Прикладная оптика. Лекция 2

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ И ИХ ПРИМЕНЕНИИ
План лекций
1. Общие сведения об оптико-электронных приборах и их применении.
2. Влияние атмосферы на работу оптико-электронных приборов. Тепловое излучение и его источники.
3. Свойства лазерного излучения. Фотометрическая и светоэнергетическая системы единиц.
4. Принцип действия лазеров.
5. Приёмники лучистой энергии (ПЛЭ).
6. Основы расчёта оптических систем.
7. Типы оптических систем.
8. Оптические материалы и покрытия. Оптические фильтры.
9. Оптомеханические модуляторы.

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Высотные профили концентрации основных газов
Строение атмосферы
Приземной слой: N2 (78%), вслед за ним по распространённости идёт кислород О2 (21%). От 0,00003 до 0,00005% занимает углекислый газ СО2, а от 0,001 до 4% — водяной пар Н2О.
Распространение излучения в атмосфере. Состав и строение атмосферы
Влияние атмосферы обусловлено процессами рассеяния и поглощения, которые приводят к ослаблению и искажению сигнала.
Факторы, позволяющие произвести расчёт влияния атмосферы:
протяжённость трассы;
высоту над уровнем моря;
вид трассы;
количество водяных паров

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Виды траекторий, проходимых сигналом от цели до
оптико-электронной системы
Приступая к проектированию ОЭП, необходимо иметь основные характеристики цели:
- суммарную мощность излучения;
- спектральный состав излучения;
- распределение силы излучения по направлению (индикатрису).
Индикатриса может быть получена экспериментально или теоретически
Излучение целей и фонов

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Тепловое излучение
Электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела, называется тепловым.
Виды излучений:
фотолюминесценция
электролюминесценция
хемилюминесценция
катодолюминесценция
радикало-рекомбинационная люминесценция
Спектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность):
Спектральная поглощательная способность:
Интегральная энергетическая светимость:
Спектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность) связана с объемной плотностью излучения соотношением
=

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Законы теплового излучения и их применение
Абсолютно черное тело
Закон Кирхгофа: отношение испускательной к поглощательной способности не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же универсальной функцией частоты и температуры:
Сажа или платиновая чернь имеют поглощающую способность
По определению α не может быть больше единицы.
Тело, у которого α <1 и одинакова по всему диапазону частот, называют серым телом.
Тело, у которого α =1 – абсолютно черное тело.
Реальное тело всегда отражает часть энергии падающего на него излучения
1 - абсолютно черное тело;
2 - серое тело;
3 - реальное тело всегда отражает часть энергии падающего на него излучения
В природе абсолютно черных тел не существует!
Абсолютно черное тело – тело, поглощающее абсолютно всё падающее на него излучение во всех диапазонах

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Закон Стефана-Больцмана
Закон Стефана-Больцмана: интегральная энергетическая светимость тела R пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры Т.
- постоянная Стефана-Больцмана
Площадь под кривой
равна
Спектральная испускательная способность абсолютно черного тела
Справедливо только для АЧТ

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Закон Планка
Термодинамическая вероятность – число возможных микроскопических комбинаций, совместимое с данным состоянием в целом.
Энергия осциллятора должна быть целым кратным некоторой единицы энергии, пропорциональной его частоте:
Формула Планка:
– постоянная Планка
Минимальная порция энергии:

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Окончательный вид формулы Планка
Закон Планка
.
Рэлей - Джинс
Вин
Планк
ультрафиолетовая катастрофа
1) В области малых частот, т.е. при
Получаем формулу Рэлея-Джинса:
2) В области больших частот, при
из формулы Планка получаем формулу Вина:

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Закон Планка
Также из формулы Планка можно получить закон Стефана-Больцмана:
Отсюда можно вывести закон Стефана-Больцмана:
Другая форма записи формулы Планка
Из формулы Планка, зная универсальные постоянные h, k и c, можно вычислить постоянную Стефана-Больцмана σ и Вина b.
Закон Кирхгофа применяется при создании т. н. абсолютно
чёрных тел — приборов, по своим свойствам наиболее близких к абсолютно чёрному телу
Закон Стефана-Больцмана позволяет вычислить световой поток, зная температуру цели, т. к. величина R является производной от потока.
С помощью закона Планка определяется поток для любого спектрального диапазона (интегралом излучательной способности является интегральная энергетическая светимость R, которая, в свою очередь, есть производная от потока Ф).
Закон Вина позволяет определить спектральный диапазон работы прибора.

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Искусственные источники излучения
Лампа накаливания
типичный тепловой и световой излучатель – вакуумная колба с вольфрамовой спиралью, которая под воздействием электричества раскаляется до высоких температур.
Газоразрядные лампы
В колбе, кроме газовых соединений и примесей химических веществ, находятся электроды, которые создают разряд.

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Светодиоды
Светодиод - прибор, основанный на полупроводнике и преобразует электрический ток в световое излучение.
Свечение, которое излучает светодиод при подключении его к электрическому току, зависит не от цветовой окраски корпуса. Он зависит от материала, который используется при производстве полупроводника. Так, например, примеси алюминия, индия, гелия, фосфора вызывают свечение от красного до желтого цвета. Азот, галлий, индий придают излучаемому свету цвета от зеленого до голубого. Чтобы добиться белого свечения в кристалл добавляют люминофор, используемый для производства люминесцентных ламп.

КУРС: ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Принцип работы светодиода
Принцип работы: p-n переход
Подобный тип устройств способен излучать любой оттенок светового спектра за счет применения в одном кристалле 3-х светодиодов: красного, зеленого и синего. В зависимости от интенсивности свечения каждого из них, меняется излучаемый свет.
…«Когда к аноду подается положительный заряд электричества, а к катоду отрицательный, то на р-n переходе между кристаллом катодом начинает течь ток»
Виды светодиодов:
индикаторные – с маленькой мощностью, для подсветки в приборах;
осветительные – с большой мощностью, уровень освещенности соответствует обычным (люминесцентным и вольфрамовым) источникам света.