Оптика материала в диапазоне прозрачности и его фундаментальные спектры поглощения как взаимосвя-занные классы физических явлений: ранние подходы

Уже на самых первых стадиях исследования оптических явлений было известно, что оптические постоянные – это не константы, а функции

длины волны или частоты. Этот факт проявлялся уже в таких простейших эффектах, как образование радуги в атмосфере, разложение белого света призмой (см. ниже параграф 7.3), существование цветных прозрачных материалов, существенно большее поглощение излучения многих материалов в ближней ИК области при длинах волн до 3-4 мкм по сравнению с видимой и т. д. Явление вариации оптических постоянных с длиной волны или частотой в оптике обозначается термином «дисперсия»[12] (точнее, частотная или волновая дисперсия, поскольку в кристаллах может существовать и пространственная дисперсия). Естественно, эта дисперсия представляла наиважнейший интерес для практики и поэтому интенсивно исследовалась. При этом особый интерес для теоретической и прикладной оптики представляла возможность аппроксимировать совокупность немногочисленных экспериментальных значений показателя преломления с помощью какой-либо физически обоснованной математической функции длины волны или частоты. Найденная таким образом в явном виде частотная зависимость показателя преломления могла бы затем использоваться для интерполяции значений показателя преломления между длинами волн измерений.

Феноменология

Общий вид зависимости показателя преломления и показателя собственного поглощения бесцветных оптических материалов от длины волны в области прозрачности показан на рис. 10. Как видно из рисунка, в области прозрачности показатель преломления нелинейно уменьшается с длиной волны; эту тенденцию принято называть термином «нормальная дисперсия». Примерно к середине области прозрачности скорость этого уменьшения замедляется, а затем начинает снова постепенно возрастать, то есть в центре области прозрачности существует точка перегиба. Примеры зависимостей n = n(l) для кварцевого стекла и халькогенидного стекла ИКС25, существенно различающихся по спектральному положению области прозрачности, приведены на рис. 11.

Как видно из рис. 10, собственное поглощение в общем случае быстро спадает при переходе от далекого ультрафиолета к ближнему и далее к видимому диапазону. Оно также спадает при переходе в обратном направлении - от среднего ИК к ближнему ИК и далее к видимому диапазону. Таким образом, при отсутствии поглощающих примесей и собственных дефектов потери света в бесцветных оптических материалах

определяются лишь «хвостами» областей собственного электронного и колебательного поглощения, расположенными в вакуумном УФ и среднем ИК диапазонах. Из экспериментов с особо чистыми оптическими волокна-

 

Рис. 10. Типичный ход зависимости показателя преломления и показателя поглощения от длины волны в области прозрачности материала

 

ми из кварцевого стекла известно, что точка пересечения этих «хвостов» (и соответственно точка максимально возможного светопропускания) лежит при длине волны около 1.5 мкм.

Перейдем теперь к экспериментальной картине дисперсии показателя преломления и показателя собственного поглощения в широком диапазоне длин волн, охватывающем не только область прозрачности, но и диапазоны фундаментального поглощения, иллюстрируемой на примере кварцевого стекла с помощью данных [16] (см. рис. 12). Видно, что за пределами области "нормальной" дисперсии по обе ее стороны лежат области, в которых показатель преломления возрастает с длиной волны. Такие области принято называть областями "аномальной" дисперсии. Существенно отметить, что, как видно на рисунке, положение мощных максимумов собственного поглощения как раз и соответствует центрам областей "аномальной" дисперсии, подтверждая, таким образом, наличие глубокой внутренней взаимосвязи между явлениями поглощения и преломления.

Такова степень сложности экспериментальной картины, которую исследо-

вателям предстояло не только качественно объяснить с помощью подходящих физических моделей, но и количественно описать наблюдае-

 

 

Рис. 11. Примеры зависимостей n = n(l) для (а) кварцевого стекла и (б) халькогенидного стекла ИКС25. Точки – данные разных измерений, линии – аппроксимирующие кривые.

 

Рис. 12. Полный спектр оптических постоянных стеклообразного кремнезема [16].

мые явления с помощью соответствующих математических уравнений, называемых также аналитическими моделями этих явлений.