Оптическое излучение, страница 2

         Корпускулярный, или квантовый, способ описания оптического излучения предположил Планк. По гипотезе Планка, излучение происходит порциями энергии – квантами. При оптическом переходе сверху вниз излучается квант с энергией, равной разнице энергий начального (верхнего)  W₂ и конечного (нижнего) W₁ состояний возбужденной частицы:  ε_кв = hν  = W₂ – W₁, где h = 6,62 ·10^–34 Дж · с (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Формирование кванта оптического излучения

         Используя упрощенные энергетические диаграммы среды, процесс формирования кванта можно представить в ином виде (рис. 1.3).

         Третий – лучевой способ описания базируется на том, что в изотропной среде оптическое излучение распространяется прямолинейно (лучами). Ранее в технической литературе для обозначения оптического излучения использовался термин «лучистая энергия». Лучевой метод используется в тех случаях, когда речь не идет о процессах формирования и генерирования излучения, а только о его распространении в оптической среде. Лучевой способ описания оптического излучения – это основа геометрической оптики (рис. 1.4).

                            Рис. 1.3. Генерации кванта                                 Рис. 1.4. Линзовый эффект

         При лучевом описании излучения вводится понятие оптической длины пути, пройденного в среде протяженностью L_г с показателем преломления n: L_опт = n L_г. Для воздуха n_в = n₀ = 1 и, следовательно, L_опт = L_г.      

1.2. Характеристики оптического излучения

         1. Энергия оптического излучения W [Дж]. Полагая, что в пространстве присутствуют равномерно распределенные кванты с одинаковой  энергией hν, т. е. ν  = const, полную энергию можно найти как W, где N – общее количество частиц; n – концентрация; V – объем системы.  В общем случае кванты могут различаться по энергиям – иметь разные длины волн (частоты) и для определения W потребуется интегрирование спектральной функции.

         2. Объемная спектральная плотность энергии учитывает пространственно-спектральное распределение квантов. Различают  объемную спектральную плотность энергии в масштабе частоты  и в масштабе длины волны .  Связь между w_ν и w_λ устанавливается с учетом соотношения ν = c/λ. Отсюда для дифференциала частоты получим  . Минус в выражении физического смысла не имеет, а означает, что оси частоты и длины волны разнонаправлены:. Тогда .

         3. Мощность (поток) излучения Р [Вт; Дж · с^–1] определяет скорость расходования энергии или энергию квантов, пересекающую заданную плоскость в единицу времени: . Определяет либо мощность, излучаемую источником, либо поток квантов.

         4. Поверхностная плотность излучения  определяет мощность, излучаемую с  элемента площади ∂S источника, либо поток излучения, который пересекает элементарную площадку. По размерности и физической сущности  I_S совпадает со средним значением модуля вектора Пойтинга  .