Способы описания и характеристики
электромагнитного излучения оптического диапазона
Любое устройство квантовой и оптической электроники в подавляющем большинстве случаев содержит источник излучения, приёмник излучения и, если это необходимо, своего рода линию связи между ними для «транспортировки» излучения от источника к приемнику. Излучение любого источника с достаточной полнотой может быть охарактеризовано, если известны:
▪ интегральная мощность излучения;
▪ пространственная диаграмма его направленности;
▪ спектральный состав.
В ХVΙΙΙ – ХΙХ веках в качестве приемника излучения использовался человеческий глаз, и светом называли тот участок спектра электромагнитного излучения (380 – 780нм), который воспринимается человеческим зрением. Соответственно характеристики и параметры для этого диапазона называют фотометрическими - от гр. photos (фотос) – свет. Их получали в результате усреднения субъективных оценок восприятия группой людей ЭМИ оптического диапазона вышеупомянутого участка длин волн, который доступен человеческому зрению. Если же оценивать ЭМИ безотносительно приемника излучения, то предпочтительнее использовать энергетические характеристики и параметры, которые являются объективными, а не субъективными, как фотометрические, и могут использоваться для всего диапазона длин волн или частот (спектрального диапазона) ЭМИ. Этот диапазон простирается от одного нанометра до одного миллиметра ( по другим оценкам - до одного метра) и носит название оптического диапазона ЭМИ. Шкала ЭМИ оптического диапазона приведена на рис. 1.
Рис. 1. Шкала электромагнитных волн
Энергетические характеристики
Если исходить из волновых представлений, то прежде всего необходимо учесть, что волна любой физической природы переносит энергию. Подтверждением тому является появление искры в удаленном от источника излучения контуре с разрядником в опыте Герца, качка судов на морских волнах, колебания барабанной перепонки вследствие действия акустической волны и т.д. Таким образом, энергия излучения W, измеряемая обычно в джоулях (Дж), - это энергия, переносимая излучением. Однако, следует отметить, что данный параметр для оценки излучения и, в частности, свойств источника излучения применяется редко. Гораздо более информативным параметром является мощность излучения Р или энергетический поток излучения ФЭ (иногда энергетический поток излучения обозначают как F без индекса) , измеряемые в ваттах (Вт). В случае неоднородного излучения
Р = ФЭ = dW/dt, а также Р = ФЭ = W/t , (1)
когда излучение однородно и изотропно, т.е. мощность излучения не зависит от направления распространения энергии. Если исходить из корпускулярных представлений, то мощность излучения может быть найдена следующим образом:
(2)
где
–
количество квантов (фотонов), испущенных
источником в единицу времени, Eф
– энергия фотона, 
частота
фотона, h –
постоянная Планка, h=6,6
10-34Дж
с,
с – скорость света в вакууме,
3
108м/с,
λ – длина волны излучения, м.
Во многих случаях необходимо знать не только величину самого потока излучения, но и его поверхностную плотность I, т.е. величину потока, приходящуюся на единицу площади той поверхности S, через которую этот поток проходит. Поверхностную плотность потока часто называют его интенсивностью и измеряют в ваттах на метр квадратный (Вт/м2):
I=dP/dS,
а для однородного потока I=P/S.
(3)
Если источник излучения точечный, то он излучает во всех направлениях, в то время как приемник, находясь в какой-то области пространства, получает лишь часть его мощности излучения (в направлении приемника) в пределах некоторого телесного (пространственного) угла Ω (рис.2).Телесный угол, измеряемый в стерадианах (ср), как известно, находят как отношение площади сферического сегмента, «вырезаемого» радиусом на поверхности фронта волны, к квадрату длины радиуса сферы. Поскольку поверхность сферы равна 4πR2, следовательно, полный телесный угол
Ωполн= 4πR2/R2= 4π. (4)
Пространственный угол Ω и плоский угол α связаны друг с другом следующим образом:
Ω=2π(1- cosα/2).
Отношение мощности излучения к величине телесного угла, в пределах которого распространяется данная мощность, называют энергетической силой излучения JЭ, для неоднородного потока
JЭ = dP/dΩ. (5)
Таким образом, сила излучения, измеряемая в ваттах на стерадиан (Вт/ср), является удельной – на единицу телесного угла – мощностью излучения. Легко видеть (рис.2), что при постоянной силе излучения его интенсивность уменьшается по мере удаления от источника излучения вследствие увеличения площади поперечного сечения потока.
Для неточечных источников излучения используют такой параметр как энергетическая яркость излучения LЭ, представляющий собой удельную – на единицу площади излучающий поверхности – энергетическую силу излучения. Энергетическая яркость измеряется в ваттах на стерадиан-квадратный метр [Вт/(ср м2)]:
LЭ=
dJЭ 
(dSиcosφ)
= d2P
(dΩdSиcosφ), (6)
где φ – угол между нормалью к излучающей поверхности источника Sи и направлением на приемник излучения. Если направление на приёмник совпадает с нормалью, то LЭ=dJЭ/dSи или в случае однородных потоков – LЭ=JЭ/Sи.
На генерацию излучения мощностью Р затрачивается определенная мощность от какого-либо источника энергии Рист. Для оценки эффективности преобразования одного вида энергии в другой используют такой параметр как эффективность излучения или, точнее, КПД источника излучения ηЭ, исчисляемый обычно в процентах:
ηЭ = (Р Рист) 100. (7)
Например, КПД осветительных ламп накаливания составляет 3-5%, компактных люминесцентных ламп – 15-25%, эффективность полупроводниковых инжекционных лазеров составляет 60 – 80% и теоретически может достигать 100%.
Все вышеперечисленные параметры характеризовали излучение источника. Энергетической характеристикой приемника излучения является энергетическая освещенность ЕЭ, которая находится как отношение мощности излучения Р, поглощаемой поверхностью приемника, к размеру этой поверхности Sп и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2):
ЕЭ= dP dSп или ЕЭ= P Sп, (8)
при однородном потоке излучения. Как видим, размерность этого параметра совпадает с таковой интенсивности излучения.