Поглощение и отражение металлов

В ИК- и видимой области оптич. диапазона металлы отражают падающее излучение (металлич. блеск). Это объясняется преимущественным рассеянием света при его взаимодействии со свободными электронами, концентрация к-рых N достигает в металлах ~10²²- 10²³ см^-3. Электроны излучают в процессе рассеяния вторичные волны, к-рые при сложении формируют сильную отражённую волну. Поглощение квантов света непосредственно электронами проводимости возможно только при их одновременных (относительно редких) столкновениях с фононами, примесями, друг с другом, поверхностью металла, границами зёрен и кристаллитов. Столкновения и формирование из рассеянного света отражённой волны происходят в тонком приповерхностном слое (скин-слое толщиной , в к-ром затухает проникающее в металл излучение.

Роль свободных электронов во взаимодействии эл--магн. излучения с металлами является определяющей в широком диапазоне частот (от радиодиапазона до ближнего ИК-диапазона).

В результате такого влияния оптич. и электрич. свойства металлов взаимосвязаны: чем больше статич. проводимость металла, тем сильнее он отражает свет. Отклонения возникают при низких темп-pax и на высоких частотах (видимая область спектра), когда важную роль играют квантовые эффекты, связанные с электронным рассеянием, межзонпыми переходами и др. В УФ- и более КВ-диапазонах с излучением взаимодействуют электроны внутр. оболочек атомов, и, напр., в рентг. области спектра металлы уже не отличаются от диэлектриков по оптич. свойствам.

Оптич. свойства металлов непосредственно связаны с величиной их проводимости s(w), зависящей от частоты . В рамках классич.электродинамики оптич. свойства однородных изотропных металлов можно описать с помощью комплексного показателя преломления где h - показатель преломления, к - показатель поглощения, - диэлектрич. проницаемость.

Истинные и редуцированные потоки

Для характеристики действия оптич. излучения на селективный приёмник (глаз человека, биол. объект и т. п.) пользуются понятием редуцированного П. и., примером к-рого является световой поток ,характеризующий действие излучения на глаз человека и измеряемый в люменах (лм).

Истинное – поделить на чувствительность глаза.

?26. Виды редуцированных потоков?

Сорбционные фильтры

СФ строятся, как правило, на основе диэлектриков с дополнительными примесями для трансформации свойств собственного поглощения диэлектрика. При падении ОИ на СФ происходит поляризация диэлектрика и, как следствие, переизлучение света. Возникающие прямая и обратная оптические волны тождественны по спектральному составу, поэтому коэффициенты отражения и пропускания СФ выглядят одинаковым образом (рис. 3.1).

Материалами для СФ служат твердые диэлектрики, чаще всего в виде пластин из оптических стекол или кристаллов; жидкости и газы, заполняющие герметичные кюветы, используемые в спектроскопии; полимерные пленки, наносимые на подложки; полупроводники. Полупроводниковые СФ, имеют резкую границу в ИК-области и могут надежно устранять нежелательные составляющие излучения.

По спектральным характеристикам СФ делятся на узкополосные, широкополосные и отрезающие. Отрезающие тепловые фильтры используются, например, в кинопроекторах для защиты пленки от перегрева инфракрасным излучением источника света.

Спектральный коэффициент пропускания сорбционного фильтра зависит от его оптической плотности – показателя поглощения на данной λ и геометрической толщины: τ _λ = exp (– χ_λ · d). Стандартными значениями толщины СФ являются 1 мм и 3мм. Выпускаются СФ на определенные спектральные зоны (красные, желтые, синие, УФ- и ИК-фильтры), а также нейтральные СФ, ослабляющие ВИЗЛ, но не искажающие его цвет.

Отражательные фильтры

Для создания отражающих фильтров используются металлические и диэлектрические покрытия, наносимые на подложки. Лучшие металлические покрытия имеют высокий коэффициент отражения в широком диапазоне длин волн, достигающий 95...98%.

Диэлектрические отражающие фильтры также называют диэлектрическими четвертьволновыми отражающими интерференционными фильтрами. В них используются многослойные диэлектрические четвертьволновые покрытия из двух разнородных материалов с чередующимися высоким nви низким nнпоказателями преломления (рис. 3.8). Комбинация слоев равной оптической толщины d_опт обеспечивает синфазное отражение электромагнитной волны от всех границ раздела сред (A, B, C…). Принцип работы такого интерференционного покрытия основан на том, что отражение пучка от границы раздела при подходе излучения из менее плотной среды происходит с изменением фазы на π, а из более плотной – без скачка фазы. Следовательно, на границе «воздух (n₀ = 1) – верхний слой (n = nв)» произойдет скачок фазы первой отраженной волны на π. Второе отражение от границы между первым (nв) и вторым (nн) слоями произойдет без скачка фазы, но с учетом разности хода первой и второй волн, определяемой двойной толщиной слоя (λ/2), суммарное изменение фазы будет также равно π. Граница второго nни третьего nвслоев даст суммарный набег фазы 3π и т. д.:

φ_отр = φ_нач + δφ_гр + ∆φ_опт, допустим, что φ_нач = 0;

φ_A = φ_нач + δφ_гр + ∆φ_опт = 0 + π + 0 = π;

φ_B = 0 + 0 + π = π;

φ_C = 0 + 2π + π = 3π = π;

φ_D = 0 + 0 + 3π = 3π = π.

Таким образом, волны, отраженные от всех границ раздела сред, имеют одинаковые фазы колебаний.

При четном числе слоев скачок тоже должен быть, но его не будет (ns≤ nв), значит последняя составляющая будет вычитаться, произойдет частичное гашение излучения. Поэтому выгоднее использовать нечетное число слоев. Максимальный коэффициент отражения ρmaxмногослойного покрытия из М слоев реализуется при строгом равенстве оптических толщин слоев четверти длины волны рабочего излучения.

выражение для френелевского коэффициента отражения оптической границы произвольной пары слоев фильтра:

Если увеличивается отношение n_в/n_н, то увеличивается отражение на каждой из границ и соответственно возрастает суммарное отражение.

Интерференционные фильтры

З2

Интерференционные фильтры – пропускающие фильтры, предназначен-ные для пропускания излучения в узком диапазоне длин волн. ИФП пред-ставляет собой два плоскопаралельных зеркала, расположенные на расстоянии L . В ИФП минимальные потери будут для тех λ, для которых на длине L должноукладываться целое число полуволн и выполняться условие: 2L/λ = q, где q = 1, 2, 3...n – целое число. Из приведенного выражения и соотношения между длиной волны, частотой и скоростью света λ = с / ν следует выражение для частоты ИФП с произвольным индексом q: ν_q = qc/2L. Селективность ИФП определяется величиной интервала между соседними резонансными частотами:

,

Таким образом, можно сделать вывод, что спектр не зависит от величины q (рис. 3.4). Резонансные линии ИФП имеют конечную ширину ∆ν_0,5, отсчитываемую на половинном уровне амплитуды и определяемую добротностью интерферометра: Q = ν_q /∆ν_0,5. Добротность ИФП: .

Интерференционные фильтры изготавливают в виде тонкого слоя рабочего материала, заключенного между металлизированными полупрозрачными зеркалами (рис. 3.5), которые образуют короткий ИФП. Минимально возможная толщина рабочего слоя d_c получается при q = 1, когда оптическая толщина d_cn_c = λ / 2 (рис. 3.6).

Рабочий слой с зеркалами помеща-ется между двумя покровными стекла-ми. Одно из покровных стекол является узкополосным сорбционным фильтром, а второе может быть прозрачным. Сорбционный фильтр выполняет функцию грубой фильтрации нужного диапазона длин волн и часто выполняется из цветного стекла. Торцы ИФ герметизируются для защиты от влаги, грязи и т. п.

качестве фильтрации.

Просветляющие фильтры

Просветляющие фильтры чаще всего используют для минимизации отражения на границе (например, линза) в выбранном спектральном диапазоне. При нормальном и близком к нему падении излучения на объект возникает значительное френелевское отражение, достигающее единиц – десятков процентов и приводящее к потерям излучения

.

Чтобы уменьшить френелевские потери нужно погасить отраженную волну. Простейшим решением является использование просветляющего слоя (рис. 3.10), благодаря которому возникает интерференция оптических волн, отраженных в точках A и B. Условием интерференционного гашения волн, является наличие полуволнового фазового сдвига: φ_A – φ_B = π.

n₀ < n_сл < n, а оптическая толщина слоя равнялась четверти длины волны n_сл d_сл = λ/4. Тогда для волны, отраженной в точке В, δφ = π, ∆φ = π и φ_А = 0 + π + π = 2π.

Таким образом, разность фаз φ_A – φ_B составляет π и условие гашения выполняется. Оптимальное соотношение для показателей преломления, обеспечивающее наименьшее отражение, записывается как

(в воздухе).

Таким образом, для реализации эффекта просветления оптическую границу необходимо сгладить – уменьшить скачок n за счет своеобразной ступеньки, образованной слоем материала с промежуточным показателем преломления. Рассмотренный просветляющий фильтр является простейшим и позволяет снизить отражение на порядок. Лучшие результаты могут быть получены при использовании многослойных просветляющих фильтров.

Поляризационные фильтры

Общая задача поляризационных фильтров – выделение из общего потока излучения составляющих с необходимой поляризацией. Сюда относят поляризаторы, анализаторы, поляриметрические пластины. Материалами для поляризационных фильтров могут служить вещества, обладающие естественным двулучепреломлением: различными показателями преломления для обыкновенного n_o и необыкновенного n_e лучей. Векторы электрического поля Е обыкновенного и необыкновенного лучей ортогонально друг другу. Отличие скоростей распространения v_о = c/n_o и v_e = c/n_e приводит к различию длины оптических путей ΔL = L_гео(n_e – n_о) и соответствующему сдвигу фаз. Как следствие – изменяется вид поляризации выходного излучения по отношению к входному (рис. 3.11, 3.12). Подбирая протяжённость элементов, можно обеспечить заданный сдвиг фаз. Например, используя четвертьволновую пластину, у которой ΔL_опт = λ/4 и ∆φ = π/2, можно трансформировать линейную поляризацию (рис. 3.11) в круговую (рис. 3.12). При Δφ = π, получим линейную поляризацию, ортогональную исходной. Подбирая протяжённость элементов, можно обеспечить заданный сдвиг фаз. Например, используя четвертьволновую пла-

стину, у которой ΔL_опт = λ/4 и ∆φ = π/2, можно трансформировать линейную поляризацию (рис. 3.11) в круговую (рис. 3.12). При Δφ = π, получим линейную поляризацию, ортогональную исходной. Прошедший поток I_τ определяется проекцией вектора Е на направление пропускания поляризатора и зависит от вида поляризации падающего излучения и угла поворота θ поляризатора. Для линейной поляризации I_τ ~ (аE_τ)² = АE²cos²θ, для круговой поляризации I_τ = const(θ).

Функции поляризаторов/анализаторов могут выполнять прозрачные диэлектрические пластины, расположенные под углом Брюстера.

В качестве поляризаторов/анализаторов очень часто используют дихроичные материалы. Дихроизм – различие коэффициентов поглощения среды для ортогональных линейно поляризованных составляющих излучения и, следовательно, зависимость поглощения от ориентации вектора электрического поля оптической волны – анизотропия поглощения. Падающий на дихроичную среду линейно поляризованный пучок разделяется на два ортогональных, один из которых значительно поглощается даже в тонком слое материала. Природным дихроичным материалом является кристалл турмалина зеленого цвета с областью пропускания 0,45...0,55 мкм. Это – полудрагоценный камень, широко не используется ввиду высокой стоимости.