Действие света

16 БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ кафедра ЭТТ РЕФЕРАТ на тему: « Действие света » М инск , 2008 1. Фотоэлектрический эффект 1. Свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу: с одной стороны, он обладает волновыми свойствами, обуславливающими явления интерференции, дифракции, поляризации, с другой стороны, представляет собой поток частиц – фотонов, обладающих нулевой массой покоя и движущихся со скоростью, равной скорости света в вакууме. Энергия W фотона и его импульс p для соответствующей ему электромагнитной волны с частотой и длиной волны в вакууме равны: , где h – постоянная Планка. Фотон обладает спином . 2. Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам веществам. Для конденсированных систем (твердых и жидких тел) различают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние. В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения (фотоионизация). Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна или внешнего фотоэффекта: где - работа выхода электронов, - потенциал выхода, - максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, - энергия фотонов. Особым видом фотоэффекта является поглощение фотонов жестких гамма-лучей атомными ядрами, сопровождающееся вылетом из ядер составляющих их нуклонов (ядерный фотоэффект). 3. В кристаллических полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний фотоэффект (фотопроводимость), заключающийся в увеличении электропроводности этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока ( электронов проводимости и дырок). При энергии фотона , где - энергия активации проводимости в беспримесных веществах (разность между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и верхнем уровне валентной зоны), может происходить переброс электрона из заполненной валентной зоны в зону проводимости. называется красной границей фотопроводимости. 4. Вентильный фотоэффект (фотоэффект в запирающем слое) состоит в возникновении электродвижущей силы вследствие внутреннего фотоэффекта вблизи поверхности контакта между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками и типа. Такой контакт имеет одностороннюю проводимость, связанную с обеднением слоев полупроводников, прилегающих к поверхности контакта, носителями тока (электронами проводимости и дырками). Внутренний фотоэффект в полупроводниках вызывает нарушение равновесного распределения носителей тока в области контакта и приводит к изменению контактной разности потенциалов по сравнению с равновесной, т.е. к возникновению фотоэлектродвижущей силы (фото-э. д.с.). Величина фото-э. д.с., возникающая под действием монохроматического света, пропорциональна его интенсивности. Красная граница вентильного фотоэффекта определяется величиной . Вентильный фотоэффект в переходе представляет непосредственное преобразование энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока. Это явление используется в фотоэлектрических источниках тока (кремниевые, германиевые и другие фотоэлементы). 2. Эффект Комптона 1. Эффектом Комптона называется изменение частоты или длины волны фотонов при их рассеянии электронами и нуклонами. Эффект Комптона отличается от фотоэффекта тем, что фотон передает частицами вещества свою энергию не полностью. Частными случаями эффекта Комптона являются рассеяние рентгеновских лучей на электронных оболочках атомов и рассеяние гамма-лучей на атомных ядрах. 2. Рассеяние фотона на свободном электроне можно рассматривать как процесс их упругого столкновения. Рассмотрение обычно проводится в лабораторной системе координат, в которой электрон вначале полагается покоящимся, а после столкновения – движущимся со скоростью , не малой по сравнению со скоростью налетающего фотона. Из закона сохранения энергии: , где и - длины волн, соответствующие первичному и вторичному (рассеянному) фотонам, - масса покоя электрона, - релятивистская масса электрона, и из закона сохранения импульса при столкновении: , где - угол между направлениями первичного и рассеянного фотона. С учетом закона сохранения импульса при столкновении, получается следующая зависимость для изменения длины волны при комптоновском рассеянии: Величина называется комптоновской длиной волны для электрона. Формула Комптона для частоты фотона после рассеяния: , где - энергия первичного фотона в единицах энергии покоя электрона. Рис.1.Наблюдение пространственной когерентности на двух щелях а) Обычный источник света, выходящий из разных точек не интерферирует. б) Обычный источник, но точечная диафрагма. в) Монохроматический источник 3. Электрооптические эффекты Электрооптический эффект – это изменение коэффициента преломления некоторых материалов под действием электрического поля. Материалы, обладающие таким свойством, называют электрооптическими материалами. Электрооптические эффекты бывают двух видов: 1) коэффициент преломления линейно зависит от силы поля, приложенного к кристаллу, не имеющему внутренней симметрии (напр., пьезокристаллу); 2) коэффициент пропорционален квадрату силы поля в веществах с внутренней симметрией. Первый называют эффектом Поккельса, а второй – эффектом Керра. Эффект Поккельса проявляется на кристаллах KDP ( KH 2 PO 4 ), DKDP ( KD 2 PO 4 ), ODP ( NH 4 H 2 PO 4 ), LiNbO 3 и подобных им, эффект Керра можно наблюдать в нитроглицерине, сероуглероде и подобных им жидкостях. Зависимость интенсивности излучения от напряжения, приложенного кристаллу, нелинейна, но можно придать ей линейность, поместив между кристаллом и анализатором четвертьволновую пластинку. Электрооптический эффект применяют не только для описанной выше модуляции света, но и для изготовления быстродействующих оптических затворов (время срабатывания порядка наносекунд), известных как затворы Керра, для изготовления оптических отклоняющих систем, в оптической памяти, в трехмерных модуляторах, в оптических бистабильных элементах. 4. Акустооптический эффект Акустооптический эффект - это явления дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разным показателем преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Периодическое чередование неоднородностей среды «работает» как дифракционная решетка, изменяющая направлен ие светового луча. Акустооптиче ские эффекты бывают двух видов (рис. 16). При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта (длине взаимодействия) ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана - Ната. А если частота ультразвука высока и длина взаимодействия велика, то происходит дифракция Брэгга. На рис. 17 показан пример размещения акустооптйческого прибора внутри оптической интегральной схемы. Здесь по верхностной ультразвуковой волной модулируется свет в оптическом волноводе. 5. Магнитооптический эффект Магнитооптический эффект - это изменение оптических свойств вещества в зависимости от его намагниченности или от силы приложенного к нему магнитного поля. Под оптическими свойствами следует понимать отражение, пропускание, поляризацию света и другие явления. Среди магнитооптических эффектов с изменением отражения или пропускания света различают эффект Фарадея и эффект Керра. Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект, называют магнитооптическими материалами. Среди них ферримагнетики, имеющие в структуре магнитные атомы, - Y3Fe5O12(YIG), CdFe3O12, а также ортоферриты, образующие цилиндрические магнитные домены, - MnBi, EuO, CdTbFe. В магнитооптических материалах, помещенных в магнитное поле, возникает циклотронное левостороннее (если смотреть по направлению вектора поля) вращение электронов в плоскости, перпендикулярной вектору поля. Из магнитооптического вещества может возникнуть разность фаз между составляющими, что приводит к повороту плоскости поляризации. Угол поворота пропорционален напряженности магнитного поля Н и пути l , пройденному светом в веществе. Зависимость имеет вид = VHl Коэффициент пропорциональности V называют постоянной Верде. В приборах на основе магнитооптического эффекта используют материалы с высокими значениями постоянной Верде. На рис. 18 показано прохождение света через прозрачный магнитооптический материал. Если поляризатор на входе и анализатор на выходе показанного прибора расположены взаимно перпендикулярно, то проходящий свет можно модулировать, изменяя угол Фарадея, зависящий от напряженности магнитного поля. Однако так как быстрое изменение магнитного поля затруднено, то для модуляции света больше подходит электрооптический и акустооптический эффект. Магнитооптический эффект Керра с успехом при меняют для считывания информации из памяти на оптических дисках, позволяющих перезапись, и памяти на цилиндрических магнитных доменах, имеющей высокую плотность (рис. 19). 6. Нелинейный оптический эффект Когда свет (электромагнитные волны) входит в какое-либо вещество, электроны атомов и молекул вещества сдвигаются полем волн, образуя дипо-ли, колеблющиеся в такт колебаниям этого поля. В свою очередь, колебания диполей создают электромагнитные колебания с такой же частотой, длиной волны и скоростью распространения, как и у возбуждающего излучения. Коэффициентом пропорциональности между поляризуемостью вещества и напряженностью электрического поля служит показатель преломления, зависящий от вещества. Но появились лазеры - источники когерентного излучения с высокой интенсивностью, т. е. с большой амплитудой колебаний, а в результате - нелинейные отклики на облучение, искажающие линейные зависимости в наблюдаемых явлениях. Такие случаи назвали нелинейными оптическими эффектами. Помимо поляризации вещества, пропорциональной силе приложенного поля, возникла нелинейная поляризация второго порядка пропорциональная квадрату силы поля и вызывающая такие явления, как удвоение частоты излучения, сложение частот двух излучений, параметрическое излучение и др. Кроме поляризации второго порядка может возникнуть нелинейная поляризация третьего порядка, вызывающая утроение частоты, искажение коэффициента преломления, вынужденное рамановское рассеяние и другие явления. Генерация второй гармоники - получение излучения с удвоенной частотой (рис. 20,а) при облучении нелинейного оптического кристалла лазером. Например, для практических нужд излучение неодимового лазе-ра в ближней инфркрасной области (1,06 мкм) преоб-разуют в видимое излучение (0,53 мкм). В кристалле, не имеющем зеркальной симметрии, поляризация зависит от знака вектора поля. Если к кристаллу приложить синусоидальное поле (свет), то возникнет частично нелинейная поляризация. В результате этого в излучении диполей помимо основной частоты наблюдаются колебания с удвоенной частотой. Это и есть гармоники второго порядка. Для получения хорошего коэффициента удвоения необходимо согласование фаз и совпадение фазовых скоростей в излучении основной частоты и высших гармоник, чего можно добиться, используя кристаллы с двойным лучепреломлением. Аналогичным способом осуществляют, генерацию третьей гармоники. Если нелинейный оптический кристалл поместить в оптический резонатор и производить накачку лазер ным излучением с частотой со, то на выходе резонатора будет излучение с двумя частотами , удовлетво- ряющими соотношению Это явление параметрического излучения (рис. 20,б). Оптическое смешение - это явление с эффектом, обратным пре дыдущему. Здесь при облучении с двумя частотами на выходе из кристалла получится излучение с частотой (рис. 20, б). Это происходит благодаря многофотонному поглощению, когда вместо нескольких поглощенных квантов испускается один с более высокой энер гией. Показатель преломления ве щества обычно не зависит от амплитуды световых волн, но большие амплитуды вызывают его изменение (рис. 20, г). В результате световой луч в веществе начинает «сходиться». Это явление нелинейной оптики называют автофокусировкой. 7. Эффект Рамана Эффектом Рамана (рис. 21) называют рассеяние монохроматического излучения в веществе, При котором в спектре рассеянного света появляются новые, характерные для данного вещества линии, отличающиеся от спектральной линии источника. Это явление впервые в 1928 г. обнаружил индийский физик Раман. Если направлять на вещество сильный когерентный свет, например свет лазера, то наблюдается сильное рамановское рассеяние с выраженной направленностью. Это явление, названное вынужденным рамановским рассеянием, впервые обнаружил Вудбьюри (Woodbury) в 1962 г. Явление, открытое Раманом, в отличие от вынужденного рамановского рассеяния стали называть естественным римановским рассеянием. . Эффект Рамана отражает обмен энергией между светом и веществом. Фотон с энергией либо отдает часть энергии веществу, либо на столько же повы шает свою энергию за счет вещества. Энергия рас сеянных фотонов становится равной либо . Первый случай называют стоксовым, а второй - антистоксовым излучением. Обычно интенсивность стоксового излучения выше, чем антистоксового. Энергия света в твердом теле изменяется вследствие взаимодействия кванта с фононом или плазмоном (рис. 22). При прохождении света через газ или жидкость рамановское рассеяние есть результат взаимодействия квантов с колеблющимися молекулами. Эффект Рамана - сложное явление, зависящее от различных причин, стал эффективным методом полу чения различной информации о веществе. В послед нее время его используют для оценки структуры полупроводников. Например, наблюдая рамановское рассеяние в кристалле GaAs , имеющем структуру цинковой обманки, в соответствии с правилами отбо ра видим, что спектры рассеяния от плоскости (100) и от других плоскостей имеют различную поляризацию из-за взаимодействия света с LO -фононами. Используя это свойство, можно определять ориентацию кристаллической решетки тонких пленок, выращенных эпитаксиально. При наблюдении рамановского рассеяния в смешанных кристаллах, например в кристаллах AlxGa1-xAs, можно, разделив составляющие рассеяния с фононами, характерными для AlAs и для GaAs, определить постоянную х. Кроме этого, эффект Рамана позволяет оценить механические напряжения в поверхностном слое полупроводников и концентрацию носителей в них. Вынужденное рамановское рассеяние использовали для создания рамановского лазера. Если мощным лазером с энергией квантов щ о облучать такие вещества, как, например, водород, кремний или бензол, и вызывать в них вынужденное рамановское рассеяние, то в спектре рассеяния присутствует стоксова состав. 8. Давление света 1 . Давлением света называется механическое действие, производимое электромагнитными волнами при падении на какую-либо поверхность. 2. Согласно электромагнитной теории света давление спета объясняется возникновением механических сил, действующих на электроны, находящиеся на поверхности освещаемого тела, со стороны электрической и магнитной компонент поля световой волны. Электрическое поле световой волны вызывает колебания зарядов в поверхностном слое тела. Магнитное поле действует на эти заряды с лоренцевой силой, направление которой совпадает с направлением вектора Пойнтинга световой волны. Величина давления света, оказываемого на некоторую поверхность нормально падающим на нее параллельным пучком света, определяется абсолютной величиной вектора Пойнтинга. 3 Если Р - энергия электромагнитного излучения, падающего нормально на некоторую поверхность единичной площади за 1 сек, с - скорость распространения спетовой волны в вакууме, R - коэффициент отражения света поверхностью, то давление р света на эту поверхность равно : Здесь - объемная плотность оперши электромагнит ного излучения. 9. Химические действия света 1 . Действие света на поглощающие его вещества может вызвать химические превращения веществ, называемые фотохимическими peaкциями. 2 . Разложение под действием света сложных молекул на более простые или на отдельные составляющие их атомы называется фотохимической диссоциацией молекул (фотодиссоциация, фотолиз, фотораспад). Фотодиссоциация становится возможной при частоте света , удов летворяющей условию где - граничная частота фотодиссоциации, D - энер гия фотодиссоциации, которая обычно меньше энергии диссоциации основного состояния системы. 3 . Для фотохимических реакций имеет место закон эквивалентности Эйнштейна: для каждого акта фотохимического превращения требуется один квант поглощенного света. Количество прореагировавших молекул связывается с энергией поглощенных квантов. Число N молекул вещества, претерпевших фотохимическое превращение при поглощении единицы энергии света: N