Оптические измерения. Основные понятия и определения, страница 2

Оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным в физике и технике. Они применяются как для исследования макро или даже мега мира: телескопы; лазерная локация космических объектов, например, Луны; лазерное измерение g; поиск гравитационных волн, измерение скрытой массы вселенной методом поиска гравитационных линз (как вариант фотометрии), так и микромира: классическая микроскопия; спектральные исследования; структура атома; форма ядра; несохранение  четности (слабое взаимодействие,  нейтральные токи, поворот плоскости поляризации на 10^-8 рад. в атомах Bi, цезия). Обе основные физические теории ХХ века – теория относительности (независимость скорости света от системы отсчета) и квантовая механика (спектр теплового излучения) были созданы на основе результатов оптических исследований. Среди технических достижений следует отметить фотонанотехнологии, связанные с электромагнитными полями вблизи острия. Одними из самых тонких и точных оптических измерений было обнаружение  нарушения четности уровней атомов и открытие нейтральных токов. Последними перспективными и интересными оптическими исследованиями являются – поиск скрытой массы вселенной путем обнаружения гравитационных линз. Развитие оптических методов привело к созданию оптических инструментов с пространственным разрешением существенно меньше длины волны (ближнепольная микроскопия).

В данном курсе будут рассмотрены методы спектроскопических исследований, измерение энергетических, временных, пространственных, поляризационных характеристик излучения. Будут рассмотрены важнейшие из оптических инструментов, их составные части, представляющие собой совокупность преломляющих или отражающих сред, разделенных плоскими или сферическими  поверхностями (иногда используются и асферические поверхности: параболоиды, эллипсоиды, гиперболоиды и т.п.). Будет рассмотрено действие поверхностей раздела сред на световые пучки, которое сводится к преобразованию телесных углов, внутри которых распространяются  пучки лучей, вышедшие из исследуемого объема.

Для проведения оптических измерений требуется в общем случае следующая совокупность узлов: источник света (лазерный или не лазерный); устройство, формирующее требуемое пространственное распределение электромагнитной энергии – структуру светового пучка. Далее  световой пучок либо пропускается через исследуемый объект, либо отражается или рассеивается от исследуемого объекта. Далее излучение может подвергаться спектральному анализу с помощью спектрального прибора, поляризационному анализу и т.п. Исследуемый объект может помещаться и за спектральным прибором. Далее  излучение собирается и направляется на фотоприемник. Каждый из узлов может состоять из многих элементов. Т.е. это может быть многоэлементный источник света, многоэлементный приемник, сложные многолинзовые объективы, светоделительные узлы, фокусирующие устройства и т.д.

В нашем курсе будут рассматриваться методы, основанные главным образом на  законах классической физики: законах отражения и преломления, законах дифракции и интерференции света. Т.е. применимость рассматриваемых методов ограничена достаточно большими световыми потоками. С числом фотонов  N_f >> 1.  Методы измерения, основанные на статистических свойствах электромагнитного излучения и связанные с измерением корреляционных функций будут рассматриваться в другом спецкурсе.

Следует отметить, что несмотря на то, что начиная с момента создания лазеров появилось большое число чисто лазерных методов оптических измерений, подавляющее число оптических измерений проводится методами основанными на классических законах, понятых еще в долазерную эпоху.

Оптические методы предоставляют богатейшие возможности для исследования  окружающего мира, измерения параметров изделий и процессов, создания устройств контроля за технологическими процессами. Все оптические  измерения основаны на измерении параметров электромагнитного поля, которые входят в формулу (1). Простой пример, измерение параметров отраженного от детали излучения позволяет определить качество поверхности, геометрические размеры, температурные и механические свойства материала бесконтактным способом. Изучение свойств излучения от предмета, дает информацию о его температуре, химическом составе. Более тонкие спектроскопические методы дают информацию о структуре вещества.

Оптические измерения невозможны без источников света и приемников оптического излучения. Поэтому в нашем курсе определенное внимание уделяется способом генерации и регистрации света. Будут рассмотрены основные типы источников излучения: тепловые, газоразрядные, магнитотормозные и т.д.  Мы коснемся также основных типов приемников оптического излучения: тепловых и фотонных, параметров и способов работы с этими приборами.