и типом молекул газа, а характер спектров — электронными переходами в атомах (ультрафи олетовая, видимая и близкая инфракрасная области), колебаниями атомов в молекуле (средняя инфракрасная область) и вращением молекул (дальняя ин фракрасная область и тонкая структура колебательных полос). Кроме того, поглощающие газы сами излучают как селективные тела в зависимости от их температуры.
И второе — ослабление из-за рассеяния на частицах, присутствующих в атмосфере: молекулах и аэрозолях, на которые конденсируется вода. В этом случае отклонение излучения от первоначального пути делает его «видимым» для системы наблюдения и на объект наблюдения накладывается более или менее светлая «дымка».
Наконец, при распространении излучения через газообразную среду, в ко торой существуют турбулентные потоки, вызванные конвекционными флукту ациями плотности газов, рассеяние и поглощение на оптических неоднород ностях подвержены случайным колебаниям. При этом наблюдается мерцание
148 ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Гл. 2
мощности проходящего излучения и случайные деформации фронта волны, приводящие к сдвигу, расфокусировке и дрожанию изображения.
На рис. 2.7.1 показано спектральное пропускание атмосферы в диапазоне от видимой области до 15 мкм на горизонтальной трассе длиной в 1 морскую милю (1,852 км) при хороших по
|
годных условиях (метеороло |
||||
|
гическая дальность |
видимо |
|||
|
сти 20 км). Метеорологиче |
||||
|
ская дальность видимости — |
||||
|
расстояние, на котором объ |
||||
|
ект |
с |
контрастом, |
равным |
|
|
единице, воспринимается по |
||||
|
сле |
прохождения |
излучения |
||
|
сквозь |
среду с |
предельным |
||
|
контрастом около 2%. |
|
|||
Р и с . 2.7.1. Пропускание атмосферы на уровне |
моря |
Сильное |
поглощение |
||
на горизонтальной трассе протяженностью в 1 |
милю вблизи длин волн 1,37, 1,85, |
||||
(1,8 км) при толщине осажденной воды 17 мм |
2,7, 4,3, 6,3 мкм обусловлено |
||||
|
парами воды и углекислым газом СОг. Каждая из полос поглощения имеет сложное строение и состоит из множества узких линий, что обусловлено сложным строением энергетических уровней и многообразием переходов между их колебательно-вращательными состояниями.
Основные полосы поглощения молекулами водяного пара расположены на участках вблизи 2,7 мкм, между 5,5 и 7,5 мкм и за пределами 20 мкм. В этих полосах излучение поглощается полностью на трассах длиной порядка 100 м. Поглощение парами воды, содержащимися в атмосфере, обусловлено:
числом поглощающих молекул, зависящим от парциального давления па ров воды и длины трассы. Обычно трассу характеризует толщиной слоя воды, осажденной на трассе. Кривые на рис. 2.7.1 получены при толщине слоя оса жденной воды 17 мм;
температурой и давлением смеси газов, которые определяют ширину спек тральных линий — лоренцевской, за счет соударения молекул и за счет эффекта Доплера.
С увеличением высоты трассы над уровнем моря наблюдается сужение спек тральных полос поглощения из-за уменьшения давления. Пропускание улучша ется также и за счет уменьшения содержания водяных паров.
Из других газов важнейшим является углекислый газ, поглощающее дей ствие которого слабее, чем паров воды. Концентрация СОг в атмосфере зависит только от давления, следовательно на уровне моря ее можно считать постоян ной и коэффициент пропускания зависит только от проходимого излучением расстояния. Основные полосы поглощения СОг расположены в спектральных диапазонах 2,8ч-4,3 мкм (колебание атомов О относительно атома С в проти вофазе) и 12,8ч-17,3 мкм (двукратно вырожденный прогиб молекулы).
2.7 ПРОПУСКАНИЕ АТМОСФЕРЫ 149
Левая граница полосы поглощения атмосферы определяется поглощением кислорода с большим числом слабых полос в интервале между 0,24 мкм и крас ным участком. При расположении источника излучения вне атмосферы предел пропускания 0,3 мкм обусловлен слоем озона, центр распределения которого находится на высотах 22-г27 км. Кроме того, озон имеет полосы поглощения 4,8, 6,7 и 9,6 мкм.
К слабо поглощающим оптическое излучение газовым компонентам атмо сферы относятся N2O (закись азота), СО, О2, СН4 (метан) и N2.
В случае монохроматического излучения молекулярное поглощение явля ется экспоненциальной функцией расстояния и подчиняется закону БугераЛамберта. Экспоненциальный закон остается справедливым и в спектральной полосе любой ширины, если поглощение не
зависит от длины волны. Приближенно это |
|
|
справедливо для атмосферных окон и для |
|
|
некоторых туманов. Однако, обычно, закон |
|
|
поглощения в атмосфере сильно отличает |
|
|
ся от экспоненциального. Так в предель |
|
|
ном случае в рассматриваемом спектраль |
|
|
ном диапазоне излучение на некоторых дли |
|
|
нах волн поглощается полностью, а на дру |
|
|
гих — идеально пропускается. В реальной |
|
|
атмосфере после прохождения излучением |
|
|
некоторой части трассы его интенсивность |
|
|
изменяется очень медленно. |
|
|
Следует отметить важное для практи |
|
Толщина слоя |
ческих применений обстоятельство — су |
|
|
ществование окон прозрачности атмосферы, |
|
осажденной воды, мм |
внутри которых поглощение очень слабое. |
Р и с . |
2.7.2. Коэффициент пропуска- |
Эти окна расположены в следующих ин- |
ния |
атмосФеРы на горизонтальной |
тервалах длин волн: 0 , 4 1 , 0 мкм, 1,2-г 1,3 мкм, 1,5-г 1,8 мкм, 2,1-г2,5 мкм, 3-ь5 мкм,
84-14 мкм. Первое из них включает спектральный диапазон зрения, а послед нее соответствует максимуму теплового излучения тел при окружающей тем пературе. Иногда выгоднее использовать для тепловидения окно Зч-5 мкм: для обнаружения сильнее нагретых объектов, факелов, содержащих углекислый газ, или при влажном климате (рис. 2.7.2).
Рассеяние на молекулах и частицах, содержащихся в атмосфере, также вы зывает ослабление излучения, суммирующееся с ослаблением вследствие по глощения газами. Как уже отмечалось, поток излучения, формирующего изоб ражение, в основном сохраняется, но его распределение искажено и наблюда ется ослабление контраста на всех пространственных частотах.
Находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии частицы это: аэрозоли — очень мелкие частицы, взвешенные в атмосфере;
150 ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Гл. 2
дымка — микроскопические пылинки, на которые во влажной атмосфере конденсируются молекулы воды, увеличивая размеры частиц до 0,5 мкм (около моря густую дымку образуют гигроскопические частицы соли);
туман — увеличивающиеся в размере частицы, вызывающие дымку, пре вращаются в капельки воды или льда размером в несколько микрометров (ред ко — более 25 мкм). Такую же структуру имеют облака, однако они формиру ются на высоте;
атмосферные осадки — капли воды имеют размер порядка 0,25 мм и уже не удерживаются в воздухе, выпадая в виде дождя.
Частицы, размеры которых велики по сравнению с длиной волны, рассеива ют свет в соответствии с законами геометрической оптики: рассеяние малосе лективно. На частицах с размерами порядка или меньше длины волны излуче ния рассеяние определяется, как уже указывалось, дифракцией и оказывается в сильной степени селективным.
При наличии дымки с характеристиками, наиболее часто встречающими ся на поверхности земного шара, коэффициент рассеяния 7 ~ А -1,3 В случае тумана частицы становятся значительно больше и коэффициент рассеяния в видимой области спектра перестает зависеть от длины волны — цвет тумана белый. В табл. 2.7.1 приведены значения коэффициента рассеяния в видимой области спектра для различных метеоусловий.
Т а б л и ц а |
2.7.1. Коэффициент рассеяния излучения |
с А = 0 ,5 5 5 |
мкм при различных ме |
||||
теоусловиях |
|
|
|
|
|
|
|
М етеоусловия |
М етеорологическая дальность |
7, км |
1 для |
Л = 0,555 мкм |
|||
видимости |
|||||||
|
|
|
|
|
|||
Я сно, очень |
ясно |
8 -г 50 |
км |
|
0,5 -f- 0,1 |
||
Д ы мка |
|
2 ,5 -^ 8 |
км |
|
1,6-=-0,5 |
||
Туман |
|
0 ,5 - г 2,5 |
км |
|
8 ^ 2 |
||
Густой туман |
5 0 2 0 0 |
м |
|
о |
о |
||
|
00 |
см -•I |
Капли дождя еще больше и рассеяние неселективно. В табл. 2.7.2 приве дены коэффициенты пропускания инфракрасного излучения на трассе в одну морскую милю во время дождя.
Т а б л и ц а 2.7.2. Коэффициент пропускания инфракрасного излучения на трассе в одну милю во время дождя [19]
Метеоусловия |
Сила дождя, см/час |
Коэффициент пропускания |
Слабый дождь |
0,25 |
0,88 |
Средний дождь |
1,25 |
0,76 |
Сильный дождь |
2,25 |
0,65 |
Очень сильный дождь |
10 |
0,38 |