viz_kontrol_zachita

1.1. Модели оптического излучения

Носителем диагностической информации в ОИС является оптиче% ское излучение (ОИ). В широком смысле слова ОИ – это электромаг% нитное излучение с длинами волн , лежащими в диапазоне от 10–5 до 103 мкм. В ОИ принято выделять три области спектра:

1.10–3 мкм < 0,38 мкм – ультрафиолетовое излучение (УФ)

2.0,38 мкм 0,78 мкм – видимое излучение (свет воспринимае% мый глазом)

3.0,78 мкм < 103 мкм – инфракрасное излучение (ИК)

ИК и УФ излучения в системах ОНК используются сравнительно редко. Наиболее типичным примером здесь может служить интроскопия.

Интроскопы (в дословном переводе – «заглядывающие внутрь») – приборы, предназначенные для визуализации внутренней структуры объектов, непрозрачных в видимой области спектра, но прозрачных в УФ или ИК областях спектра. По сути, это ИК или УФ телевизион% ные микроскопы, проекторы или полярископы. Большая часть интро% скопов работает в ИК области спектра. Типичная области применения

– производство многокомпонентных материалов, в том числе полупро% водниковая промышленность.

Для описания возникновения ОИ, его распространения в про% странстве и взаимодействия с веществом используются три основные физические модели:

•геометрическая оптика;

•физическая оптика, которая состоит из скалярной волновой опти% ки и электромагнитной теории света;

•квантовая оптика.

Вгеометрической оптике свет рассматривается как поток беско% нечно большого числа световых лучей, причем каждый луч – это чисто геометрический объект, т. е. линия, вдоль которой распространяется свет. Геометрическая оптика позволяет объяснить простейшие оптиче% ские явления, например, возникновение теней и получение изображе% ний в оптических приборах и базируется на четырех опытных физиче% ских законах.

1.2.Основные законы геометрической оптики

•Закон прямолинейного распространения света – в прозрачной од% нородной среде свет распространяется по прямым линиям.

11

•Закон независимости хода световых пучков – распространение всякого светового пучка в среде не зависит от того, есть ли в ней другие световые пучки.

•Закон отражения света – падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела сред, причем угол падения i равен углу отражения i'.

•Закон преломления света – преломленный луч лежит в плоскости падения, причем для углов падения i и преломления r справедливо равенство

sini

sin r

n21,

где n21 – относительный показатель преломления второй среды относи% тельно первой. Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом (1621 г.).

Если ввести абсолютный пока% затель преломления n среды (относи% тельно вакуума), то

n21 = n2/n1.

В случае, когда n21 < 1 (т. е. вто% рая среда оптически более плотная, чем первая), существует такой угол падения iпр, для которого r = /2. Тог% да преломленный луч не возникает, а свет отражается полностью. Это яв% ление полного (внутреннего) отра%

жения, которое возникает при i iпр. Для предельного угла iпр имеет ме% сто условие

sin iпр = n2/n1.

Рассмотрим три ситуации соприкосновения таких сред: воздуха и воды, воздуха и стекла, воды и стекла.

Представьте стеклянный параллелепипед, изнутри которого на одну из его граней падает луч света. При прохождении границы с воздухом луч преломляется и, поскольку коэффициент преломления света в воздухе (около 1) ниже, чем в стекле (около 1,5), луч отклоняется от перпендику% ляра (нормали). По закону Снеллиуса, если луч падает на поверхность под углом, например, 30 , по ту сторону границы он выйдет под более ту% пым углом к нормали (около 49 ). По мере увеличения отклонения угла

12

падения от нормали угол преломления будет увеличиваться опережаю% щими темпами, пока, наконец, при угле падения примерно в 42 расчет% ный угол преломления не станет равен 90 к перпендикуляру – то есть, попав на поверхность, луч в этом случае не пройдет сквозь нее, а прело% мится строго вдоль границы между стеклом и воздухом.

sin > n2/n1.

Рис. 3. Преломление на границе раздела разных сред

При значениях больше критического угла луч света изнутри сте% кла больше не проникает в воздух, а отражается обратно внутрь стекла, как от зеркала.

Явление полного внутреннего отражения лежит в основе ряда из% мерительных приборов, например, рефрактометров, на нем основан принцип действия оптических волокон, составляющих элементную ба% зу многих современных систем ОНК.

Однако полное внутреннее отражение – это не просто любопыт% ный фокус, а основа для целого ряда важных современных технологий; прежде всего – этот эффект лежит в основе оптоволоконной связи. Свет, поступая с одного конца в тончайшее стекловолокно под очень большим углом, в дальнейшем вынужден распространяться вдоль это% го волокна, не покидая его пределов, раз за разом отражаясь от его сте% нок, поскольку угол его падения не достаточен, чтобы вырваться за его пределы, благодаря чему на противоположном конце выход оптическо% го сигнала практически не теряет в интенсивности. Если связать мно% жество таких оптических волокон в пучок, чередование импульсов све% та и затемненных промежутков на выходе из такого оптоволоконного кабеля будет строго соответствовать сигналу, поступившему в него на входе.

Воснове электромагнитной теории света лежит представление

освете как о потоке электромагнитных волн, т. е. возмущений электро% магнитного поля.

13

В электромагнитной волне синфазно и во взаимно перпендику%

лярных направлениях колеблются векторы напряженности электриче%

ского поля E (световой вектор) и напряженности магнитного поля H. Эти векторы в каждой точке перпендикулярны направлению распро% странения волны, следовательно, электромагнитные волны попереч% ны. Именно поперечность электромагнитных волн приводит к нали% чию у ОИ такого свойства, как поляризация.

Электромагнитные волны распространяются в однородном и изо% тропном веществе со скоростью

c ,

где с = 3.108 м/с – скорость света в вакууме, и – диэлектрическая

и магнитная проницаемость вещества. Так как показатель преломления

n = , то скорость волны в веществе равна = c/n. Для прозрачных

–

сред 1 и n .

Полный расчет электромагнитного поля требует знания распреде%

ления в пространстве и времени его источников – электрических токов

с плотностью j и свободных электрических зарядов с объемной плот% ностью , а также электродинамических параметров среды: , и – удельной электропроводимости вещества. Тогда, решая систему ура% внений Максвелла

длина волны. Для монохроматических волн фаза волны (t) = t + 0, где – частота волны; 0 – начальная фаза. Длина волны = T, где v – скорость волны, определяемая средой в которой распространяется вол% на; T = 2 / – период колебаний.

Совместное решение основных уравнений электродинамики представляет серьёзные математические трудности и, поэтому, во мно% гих практически интересных случаях используют упрощенную модель

14

ОИ, представляя его в виде скалярных продольных волн. В рамках этой скалярной оптики можно достаточно точно описать основные волно% вые явления (интерференция, дифракция и т. д.) за исключением поля% ризационных эффектов.

Скалярная оптика базируется на принципе Гюйгенса–Френеля и его математической интерпретации данной Кирхгофом. Принцип Гюй% генса гласит, что любая точка S пространства, до которой дошла световая волна служит источником вторичных сферических когерентных волн

где lхар – характерные размеры задачи, что на практике, вследствие ма% лости длин волн света, почти всегда справедливо. Геометрические лучи

в волновой теории интерпретируются как линии, касательные к кото%

рым в каждой точке совпадают с волновым вектором k.

Квантовая теория рассматривает свет как поток фотонов – кван% тов электромагнитного поля. Необходимость применения квантовой оптики возникает всегда, когда рассматриваются процессы излучения и поглощения ОИ атомами вещества.

15

ка–Дирака. Только в рамках квантовых представлений находят полное объяснение такие часто встречающиеся в практике ОНК явления как рассеяние, поглощение и дисперсия света. Ряд методов ОНК, связан% ных с нелинейными оптическими явлениями, фотопроводимостью, акустооптическими эффектами и т. д., требуют для своего объяснения и обоснования привлечения квантовых представлений. В современных системах ОНК широко используются лазеры, принцип действия кото% рых также нельзя понять без квантовой теории света. Наконец, само возникновение ОИ связано с движением электрически заряженных ча% стиц (электроны, атомы, ионы, молекулы). Дискретные переходы но% сителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии со% провождаются испусканием фотона с энергией, равной разности энер% гий этих уровней W1 и W2:

W1 W2 .

Это объясняет разнообразный спектральный состав излученного ОИ и спектров поглощения веществ, что обосновывает один из мощ% ных методов ОНК – спектральный.

1.3. Энергетические и световые величины для описания ОИ

Для описания ОИ используется большое количество физических величин, которые можно разбить на три группы:

•энергетические величины (содержат нижний индекс «е» в обозна% чении);

•световые или фотометрические (индекс «v» в обозначении);

•фотонные (индекс «p» в обозначении).

Энергетические и фотонные величины можно использовать для

описания любого ОИ, в то время как световые – только в видимой области спектра. Это связано с тем, что последние вводятся на основа% нии зрительного ощущения человеческого глаза с учетом его спек% тральной чувствительности. Переход от энергетической величины Xe к соответствующей ей световой – Xv осуществляется по формуле

X Km V ()Xe d,

где Km = 683 лм/Вт – максимальная спектральная световая эффектив% ность (соответствует монохроматическому излучению на частоте

16

540.1012 Гц или 0,55 мкм), V( ) – относительная спектральная свето% вая эффективность (значения этой функции стандартизованы), Xe, – спектральная плотность величины Xe(Xe, = dXe/d )

Энергетические и световые величины, наиболее часто применяе% мые для описания ОИ, и их единицы в СИ (Международной системе единиц) приведены в табл. 2. Соответствующие фотонные величины и единицы не указаны т. к. они редко используются в ОНК.

1.4. Основные понятия и определения

1.4.1. Интерференция света

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определен% ных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков.

17

Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер че% редующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсив% ность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказы% ваются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференцион% ными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пя% тен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это про% явление интерференции света.

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в ла% бораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерфе% ренционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плоско% выпуклой линзой большого радиуса кривизны (рис. 5). Интерферен% ционная картина имела вид концентрических колец, получивших наз% вание колец Ньютона.

Исторически первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В нем свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2 (рис. 6). Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде че% редующихся светлых и темных полос.

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых ис% точников. Поэтому в его опыте щели S1 и S2, которые можно рассматривать в со% ответствии с принципом Гюйгенса как источники вторичных волн, освещались

Рис. 5. Наблюдение колец Ньютона. Интерференция возникает при сложении волн, отразившихся от двух сторон воздушной прослойки.

«Лучи» 1 и 2 – направления распространения волн; h – толщина воздушного зазора

18

светом одного источника S. При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S1 и S2, находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r1 и r2. Следовательно, фазы колебаний, создаваемых волнами от источ% ников S1 и S2 в точке P, вообще говоря, различны. Таким образом, зада% ча об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний од% ной и той же частоты, но с разными фазами. Утверждение о том, что волны от источников S1 и S2 распространяются независимо друг от дру% га, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом и носит название принципа суперпозиции.

Рис. 6. Схема интерференционного опыта Юнга

Интерференция волн – явление усиления или ослабления ампли% туды результирующей волны в зависимости от соотношения между фа% зами складывающихся в пространстве двух (или нескольких) волн с одинаковыми периодами.

Интерференция света – сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение ин% тенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и темных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей.

Для интерференции света необходима когерентность световых пучков.

Когерентные волны – волны одной частоты, колебания в которых отличаются постоянной разностью фаз. Излучение двух различных

19

источников оптического диапазона некогерентны и интерференцион% ной картины не дают. Поэтому для получения интерференции света необходимы особые приемы. Так, в большинстве интерференционных устройств интерферирующие пучки получаются расщеплением одного первоначального узкого пучка.

Интерференционные явления описываются формулами, которые связывают между собой расстояние (толщины), углы, длину волны и показатель преломления. Интерференционные испытания позволя% ют определять одну из этих величин по остальным. Используя это явле% ние, можно проверить качество изделий (например, совпадение по% верхности изделия с заданным шаблоном по интерференционной кар% тине в тонком слое%зазоре между изделием и шаблоном).

1.4.2. Методы наблюдения интерференции света

Для осуществления интерференции света необходимо получить когерентные световые пучки, для чего применяются различные прие% мы. До появления лазеров, дающих «естественно%когерентное» и очень мощное излучение, во всех приборах для наблюдения интерференции света когерентные пучки получали разделением и последующим сведе% нием световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Прак% тически это можно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих призм.

1. Метод Юнга

Источником света слу% жит ярко освещенная щель S (рис. 7), от которой световая волна падает на две узкие равноудаленные щели S1 и S2, параллельные щели – ис% точнику S. Таким образом, щели S1 и S2 играют роль ко% герентных источников.

Интерференционная

Рис. 7. Схема опыта Юнга

картина (область ВС) наблю%

дается на экране (Э), распо% ложенном на некотором рас% стоянии параллельно S1 и S2. Как уже указывалось, Т. Юнгу принадле%

жит первое наблюдение явления интерференции.

20