книги / Твёрдотельная фотоэлектроника. Физические основы-1

Т а б л и ц а 2.4.2. Визуальные звездные величины и цветовые температуры Луны, планет солнечной системы и наиболее ярких звезд

В результате влияния атмосферы и облаков земной поверхности в среднем достигает только 30% солнечного излучения в виде прямой солнечной радиации и еще 18% в виде рассеянной в атмосфере радиации. От облаков, атмосферы и поверхности Земли в космос отражается в среднем 37% солнечного излучения.

При этом от поверхности Земли в среднем отражается 3% прямого и 2% рассеянного солнечного света и излучается 116% в виде инфракрасного из­ лучения, большая часть которого поглощается атмосферой. Встречный поток тепла из атмосферы к Земле в среднем составляет 96%

среднем излучается в инфракрасном диапазоне (0,135/4) 1,16 = 0,039 Вт/см2, а средняя температура земной поверхности оказывается близка к ^/0,039/сг = = 288,3 К или 15,3°С.

Экологи-глобалисты доказывают, что длительное существование земной цивилизации возможно только в том случае, если потребляемая ею энергия будет полностью восстанавливаться за счет прямого преобразования солнечной энергии.

Таким образом, спектральная характеристика излучения земной поверхно­ сти в дневное время имеет два максимума: один при длине волны 0,5 мкм (отраженное солнечное излучение, усредненный коэффициент отражения со­ гласно тепловому балансу 10,4%), а другой — при длине волны вблизи 10 мкм (собственное тепловое излучение). Минимум между ними приходится на дли­ ны волн вблизи 3,5 мкм. После наступления темноты отраженное солнечное излучение, очевидно, не наблюдается.

При длинах волн более 3,5 мкм спектральные кривые излучения наземных фонов достаточно близки к кривой излучения абсолютно черного тела. Изме­ ренные коэффициенты излучения зелени, древесной коры и почв составляют 0,884-0,97, снега и воды — 0,85 и 0,96 соответственно. Пена бурунов излучает подобно черному телу.

Следует также различать рассеянное атмосферой солнечное излучение (при длинах волн менее 3,5 мкм) и собственное тепловое излучение атмосферы, обусловленное наличием в ней водяного пара, углекислого газа и озона. На рис. 2.4.3 представлены экспериментальные кривые спектральной энергетиче­ ской яркости ясного ночного неба, полученные на уровне моря в инфракрасной

глощения водяных паров вблизи 6,3 мкм и углекислого газа (15 мкм) поглоще­ ние столь велико, что даже при наблюдении в зенит коэффициент излучения равен 1. Излучение при 9,3 мкм обязано своим существованием полосе погло­ щения озона.

Кривые спектральной лучистости полностью закрытого облаками неба в инфракрасной области при длинах волн свыше 3,5 мкм такие же, как у черного тела при окружающей температуре. Нижний край сплошной облачности обычно

расположен на небольшой высоте (от 100 м до 1 км) и температура облаков близка к температуре земной поверхности.

Как уже упоминалось, инфракрасное излучение Земли сильно поглощается атмосферой и только в спектральном окне прозрачности при углах возвы­ шения более 10° в безоблачную погоду беспрепятственно уходит в мировое пространство.

Свечение ночного неба на всех широтах в спектральном диапазоне от 1 до 2,3 мкм с максимальной интенсивностью по разным источникам от 0,01 до 0,06 мкВт/(см2-ср-мкм) имеет два максимума вблизи 1,6 и 2,15 мкм (последний раза в два меньше — рис. 2.4.4) и нетепловую природу. Измерение высот ночного свечения дали результаты, соответствующие распределению озона. По-видимому, свечение вызвано переходами между колебательными состоя­ ниями радикалов О Н ' Точный механизм возбуждения еще не ясен, однако предполагается, что происходит освобождение энергии Солнца, накопленной в течение дня.

При длинах волн более 10 мкм заметными источниками инфракрасного излучения становятся также космические туманности, астероиды, пылевые образования и другие галактические и внегалактические источники. Эффек­ тивная температура космического ин­ фракрасного фона (с учетом излуче­ ния звезд) оценивается в 3,5 К.

Упомянем еще такие естественные источники видимого и теплового излу­ чения как северные сияния, молнии, извергающаяся лава и лесные пожары.

0,99). Интересно отметить, что он не зависит от цвета кожи. Температура же кожного покрова зависит от теплообмена между кожей и окружающей средой. На сильном холоде она может упасть до 0 °С, а при 21 °С температура кожи лица и рук человека близка к 32°С.

Необходимо отметить, что при формировании изображений в видимом и ин­ фракрасном диапазонах (помимо разницы коэффициентов отражения объектов в этих областях спектра) имеется и принципиальное отличие. Если в видимом диапазоне изображение формируется, как правило, за счет отраженного объ­ ектом излучения внешних источников, то в инфракрасном диапазоне внешнее излучение составляет только некоторую долю 7 от собственного излучения объ­ екта. Обычно внешнее инфракрасное излучение называют противоизлучением.

Предположим, что фон характеризуется коэффициентом отражения R и имеет температуру Т, а объект наблюдения — соответственно R + Д R и

Т + А Т , причем A R <с R и А Т <с Т Предположим также, что противоизлу­

Тогда в отраженном видимом излучении контраст в изображении объекта (отношение приращения плотности потока излучения от объекта к плотности фонового потока) не зависит от освещенности и составляет, очевидно, величину С = A R /R . Легко убедиться, что соответствующий контраст в инфракрасном изображении, вычисленный с учетом разницы температур объекта и фона, ра­ вен

с _ 4т £ ( 1 - Я ) - А Д ( 1 - 7 )

1 - Я ( 1 - 7 )

Если тепловой контраст близок к 4А Т /Т и слабо зависит от величины 7 , то контраст, обусловленный разницей в коэффициентах отражения объекта и фо­ на, в термодинамически равновесных условиях при 7 —» 1 попросту пропадает: объект невидим.

Вероятно поэтому изображения, полученные в инфракрасном диапазоне, называют тепловыми или тепловизионными. Однако из приведенного соотно­ шения следует, что тепловизионный контраст может исчезнуть и при взаимной компенсации приращений А Т и AR.

2.5. Технические источники оптического излучения

Для освещения, обогрева, передачи сообщений и других целей на всех этапах развития человеческого общества с использованием доступных тех­ нических возможностей изготавливались различные источники оптического излучения. Наиболее распространены сейчас электрические лампы накалива­ ния, газоразрядные лампы и полупроводниковые светодиоды. Миллиарды этих источников оптического излучения ежегодно выпускаются промышленностью.

2.5.1. Лампы накаливания. Простейшая лампа накаливания представляет собой вакуумную стеклянную колбу, в которую помещена спираль или лента из тугоплавкого металла (чаще всего вольфрама с температурой плавления 3650°С

ималой скоростью испарения при высоких температурах). Спираль накаливает­ ся протекающим через нее электрическим током до температур 24004-3300 К

иизлучает как серое тело. Часто колбы заполняют инертным газом (аргон, криптон, ксенон) с добавкой азота при невысоком давлении. Газ препятствует распылению вольфрамовой спирали и ее температуру и, следовательно, яркость удается увеличить. В галогенных лампах накаливания, заполненных ксеноном

сдобавлением йода или летучих соединений брома и армированных нагревае­ мой до 500 К кварцевой трубкой, обеспечивается обратный перенос испаряемого вольфрама и срок службы ламп при высоких цветовых температурах увеличи­ вается.

Световой выход ламп накаливания невелик и близок к 10% (светоотдача от 8 до 30 лм/Вт). Габаритная яркость — от единиц 106 кд/м2 до 3 107 кд/м2 (Для

кинопроекционных ламп). Стекло колбы не пропускает излучение с длиной волны более 2,5 мкм и нагревается при работе лампы до 100ч-150°С. При пи­ тании ламп переменным током с частотой 50-60 Гц фотоприемные устройства обнаруживают модуляцию излучения на двойной частоте питания, хотя из-за тепловой инерционности нити накала стробоскопический эффект для глаза не заметен. Срок службы ламп накаливания 1-1-2 тыс. часов.

В качестве рабочих эталонов при светотехнических измерениях в аппарату­ ре для видимой и средней инфракрасных областей спектра используют лампы накаливания, откалиброванные на цветовую температуру 2896 К (стандартный источник А с Amax « 1 мкм). Иногда такие эталоны изготавливаются с кварце­ вой колбой, пропускающей излучение в спектральном диапазоне 0,2-г 4,0 мкм, или с окном, прозрачным и для ультрафиолетового и инфракрасного излучений (слюда, кварц, сапфир).

Существует огромная номенклатура ламп накаливания: осветительные, транспортные, прожекторные, кинопроекционные, маячные, рудничные, в том числе зеркальные и лампы-фары. Мировой выпуск — более двух миллиардов в год.

2.5.2. Газоразрядные (плазменные) лампы. Пожалуй, не меньшее рас­ пространение получили газоразрядные источники света, использующие излу­ чение газов или паров металлов (имеющих высокую упругость паров — ртути, натрия, кадмия и др.), возникающее под действием проходящего через них электрического тока. Эти источники создают излучение преимущественно с линейчатым спектром, характерным для каждого газа или пара, в котором происходит разряд, и обладают лучшей световой отдачей, чем тепловые из­ лучатели. С повышением мощности в их спектре появляется сплошной фон, обусловленный тормозным и рекомбинационным излучением и при насыщении сравнивающийся с излучением абсолютно черного тела при температуре плаз­ мы.

Газоразрядные источники света низкого давления ( ~ 0,2 атм) в зависимости от плотности тока на катоде работают в режиме тлеющего (ток менее 1 А) или дугового разряда. Используется свечение положительного столба разряда, лампы имеют форму длинных трубок с холодными электродами.

100 А/см2), при этом свечение стягивается к оси разрядной трубки. Темпе­ ратура плазмы растет до 6000 К и более, достигается высокая светоотдача и яркость. В конструкциях ламп используются активируемые и самонакаливаемые катоды, состоящие в ряде случаев из двух частей (зажигающей и рабочей).

Общие недостатки газоразрядных источников света:

необходимость использования балластных сопротивлений при падающей вольт-амперной характеристике (для тяжелых инертных газов этого не тре­ буется);

нормальный режим горения в парах металла достигается только через неко­ торое время, необходимое для разогрева ламп и испарения находящегося в них металла;

наблюдается стробоскопический эффект на удвоенной частоте сети пере­ менного тока;

для зажигания разряда обычно требуется более высокое напряжение, чем для его устойчивого горения.

Особенно распространены ртутные люминесцентные лампы низкого давле­ ния с дуговым или тлеющим разрядом, в которых ультрафиолетовое излучение ртути (резонансные линии 253,7 и 184,9 нм) с помощью люминофоров преобра­ зуется в излучение со спектром, близким к белому (Гцв = 3500 К) или дневному (Г ц В = 6500 К) свету.

Осветительные люминесцентные лампы представляют собой цилиндриче­ скую стеклянную трубку. Внутренняя поверхность ее равномерно покрыта тон­ ким слоем люминофора, в качестве которого используют, например, галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем, или фосфат ванадат иттрия, активированный европием. В оба конца трубки впаяны ножки с электродами. Световая отдача люминесцентных ламп 404-90 лм/Вт, срок службы 34-7 тыс. часов.

Для эритемных ламп в качестве люминофора используют фосфат кальция и цинка, активированные галлием. При этом излучение происходит в спектраль­ ном диапазоне 2804-400 нм. В бактерицидных ртутных лампах с максимумом излучения на длине волны 253,7 нм люминофор отсутствует, а стенки трубки изготовлены из увиолевого стекла.

Люминесцентные лампы с разрядом в инертных газах обладает худшей светоотдачей, однако способны работать в условиях низких температур.

Существует много других разновидностей газоразрядных источников излу­ чения низкого давления:

лампы тлеющего разряда (например неоновые индикаторы);

натриевые лампы низкого давления, излучающие с высокой светоотдачей до 170 лм/Вт желтый свет (0,589 мкм). Используются для наружного освещения;

спектральные лампы (ртутные, кадмиевые, цинковые, таллиевые, натрие­ вые, калиевые, рубидиевые, цезиевые, аргоновые, неоновые, криптоновые, ксе­ ноновые);

водородные и дейтериевые лампы, дуговой низковольтный разряд в кото­ рых создает интенсивное ультрафиолетовое излучение (от 0,48 до 0,17 мкМ и линейчатый спектр до 90 нм);

а также безэлектродные лампы, лампы с полым катодом и другие.

Ртутные лампы высокого давления изготавливаются из трубок тугоплавкого стекла (при рабочих температурах 4004-500°С) или кварца (рабочая темпера­

тура до 900ч-950°С). Их яркость (1ч-3) 106 кд/м2, светоотдача 304-50 лм/Вт. Используются эти лампы в светокопировальных, фотолитографических, фото­ химических установках, а также для общего освещения — в этом случае раз­ рядные трубки помещаются в стеклянную оболочку, покрытую люминофором. В металлогалогенных лампах спектр свечения корректируют, вводя в разряд галогениды различных металлов (Na, Tl, In, Sn, Se и др.).

Ртутные лампы сверхвысокого давления изготавливаются в основном трех видов:

трубчатые (стекло, кварц) с естественным охлаждением для освещения. Яркость (34-12) 106 кд/м2, светоотдача 304-50 лм/Вт;

капиллярные с водяным охлаждением. Рабочее давление 404-100 атм и более, яркость (2 ч-8) 108кд/м2, светоотдача 604-70 лм/Вт. Используются для проекционной аппаратуры;

шаровые лампы с малым расстоянием между электродами (меньше 0,034-1 см). Яркость коротких дуг превышает яркость ограниченных стенкой разрядов и составляет (14-12) 108 кд/м2 Эти лампы используются как точеч­ ные источники высокой яркости в проекционных системах, фотолитографии, микроскопии и люминесцентном анализе.

Газовые лампы высокого и сверхвысокого давления используют излучение дугового разряда в тяжелых инертных газах: ксеноне, криптоне или аргоне при давлении от одной до нескольких десятков атмосфер. Как и ртутные лампы, они имеют трубчатую или шарообразную форму.

Ксеноновые трубчатые лампы высокого давления с мощностью 24-50 кВт, светимостью 204-45 лм/Вт и яркостью до 3 107 кд/м2 применяются для наруж­ ного освещения и для накачки лазеров непрерывного действия. Лампы имеют в видимой области непрерывный спектр, близкий к солнечному, с группой ин­ тенсивных линий в диапазоне 0,84-1,0 мкм. Криптон более теплопроводен, но лучше согласуется по спектру для подкачки неодимовых лазеров.

Лампы с парами щелочных металлов (особенно K-Rb) при давлении ~ 1 атм в трубках из сапфира или поликора селективно излучают в видимой и ближней инфракрасных областях (мощность до 1 кВт, цветовая температура до 4500 К).

В так называемых электродоцветных дуговых лампах высокой яркости ос­ новным источником излучения являются электроды, раскаленные в газовом разряде. К ним относятся лампы с концентрированной дугой (с вольфрамовым электродом, обеспечивающие яркость до 108 кд/м2) и открытые дуги с электро­ дами из чистого угля или угля с примесями солей металлов (кальций, стронций, барий, медь, железо, редкоземельные металлы). Яркость центрального кратера такой дуги более 3 108 кд/м2 (Т~9200 К).

В импульсных газовых источниках, создающих периодические световые вспышки, обычно используется искровой разряд от батареи конденсаторов. Конструкции этих ламп — трубчатые (менее 1 атм) или шаровые (несколь­

ко атмосфер), наполнение — тяжелыми инертными газами (преимущественно ксеноном) или парами металлов.

Трубчатые ксеноновые лампы для накачки лазеров излучают 50-г 40 000 Дж при длительностях импульса 0,14-1,5 мс и средней мощности от 10 Вт до 10 кВт. Капиллярные лампы для стробоскопии излучают до 25 Дж при длитель­ ностях импульса 24-300 мкс, частотах до 5 кГц и яркостях до 1,2 Ю10 кд/м2 В шаровых лампах, применяемых для стробоскопии, фотолитографии и сверхско­ ростной фотографии, при импульсах длительностью 0,354-50 мкс достигается яркость до 1011 кд/м2 В лабораторных источниках искрового разряда удается получить вспышки наименьшей длительности ( ~ 10-9 с).

Существует еще много различных способов и устройств для получения некогерентного оптического излучения, в том числе импульсного. Перечислим некоторые из них:

электролюминесцентные спектральные панели;

катодолюминесцентные экраны электронно-лучевых трубок;

пламена, возникающие при горении газовых, жидких или твердых горючих веществ (пиротехника);

излучение металлической плазмы, образующейся при электрическом взрыве тонких проволок (импульс длительностью от 1 до 100 мкс с мощностью до 70 кДж, яркостная температура rsj 104 К);

яркие плазменные вспышки длительностью 10_84-10-7 с при фокусировке мощного импульса лазерного излучения в плотном газе (яркостная температура до 4 104 К) или на твердой мишени (яркостная температура ~ 2 105 К);

синхротронное излучение и др.

В инфракрасной технике и спектроскопии в качестве эталонных и рабочих источников используют различные модели абсолютно черного тела, глобары (стержень из карбида кремния, нагреваемый электрическим током до темпера­ туры ~ 1500 К, а с покрытием окислами тория — до ~2400 К), штифты Нернста, газокалильные сетки и др. Штифт Нернста — трубка или цилиндрический керамический стержень, спрессованный из тугоплавких окислов циркония, ит­ трия и тория, с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. При запуске штифт подогревается вольфрамовой спиралью примерно до 1000 К,

азатем накаливается до 1700 К и более электрическим током.

2.5.3.Лазеры [38, 47]. Лазеры (квантовые генераторы и усилители оп­ тического диапазона) — единственные источники интенсивного оптического излучения, обладающие высокой степенью когерентности, монохроматичности

инаправленности. Для работы лазера необходимо создать в активной среде ин­ версную заселенность энергетических уровней (при которой стимулированное излучение доминирует над поглощением и происходит оптическое усиление) и обеспечить оптическую положительную обратную связь. Использование интер­

ферометра Фабри-Перо для обратной связи в оптическом диапазоне впервые предложил академик А. М. Прохоров.

В зависимости от активной среды различают газовые, твердотельные и жид­ костные (активированные диэлектрики), полупроводниковые лазеры. В каче­ стве примеров рассмотрим конструктивные особенности и основные характери­ стики трех типов наиболее распространенных лазеров.

2.5.3.1. Газовые лазеры на колебательно-вращательных переходах моле­ кул СС>2, излучающие при 10,6 и 9,6 мкм. Активной средой лазера служит смесь излучающего углекислого газа, азота и гелия в соотношении 1:1:8 для лазеров низкого давления (Рне = 2000 Па) и до 1:1:1,5 — для лазеров с давле­ нием около 1 атм. Газовые активные среды со слабым взаимодействием молекул обеспечивают высокую оптическую однородность и узкие спектральные линии излучения.

Конструктивная схема оптического газового лазера изображена на рис. 2.5.1. Активный элемент представляет собой трубку /, заполненную сме­ сью газов, в которой с помощью впаянных в нее электродов 2 и 3 и источника питания 6 зажигается электрический разряд. Трубка помещена в оптический

Р и с . 2.5.1. Конструкция газоразрядного лазера: / — разрядная трубка, 2 — анод, 3 — катод, 4 — сферические интерференционные зеркала резонатора, 5 — окна Брюстера, 6 — источник питания

резонатор, образованный двумя зеркалами 4 (плоскими или сферическими). Для уменьшения потерь на френелевское отражение выходные окна 5 на тор­ цах трубки располагают под углом Брюстера. При этом коэффициент отраже­ ния для поляризованной в плоскости падения волны мал и излучение лазера оказывается плоскополяризованным. Зеркала резонатора могут располагаться и внутри трубки.

Реализация отпаянных оптических лазеров стала возможной только после появления катализаторов, регенерирующих молекулы СОг из образующихся в газовом разряде молекул СО. Кроме отпаянных, существуют и другие конструкции СОг лазеров: с продольной и поперечной прокачкой газа, волноводные лазеры.

Молекула СОг — линейная и симметричная. Она характеризуется колеба­ ниями трех типов: осевые колебания двух атомов кислорода относительно цен­ трального атома углерода в фазе или противофазе и изгиб (причем последняя деформация может происходить в двух взаимно перпендикулярных направле­ ниях — деформационная мода дважды вырождена). Одновременно происходит

и вращение молекулы. При этом кванты вращательного движения значительно меньше. Множество переходов между колебательно-вращательными уровнями обеспечивает генерацию в сравнительно широкой области 9,6ч-10,6 мкм.

Прямое возбуждение молекулы СО2 в электрическом разряде малоэффек­ тивно и для создания инверсной заселенности используется передача энергии от метастабильного — сравнительно долгоживущего — возбужденного состо­ яния молекул азота, отстоящего от верхнего рабочего уровня молекулы СО2 всего на 2,2 мэВ. Напомним, что метастабильными называют такие возбужден­ ные энергетические состояния, для которых все дипольные переходы на более низкие уровни запрещены.

Добавление к смеси гелия существенно ускоряет опустошение нижних лазерных уровней. Таким образом обеспечивается четырехуровневая схема работы квантовых генераторов, позволяющая получать инверсию населенности при минимальных уровнях накачки (рис. 2.5.2). Кроме того, гелий обладает высокой теплопроводностью и способствует охлаждению СОг до температуры стенок трубки.

Промышленность выпускает отпаянные СОг лазеры с непрерывной мощно­ стью излучения на единицу длины разряда 504-100 Вт/м при диаметре трубки ~1,5 см и сроке службы 105 часов и более. Если газовую смесь поддерживать

/каскадные

Р и с . 2.5.2. Энергетическая схема четырехуровневого СОг лазера [47]

при более высоких давлениях вплоть до атмосферного, съем энергии с единицы объема увеличивается на порядок. Существуют мощные лазеры, генерирующие в непрерывном режиме десятки киловатт, и импульсные лазеры с выходной энергией в импульсе до 100 кДж при длительности менее 1 нс.

Лазеры с высокой степенью когерентности используются в лазерных Ло­ каторах и дальномерах, при гетеродинном приеме излучения, позволяющем, например, измерять скорости объектов по допплеровскому смещению частоты. Высококогерентные лазеры малой мощности с перестройкой частоты излучения служат для контроля атмосферы на содержание в ней примесей многих газов.