1. Основы фотометрии

1.1. Свет и его основные свойства

Спектр электромагнитных излучений представлен на рис. 1.1. К оптиче­скому диапазону традиционно относят электромагнитные волны длиной м. Однако практически из данного диапазона средствами оп-тоэлектроники используется область 0,1-100 мкм. Это обстоятельство не является случайным. По энергетической шкале данному диапазону соответ­ствует область энергий 0,01-10 эВ. Кванты света с такой энергией способны возбуждать только валентные электроны в собственных и примесных полу­проводниках. Действительно, ширина запрещенной зоны широкозонных по­лупроводников составляет единицы электронвольт, а энергия возбуждения примесных атомов в германии и кремнии - сотые доли электронвольт. Вне этого интервала энергий взаимодействия света с веществом носят качествен­но иной характер. Так, при углублении в коротковолновую область спектра начинает сказываться возбуждение электронов внутренних оболочек атома, а в длинноволновой области, когда фотоны уже не способны ионизировать атомы вещества, их воздействие проявляется в виде экситонной и фотонной генерации. Весь оптический диапазон разбит на три основные области:

1) 0,75 мкм - инфракрасная (ИК);

2) 0,395 0,75 мкм - видимая (видимый свет);

3) 0,395 мкм - ультрафиолетовая (УФ).

Каждая из этих областей делится на несколько поддиапазонов (см. рис. 1.1).

Как известно, свет обладает одновременно волновой и корпускуляр­ной природой. В волновом аспекте он представляет собой электромаг­нитные колебания, излучаемые атомами вещества при изменении их энергетического состояния. Эти волны распространяются в вакууме со ско­ростью с = 299792458 м/с, а в веществе с меньшей скоростью где показатель преломления среды. Частота V и длина волны А. связаны соотно­шением т.е. в вакууме

Световая монохроматическая волна создается взаимно ортогональными и синусоидально изменяющимися во времени и пространстве электрическим и магнитным полями, перпендикулярными направлению ее распространения. Световая волна может быть когерентной, если все атомы вещества излучают волны, фаза и направление распространения которых совпадают, либо неко­герентной, если каждый атом излучает оптическую волну, имеющую незави­симые фазу и направление распространения, случайным образом меняю щиеся во времени. Фотоны рассматриваются как корпускулы, когда речь идет о взаимодействии света с веществом. В этом случае монохроматическое излучение можно представить как поток элементарных частиц, каждая из ко­торых обладает элементарной энергией , где = 6,626 • 10^-34 Дж • с - по­стоянная Планка. В веществе электроны связаны с атомами, и чтобы стать свободными, они должны получить энергию , равную энергии их связи. При поглощении фотона атомом происходит освобождение электрона, если т.е. . Максимальная длина волны излучения, способ­ная вызвать освобождение электрона, называется пороговой длиной вол­ны т. е. [мкм] = 1,237/ [эВ].

Таблица 1.1 Основные энергетические и фотометрические величины

Рис. 1.1. Спектр электромагнитных излучений [1]