Источники и приёмники Излучения, страница 10

Полярные сияния. Наиболее мощные полярные сияния возникают на высотах около 100 км над земной поверхностью и наблюдаются в основном в приполярных областях. Они не отличаются стабильностью своих пространственных, спектральных и временных характеристик, Яркость полярных сияний может достигать 0,2 кд/м '. Спектр у ннх линейчатый и лишь на участке 0,65— 0,95 мкм сплошной, с резко выделявшейся линией на 0,92 мкм, имеющей яркость около 6.10 ' Вт/м ' ср ".

Излучение в УФ- области и видимой имеет яркость от 3 10 ' до 1,1 ° !О Вт/м зх )г. ср ", В ИК-диапазоне излучение полос полярного сияния меньше излучения ночного неба нли практически равно ему. Одной из характеристик фонов является пространственный спектр их излучения. Излучение фоновых образований отличается, как правило, существенной неоднородностью по пространственным координатам (то же можно сказать н об угловых координатах). Излучающая поверхность располагается относительно точки наблюдения на расстояния практической бесконечности, а размеры поверхности также велики.

В ряде случаев ее угловой размер равен 2я ср (полусфера), поэтому она занимает все поле зрения ОЭП. Характеристикой неравномерности углового распределения излучения фоновой поверхности является пространственно-частот. ный спектр мощности. Глава 2 ПРОХОЖДЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ РАЗЛИЧНЫЕ СРЕДЫ И ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ $ 2.!. Виды взаимодействия оптического излучения с различными средами. Основные положения Как известно, оптическое излучение характеризуется такими параметрами, как поток излучения Ф„энергетическая яркость 1„, сила излучения 1,, спектральное распределение потока пзлучения Ф„, степень поляризации Р, н многими другими.

В процессе распространения излучения в произвольной среде, в том числе и в оптической системе оптико-электронного прибора, его исходные параметры изменяются. Полный поток ослабляется вследствие его поглощения, интенсивность излучения дополнительно ослабляется из-за рассеивания на различных неоднородностях среды. Спектральная неравномерность поглощения потока излучения приводит к искажению его исходного спектрального состава. В отдельных случаях из-за люминесценции и нелинейности среды могут появляться спектральные компоненты, отсутствовавшие в первоначальном распределении потока Ф,ь.

Многочисленные изменения могут происходить с поляризацией излучения. Исходное неполяризованное излучение может стать частично поляризованным. Для поляризованного излучения возможны или поворот вектора поляризации„ или его преобразование. Часть этих превращений либо используется оптико-электронными приборами для получения ин~рормации о среде распространения, либо происходит в его оптической системе в соответствии с ее функциональным назначением. Бблыпая же нх часть с точки зрения проектировщика приборов является вредной, и их необходимо учитывать для успешного функционирования разрабатываемой системы. Исходные законы, определяющие прохождение излучения, просты, и их относительно немного. Прохождение излучения через толщу однородного, поглощающего, но нерассеивающего вещества описывает закон Бугера или Бугера — Ламберта, имевший вид Ф -- Ф е — а'л л зл где Ф, — световой поток в сечении с координатой х; Ф„, — световой поток в плоскости с координатой О; а' — натуральный показатель поглощенна вещества для длины волны излучения Х.

Закон Бугера позволяет найти коэффициент пропускания слоя вещее~за толщиной х Для практических расчетов целесообразно выражение (2.1) преобразовать к следующему виду: т — ! О-0.434л'л — 1Π— ал (2.2) где а — десятичный показатель поглощения вещества. Из выражения (2.2) видно, что если х = 1/а, то коэффициент пропускания слоя т = 0,1. Величину 0 =!й(11т) = — 1дт = ° ах принято называть оптической плотностью слоя поглощающего вещества. Оптической плотностью пользуются очень широко и часто в расчетах ее предпочитают коэффициенту пропускания или поглощения. Это происходит в основном из-за двух моментов.

Во-первых, оптическая плотность пропорциональна толщине слоя, в то время как коэффициент пропускания является ее показательной функцией, поэтому рассчитывать оптическую плотность и оперировать ею во многих случаях гораздо проще. Во-вторых, если вещество слоя имеет сложный состав и поглощение определяется только одной компонентой, оптическая плотность определяется следующим выражением: 0 =ах =йсх. В этом выражении, известном как закон Беера, й — удельный показатель поглощения активной компоненты; с — ее концентрация.

К сожалению, использование закона Бугера — Ламберти и его следствий в практических расчетах осложняется рядом обстоятельств. Прежде всего это непостоянство показателя поглощения по всей трассе распространения излучения. Затем — непостоянство оптической длины пути всех лучей пучка излучения.

Третье ограничение связано с непостоянством величин и или а' в спектральном диапазоне, а в случае анизотропии свойств и с состоянием поляризации излучения. Спектральная полоса пропускания любого оптико-электронного устройства конечна, и поэтому закон Бугера можно использовать, строго говоря, в интегральном виде для определения действующего значения пропускания ь» 1 та„— — — ( ехр ( — -аьх) бХ. Хз — Хл д в Поток излучения, падая на границу раздела двух сред, разделяется на две компоненты: проходящую и отраженную. В зависимости от пространственных неоднородностей границы раздела возможны зеркальное и диффузное отражения.

В первом приближении, если пространственные неоднородности границы раздела сред сравнимы с длиной волны излучения, то отражение диффузно и характеризуется коэффициентом отражения р, равным (2.1) т == Ф,/Ф, е- ". рл =. п1.,~'Е„ (2.3) 43 и где (,„— энергетическая яркость; Е,— Е, энергетиддеская освещенность границы. Предполагается, что Е„не зависит от направления падающего излучения и и« одинакова для всех направлений. пг В случае, когда поверхность раздела двух сред гладкая (неровности много й меньше длины волны), то отражение от нее будет зеркальным и его параметры определяются формулами Френеля. Пусть излучение падает из среды Рис. 2.!.

Отражение излучения от границы равд а С ПОКазаТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ Пд В СРЕДУ диу„ср,д с показателем преломления п, под углом «р, к нормали ОУ (рис. 2.1). Отраженный луч расположен симметрично падающему и образует с нормалью угол, соответствующий углу падения «р,. Луч, прошедший через границу раздела двух сред, лежит в той же плоскости, что и падающий, но его угол распространения относительно нормали к поверхности ф, в соответствии с законом Снелиуса или законом синусов, можно определить из соотношения пд 5!и фд = пз здп фз. Чтобы оценить энергетические характзристики разделенных потоков излучения, необходимо учитывать поляризационную структуру падающего потока излучения.

В любом случае его можно разделить на две компоненты, которые различаются тем, что электрический вектор Ер для одной совершает колебания в плоскости падения — плоскости чертежа, а для другой компоненты колебания Е, электрического вектора перпендикулярны к нему. К о э фф и ц и е н т ы о т р а ж е н и я каждой из компонент определяются формулами Френеля, в частности, для луча с колебаниями в плоскости падения рр — (й ( р. — ф.)/(а (ф + ф.). (2.4) Для луча с колебаниями, перпендикулярными к плоскости падения, р, = 5(пв («р, — «р,)/яп' («р, + «р„). (2.5) В случае нормального падения излучения на границу раздела двух сред эти выражения упрощаются и приводятся к виду р = (пв — пд)в/(пв + п,)в.

При анализе этих формул можно получить важные для практических расчетов следствия. Прежде всего для случая, когда и, > ) пз, определяется угол фве полного внутреннего отражения «р„а мм агсяп (и,/пд). При наклонном падении излучения на плоскую границу про- исходит достаточно детерминированное искажение состояния поля- 44 ризацни потока излучения, В случае па- р,д ДЕННИ ЕСТЕСтВЕИНОГО СВЕта, У КптОРОГО )и мощность обеих составляющих одинако- й ва, отраженный поток будет характери- й зоваться определенной степенью поляри- 07 зацин. На основании формул Френеля йу можно получить выражение для степени йу поляризации отраженного потока йв й! +.

= Рз+Рр '( ) *( + ) Р М га Уа ЗП И И га ар, д з где а = [()I р'+«ге+ р)/2~'~; Ь = [[)/ рв+«гв — р)/21П Если проанализировать выражения (2.6) и (2.7), то можно отметить, что хотя и существует значительная разница между !у з з ДЛЯ ПРОХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ СТЕПЕНЬ ри . 2.2. Зависимости козфполяризации определена выражением фициента отражения р и степени поляризации р отраженр (т) — — в р ! — с«ж (фд — Ч'з) ного пучка от угла падения ф: тз + чр ! + сове (фд — фз) д — злектркчсскве колебзняя перпендикулярны плсскосзв ИЗ ВНВЛИЗВ ВЫРВЖЕНИЯ (2.4) МОЖНО пздеввя «з-комноневтвд; д— зстестзенмыя свет: а — злек- ЗаКЛЮЧИтЬ, Чта ДЛЯ СЛУЧаЯ, КОГДа фд + трмчнкве колебзняя параллель+ ф = 9(!", Коэффициент пула!кения кы плоскости надеин» «р-комп .

3 кента!; Š— степень палярнзаРр = О. ЭтОт момент хаРактеРНВУется квя отраженного пучка появлением полностью поляризованного излучения из естественного света. Соответствующий угол падения «ра — угол Брюстера — зависит от относительной величины коэффициента преломления второй среды «рн = Вгс(д (н,/и,). На рис. 2.2 приведена зависимость коэффициента отражения р и степени поляризации р отраженного пучка от угла падения «р на поверхность стекла (и = 1,52). Для случая, когда границей раздела служит поверхность поглощающего вещества, выражения для коэффициентов отражения существенно усложняются. Параметры поглощающей среды задаются в виде комплексного коэффициента преломления 6 = и -(- /н, и коэффициенты отражения ортогональиых компонент падающего потока излучения будут равны л', сов' ф, + (п! + нВ (а' + Ь') — 2л, сов«р, (лда — нзЬ) .

п', соз' «р, + (лз + нВ (аз + Ь') + 2п, сов «р, (лза — к,Ь) ' л', (а' + Ь') + (л', + н,') сов' ф, — 2л, сов ф, (пза + н,Ь) л" ,(а' + Ьз) -1- (лз -(- н',) сов' «Р, + 2л сов «Рд (л,а + к,Ь) ' и где (,„— энергетическая яркость; Е,— Е, энергетиддеская освещенность границы. Предполагается, что Е„не зависит от направления падающего излучения и и« одинакова для всех направлений. пг В случае, когда поверхность раздела двух сред гладкая (неровности много й меньше длины волны), то отражение от нее будет зеркальным и его параметры определяются формулами Френеля.