Оптическое излучение

1. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

1.1. Свойства оптического излучения и способы его описания

         Оптическое излучение – один из видов электромагнитных колебаний (рис. 1.1) – занимает на шкале длин волн интервал, охватывающий пять порядков изменения λ: от λ_min  = 10^–2 мкм до λ_max = 10³ мкм. Оптический диапазон включает ультрафиолетовое излучение (10^–2…0,38 мкм), видимое излучение (0,38…0,76 мкм) и инфракрасное излучение (0,76…10³ мкм). Указанные границы являются примерными, резкого изменения свойств оптического излучения на границах не происходит.

               Рис. 1.1. Шкала длин волн электромагнитных колебаний

Коротковолновая часть оптического диапазона (УФ-излучение) обладает ярко выраженным селективным характером воздействия на объекты, в первую очередь биологические. Ультрафиолет обладает бактерицидными (обеззараживающими), эритемными (загар, пигментация кожи), фотохимическими, фотобиологическими и фотоэлектрическими свойствами.  Оптическое излучение, воспринимаемое человеческим глазом и сосредоточенное в области длин волн 0,38…0,76 (0,78) мкм или частот (4,0…7,5)10¹⁴ Гц, называют  видимым или световым  излучением, или просто светом. Видимая область составляет малую часть оптического диапазона, порядка 0,05 %, но наиболее значима для человека. Длинноволновая, инфракрасная, часть оптического диапазона (ИК-излучение) делится на три зоны: ближнюю (0,76…3 мкм), среднюю (3…20 мкм) и дальнюю (20…10³ мкм) ИК-области. ИК-излучение обладает в основном коллективным, тепловым характером воздействия на среды и используется для обогрева, в оптической связи, тепловидения, спектроскопии, биологии и медицине.

Существует три способа описания оптического излучения: волновой, корпускулярный (квантовый) и лучевой. В рамках классического, волнового подхода оптическое излучение представляется электромагнитными волнами, векторы напряженности электрического Е и магнитного Н полей и направления распространения волн которых взаимно ортогональны. Напряженность электрического поля  оптической волны описывается гармонической пространственно-временной функцией

где Т – период колебаний; λ – длина волны; z – координата направления распространения; φ – начальная фаза; ω = 2πν – круговая частота (ν = 1/ Т – циклическая частота); k = 2π /λ – волновое число.

          Скорость υ распространения излучения определяется диэлектрической  ε и  магнитной μ проницаемостями среды. Для оптических немагнитных сред относительная  магнитная проницаемость   μ_r = 1. Тогда для скорости получим υ , где n – показатель преломления среды, определяемый относительной диэлектрической  ε_r проницаемостью. Чем больше n, тем медленнее распространяется излучение в среде. Длина волны излучения зависит от скорости υ ее распространения и периода или частоты ν колебаний: λ = υT = υ/ν.  При распространении оптического излучения в вакууме, а в первом приближении и в воздушной среде (n_в = n₀ = 1), длина волны и частота колебаний связаны обратным соотношением λ = с /ν через скорость света. Следует понимать, что при распространении излучения  период колебаний и их частота сохраняются неизменными. В среде с показателем преломления n > 1 будет изменяться только длина волны оптического излучения, частота же колебаний останется прежней.

         Процесс переноса электромагнитной энергии характеризуется вектором Пойтинга . Количество энергии, переносимой в единицу времени через единицу нормальной поверхности, определяется модулем вектора Пойтинга  [Дж/(м² · с)]. В приведенное выражение входит мгновенное значение Е оптической волны. Когда говорят об оптическом излучении, то характерной длиной волны часто считают λ = 1 мкм = 10^–6 м. Следовательно, напряженность электрического поля такой оптической волны изменяется с частотой  ν = с/λ = 3 · 10¹⁴ Гц. На практике при столь высоких частотах колебаний измерительные  приборы будут регистрировать среднее значение параметра. С учетом гармонического характера изменения Е и квадратичной зависимости  модуля вектора Пойтинга от напряженности электрического поля для его среднего значения  можно получить  [Вт/м²].