Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 2

При описании излучения как электромагнитной волны световой вектор(напряженности электрического поля) зависит от следующих параметров:E = e*EO*sin (ω*t – ω*n*x/c + φO), где е – единичный вектор, характеризующийнаправление поляризации волны, Е0 – амплитуда напряженности поля волны,ω = 2πν - циклическая частота колебаний, n – показатель преломления среды, с– скорость света в вакууме, φO – начальная фаза. Скорость распространениясвета в данной среде (v = c/n) зависит от величины показателя преломления(n2 = ε*µ).

Каждый из параметров электромагнитной волны – Е0, е, ω, v - можетбыть использован для модуляции оптического излучения.При использовании корпускулярных свойств света для описания оптическогоизлучения световой поток представляют потоком фотонов c энергией Еф=hν.Для описания связи параметров оптического излучения используются следующие соотношения, выражающие частоту и энергию фотонов через длину волны: ν = 3*1014/λ, ЕФ = 1,23/λ = 4,1*10-15ν, где размерность: ν в Гц, λ в мкм, Еф вэВ.

Плотность потока фотонов связана с плотностью мощности излучения Nф =5*1015λРизл , где размерность [Nф] = 1/с*см2, а [Ризл] = мВт/см2.Оптическое излучение может быть когерентным и некогерентным. В общемслучае луч света является суперпозицией электромагнитных волн. Некогерентное излучение возникает, когда каждый атом генерирует излучение независимо,направления поляризации и фазы волн (е, ϕ0) различны. Для когерентного излучения, когда колебания излучающих атомов согласованы, эти параметры постоянны.

Для когерентного излучения возможно наблюдение явлений интерференции излучения, когда в результате сложения волн их амплитуда зависит отразности фаз. Для некогерентного излучения суммарное значение амплитудыне зависит от разности фаз.Для описания возникновения и распространения излучения, а также взаимодействия излучения с веществом используются различные разделы оптики.Геометрическая оптика использует понятие световых лучей для анализа процессов отражения и преломления. Волновая оптика использует описание света,как электромагнитных волн, для явлений интерференции, дифракции, рассеяния и др.

Квантовая оптика рассматривает световой поток, как поток фотонов,для описания явлений фотоэффекта, лазерной генерации, фотохимии и др.7СВЕДЕНИЯ ИЗ ФОТОМЕТРИИИсторически сложилось так, что за фотометрические единицы принималисьтакие характеристики излучения, которые связаны с его воздействием на глазчеловека. Однако часто для описания свойств излучения и его взаимодействия свеществом пользуются энергетическими единицами. Измерение же энергетических характеристик излучения входит в задачи радиометрии.Таким образом, в оптоэлектронике пользуются двумя системами единиц:фотометрической и энергетической.

Например, КПД излучателя определяютэнергетическими единицами, а зрительное ощущение от его излучения — фотометрическими. В табл. 1. приведены основные энергетические и соответствующие им фотометрические единицы.Таблица 1. Основные энергетические и фотометрические единицыЭнергетичеОбознаская величичениенаФотометЕдиницы рическаявеличинаЭнергия излученияДжПотокизлучения(мощность)ЭнергетическаясветимостьЭнергетическая освещенностьСилаизлученияЭнергетическая яркостьQеФе ,РRеСветоваяэнергияОбозначениеЕдиницыQфлм*сВтСветовойпотокФфлмВт/м2СветимостьRфлм/м2ОсвещенностьЕфлкIфкдВфкд/м22ЕеВт/мIеВт/срВеВт/м2Сила светаЯркостьВ отечественной и зарубежной литературе широко используется внесистемный термин — интенсивность излучения (intensity).

Английскому "intensity" соответствует русское "сила света", и согласно ГОСТу, это понятие относится кхарактеристике излучателя. Однако этот термин часто применяют и к излучению, падающему на поверхность фотоприемника. Поэтому единицами измерения могут быть Вт/(ср*м2) (это совпадает с единицей яркости) или Вт/см2 (и тогда это соответствует единице светимости или освещенности).Иногда при работе с излучением сложного спектрального состава под ин-8тенсивностью понимают спектральную плотность мощности излучения∂Р/∂λ (Вт/нм).Между величинами, приведенными в табл.

1, существует строгая связь. Рассмотрим эти величины подробнее.Поток излучения Фе,ф - полная энергия, излучаемая источником во всех направлениях в единицу времени.Освещенность Eе,ф = dФе,ф / dA - величина потока излучения, приходящаясяна единицу освещаемой поверхности.За единицу светимости Re,ф = dФе,ф/dA принимают поток излучения в 1 Вт(1 лм), отдаваемый поверхностью источника площадью 1 м2.Сила света (излучения) в данном направлении Iе,ф = dФе,ф/dΩ определяетсяотношением величины потока излучения к величине телесного угла, в которомданный поток распространяется.

Если источник излучает во все стороны равномерно, то полный поток Ф = 4πI. В том случае, когда Ф = 4π (Вт или лм), источник имеет типичную силу света 1 Вт/ср или 1 лм/ср = 1 кд.Кандела (основная единица измерения в фотометрии) представляет собойсилу света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540*1012 Гц, энергетическая сила света которого в этомнаправлении составляет 1/683 Вт на стерадиан.За единицу яркости Ве,ф = dIе,ф/dA принимают количество излучения, равномерно испускаемого плоской поверхностью площадью 1 м2 в перпендикулярном к ней направлении при энергетической силе света 1 Вт/ср (1 лм/ср).Согласно определению, сила света и яркость источника излучения зависятот направления наблюдения.

Действительно, как следует из рис. 1 сила света отэлемента поверхности dА источника в направлении с, перпендикулярном егоповерхности, равна dI = B dA, а в направлении с` dI = BdAcosΘ (здесь Θ - уголмежду нормалью к излучающей поверхности и направлением наблюдения). Отсюда яркость B = (1/cosΘ)dI/dA.

В нашем случае I - это сила света, посылаемого элементом поверхности, видимой в данном направлении.Для поверхности, излучающей диффузно, справедлив закон Ламберта, согласно которому сила света источника пропорциональна cosΘ. Поэтому его яркость не зависит от угла наблюдения.Связь между световым потоком ФФ (лм) и энергетическим потоком Фе (Вт)для видимой области спектра определяется зависимостью: ФФ(лм) = kλ Фе(Вт),где kλ (лм/Вт) - фотометрический эквивалент излучения, зависящий от длиныволны. В относительных единицах эта величина обозначается как Vλ и называется функцией видности.На рис.

2. представлена спектральная зависимость kλ. Эта кривая соответствует усредненной спектральной чувствительности человеческого глаза. Максимум величины kλ, расположен при λ = 550 нм (зеленый свет) и составляет683 лм/Вт. Приведенная кривая характеризует источник излучения как слабыйили яркий в зависимости от его длины волны при одинаковой мощности излучения.9Рис. 1. К выводу выражения для яркости источника излученияРис. 2. Спектральная зависимостьфотометрического эквивалента излучения и функции видностиСогласно современным определениям, оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания с длиной волны от 0,1 мм до 1 нм. Однако большинство оптоэлектронных приборов работают в значительно болееузком интервале длин волн 0,2 -10 мкм.

В табл. 1.2. представлены условныеграницы частей оптического диапазона.Таблица 2. Условные границы областей оптического спектрального диапазонаДиапаУФ-СзонУФ-Вλ(мкм) <0,280,28-0,32 0,32-0,400,40-0,44 0,44-0,49 0,49-0,55ДиапаЖелтыйзонОранжеКрасныйвыйИК-АУФ-Аλ (мкм) 0,55-0,59 0,59-0,63 0,63-0,80ФиолетовыйСинийИК-ВЗеленыйИК-С0,80-1,30 1,30-1,50 >1,5010ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯИсточниками излучения называют приборы, преобразующие электрическуюэнергию возбуждения в оптическое излучение заданного спектрального составаи пространственного распределения. Источники – основа любой оптоэлектронной системы, они определяют ее функциональные возможности, эксплуатационные и стоимостные характеристики, свойства остальных элементов – фотоприемников, пассивных оптоэлектронных элементов.Возбуждение оптического излученияЛюбое излучение тела, в том числе и оптическое, сопровождается потерейэнергии.

Для обеспечения непрерывности излучения необходимо пополнятьубыль энергии. По виду восполнения энергии различают два вида излучения:тепловое и люминесценцию.Тепловое излучение возникает тогда, когда энергия, уносимая излучением,пополняется сообщением телу соответствующего количества тепла. Тепловоеизлучение существует для всех тел, температура которых отлична от нуля(Т≠0), но интенсивность и спектр излучения зависят от их температуры.Для абсолютно черного тела светимость описывается законом СтефанаБольцмана: εт = σТ4, где σ = 5,67*10-12 Вт/см2*К4.

Для серых тел спектральнаяплотность светимости ЕТ=АТ*εТ, где коэффициент АТ<1. Длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения абсолютно черного тела, определяется температурой излучающего тела в соответствии с законом смещенияВина — Т*λmax = b = 2898 мкм*К. Если излучающий материал не соответствуетабсолютно черному телу, то величина постоянной b имеет меньшее значение,зависящее от температуры. Для вольфрамовой нити в лампах накаливания - bw =2660 мкм*К.Спектральная плотность светимости (Вт/см3) определяет распределение интенсивности излучения в зависимости от его спектрального состава.

Для абсолютно черного тела в диапазоне от 0,5λmax до 3λmax сосредотачивается 90% всеймощности теплового излучения.Полное описание свойств и характеристик теплового излучения основывается на использовании формулы Планка для спектральной плотности светимостиабсолютно черного тела: EλT = 2πhc2λ-5/(exp hc/λkT – 1), с учетом эмпирическихпараметров, учитывающих отклонение свойств используемых материалов отабсолютно черных тел.Тепловое излучение широко используется в лампах накаливания, которыеотносительно редко используются в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах. В то же время лампы накаливания являются до сихпор наиболее распространенными осветительными приборами. В вакуумнойколбе источником теплового излучения является вольфрамовая нить, нагретаядо температуры ~2450 К, ограниченной началом интенсивного испарения нити.При этой температуре максимум интенсивности излучения соответствует ин-11фракрасной области λmax = 1,1 мкм, т.е.