Главная Случайная страница Полезное: Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным? Категории: АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника

Общие сведения о физической природе света Стр 1 из 12Следующая ⇒ Дополнительный материал к лекциям по дисциплине:   Приборы первичной информации     ТЕТРАДЬ №     Составитель: доц. каф. ПИИС А.А. Порунов   Казань 2004

Содержание

1.Физические основы оптических измерителей физических величин. 3

1.1 Общие сведения о физической природе света. 3

1.2. Основные закономерности, свойства и определения распространения света в изотропной среде. Законы отражения и преломления света на границе двух сред 11

1.2.1Закономерности прохождения света через границу двух сред с различными n. 18

2. Классификация оптических измерителей. 20

3. Основы волоконной оптики. 24

3.1.Основные понятия и определения. 24

3.2. Типы световодов. 27

3.3. Полые световоды.. 28

3.4. Прозрачные световоды.. 29

3.5. Маломодовые световоды.. 30

3.6. Слоевые световоды.. 30

3.7. Концевые потери. 30

4. Волоконно–оптические преобразователи неэлектрических величин (ВОПНВ). 31

4.1 Классификация ВОПНВ и особенности конструктивного построения. 31

4.2Основы теории волоконно–оптических датчиков. 34

5. Виды волоконно-оптических преобразователей. 37

5.1. Рефрактометрические волоконно-оптические преобразователи. 37

5.2. Волоконно-оптические преобразователи на основе внешней модуляции. 38

5.3 ВОП на основе фазовой модуляции. 39

Физические основы оптических измерителей физических величин

Общие сведения о физической природе света.

Известно, что оптическое излучение, обусловленное колебаниями входящих в состав веществ электронов и ионов, обладает корпускулярными (квантовыми) и волновыми свойствами. Это так называемый дуализм света. В соответствии с этим разработаны корпускулярная (квантовая) и волновая теории света, которые позволяют объяснить все известные оптические явления.
Волновые представления о природе света были развиты англичанином Р. Гуком и голландцем Х. Гюйгенсом. Сторонниками волновой теории света являлись также отечественные ученые Л. Эйлер (1707–1783) и М.В. Ломоносов (1711–1765). С позиций волновой теории французский физик Френель (1788–1827) объяснил прямолинейность распространения света. Волновая теория света объясняет также такие явления как дифракция, интерференция, поляризация и другие.

Квантовая теория света более строго объясняет такие явления, как поглощение света, фотоэффект, различные энергетические характеристики излучения. Обе эти теории хорошо объясняют давление света.

Основу волновой теории света составляют четыре уравнения Максвелла, которые описывают следующие свойства: напряженность электрического поля , напряженность магнитного поля , электрическое смещение , магнитная индукция , плотность электрического заряда ρ _g.

В систему уравнений Максвелла входят материальные уравнения, характеризующие поведение различных сред в электромагнитном поле:

(1.1)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды; s – удельная проводимость; – плотность электрического тока; ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная вакуума; μ ­– относи­тельная магнитная проницаемость среды; μ₀ =1,257·10^-6Гн/м=4×10^-7Гн/м – магнитная проницаемость вакуума.

Граничные условия для этих уравнений следующие: равенство в любой момент времени по обе стороны границы раздела двух сред тангенциальных составляющих E _τ и H _τ , т.е.

E _1τ= E _2τ; H _1τ= H _2τ , (1.2)

где 1, 2 – индексы, обозначающие первую и вторую среду.

Из системы уравнений (1.1) следует, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, и наоборот. В результате в пространстве распространяется переменное электромагнитное поле, называемое электромагнитными волнами.

Электромагнитную волну в вакууме можно характеризовать векторами и . Электромагнитные волны являются поперечными, т.е. колебания векторов и осуществляются во взаимно перпендикулярных направлениях, которые, в свою очередь, ортогональны направлению распространения волны и образуют правую тройку векторов (рис.1.1).

Рис. 1.1. Картина процесса распространения электромагнитной волны

в пространстве

Векторы и в такой бегущей вдоль оси Z волне являются синфазными, т.е. одновременно и в одних и тех же точках пространства достигают максимального и минимального значений, причем

. (1.3)

Распространение происходит в соответствии с волновым уравнением:

, (1.4)

где f=E или f=H; υ - скорость распространения волны.

Электромагнитные волны возникают только в том случае, если в некоторой точке пространства имеются движущиеся электрические заряды. Но, будучи возбужденными, они распространяются в среде самостоятельно и независимо от движения заряда.

При этом в любой точке пространства, где свободные заряды отсутствуют, все свойства электромагнитного поля могут быть описаны величинами и , которые определяются решением первых двух уравнений системы (1.6).

В тех случаях, когда свойства среды, определяемые величинами μ, ε, σ не зависят от и , эти уравнения можно привести к виду, содержащему только одну переменную.

Если в рассматриваемом пространстве отсутствуют заряды (ρ=0) и сторонние источники ЭДС (Е _стор=0), эти уравнения можно представить в виде:

(1.5)

В волновой теории света получено решение этих уравнений для случая, когда и изменяются в некоторой начальной плоскости по гармоническому закону с частотой ω=2πn и когда фронт волны является плоским, а среда изотропной и бесконечной:

(1.6)

(1.7)

, (1.8)

где – единичный вектор, перпендикулярный к плоскости волнового фронта, – волновое число, которое определяется по формуле

, (1.9)

а β – вещественное число, определяемое в соответствии с зависимостью:

, (1.10)

Если среда – идеальный диэлектрик (s=0), то φ=π, cos(φ/2)=0, sin(φ/2)=1 и, следовательно, β=0 и k= 2πν/υ.

Скорость распространения волнового фронта излучения υ в среде:

. (1.11)

Значение этой скорости в вакууме равно с ₀ =3·10⁸ м/с.

При распространении излучения в диэлектрике направления векторов и неизменны во времени и в пространстве, а сами векторы ортогональны между собой. При этом в любой точке модули векторов и изменяются синфазно. В этом случае говорят, что волна излучения является плоскопараллельной. Если направление векторов и меняется по случайному закону, то электромагнитное излучение является неполяризованным.

Обычно плоскость поляризации совмещают с плоскостью, в которой лежит вектор напряженности электрического поля .

Электромагнитная волна переносит энергию. Этот процесс удобно пояснить, базируясь на исследованиях Умова и Пойтинга. В векторной форме уравнения Максвелла имеют вид:

(1.12) (1.13)

где – вектор напряженности электрического поля; – вектор напряженности магнитного поля; – вектор электрического смещения; σ – удельная проводимость среды; – вектор магнитной индукции; ρ – плотность пространственного заряда; ε, μ – абсолютное значение соответственно диэлектрической и магнитной проницаемостей:

(1.14)

Так как волна движется в сторону вектора n со скоростью υ, то мощность, проходящая через площадку в 1м² излучения с учетом направления распространения, определяется вектором Умова-Пойтинга:

(1.15)

Плотность энергии излучения W в электромагнитной волне состоит из электрической и магнитной составляющих:

(1.16)

Учитывая, что отношение амплитуд

, (1.17)

где z – волновое сопротивление (в вакууме z =120π, Ом), уравнение (1.17) можно привести к виду:

. (1.18)

Таким образом, направление вектора Умова-Пойтинга совпадает с направлением распространения энергии излучения, а абсолютное значение равно отношению мощности излучения, проходящего сквозь перпендикулярную к направлению вектора поверхность, к площади этой поверхности, т.е. представляет собой плотность потока энергии. Соответствующий направленный отрезок, совпадающий по направлению в выбранной точке пространства с вектором Умова-Пойтинга, характеризует световой луч, который является основным понятием геометрической оптики.

Квантовая теория света базируется на предположении о том, что энергия излучающих атомов и молекул может изменяться не на любое значение, а только на отдельные порции. Поэтому каждая молекула при лучеиспускании может выделять только целое число таких порций. Это замечательное предположение было сделано М.Планком в начале XX века и в дальнейшем получило развитие в работах А.Эйнштейна.

Излучаемые порции световой энергии существуют в виде нейтральных частиц, которые называются световыми квантами, или фотонами. При взаимодействии с веществом исследуемой биофизической среды (ИБС) фотоны света поглощаются, и их энергия передается элементарным частицам вещества.

Таким образом, с позиций волновой теории свет – это электромагнитные волны, а согласно квантовой теории – это поток фотонов. В простейшем случае один фотон можно представить плоской монохроматической волной, причем энергия фотона – квант W _ф и частота волны n связаны соотношением Планка:

W _ф =h n,

где постоянная Планка h = (6,62517±0,00023)10^-34 Дж×с.

Соотношение (1.18) позволяет понять многие явления, которые не могут быть объяснены с позиции волновой теории. Прежде всего, это относится к фотоэлектрическому эффекту, при котором не происходит передачи отдельной частице энергии, пропорциональной интенсивности света, как это следует из волновой теории. Из квантовой теории следует, что сообщенная частицам энергия определяется лишь частотой оптического излучения. Представление оптического излучения в виде волн и потока частиц не исключает одно другое и является приближенным описанием одних и тех же процессов, причем дуализм света присущ природе в целом.

Поэтому в одних случаях удобнее пользоваться понятием потока дискретных частиц, а в других случаях сильнее проявляются волновые свойства материи и целесообразней пользоваться волновыми представлениями света.

Такие выдающиеся ученые, как Фраунгофер, Релей, Аббе, Майкельсон, Фабри, Перо и др., используя общность корпускулярной и волновой природы света, сделали много важных открытий в области создания и практического использования оптических методов и средств (микроскопов, интерферометров, спектроскопов и т.п.).

Таким образом, с позиций современной физической оптики свет представляет собой электромагнитные волны, которые можно характеризовать амплитудами и пространственной ориентацией вектора напряженности электрического и магнитного поля, частотой n изменения величин векторов и соответствующей ей длины волны l = с /n, направлением распространения, начальной фазой колебания y.

Обычный естественный свет монохроматический, т.е. содержит набор электромагнитных волн различной интенсивности разных частот и начальных фаз.

Монохроматический свет – это свет, для которого длина волны l=const.

Если векторы и и направление распространения света взаимно перпендикулярны, то свет называется поляризованным. При произвольном направлении векторов , и – свет неполяризованный.

При исследовании жидкостных сред (ЖС) широко применяется когерентное излучение – монохроматический свет, излучаемый в одной фазе со всех точек поверхности источника излучения.

Информативными параметрами при использовании оптических методов аналитических исследований, как правило, являются световой поток Ф, яркость R (или сила излучения I), а также спектральная характеристика светового потока, взаимодействующего с ЖС, определяющая интенсивность излучения для каждой длины волны.

Оптические измерительные устройства основаны на различных физических и физико-химических явлениях, возникающих при взаимодействии излучения оптического диапазона с исследуемой средой.

В основе принципа действия большинства оптических измерительных устройств (ОИУ) лежит взаимодействие падающего света с исследуемыми жидкостными средами (ИЖС), в результате которого изменяются параметры светового потока.

В сложных полидисперсных гетерогенных растворах эти изменения для разных компонентов раствора различны. Это позволяет получать информацию о наличии тех или иных компонентов в растворе, а также об их количестве (или о соотношении компонентов в растворе) путем измерения параметров светового потока, прошедшего через исследуемую среду или отраженного от нее.

В случае использования специфических методов формирования светового потока, направляемого на биопробу, находящуюся в жидкой фазе или в подготовленном виде высушенных “отпечатков” на стеклянных или пленочных подложках, можно восстановить пространственное распределение дисперсных фаз, а также оценить параметры отдельных фрагментов твердых включений, пузырьков газа, животных клеток, бактерий, простейших организмов.

При выборе принципов построения ОИУ параметров ЖС необходимо учитывать ряд их специфических особенностей как объектов исследования:

1. Падающее на исследуемую среду оптическое излучение может оказать влияние на происходящие в ней процессы и вызвать ее нагревание, фотохимические реакции. Это влияние связано с поглощением света, которое происходит в большинстве случаев избирательно. Поэтому при разработке ОИУ необходимо учитывать не только интенсивность падающего света, но и его спектральный состав, так как при разных спектрах излучения и даже при одном и том же световом потоке результат воздействия на ЖС и результат измерения может быть различным.

2. Эффект воздействия света на ЖС зависит от общего потока энергии излучения, падающего на ЖС со всех направлений. В связи с этим результат измерений может существенно зависеть от рассеянного света (фона), создаваемого другими источниками измерения или отражающей поверхностью ЖС.

3. При разработке ОИУ для исследования полидисперсных ЖС необходимо учитывать различие поглощающих свойств различных дисперсных фаз, которые могут располагаться на пути распространения света и изменять спектр света, падающего на слои жидкости.

4. При выборе принципа построения ОИУ свойств и состава ЖС следует учитывать, что процесс измерительного преобразования сопровождает фотохимические и фотоабсорбционные процессы, а также электрические эффекты. Для изменения их влияния на результат измерения необходимо применять некоторые методические и инструментальные приемы.

5. При тарировке и определении показаний с ОИУ в большинстве случаев используется система единиц измерения (табл.1.1), которая принята в фотометрии параметров светового потока. Эта система единиц базируется на полученной экспериментально кривой видимости, отражающей среднюю относительную, спектральную чувствительность глаза человека. Эта кривая получена при изучении зрительного анализатора человека и принята за эталон международной комиссией по освещению.

Известно также, что эффекты поглощения в ЖС в большинстве случаев имеют спектральные характеристики, принципиально отличающиеся от кривой видимости. Следовательно, использование светотехнических единиц измерения нельзя считать строго обоснованными и даже целесообразными. Вместе с тем важно отметить, что введение особых единиц измерения, учитывающих особенности поглощения света в каждой исследуемой биофизической среде, вряд ли может быть оправдано. Поэтому наиболее приемлемым является применение системы энергетических величин (табл.1.1) для определения параметров светового потока при его взаимодействии с ЖС. Оптические измерительные преобразователи, входящие в ОИУ, весьма разнообразны по принципу действия и базовому физическому, химическому или другому виду измерительных эффектов.

Таблица 1.1

Энергетические характеристики		Фотометрические характеристики
Наименование	Формула	Единица измерения		Наименование	Формула	Единица измерения
Поток излучения		Вт		Световой поток		лм (люмен)
Энергетическая сила света		Вт/ср		Сила света		кд (канделла)
Энергетическая светимость		Вт/м2		Светимость		лк=лм/м2
Энергетическая освещенность		Вт/м2		Освещенность		лк=лм/м2
Энергетическая яркость		Вт ср м2		Яркость		кд/ м2
Энергетическая экспозиция		Дж/м2		Световая экспозиция		лк×с

В формулах табл.1.1. обозначено: W_e – энергия, переносимая излучением; W – телесный угол; Q ₁ – площадь излучающей поверхности; Q ₂ – площадь освещаемой поверхности; ε – угол между нормалью к поверхности и данным направлением.

Энергетические единицы в фотометрии характеризуют излучение безотносительно к его действию на какой-либо приемник излучения. Фотометрические единицы оценивают излучение по его действию на приемник (кроме глаза), по влиянию на жизнедеятельность микроорганизмов и др.

Основным энергетическим параметром является поток излучения, т.е. средняя мощность, переносимая электромагнитным излучением.

Для учета пространственного распределения потока излучения используют единицы, являющиеся производными от потока излучения: поверхностную плотность лучистого потока (Вт/м³), энергетическую силу света (Вт/ср), энергетическую яркость (Вт/м²×ср) и др.

Основными единицами световых величин оптического излучения служат: кандела (Кд) – единица силы света и люмен (Лм) – единица светового потока.

Кроме приведенных в табл.1.1 физических величин при оптических исследованиях широко применяются такие характеристики, как спектральная световая эффективность K_l, спектральная плотность m_e, относительная спектральная световая эффективность _l, коэффициент отражения r и др. Численно эти характеристики светового потока находят следующим образом. Спектральная световая эффективность (для одинаковых по монохроматичности потоков) определяется соотношением:

K _l =dФ/dФ_е =680 , (1.19)

т.е. спектральная световая эффективность равна отношению светового потока Ф излучения данного спектрального состава ко всему потоку излучения Ф_е. В (1.19) через j _е обозначена спектральная плотность потока излучения, равная dФ_e / d l. В большинстве случаев величину K _l вычисляют графо-аналитическим способом. Единицей световой эффективности является лм/Вт.

Спектральную плотность m_e и относительную спектральную световую эффективность _l принято определять в соответствии с выражениями:

m_e= dM_e/d l, (1.20)

_l = К _l /К _{l max}, (1.21)

а коэффициент отражения элементарной площадки dQ равен

r = / , (1.22)

где – поток излучения, отраженный от поверхности площадки; – поток излучения, падающий на эту площадку.

При малых яркостях исследуемых сред (явление сумеречного зрения) максимум относительной спектральной световой эффективности _l смещается в сторону коротких волн. Глаз человека имеет максимальную спектральную световую эффективность K _l =680 лм/Вт при длине волны l =555 мкм.