Физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами

Поток оптического излучения часто представляется как поток световых лучей.

Под световым лучом понимают некую геометрическую линию, направление которой определяется направлением распространения световой энергии.

Световой луч часто называется световым потоком, потоком излучения

Припадении световогол уча на границу раздела двух сред, часть световых лучей отражается от поверхности, а часть проникает через поверхность раздела сред. При этом угол падения равен углу отражения φ1=φ2, а при переходе светового луча из одной среды в другую выполняется соотношение:

, гдеn₁, n₂ – показатели преломления сред; n₂₁ – показатель преломления второй среды относительно первой.

Если sinφ2=1 т. е. φ2=90* то преломленный луч идет по касательной к границе раздела двух сред, и наступает явление полного внутреннего отражения.

Соответствующий этому явлению угол падения называют критическим углом полного внутреннего отражения, он определяется из условия:

При φ1>φ1кр все лучи полностью отражаются от границы раздела двух сред.

В оптоэлектронных устройствах отражение света от поверхности раздела двух сред приводит к потерям энергии.

Коэффициент отражения Rα определяется как отношение отраженной энергии к падающей.

Если рассматривается фотонная картина, то коэффициент отражения определяется как отношение числа отраженных фотонов к числу падающих

Тогда число фотонов проникающих через границу раздела сред:

где N_фп – число фотонов, падающих на границу раздела сред.

В общем случае Rα зависит от частоты излучения, поляризации, от угла падения, показателей преломления и является комплексной величиной.

Однако в первом приближении для углов падения менее 45о Rα можно определить по приближенной формуле:

 

 

Если, например, поток фотонов падает на поверхность германиевого полупроводника из воздуха то: n₁=1; n₂=4, и потери за счет отражения от границы раздела будут составлять 30–40%

Для других полупроводников: n_Ge=4; n_Si=3,4; n_GaAs=3,3.

Потери за счет отражения от оптических материалов уменьшают посредством покрытия этих материалов тонкой пленкой, так называемых просветляющих материалов.

Эффект просветления проявляется когда а толщина просветляющей пленки равна d=l/(4n_np).

В этом случае лучи, отраженные от верхней и нижней границ раздела, оказываются в противофазе и, интерферируя на поверхности, взаимно уничтожаются.

В результате интенсивность отраженных лучей уменьшается. Очевидно, что эффект просветления проявляется лишь для узкого промежутка длин волн.

Если требуется уменьшить отражение в широком диапазоне длин волн, то применяются двойные просветляющие слои с n_np1<n_np2<n₂.

Если приборы работают в видимой части спектра, то просветление оптики обеспечивают при максимальной чувствительности глаза (l=0,555 мкм).

При этом сильнее всего отражаются фиолетовые и красные цвета. Поэтому просветленная оптика кажется сине-лиловой.

10. Конструктивные схемы оптических систем ОЭС

Оптическая система (ОС)предназначена для перераспределения потока излучения с целью более полного его использования.

ОС используются для совместной работы с источником и или с приемником излучения.

ОС с приемником позволяет концентрировать поток излучения на чувствительную площадку приемника. Основным элементом ОС является объектив – совокупность линз или зеркал, создающих изображение на чувствительной площадке приемника излучения.

ОС с источником позволяет формировать направленное излучение в определенном телесном угле.

Требования предъявляемые к ОС:

1. Малые габариты.

2. Максимально возможное относительное отверстие .

Энергетическая освещенность в плоскости изображения от удаленного на большое расстояние объекта определяется следующей формулой: , где В – энергетическая яркость объекта; t_Ф – коэффициент пропускания фокусирующей системы; f_об и D_об – фокусное расстояние и диаметр объектива.

Для увеличения освещенности в плоскости изображения целесообразно уменьшать отношение f_об /D_об, но при этом следует иметь в виду, что изображение удаленного точечного объекта получается в виде конечного пятна рассеивания, размеры которого также зависят от отношения f_об /D_об.

ОС оптического диапазона создаются на базе линзовых, зеркальных и зеркально-линзовых ОС. Отличаются ОС только материалами из которых изготовлены.