Оптические измерения. Основные понятия и определения

ЛЕКЦИЯ №1

1.  Вводная часть. Основные понятия и определения.

Этим курсом начинаем изучение оптики (оптических измерений) – раздела физики, исследующего некоторые свойства и природу света, а также некоторые аспекты его взаимодействия с веществом. Под светом будем понимать не только видимое излучение, но и примыкающие  к нему области спектра электромагнитного излучения – инфракрасную (ИК) и ультрафиолетовую (УФ).  Такое определение  связано с тем, что аппаратура и методы исследования в этих участках спектра весьма схожи. В качестве модели светового пучка будет использоваться некая абстракция  - луч (прямая линия). Если требуется рассмотреть волновые свойства света – то применяется приближение плоской монохроматической волны:

                                     (1)

Плоская монохроматическая волна – есть частное решение волнового уравнения. Она описывается заданием ее амплитуды – |E₀|, поляризации – компонент E₀, частоты – ω, волнового вектора |k|=nω/c и фазы δ. Произвольное реальное поле  можно представить  в виде суперпозиции плоских монохроматических волн. Вторая строчка (1) связана с  магнитной компонентой электромагнитного поля, и в некоторых ситуациях может оказаться более важной.  В формуле (1) считается, что амплитуда поля, зависящая от координаты, достаточно медленно зависит от времени. Фаза волны определяется показателем преломления.

Объектом оптических измерений может являться любой параметр формулы (1).

1.  Если измеряется |E(r,t)|² – распределения световой энергии в пространстве и во времени  то этот раздел оптических измерений называется фотометрия;

2.  Если измеряются длины волн или частоты в совокупности |E(r,t)|² – спектроскопия;

3.  Если измеряются фазы волны – интерферометрия

4.  Если измеряются поляризации  (направления вектора E(r,t) – поляриметрия или эллипсометрия.

Для каждого из разделов оптических измерений существует множество методов измерений, с помощью которых можно получать разнообразную информацию о окружающем мире. Например с помощью фотометрии можно получать изображения (статические и динамические) различных объектов и выполнять геометрические измерения: получать данные о размерах объектов, расстоянии между объектами, скорости объектов, количестве объектов. Фотометрия лежит в основе систем технического зрения,  систем оптического считывания, кодирования, декодирования и передачи информации.

Для оптического диапазона, включающего в себя ИК, видимую, УФ область спектра и даже рентгеновское излучение имеется общность процессов взаимодействия света с веществом в различных спектральных областях. Во всех случаях свет взаимодействует с набором энергетических уровней материального объекта. для ИК области – это уровни, связанные с колебаниями и  вращением атомов в молекуле или с движением атомов или молекул в ограниченном пространстве (в ловушках). Для ближней ИК, видимой, УФ и ближней рентгеновской области спектра уровни формируются из-за кулоновского взаимодействия электронов с ядром. Для жесткого рентгена и γ-лучей уровни энергии формируются внутриядерными взаимодействиями. Коротковолновое радиоизлучение – длинноволновая граница   оптического диапазона взаимодействует с электронами проводника. Получение информации о энергетическом спектре (наборе энергетических уровней) – это основная задача спектроскопии.

Для целей сверхточных измерений перемещений объектов и их формы наиболее широко используется интерферометрия.

Для исследования внутренней скрытой симметрии объекта широко используется поляриметрия или эллипсометрия. Наиболее яркий пример использования методов поляриметрия – это экспериментальное обнаружение нарушения четности в атомах (слабое взаимодействие,  нейтральные токи, поворот плоскости поляризации на 10^-8 рад. в атомах Bi, цезия).

Во многих случаях оптические измерения носят комбинированный характер, сочетая различные аспекты оптических измерений

Т.о. проведение оптических измерений – достаточно трудоемкая и многоплановая задача, требующая разнообразной аппаратуры, владения различными методиками и обладания широкими познаниями. Основные элементы оптических приборов и инструментов (линзы, зеркала, призмы, дифракционные решетки, поляризаторы, фотоприемники и т.д.)  были разработаны для видимой области спектра (λ~0.4 – 0.7 мкм), а затем нашли применение в более широкой области спектра – от λ~2 мм (ν~1.5*10¹¹ Гц) до λ~10^-6 см = 100 Å (ν~3*10¹⁶ Гц).

обозначенные границы оптического диапазона весьма условны и литературные данные могут отличаться от приведенных выше. Главное в том, что в радиодиапазоне и в области жестких γ-лучей применяется другая техника.