Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Если измеряется световой поток с!Ф, излучаемый площадкой dS во все стороны (в пределах телесного угла 2л), то величину R = c№/dS называют светимостью поверхности. Мы видим, что освещенность Е и светимость R определяют одинаковым выражением, но в первом случае измеряют поток, падающий на площадку, а во втором — излучаемый ею.
Важной характеристикой светящейся поверхности является также ее яркость. Для определения этого понятия запишем
41
световой поток в пределах телесного угла <Ю (рис. 1.14):
с1Ф = В dSn dQ = В cos i dS dQ.
Здесь dS,* = cos i dS — элемент поверхности, ориентированный перпендикулярно проходящему излучению. Величину В называют яркостью. Для многих светящихся тел можно считать, что яркость не зависит от угла i между направлением потока и нормалью к поверхности. Для таких «косинусных излучателей» упрощается связь между светимостью и яркостью (R = -кВ).
Укажем также, что в литературе (особенно в спектроскопической) часто пользуются термином интенсивность, не имеющим четкого светотехнического определения. Важно подчеркнуть, что интенсивность излучения всегда пропорциональна яркости источника, хотя количественное определение их связи часто оказывается совсем не простым. Укажем некоторые характерные особенности таких измерений.
С помощью различных оптических устройств можно перераспределить световой поток по некоторым избранным направлениям, но нельзя увеличить исходную яркость источника, определяющую полный световой поток, испускаемый данной поверхностью. Более того, за счет поглощения, неизбежно происходящего во всех оптических системах, в результате такого перераспределения обязательно потеряется часть полного потока.
При измерениях следует иметь в виду, что некоторые приемники радиации (фотоэлектрические, термоэлектрические и др.) реагируют на поток, тогда как большая группа других приемников (в первую очередь фотохимические) измеряет не поток, а создаваемую им освещенность поверхности приемника. В частности, освещенность сетчатки человеческого глаза определяет его реакцию на свет.
Хотя световой поток и создаваемая им освещенность всегда взаимосвязаны, зависимость между ними может оказаться достаточно сложной и искаженной условиями эксперимента. Для пояснения этого важного положения рассмотрим следующий простой опыт. Выделим какую-либо спектральную линию из линейчатого спектра при помощи призменного монохроматора с входной и выходной щелями (рис. 1.15). Оставляя одну из
них (например, выходную щель) неизменной, будем постепенно раскрывать входную щель монохроматора. Если пренебречь явлением дифракции, играющим существенную роль лишь при очень узких щелях (см. гл. 6), то можно счи-1.15. Принципиальная схема тать, что световой поток возрастает
призменного монохроматора по линейному закону с раскрытием
42
входной щели. Используя фотоэлемент или фотоумножитель, установленный на выходе монохроматора, легко проверить эту зависимость. Но если установить в фокальной плоскости линзы Lz фотопластинку (т. е. превратить монохроматор в спектрограф), то она уже будет регистрировать не световой поток, а освещенность в том месте, где получается изображение входной щели. Освещенность этого участка остается неизменной, так как при раскрытии щели поток возрастает, но в том же отношении увеличивается и площадь изображения входной щели и, следовательно, отношение Ф/ст останется прежним. Если тот же опыт проделать с использованием источника сплошного спектра,' то получаются более сложные соотношения, которые сейчас не имеет смысла разбирать.
Следовательно, измерение потока лучистой энергии всегда требует тщательного анализа условий эксперимента. К сказанному нужно добавить, что большинство приемников радиации селективно, т. е. неодинаково реагирует на излучение различных длин волн. Это также надо учитывать при опытах, проводимых для сравнения потока лучистой энергии в разных участках спектра. Еще большие трудности возникают в том случае, когда измеряют абсолютное значение светового потока или создаваемую им освещенность. Для этого необходимо проградуировать используемый приемник радиации, что совсем не просто.
Мы кратко рассмотрели принципы регистрации электромагнитных волн оптического диапазона. В результате неизбежно возникает вопрос: как можно использовать распространение электромагнитной энергии в виде волны? Бесспорно, что одним из главных приложений этого физического процесса является передача сигнала, содержащего ту или иную информацию. Однако эта процедура требует более подробного обсуждения.
Очевидно, что монохроматическая волна не может быть непосредственно использованной для передачи информации — она никогда не начиналась, никогда не кончается и любой приемник покажет <Е^> = const. Для того чтобы стало возможным использовать монохроматическую волну в этих целях, ее нужно закодировать, т. е. создать сигнал, который после регистрации и расшифровки будет содержать необходимую информацию. Наиболее простым способом кодирования является модуляция амплитуды волны, которая может осуществляться различными способами (в том числе и механическим прерыванием излучения по определенному закону). При этом возникает амплитудно-модулированное колебание E(t) = Eq(t) cos(oot — cp), где Eq(t) — медленно изменяющаяся амплитуда (например, звуковой частоты со' ~ 105 Гц, в то время как несущая частота со относится к оптическому диапазону ~ 1014 Гц). Модулированный сигнал ~ <E^(t)> регистрируется приемником света и после высоко-
