Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

энергии солнечного излучения. Альбедо земной полусферы изме­ няется в среднем от 0,36 до 0,39 в видимой области спектра и равно приблизительно 0,3 в инфракрасной области спектра.

Рис. 2.21. Спектр относительного распределения отраженного Землей излучения при различной облачности:

3. Луна и планеты

Инфракрасное излучение от Луны и планет, так же как и из­ лучение Земли, состоит из собственного и отраженного излуче­ ния. Так как отражение носит рассеянный характер, то можно считать, что оно подчиняется закону Ламберта. Значение альбедо

58

планет зависит от сезонных и топографических изменении. Так как эти изменения обычно не очень резки, то можно пользовать­ ся средним значением альбедо. Сводные данные по излучению Луны и планет приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Данные по тепловому излучению Луны и планет

4. Дневное и ночное небо

Излучение дневного или ночного неба создает некоторый фон, мешающий работе ИК-приборов и затрудняющий выделение на этом фоне слабых ИК-сигналов.

Для снижения влияния этого фона на чувствительность ИКаппаратуры применяют различные способы фильтрации: установ­ ку узкополосных спектральных фильтров, фильтрацию электрон­ ными методами и т. д.

ИК-излучение неба создается собственным длинноволновым излучением частиц атмосферы, которые излучают как черное тело с отдельными селективными линиями излучения составляю­ щих атмосферы: паров воды, углекислого газа и озона при тем­ пературе атмосферы. Кроме того, частицами атмосферы рассеи­ вается коротковолновое солнечное излучение, а в ночных усло­ виях — излучение Луны, звезд н планет.

Состав спектра излучения чистого неба днем и ночью показан на рис. 2.23 (в относительных единицах, без соблюдения мас­ штаба).

Ночью, когда температура воздуха снижается, максимум из­ лучения сдвигается в более длинноволновую область спектра. Излучение чистого ночного неба приблизительно соответствует излучению абсолютно черного тела с максимумом излучения на длине волны 10,5 мкм.

59

Лучистость неба возрастает с уменьшением угла возвышения над горизонтом. Вблизи горизонта излучение неба максимально и сравнимо с излучением черного тела при температуре атмос­

феры.

В дневное время лучистость неба в несколько раз больше, чем ночью, максимум излучения находится в видимой области спект­ ра при 1 = 0,45 мкм. Яркие края облаков и линия горизонта соз­ дают большую неравномерность в излучении дневного неба.

Рис. 2.23. Спектр излучения ясного неба днем и ночью:

/ —дневное небо: - —ночное небо

Излучательная способность неба может меняться в широких пределах в зависимости от метеорологических условий, окру­ жающей температуры и угла возвышения, которым определяет­ ся толща атмосферы. С подъемом на высоту излучение неба должно уменьшаться, так как уменьшается температура и кон­ центрация атмосферных газов. В большинстве случаев излуче­ ние естественных источников мешает работе ИК-приборов, по­ этому при их разработке применяют специальные меры для сни­ жения помех от естественных источников излучения.

Вопросы для повторения

1.Какие вы знаете разновидности источников излучения в ин­ фракрасной области спектра?

2.Какими способами можно моделировать излучение абсо­

лютно черного тела?

3. Для каких целей применяют термоизлучатели?

4 ц т0 такое электродосветные дуговые источники излучения? Где они применяются?

5. Назовите естественные источники ИК-излучения. Как ме шает работе ИК-приборов излучение фона?

60

Г л а з а 111. ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В предыдущих главах было установлено, что интенсивность и спектральный состав излучения тепловых источников могут быть описаны формулой Планка, в которой основным параметром является температура. Состав спектра этих излучателей близок к спектру излучения абсолютно черного тела; люминесцентные источники имеют более узкий спектр излучения и уже не могут быть охарактеризованы одним параметром — температурой. Однако излучение обоих этих видов источников имеет одно об­ щее свойство — оно некогерентно, т. е. электромагнитные волны испускаются излучателями в разное время и не связаны между собой по частоте и фазе.

Долгое время не удавалось получить в инфракрасном и ви­ димом диапазоне согласованное, однородное по частоте и фазе,' т. е. когерентное, излучение. Только с открытием квантовых гене­ раторов смогли получить когерентное излучение в оптическом (видимом и инфракрасном) диапазоне волн. Большая заслуга в этой области принадлежит советским ученым В. А. Фабриканту, Н. Г. Басову и А. М. Прохорову.

В 1959 г. за разработку нового принципа генерации и усиле­ ния электромагнитных колебаний, за создание квантовых генера­ торов и усилителей Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была при­ суждена Ленинская премия, а в 1964 г. этим же ученым за рабо­ ты в области квантовой электроники, приведшие к созданию квантовых генераторов и усилителей в оптическом диапазоне волн, присуждена Нобелевская премия по физике.

Чтобы понять принцип действия когерентных излучателей, т. е. квантовых генераторов, рассмотрим физические явления и понятия, на которых основана их работа.

§ 3.1. Ф ИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ПРИБОРОВ

К в а н т о в ы е с и с т е м ы , э н е р г е т и ч е с к и е у р о в н и . Под квантовой системой понимается микросистема, состоящая из электронов, атомов, ионов и молекул, 'взаимодействие между которыми рассматривается на основе законов квантовой меха­ ники.

Характерное свойство квантовых систем состоит в том, что отдельные частицы (электроны, атомы), а также система в це­ лом имеют строго определенные энергетические состояния (уров­ ни), которые определяют физические свойства системы.

Системы могут находиться в ряде устойчивых, вполне опре­ деленных для каждого вещества энергетических состояний (по­ ложений). Наиболее устойчивым состоянием любой квантовой системы является состояние с минимальным уровнем энергии.

61

Переход с одного энергетического уровня на другой характери­ зуется или поглощением энергии или ее отдачей (излучением).

Рассмотрим эти процессы на примере квантовой системы ато­ ма водорода, состоящего, как известно, из ядра и одного элект­ рона. Упрощенная схема стационарных энергетических состоя­ ний (уровней) атома водорода показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1, Схема энергетических уровнен атома водорода:

^—'орбиты электрона; б—энергетические уровни (линии излучения атома водорода)

Первое энергетическое состояние (уровень), характеризуемое энергией еь соответствует положению электрона на самой близ­ кой к ядру орбите,* что соответствует стационарному (равновес­ ному) положению атома. Высший (верхний) уровень соответст­ вует состоянию, когда электрон удален за пределы атома. Про-

S. Р, D, F, Н;

s, р, d, f, h.

В условном виде энергетическое состояние электрона с различными зна­ чениями п и I записывают, например, в виде lS(ls), 2Р(2р), 1D (d), ... и

т. д., где цифры перед буквами обозначают главное квантовое число. Эти же обозначения применяют в квантовых системах для обозначений энергетических состоянии атомов и молекул и системы в целом.

62