Файл: Левитин И.Б. Инфракрасная техника.pdf

пропускающие. Действие инфракрасных интерференцион­ ных фильтров основано на явлении интерференции в па­ раллельных пластинках.

°/ 'Si -г—I—І—I—i—I—I I I—r

'о

40

30\

20

1Q T i l l J—

5 мкм

О

Рис. 49. Кривые спектрального пропуска­ ния полупроводниковых материалов — PbS, PbSe, PbTe

Простейший отражающий фильтр получается путем на­ несения тонкого слоя прозрачного диэлектрика на перед­ нюю поверхность металлического зеркала; с противопо­ ложной стороны слой диэлек­ трика покрывается полупро- 0 / зрачным слоем металла. В иде- ^ альном случае (если зеркало да

имеет коэффициент отражения 2(J\ р = 1, а поглощение в диэ­ лектрике и полупрозрачном слое отсутствует) при длинах волн %, при которых толщина слоя диэлектрика

2s-f-1

4*

(где s — целое число) будет происходить гашение луча за счет разности фаз, т. е. при этих длинах волн не будет про­ исходить отражения. Наоборот, при К, соответствующих условию d — sK/2, будет происходить полное (р = 1) от­ ражение.

109

В реальных условиях у зеркала р Ф 1, и зависимость коэффициента отражения фильтра р ф от длины волны имеет вид:

Рф ~ (1 + RY + /іа ctga (2nnd/%) '

где # — сопротивление полупрозрачной пленки при по­ стоянном токе, зависящее от ее толщины и проводимости металла; п—показатель

их сторон полупрозрач­ ными слоями металла. Максимальное пропускание такой фильтр имеет для длины волны X, для которой оптиче­ ская толщина слоя d кратна Х/2. Вследствие потерь излучения в полупрозрачных слоях и в диэлектрике максимальный коэффициент пропускания такого фильтра порядка 0,40 (а в минимумах < 0,01). Основной недостаток простейшего пропускающего интерференционного фильтра

110

состоит в том, что ширина его полосы пропускания может быть уменьшена только за счет увеличения коэффициента отражения полупрозрачных слоев, для чего надо увеличить их толщину и, следовательно, снизить пропускание.

Поэтому на практике применяют многослойные интер­ ференционные фильтры, в которых металлические полу­ прозрачные пленки заменены несколькими слоями диэлек­

до 2,6 мкм) или других оптических материалов (например, Li F и др.), пропускающих более длинноволновые излу­ чения.

24. Прохождение инфракрасных излучений сквозь атмосферу

Пропускание инфракрасных излучений атмосферой в зна­ чительной мере зависит от метеорологических условий, в ча­ стности от влажности атмосферы, т. е. количества водяных паров и капелек воды в воздухе. Следовательно, пропуска­ ние излучений атмосферой существенно различается для ясной погоды, для воздушной дымки и легкого тумана, для плотного тумана и для дождя.

Излучение, проходящее через слой атмосферного воз­ духа, ослабляется вследствие трех различных физических процессов: 1) поглощения молекулами газов, составляющих атмосферный воздух; 2) рассеяния частицами воздушной дымки, а также частицами, образующими туманы и облака; 3) рассеяния молекулами атмосферных газов.

111

Воздушная среда представляет собой механическую смесь газов (в основном азота и кислорода, а также ряда других газов в очень малых количествах). Воздух всегда содержит пары воды в различных количествах, зависящих от температуры и давления (от высоты над уровнем моря). Кроме того, в нижних приземных слоях атмосферы всегда имеются взвешенные частицы — пыль, дым, капельки воды разнообразных размеров — от очень маленьких (образую­ щих воздушную дымку) до крупных (образующих туман или выпадающих в виде дождя). Иногда в воздухе содер­ жатся мелкие кристаллики льда (изморозь). Соотношение размеров рассеивающих частиц и длины волны проходя­ щего излучения определяет характер рассеяния (форму индикатриссы рассеяния, зависимость от длины волны и т. д.).

Как уже говорилось выше, в очень чистой атмосфере (например, в высокогорных условиях), состоящей только из молекул газов, рассеяние обратно пропорционально

практически отсутствует, так как размер рассеивающих частиц р много меньше длины волны К. Однако при увели­ чении размеров частиц (например, для капелек воды, об­ разующих воздушную дымку, или очень слабый туман), когда р а і , характер рассеяния сильно изменяется. В ус­ ловиях дымки или слабого тумана инфракрасные излуче­ ния ослабляются атмосферой значительно меньше, чем ви­ димые излучения, но уже в плотном тумане или при дожде (когда капли воды имеют диаметр 5—100 мкм) коэффициент ослабления становится практически одинаковым для всех видимых и инфракрасных излучений вплоть до % = 15 мкм. Для длинноволновых инфракрасных излучений рассеяние

Поглощение излучений атмосферой очень избирательно: слой атмосферного воздуха является фильтром, ослабляю­ щим излучения очень неравномерно по спектру. В спектре излучений, пропущенных через слой воздуха, имеется ряд полос поглощения, вызываемых наличием в воздухе водя­ ных паров, углекислого газа С 0 2 и ряда других газообраз­ ных веществ (озона, закиси азота, метана и др.). Главную роль в поглощении играют пары воды, полосы поглощения

112

которых перекрывают в приземном слое воздуха полосы поглощения других газообразных веществ; такие полосы поглощения водяных паров соответствуют участкам спектра 1,2—1,5; 1,8 — 2,0; 2,5 — 3; 5 — 8 мкм.

Показано, что в верхних слоях атмосферы, на которых влияние паров воды значительно ослаблено, сказывается наличие многочисленных полос поглощения озона, метана, газообразной тяжелой воды (гидроокиси дейтерия HDO) и других газообразных веществ. Исследованию тонких структур спектров поглощения этих веществ посвящено огромное количество работ.

Рис. 53. Кривая спектрального пропускания атмосферы (для тол­ щины слоя 1850 м и приведенной толщи водяных паров 17 мм)

В частности, изучались спектры для углекислого газа С 0 2 в районе 2,05; 2,7; 4,3 и 15 мкм, для озона 0 3 в полосах

тальным результатам этих исследований содержатся в серь­ езной монографии В. Е. Зуева [12].

В итоге найдены кривые спектрального пропускания атмосферы для различных метеорологических условий, которые имеют вид, подобный показанному на рис. 53, от­ носящемуся к одному из состояний атмосферы (толщина слоя 1850 м, приведенная толща водяных паров равна 17 мм). Эти кривые, несколько разнящиеся друг от друга по абсолютной величине пропускания и ширине полос про­ пускания для разных состояний атмосферы, характерны наличием определенных полос пропускания — так назы­ ваемых «окон прозрачности» атмосферы. Наибольшему пропусканию соответствуют «окна» 1,0—1,1; 1,2—1,3; 1,6—1,75; 2,1 — 2,4; 3,4 — 4,2 мкм (пропускание выше 90%) и широкое «окно» 8—12 мкм с пропусканием 60—70%.

113