Оптоинформатика (стр. 9 из 19)

Понятие Г.С. играет важную роль в физике и технике, поскольку все методы измерения скоростей распространения волн, связанные с задержкой сигналов, позволяют определить именно Г.С. Согласно теории относительности Г.С. всегда меньше скорости света в вакууме: и_Г < с; для фазовых скоростей таких ограничений не существует, и волны с и_Ф > с называют быстрыми, а с и_Ф < с - медленными [6].

ФОТОН [от греч. phötos - свет] - элементарная квазичастица, квант электромагнитного излучения. В соответствии с квантовой теорией электромагнитное излучение (оптическое излучение, свет) представляет собой поток квазичастиц - фотонов, имеющих нулевую массу покоя и движущихся в вакууме со скоростью с = 299792458 м×с^-1, которая является максимальной скоростью движения элементарных частиц материи. Энергия фотона (квант) равна Е = hn, где h = 6,6260755×10^-34 Дж×с -постоянная Планка ; n - частота излучения в герцах. Корпускулярные свойства фотона определяются его массой т = Е/с²и импульсом р = hv/c . Волновые свойства фотона описываются частотой n и длиной волны l. Для вакуума l₀ = c/v = cT, где Т - период колебания волны. Принято считать, что энергия, распространяющаяся в пространстве в виде фотонов, пропорциональна квадрату амплитуды волны, характеризующей данный фотон. Собственный момент количества движения (спин) фотона равен 1 и, следовательно, он относится к бозонам, к которым применима статистика Бозе-Эйнштейна. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекциями спина на направление движения ±1; этому свойству фотонов в классической электродинамике соответствует поперечность электромагнитной волны. Представление о фотонах возникло в ходе развития квантовой теории и теории относительности. Понятия "фотон" и "квант света" часто рассматривают как синонимы [1].

ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ (КВАНТ ДЕЙСТВИЯ) - универсальная физическая постоянная; отражает специфику явлений микромира и играет фундаментальную роль в квантовой механике, определяя границы применимости классического описания физических явлений. Постоянная Планка h имеет размерность действия - эрг в секунду, джоуль в секунду. Значения h, полученные на основе различных физических явлений (тепловое излучение, фотоэффект, коротковолновая граница сплошного рентгеновского спектра, эффект Джозефсона и др.), хорошо согласуются друг с другом. Наиболее точное значение этой постоянной получено на основе эффекта Джозефсона: h = 6,6260755×10^-34 Дж×с. В расчетах часто используют величину ħ = h/2p = 1,054 57266× 10^-34 Дж×с, которую иногда называют постоянной Дирака.

ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ квантовой системы - состояние, при котором квантовая система (атом, молекула, ион и др.) наиболее устойчива благодаря тому, что ее внутренняя энергия минимальна. Например, в атоме, который находится в основном состоянии, электроны наиболее прочно связаны с атомным ядром. Переход квантовой системы в возбужденное состояние происходит при увеличении ее внутренней энергии, что эквивалентно переходу квантовой системы с основного уровня с минимальной энергией на один из возможных возбужденных уровней. Находящаяся в основном состоянии квантовая система может только поглощать излучение, переходя в возбужденное состояние.

ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫИ КВАНТОВЫЙ ПЕРЕХОД - переход, совершаемый квантовой системой (атомом, ионом, молекулой и др.) и сопровождающийся спусканием или поглощением кванта электромагнитного излучения (фотона), удовлетворяющего фундаментальному соотношению hv_1,2 = Е₁ – Е₂где Е₁и Е₂ - уровни энергии, между которыми совершается излучательный переход. Излучательные квантовые переходы могут быть спонтанными, т.е. не зависящими от внешних воздействий на квантовую систему, и вынужденными, происходящими под воздействием внешнего электромагнитного излучения резонансной частоты. Вероятности излучательных переходов различны для разных квантовых переходов и зависят от свойств энергетических уровней, между которыми происходит переход. В отличие от безызлучательных квантовых переходов возможность излучательных переходов определяется правилами отбора.

СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (спонтанное испускание) - электромагнитное излучение, обусловленное спонтанными переходами, происходящими в атомах, молекулах, ионах и в других квантовых системах, находящихся в возбужденном состоянии. Спонтанные переходы происходят самопроизвольно, случайно во времени, аналогично радиоактивному распаду. Спонтанное излучение не зависит от воздействия на квантовую систему внешнего электромагнитного излучения, и его закономерности определяются исключительно свойствами самой системы. Момент спонтанного перехода принципиально не может быть предсказан, и потому можно говорить лишь о вероятности такого перехода. Случайность спонтанных переходов приводит к тому, что различные атомы (квантовые системы) излучают независимо и несинхронно. Поэтому спонтанное излучение ненаправленно, некогерентно, неполяризованно и немонохроматично. Такое излучение в оптическом диапазоне испускают все источники света (лампы накаливания, люминесцентные лампы, электрические разряды в газах и др.).

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (индуцированное излучение, вынужденное испускание) - электромагнитное излучение, испускаемое квантовой системой, находящейся в возбужденном, т.е. неравновесном состоянии, под действием внешнего (вынуждающего) электромагнитного излучения. При вынужденном излучении частота, фаза, поляризация и направление распространения испущенной электромагнитной волны полностью совпадают с соответствующими характеристиками волны вынуждающей. Поэтому вынужденное излучение полностью когерентно с вынуждающим излучением. Для данной квантовой системы акт вынужденного излучения является обратным акту поглощения; вероятности процессов вынужденного излучения и поглощения равны, а испускаемое излучение ничем не отличается от вынуждающего. В обычных условиях процессы поглощения преобладают над процессами вынужденного излучения. Если в веществе имеет место инверсия населенностей для каких-либо уровней энергии, то вынужденное излучение преобладает над поглощением и его интенсивность может значительно превысить интенсивность спонтанного излучения. На явлении вынужденного излучения основана работа лазеров, мазеров, квантовых усилителей, квантовых эталонов частоты и др. Существование вынужденного излучения было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. при теоретическом анализе процессов теплового излучения с позиций квантовой теории. Позднее существование вынужденного излучения было подтверждено экспериментально [1].

СПЕКТР ОПТИЧЕСКИЙ - совокупность составляющих, на которые может быть разложено оптическое излучение; представляет собой распределение в пространстве по длинам волн (частотам) энергии оптического излучения. В зависимости от того, какой процесс вызывает появление исследуемого оптического излучения, различают спектры испускания (эмиссионные), поглощения (абсорбционные), отражения и рассеяния. Оптические спектры по виду разделяют на линейчатые, состоящие из отдельных спектральных линий, каждой из которых соответствует дискретное значение длины волны(частоты); полосатые, состоящие из отдельных групп тесно расположенных спектральных линий; сплошные (непрерывные), соответствующие излучению или поглощению оптического излучения всех длин волн в некотором широком интервале. Спектры рассеяния и отражения возникают как результат взаимодействия оптического излучения с веществом и не связаны непосредственно с квантовыми переходами между уровнями энергии. Изучением оптических спектров занимается спектроскопия. Оптические спектры получают, используя различные источники возбуждения спектров, и исследуют с помощью спектральных приборов различных типов. Оптические спектры широко применяются для изучения состава и строения вещества.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ - оптическое излучение, испускаемое или поглощаемое квантовой системой (атомом, ионом, молекулой и др.), энергия которого сосредоточена в интервале частот Dn, с шириной, много меньшей средней частоты (n_cp) оптического излучения этого интервала. Спектральные линии можно приближенно считать монохроматическими с частотой (длиной волны), отвечающей максимуму интенсивности спектральной линии испускания или минимуму спектральной линии поглощения. В обычных условиях отношение ширины спектральной линии Dn к частоте n_cp, отвечающей максимуму ее интенсивности испускания или минимуму поглощения, составляет 10^-8 – 10^-9 . Специальными методами можно получить спектральные линии, для которых это отношение равно 10^-14- 10^-15. Принятое в спектроскопической практике понятие "спектральная линия" обусловлено тем, что монохроматическое изображение входной щели, формируемое в фокальной плоскости спектрального прибора, имеет вид линии. Минимальную ширину спектральной линии называют естественной или радиационной: она отвечает энергетическому переходу с испусканием или поглощением света в изолированном неподвижном атоме. Спектральные линии дополнительно уширяются вследствие хаотического теплового движения атомов или молекул (допплеровское уширение) или любого другого воздействия на излучающую квантовую систему.