1. ОПТИЧНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ
1.1. Властивості оптичного випромінювання і способи його опису
Оптичне випромінювання - один з видів електромагнітних коливань (рис. 1.1) - займає на шкалі довжин хвиль інтервал, який охоплює п'ять порядків зміни λ: від λmin = 10 -2 мкм до λmax = 10 3 мкм. Оптичний діапазон включає ультрафіолетове випромінювання (10 -2 ... 0,38 мкм), видиме випромінювання (0,38 ... 0,76 мкм) і інфрачервоне випромінювання (0,76 ... 10 3 мкм). Зазначені межі є зразковими, різкої зміни властивостей оптичного випромінювання на кордонах не відбувається.
Мал. 1.1. Шкала довжин хвиль електромагнітних коливань
Короткохвильова частина оптичного діапазону (УФ-випромінювання) має яскраво виражену селективним характером впливу на об'єкти, в першу чергу біологічні. Ультрафіолет має бактерицидні (обеззараживающими), ерітемнимі (загар, пігментація шкіри), фотохімічними, фотобіологічні і фотоелектричними властивостями. Оптичне випромінювання, сприймається людським оком і зосереджене в області довжин хвиль 0,38 ... 0,76 (0,78) мкм або частот (4,0 ... 7,5) 10 14 Гц, називають видимим або світловим випромінюванням, або просто світлом. Видима область становить малу частину оптичного діапазону, порядку 0,05%, але найбільш значима для людини. Довгохвильова, інфрачервона, частина оптичного діапазону (ІК-випромінювання) ділиться на три зони: ближню (0,76 ... 3 мкм), середню (3 ... 20 мкм) і далеку (20 ... 10 3 мкм) ІК-області. ІК-випромінювання має в основному колективним, тепловим характером впливу на середовища і використовується для обігріву, в оптичного зв'язку, тепловидения, спектроскопії, біології та медицині.
Існує три способи опису оптичного випромінювання: хвильовий, корпускулярний (квантовий) і променевої. В рамках класичного, хвильового підходу оптичне випромінювання представляється електромагнітними хвилями, вектори напруженості електричного Е і магнітного Н полів і напрямку поширення хвиль яких взаємно ортогональні. Напруженість електричного поля оптичної хвилі описується гармонійної просторово-часової функцією
де Т - період коливань; λ - довжина хвилі; z - координата напрямку поширення; φ - початкова фаза; ω = 2πν - кругова частота (ν = 1 / Т - циклічна частота); k = 2π / λ - хвильове число.
Швидкість υ поширення випромінювання визначається діелектричної ε і магнітної μ проницаемостями середовища. Для оптичних немагнітних середовищ відносна магнітна проникність μr = 1. Тоді для швидкості отримаємо υ, де n - показник заломлення середовища, який визначається відносної діелектричної εr проникністю. Чим більше n. тим повільніше поширюється випромінювання в середовищі. Довжина хвилі випромінювання залежить від швидкості υ її поширення і періоду або частоти ν коливань: λ = υT = υ / ν. При поширенні оптичного випромінювання у вакуумі, а в першому наближенні і в повітряному середовищі (nв = n0 = 1), довжина хвилі і частота коливань пов'язані зворотним співвідношенням λ = с / ν через швидкість світла. Слід розуміти, що при поширенні випромінювання період коливань і їх частота зберігаються незмінними. У середовищі з показником заломлення n> 1 буде змінюватися тільки довжина хвилі оптичного випромінювання, частота ж коливань залишиться колишньою.
Процес перенесення електромагнітної енергії характеризується вектором Пойтинга. Кількість енергії, яку переносять в одиницю часу через одиницю нормальної поверхні, визначається модулем вектора Пойтинга [Дж / (м 2 · с)]. У наведене вираз входить миттєве значення Е оптичної хвилі. Коли говорять про оптичний випромінюванні, то характерною довжиною хвилі часто вважають λ = 1 мкм = 10 -6 м. Отже, напруженість електричного поля такої оптичної хвилі змінюється з частотою ν = с / λ = 3 · 10 14 Гц. На практиці при таких високих частотах коливань вимірювальні прилади будуть реєструвати середнє значення параметра. З урахуванням гармонійного характеру зміни Е і квадратичної залежності модуля вектора Пойтинга від напруженості електричного поля для його середнього значення можна отримати [Вт / м 2].