Дія світла

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
на тему: «Дія світла»
Мінськ, 2008

1. Фотоелектричний ефект

1. Світло має двоїсту, корпускулярно-хвильову природу: з одного боку, він має хвильовими властивостями, що обумовлюють явища інтерференції, дифракції, поляризації, з іншого боку, представляє собою потік часток - фотонів, які мають нульовий масою спокою і рухаються зі швидкістю, рівної швидкості світла в вакуумі. Енергія W фотона і його імпульс p для відповідної йому електромагнітної хвилі з частотою і довжиною хвилі у вакуумі рівні:
,
де h - постійна Планка.
Фотон має спіном .
2. Фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називається процес взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, в результаті якого енергія фотонів передається електронам речовин. Для конденсованих систем (твердих і рідких тіл) розрізняють зовнішній фотоефект, при якому поглинання фотонів супроводжується вильотом електронів за межі тіла, і внутрішній фотоефект, при якому електрони, залишаючись в тілі, змінюють в ньому своє енергетичне стан. У газах фотоефект полягає в іонізації атомів або молекул під дією випромінювання (фотоіонізація). Із закону збереження енергії слід рівняння Ейнштейна або зовнішнього фотоефекту:

де - Робота виходу електронів, - Потенціал виходу, - Максимальна кінетична енергія фотоелектронів, - Енергія фотонів.
Особливим видом фотоефекту є поглинання фотонів жорстких гамма-променів атомними ядрами, що супроводжується вильотом з ядер складових їх нуклонів (ядерний фотоефект).
3. У кристалічних напівпровідниках і діелектриках крім зовнішнього фотоефекту спостерігається внутрішній фотоефект (фотопровідність), що полягає у збільшенні електропровідності цих речовин за рахунок зростання в них числа вільних носіїв струму (електронів провідності і дірок). При енергії фотона , Де - Енергія активації провідності в беспрімесним речовинах (різниця між енергіями на нижньому рівні зони провідності і верхньому рівні валентної зони), може відбуватися перекидання електрона із заповненої валентної зони в зону провідності. називається червоним кордоном фотопровідності.
4. Вентильний фотоефект (фотоефект у замикаючому шарі) полягає у виникненні електрорушійної сили внаслідок внутрішнього фотоефекту поблизу поверхні контакту між металом і напівпровідником або двома напівпровідниками і типу. Такий контакт має односторонню провідність, пов'язану з зубожінням шарів напівпровідників, прилеглих до поверхні контакту, носіями струму (електронами провідності й дірками). Внутрішній фотоефект в напівпровідниках викликає порушення рівноважного розподілу носіїв струму в області контакту і призводить до зміни контактної різниці потенціалів в порівнянні з рівноважною, тобто до виникнення фотоелектродвіжущей сили (фото-е. д.с.). Величина фото-е. д.с., що виникає під дією монохроматичного світла, пропорційна його інтенсивності. Червона межа вентильного фотоефекту визначається величиною . Вентильний фотоефект у переході представляє безпосереднє перетворення енергії електромагнітного випромінювання в енергію електричного струму. Це явище використовується в фотоелектричних джерелах струму (кремнієві, германієві та інші фотоелементи).

2. Ефект Комптона

1. Ефектом Комптона називається зміна частоти або довжини хвилі фотонів при їх розсіянні електронами і нуклонами. Ефект Комптона відрізняється від фотоефекту тим, що фотон передає частинками речовини свою енергію не повністю. Приватними випадками ефекту Комптона є розсіювання рентгенівських променів на електронних оболонках атомів та розсіювання гамма-променів на атомних ядрах.
2. Розсіювання фотона на вільному електроні можна розглядати як процес їх пружного зіткнення. Розгляд зазвичай проводиться в лабораторній системі координат, в якій електрон спочатку покладається почилих, а після зіткнення - рухомим зі швидкістю , Не малою в порівнянні зі швидкістю налітав фотона. Із закону збереження енергії:
,
де і - Довжини хвиль, що відповідають первинному та вторинному (неуважному) фотонів, - Маса спокою електрона, - Релятивістська маса електрона, і з закону збереження імпульсу при зіткненні:
,
де - Кут між напрямками первинного і розсіяного фотона. З урахуванням закону збереження імпульсу при зіткненні,
SHAPE \ * MERGEFORMAT






виходить наступна залежність для зміни довжини хвилі при комптонівське розсіянні:

Величина називається комптонівське довжиною хвилі для електрона.
Формула Комптона для частоти фотона після розсіювання:
,
де - Енергія первинного фотона в одиницях енергії спокою електрона.

Ріс.1.Наблюденіе просторової когерентності на двох щілинах
а) Звичайний джерело світла, що виходить з різних точок не інтерферує.
б) Звичайний джерело, але точкова діафрагма.
в) Монохроматичний джерело

3. Електрооптичні ефекти

Електрооптичний ефект - це зміна коефіцієнта заломлення деяких матеріалів під дією електричного поля. Матеріали, що володіють такою властивістю, називають електрооптичні матеріалами. Електрооптичні ефекти бувають двох видів: 1) коефіцієнт заломлення лінійно залежить від сили поля, прикладеного до кристалу, який не має внутрішньої симетрії (напр., пьезокристаллу), 2) коефіцієнт пропорційний квадрату сили поля в речовинах з внутрішньої симетрією. Перший називають ефектом Поккельса, а другий - ефектом Керра. Ефект Поккельса проявляється на кристалах KDP (KH 2 PO 4), DKDP (KD 2 PO 4), ODP (NH 4 H 2 PO 4), LiNbO 3 та подібних їм, ефект Керра можна спостерігати в нітрогліцерині, сірковуглеці і подібних до них рідинах.

Залежність інтенсивності випромінювання від напруги, прикладеного кристалу, нелінійна, але можна додати їй лінійність, помістивши між кристалом і аналізатором чвертьхвильові платівку.
Електрооптичний ефект застосовують не тільки для описаної вище модуляції світла, але і для виготовлення швидкодіючих оптичних затворів (час спрацьовування порядку наносекунд), відомих як затвори Керра, для виготовлення оптичних відхиляють систем, в оптичній пам'яті, у тривимірних модуляторах, в оптичних бістабільних елементах.

4. Акустооптичні ефект

Акустооптичні ефект - це явища дифракції, заломлення, відображення або розсіювання світла на періодичних неоднорідностях середовища (зонах з різним показником заломлення), викликаних пружними деформаціями під час проходження ультразвуку. Періодичне чергування неоднорідностей середовища «працює» як дифракційна решітка, що змінює напрямок світлового променя. Акустооптичні ефекти бувають двох видів (рис. 16). При низькій частоті ультразвуку та малій ширині фронту (довжині взаємодії) ультразвукової хвилі виникає дифракція Рамана - Ната. А якщо частота ультразвуку висока і довжина взаємодії велика, то відбувається дифракція Брегга.


На рис. 17 показаний приклад розміщення акустооптйческого приладу всередині оптичної інтегральної схеми. Тут поверхневої ультразвуковою хвилею модулюється світло в оптичному хвилеводі.

5. Магнитооптический ефект

Магнитооптический ефект - це зміна оптичних властивостей речовини в залежності від його намагніченості або від сили прикладеної до нього магнітного поля. Під оптичними властивостями потрібно розуміти відображення, пропускання, поляризацію світла та інші явища. Серед магнітооптичних ефектів зі зміною відбиття або пропускання світла розрізняють ефект Фарадея і ефект Керра. Речовини, в яких спостерігається магнитооптический ефект, називають магнитооптическими матеріалами. Серед них феримагнетики, які мають у структурі магнітні атоми, - Y3Fe5O12 (YIG), CdFe3O12, а також ортоферріти, що утворюють циліндричні магнітні домени, - MnBi, EuO, CdTbFe.
У магнітооптичних матеріалах, поміщених у магнітне поле, виникає циклотронний лівосторонній (якщо дивитися у напрямку вектора поля) обертання електронів в площині, перпендикулярній вектору поля.
З магнитооптического речовини може виникнути різниця фаз між складовими, що призводить до повороту площини поляризації. Кут повороту пропорційний напруженості магнітного поля Н та шляхи l, пройденого світлом у речовині. Залежність має вигляд = VHl Коефіцієнт пропорційності V називають постійної Верде. У приладах на основі магнитооптического ефекту використовують матеріали з високими значеннями постійної Верде. На рис. 18 показано проходження світла через прозорий магнитооптический матеріал. Якщо поляризатор на вході і аналізатор на виході показаного приладу розташовані взаємно перпендикулярно, то проходить світло можна модулювати, змінюючи кут Фарадея, що залежить від напруженості магнітного поля. Однак так як швидка зміна магнітного поля утруднено, то для модуляції світла більше підходить електрооптичний і акустооптичні ефект.


Магнитооптический ефект Керра з успіхом застосовують для зчитування інформації з пам'яті на оптичних дисках, дозволяють перезапис, і пам'яті на циліндричних магнітних доменах, що має високу щільність (рис. 19).

6. Нелінійний оптичний ефект

Коли світло (електромагнітні хвилі) входить в яку-небудь речовину, електрони атомів і молекул речовини зсуваються полем хвиль, утворюючи діпо-ли, що коливаються в такт коливань цього поля. У свою чергу, коливання диполів створюють електромагнітні коливання з такою ж частотою, довжиною хвилі і швидкістю поширення, як і у збудливого випромінювання. Коефіцієнтом пропорційності між полярізуємостью речовини і напруженістю електричного поля служить показник заломлення, що залежить від речовини. Але з'явилися лазери - джерела когерентного випромінювання з високою інтенсивністю, тобто з великою амплітудою коливань, а в результаті - нелінійні відгуки на опромінення, спотворюють лінійні залежності в спостережуваних явищах. Такі випадки назвали нелінійними оптичними ефектами. Крім поляризації речовини, пропорційній силі прикладеного поля, виникла нелінійна поляризація другого порядку пропорційна квадрату сили поля і що викликає такі явища, як подвоєння частоти випромінювання, складання частот двох випромінювань, параметричне випромінювання тощо Крім поляризації другого порядку може виникнути нелінійна поляризація третього порядку, що викликає потроєння частоти, спотворення коефіцієнта заломлення, вимушене раманівське розсіювання та інші явища.

Генерація другої гармоніки - отримання випромінювання з подвоєною частотою (рис. 20, а) при опроміненні нелінійного оптичного кристала лазером. Наприклад, для практичних потреб випромінювання неодимового лазі-ра в ближній інфркрасной області (1,06 мкм) преоб-роззують у видиме випромінювання (0,53 мкм).
У кристалі, що не має дзеркальної симетрії, поляризація залежить від знаку вектора поля. Якщо до кристалу прикласти синусоїдальна полі (світло), то виникне частково нелінійна поляризація. У результаті цього в випромінюванні диполів крім основної частоти спостерігаються коливання з подвоєною частотою. Це і є гармоніки другого порядку. Для отримання хорошого коефіцієнта подвоєння необхідне узгодження фаз і збіг фазових швидкостей у випромінюванні основної частоти і вищих гармонік, чого можна домогтися, використовуючи кристали з подвійним променезаломлення. Аналогічним способом здійснюють, генерацію третьої гармоніки.
Якщо нелінійний оптичний кристал помістити в оптичний резонатор і виробляти накачування лазерним випромінюванням з частотою со, то на виході резонатора буде випромінювання з двома частотами , Задовольнив
ряющімі співвідношенню Це явище
параметричного випромінювання (мал. 20, б). Оптичне змішування - це явище з ефектом, зворотним попередньому. Тут при опромінюванні з двома частотами на виході з кристала вийде випромінювання з частотою (Рис. 20, б). Це відбувається
завдяки многофотонной поглинанню, коли замість декількох поглинених квантів випускається один з більш високою енергією. Показник заломлення речовини зазвичай не залежить від амплітуди світлових хвиль, але великі амплітуди викликають його зміна (рис. 20, г). У результаті світловий промінь в речовині починає «сходитися». Це явище нелінійної оптики називають автофокусуванням.

7. Ефект Рамана

Ефектом Рамана (рис. 21) називають розсіювання монохроматичного випромінювання в речовині, При якому в спектрі розсіяного світла з'являються нові, характерні для даної речовини лінії, що відрізняються від спектральної лінії джерела. Це явище вперше в 1928 р. виявив індійський фізик Раман. Якщо направляти на речовину сильний когерентний світло, наприклад світло лазера, то спостерігається сильне раманівське розсіювання з вираженою спрямованістю. Це явище, назване вимушеним раманівська розсіюванням, вперше виявив Вудбьюрі (Woodbury) в 1962 р. Явище, відкрите Раманом, на відміну від вимушеного раманівського розсіювання стали називати природним рімановскім розсіюванням.
.
Ефект Рамана відображає обмін енергією між світлом і речовиною. Фотон з енергією або віддає частину енергії речовині, або на стільки ж підвищує свою енергію за рахунок речовини. Енергія розсіяних фотонів стає рівною або . Перший випадок називають стоксовим, а другий - антистоксовой випромінюванням. Зазвичай інтенсивність стоксовой випромінювання вище, ніж антистоксовой. Енергія світла в твердому тілі змінюється внаслідок взаємодії кванта з фононів або плазмонів (рис. 22). При проходженні світла через газ або рідина раманівське розсіювання є результат взаємодії квантів з хитаються молекулами.
Ефект Рамана - складне явище, залежне від різних причин, став ефективним методом отримання різної інформації про речовину. Останнім часом його використовують для оцінки структури напівпровідників. Наприклад, спостерігаючи раманівське розсіяння в кристалі GaAs, що має структуру цинкової обманки, відповідно до правил відбору бачимо, що спектри розсіяння від площини (100) і від інших площин мають різну поляризацію через взаємодію світла з LO-фононами.

Використовуючи цю властивість, можна визначати орієнтацію кристалічної решітки тонких плівок, вирощених епітаксійних. При спостереженні раманівського розсіяння в змішаних кристалах, наприклад в кристалах AlxGa1-xAs, можна, розділивши складові розсіяння з фононами, характерними для AlAs і для GaAs, визначити постійну х. Крім цього, ефект Рамана дозволяє оцінити механічні напруги в поверхневому шарі напівпровідників і концентрацію носіїв у них.

Вимушене раманівське розсіювання використовували для створення раманівського лазера. Якщо потужним лазером з енергією квантів ωо опромінювати такі речовини, як, наприклад, водень, кремній або бензол, і викликати в них вимушене раманівське розсіювання, то в спектрі розсіювання присутній стоксова склад.

8. Тиск світла

1. Тиском світла називається механічна дія, вироблене електромагнітними хвилями при падінні на яку-небудь поверхню.
2. Згідно електромагнітної теорії світла тиск заспівана пояснюється виникненням механічних сил, що діють на електрони, що знаходяться на поверхні освітлюваного тіла, з боку електричної та магнітної компонент поля світлової хвилі. Електричне поле світлової хвилі викликає коливання зарядів у поверхневому шарі тіла. Магнітне поле діє на ці заряди з Лоренцева силою, напрямок якої збігається з напрямком вектора Пойнтінга світлової хвилі. Величина тиску світла, що чиниться на деяку поверхню нормально падаючим на неї паралельним пучком світла, визначається абсолютною величиною вектора Пойнтінга.
3 Якщо Р - енергія електромагнітного випромінювання, що падає нормально на деяку поверхню одиничної площі за 1 сек, с - швидкість поширення спетовой хвилі в вакуумі, R - коефіцієнт відбиття світла поверхнею, то тиск р світла на цю поверхню одно:

Тут - Об'ємна щільність спершись електромагнітного випромінювання.
9. Хімічні дії світла
1. Дія світла на поглинають його речовини може викликати хімічні перетворення речовин, звані фотохімічними peaкціямі.
2. Розкладання під дією світла складних молекул на простіші або на окремі складові їх атоми називається фотохімічної дисоціацією молекул (фотодисоціація, фотоліз, фоторозпаду).
Фотодисоціація стає можливою при частоті світла , Що задовольняє умові

де - Гранична частота фотодиссоціації, D - енергія фотодиссоціації, яка зазвичай менше енергії дисоціації основного стану системи.
3. Для фотохімічних реакцій має місце закон еквівалентності Ейнштейна: для кожного акту фотохімічного перетворення потрібно один квант поглиненого світла. Кількість прореагировавших молекул зв'язується з енергією поглинених квантів. Число N молекул речовини, що зазнали фотохімічне перетворення при поглинанні одиниці енергії світла:
N ≈ 1/hυ = λ / hc
Маса прореагировавшего речовини М = Nm, де т - маса молекули.

Література

1. Кноль М., Ейхмейер І. ​​Технічна електроніка, т. 1. Фізичні основи електроніки. Вакуумна техніка. - М.: Енергія, 2001.
2. Мірошников М.М. Теоретичні основи оптико-електронних приладів: навчальний посібник для приладобудівних вузів. - 2-е видання, перероб. і доп. - Спб.: Машинобудування, 20033 - 696 з.
3. Порфирьев Л.Ф. Теорія оптико-електронних приладів і систем: навчальний посібник. - Спб.: Машинобудування, 20033 - 272 з.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
44.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Дія як виховання
Дія генів
Дифракція світла
Дифракція світла 2
Атоми світла
Інтерференція світла 3
Поляризація світла
Інтерференція світла
Інтерференція світла 2
© Усі права захищені
написати до нас