Файл: 177_____.doc

1. Когерентная оптика и оптическая

обработка информации

1.1. Свойства света и его параметры

Специальные исследования показали, что человек получает 90% информации через органы зрения. Диапазон видимого электромагнитного излучения простирается от 0,38 мкм до 0,78 мкм. Однако, оптическим диапазоном в настоящее время называют значительно более широкий диапазон: от 0,1 мкм до 100 мкм. Излучение этого диапазона с большой точностью подчиняется законам геометрической оптики, как и видимый свет. Кроме того, оно воспринимается и преобразуется современными оптоэлектронными устройствами.

Весь оптический диапазон принято разбивать на следующие диапазоны:

Вакуумный ультрафиолетовый (ВУФ) - от 0,1 до 0,2 мкм.

Ультрафиолетовый (УФ) - от 0,2 до 0,38 мкм.

Видимый - от 0,38 до 0,78 мкм.

Ближний инфракрасный (Ближний ИК) - от 0,78 до 2,0 мкм.

Средний инфракрасный (Средний ИК) - от 2,0 до 10,0 мкм.

Дальний инфракрасный (Дальний ИК) - от 10,0 до 100,0 мкм.

В связи с тем, что полупроводниковые оптоэлектронные приборы играют значительную роль в генерации и преобразовании излучения оптического диапазона, следует отметить рабочий диапазон полупроводниковых источников излучения, который заключен в пределах от 0,2 мкм до 20 мкм.

В свою очередь современные полупроводниковые фотоприемные устройства воспринимают и преобразуют излучение всего оптического диапазона.

Волновые свойства излучения проявляются при распространении волн за препятствия (дифракция) и при взаимодействии световых пучков (интерференция). Взаимодействие пучков света с одной длиной волны (пучков когерентного излучения) приводит к появлению светлых и темных полос в суммарном поле, т.е. амплитуды света суммируются при совпадении фазы колебаний и взаимно уничтожаются при колебаниях в противофазе. Волновые свойства света и законы интерференции используются в высокочувствительных оптических датчиках и измерительных приборах фазового типа, а также в голографии.

Впервые представление о квантах светового излучения ввел Планк. Позже Эйнштейн, при изучении взаимодействия света с веществом на микроскопическом уровне, вывел уравнение фотоэффекта, в котором впервые использовал понятие фотона как кванта света. В соответствии с теорией относительности фотон, обладающий энергией Е=hν, должен иметь массу покоя m₀=hν/с² и импульс P=hν/с, где с- скорость света. Российский ученый Лебедев П.Н. впервые экспериментально доказал наличие импульса у света, измерив световое давление на тонкие металлические лепестки вертушки, вращающейся под действием света в вакууме. Наличие импульса у света свидетельствует о корпускулярных свойствах оптического излучения, которое подтверждается также опытами по квантовому взаимодействию света с электронами атомов различных веществ в разных агрегатных состояниях (твердых, жидких и газообразных).

Таким образом, оптическое излучение обладает свойствами частицы и волны т.е. имеет место так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

Для описания видимого света вводятся специальные фотометрические величины, дополняющие известные энергетические характеристики.

В оптике традиционно принято использовать следующие физические величины:

– световой поток - Ф количество лучистой энергии, протекающей в единицу времени сквозь некоторую поверхность σ; измеряется в люменах ; (лм) – световой поток, посылаемый источником света 1 кд внутрь телесного угла в 1 ср (ср-стерадиан); люмен может быть выражен в ваттах;

– сила света I – отношение светового потока dФ, распространяющегося от источника в рассматриваемом направлении внутри малого телесного угла dΏ, к этому телесному углу

(I=dФ/dΏ); единицей силы света является кандела (кд) – сила света, испускаемого с 1/600000 м² площади сечения излучения в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре затвердевания платины Т=2042 К и при давлении р=101325 Па. Международная свеча составляет 1,005 кд; кд может быть также выражена в ватт/ср;

– освещенность Е – величина светового потока, приходящегося на единицу площади освещаемой поверхности, Е=dФ/dσ; для измерения освещенности используется единица люкс; лк=лм/м² – световой поток в 1 лм, распределенный по площади 1 м²; может быть выражена в ватт/м²;

– яркость источника В (для протяженных источников) – световой поток, излучаемый в данном направлении единицей площади видимой поверхности источника внутрь единичного телесного угла; может быть выражена в ватт/(м² ·ср);

– светимость S – суммарный световой поток, отходящий от единицы площади светящейся поверхности внутрь телесного угла равного 2π; S=Ф/σ,; для измерения освещенности используется также единица люкс (лк) = лм/м² – световой поток в 1 лм, распределенный по площади 1 м²; выражается в ватт/м², как и освещенность.

При разработке средств освещения внутри помещений, на городских улицах и магистралях необходимо учитывать чувствительность человеческого глаза к различным участкам спектра видимого излучения. Многочисленными измерениями была получена чувствительность усредненного человеческого глаза к разным частям видимого спектра, которую назвали кривой видности. Максимум кривой видности соответствует длине волны 0,555 мкм. Таким образом, глаз человека на этой длине волны (зеленый цвет) обладает наибольшей чувствительностью.

Следует заметить, что и фотоприемные устройства имеют характерные кривые спектральной чувствительности.

1.2. Оптоэлектронные приборы и устройства

Оптоэлектроника – наука об устройстве приборов для генерации, приема и преобразования оптического излучения в диапазоне от 0,1 до 100 мкм и процессах, происходящих в них.

Оптоэлектронные приборы – электронные приборы, обеспечивающие преобразование электрической энергии в световую и, наоборот, световую в электрическую. Например, светодиод, фотодиод, фототранзистор.

Чаще всего эти приборы используют для преобразования сигналов при извлечении, передаче и отображении информации. В датчиках оптоэлектронные приборы осуществляют формирование электрического сигнала под влиянием физических воздействий (давления, температуры, звука и т.п.).

Оптоэлектронное устройство – устройство, объединенное с другими вспомогательными электронными (или оптическими) приборами в единое целое для выполнения заданных функций. Например, светодиод с модулятором образуют передающий оптический модуль (ПОМ). Фотодиод (фототранзистор) вместе с усилителем образует оптоэлектронное устройство, которое называются приемным оптическим модулем (ПРОМ).

Квантовые приборы – приборы, построенные на принципах использования квантовых эффектов при взаимодействии света с электронами атомов различных веществ. К этим приборам относят, прежде всего, лазеры, а также нелинейные и параметрические преобразователи света. Особенность лазеров заключается в том, что они позволяют получать когерентное излучение, обладающее свойствами монохроматичности (излучение на одной частоте) и стабильности фазы.

Как известно, свет представляет собой электромагнитные колебания очень высокой частоты (в 2,5…1,32 тысячи раз больше, чем у радиоволн миллиметрового диапазона).

Любую систему, действие которой основано на непосредственном использовании высокочастотных электромагнитных волн для передачи, сбора, извлечения, обработки и хранения информации, называют радиооптической системой.

Радиотехника – наука о передаче и извлечении информации с помощью электромагнитных волн, а также об устройстве и работе приборов для генерации и приема электромагнитных колебаний с частотами от единиц кГц до более чем 300 ГГц. Последняя цифра соответствует длине волны 0,1 мм или 100 мкм. Т.е. оптический диапазон следует непосредственно за пределом радиотехнического диапазона.

Радиооптика – наука об изучении и использовании волновых процессов в оптике и радиотехнике, основанная на общности законов оптики и радиотехники. В частности оптические методы позволяют наблюдать и моделировать дифракционные и интерференционные явления характерные для радиоволн. И наоборот, сейчас освоены гетеродинные методы обработки сигналов, впервые использованные в радиотехнике.

Современная эра систем передачи информации с помощью оптического диапазона длин волн начинает свой отсчет с момента обнаружения эффекта усиления радиосигналов в газовом разряде аммиака в 1954 г. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым. Вскоре была разработана теория квантовых генераторов радиодиапазона (мазеров) и созданы первые действующие квантовые генераторы оптического диапазона - лазеры на рубине (в 1960 г.), а затем газовые с использованием газового разряда смеси Не и Nе, в 1961 г.