ЧастьII. Элементная база оптической радиометрии

ЧастьII. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ОПТИЧЕСКОЙ РАДИОМЕТРИИ

Три типа преобразователей, составляющие «базис» любого СИ в оптиче­ской радиометрии и описанные в предыдущей части книги, требуют более детального рассмотрения их технических и метрологических свойств. Оно позволяет грамотно ориентироваться при выборе типовых или специализиро­ванных СИ в зависимости от условий и специфики решаемой измерительной задачи.

Глава 3 ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Интересующие нас процессы и явления протекают в основном в средах, не обладающих электропроводностью, т. е. в диэлектриках (оптическая радио­метрия проводящих сред типа жидкостей или тонких металлических слоев, в которых может распространяться оптическое излучение, является специфи­ческим разделом этой области измерений, которому будет уделено внимание при описании методов и средств спектрофотометрии и рефрактометрии). Это означает, что все определяется только значениями диэлектрической  и маг­нитной  проницаемостей, т. е., в конечном счете, показателем преломле­ния среды  .

Источник оптического излучения представляет собой колебательную си­стему, в которой различные (в зависимости от физической природы излуча­теля) виды энергии преобразуются в электромагнитные волны оптического диапазона, распространяющиеся в той или иной среде. В однородных и изо­тропных диэлектрических средах (n = соnst) они распространяются прямо­линейно. При нарушениях однородности среды, т. е. при появлении границы раздела сред с разными значениями показателя преломления, наблюдаются хорошо известные из курса физики и подробно описанные во многих учебни­ках явления отражения и преломления оптических волн.

Помимо этих двух явлений, характеризующих распространение оптиче­ского излучения, имеют место поглощение и рассеяние потока веществом, сквозь которое он проходит. Оба эти эффекта также следует не только учиты­вать, но и в необходимых случаях использовать при создании и применении ОП (и особенно ОИП).

Очевидно, что простейшая колебательная система типа гармонического осциллятора является лишь удобной математической моделью, позволяющей наглядно представить физические явления, лежащие в основе колебательного процесса и возникновения поперечных и продольных волн, и продемонстри­ровать главные особенности электромагнитного поля, описываемого волно­вым уравнением. На самом деле любой реальный источник оптического поля представляет собой сложную колебательную систему, состоящую из великого множества гармонических осцилляторов, от взаимного расположения в про­странстве которых и «согласованности» во времени актов излучения ими оп­тических волн зависят величины и параметры, характеризующие измеряемое поле и его основные свойства.

Переходя к рассмотрению отдельных типов ОП, еще раз подчеркнем, что их роль «оптических трансформаторов» сводится либо к простым формированию и/или модуляции оптического излучения без каких-нибудь метрологических требований к преобразователю, либо к измерительному преобразованию входной оптической величины в аналогичную выходную величину с регламентируемыми точностными требованиями. При этом чаще всего они использу­ются в первой роли, т. е., по существу, измерительными такие преобразователи не являются.

При согласовании измеряемых параметров излучения с соответствующими параметрами и характеристиками ОЭИП возникают задачи различных групп.

Если, например, требуется согласовать геометрические размеры пучка лазерного излучения с апертурой ОЭИП, пропустить часть излучения неко­герентного источника сквозь отверстие с точно известной площадью или из­менить направление распространения пучка в пространстве, то приходится вводить элементы пространственно-трансформирующей оптики (диа­фрагмы, отражательные призмы, линзы, зеркала, световоды, сканаторы, де­флекторы и пр. ). При этом наиболее серьезные метрологические требования предъявляются к диафрагмам в системах некогерентной оптической радио­метрии и трансформаторам формы распределения интенсивности в попереч­ном сечении пучка лазерного излучения. При построении ОП этой группы используются как основные законы геометрической оптики, так и специфиче­ские процессы, сопровождающие прохождение когерентного излучения сквозь оптические элементы.

Преобразование потоков непрерывного оптического излучения в однократ­ные импульсы или в квазипериодическую последовательность последних тре­бует применения оптических модуляторов и затворов. Эти преобразовате­ли следует отнести к элементам и устройствам согласования по временным па­раметрам и характеристикам излучения. Как правило, модуляторы являются лишь функциональными преобразователями, но иногда наравне с затворами играют роль ОИП с нормируемыми метрологическими параметрами.

Нередко требуется согласовать интенсивность оптического излучения (его мощность или энергию) с рабочим энергетическим диапазоном ОЭИП (как правило, необходимо уменьшать интенсивность излучения). В этих случаях применяют пассивные элементы — оптические ослабители, а в лазерной технике — и активные элементы в виде оптических усилителей. При ис­пользовании оптических ослабителей в качестве ОИП нормируют их метро­логические свойства и калибруют эти важнейшие типы ИП.

Наконец, к четвертой группе ИП можно отнести трансформаторы оп­тических спектра и частоты. К ним, в первую очередь, относятся дис­пергирующие оптические элементы и устройства (дисперсионные призмы, дифракционные решетки), оптические фильтры, делители и умножители оп­тических частот и пр. У преобразователей этой группы далеко не всегда нормируются их метрологические параметры, чаще всего при необходимости осуществляется комплектная калибровка или поверка спектрального прибора, в состав которого входит преобразователь данной группы.

Остановимся более подробно на ОП каждой из этих четырех групп, имея в виду, что при необходимости конкретные типы соответствующих преобразователей будут рассмотрены в дальнейшем при описании методов и средств оптической радиометрии. Оптическая радиометрия параметров и характеристик некогерентного оптического излучения имеет дело, в основном, с измерениями силы света, освещенности, яркости, светового потока. и их энергетических аналогов, а также параметров, характеризующих процессы распространения оптического излучения в различных средах. Радиометрия когерентного оп­тического излучения базируется, главным образом, на методах и средствах измерений параметров, характеризующих его интенсивность (мощность, энер­гию, их спектральную, временную или пространственную плотность и, кроме того, распределение последней по соответствующей из трех перечисленных координат). Значительно реже интересуются параметрами, описывающими степень когерентности или состояние поляризации обычно реально существу­ющего частично когерентного излучения.

Поэтому в настоящей книге не рассматриваются всевозможные преобра­зователи изображений в некогерентных и когерентных оптических системах и связанные с этим вопросы устранения аберраций, формирования неискажен­ных образов предметов в ближней и дальней зонах и пр. Основное внимание уделено именно измерению энергетических и световых параметров и характе­ристик оптического излучения с правильно оцениваемой точностью с учетом методических и инструментальных погрешностей.