Recenzent: prof. dr hab. inż. Ryszard Romaniuk

Projekt okładki: Anna Kulikowska

Ilustracja na okładce: Krzysztof Bielecki z wykorzystaniem AI

Wydawca: Renata Włostowska

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Katarzyna Janasz

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.: Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w Internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.Więcej na www.legalnakultura.pl Polska Izba Książki

Copyright ? by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2026 r. (Wydanie I)

Warszawa 2026

ISBN 978-83-01-25036-2

Wydawnictwo Naukowe PWN SA 02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2 tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88 e-mail: [email protected]; [email protected] www.pwn.pl

Przedmowa

Optoelektronika to interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki, zajmująca się badaniem, projektowaniem i zastosowaniem urządzeń oraz systemów, które umożliwiają przetwarzanie promieniowania optycznego na sygnały elektryczne i odwrotnie. Łączy w sobie elementy fizyki, w szczególności optyki i fizyki ciała stałego, z elektroniką oraz inżynierią materiałową. Stanowi jeden z filarów technologii XXI wieku i nieustannie się rozwija. Rozwiązania optoelektroniczne są obecne zarówno w codziennym życiu - m.in. w telekomunikacji, medycynie czy motoryzacji - jak i w zaawansowanych systemach wojskowych, badaniach naukowych oraz technologii kosmicznej.

Głównymi elementami urządzeń i systemów optoelektronicznych są źródła promieniowania optycznego (takie jak diody LED i lasery), detektory promieniowania optycznego (fotodiody, fototranzystory, matryce CCD i CMOS), a także komponenty światłowodowe i systemy transmisyjne.

Niniejsza książka powstała z myślą o Czytelnikach, którzy poszukują kompleksowego wprowadzenia do techniki optoelektronicznej. Adresowana jest do osób posiadających podstawową wiedzę z zakresu fizyki ciała stałego, optyki i elektroniki. W szczególności powinna zainteresować studentów i inżynierów zajmujących się optoelektroniką, elektroniką, telekomunikacją, mechatroniką, automatyką, techniką wojskową oraz innymi dziedzinami, w których stosuje się urządzenia i systemy optoelektroniczne.

Książka składa się z jedenastu rozdziałów, które prowadzą Czytelnika od podstaw fizycznych i charakterystyki promieniowania optycznego, poprzez opis źródeł i detektorów, aż do omówienia zaawansowanych urządzeń i systemów transmisji optycznej oraz technologii stosowanych w sektorze obronnym. W pierwszych rozdziałach omówiono m.in. oddziaływanie promieniowania optycznego z materią oraz właściwości atmosfery i środowiska wodnego - zagadnienia kluczowe do zrozumienia działania urządzeń optoelektronicznych. W kolejnych częściach opisano źródła i detektory promieniowania optycznego, a także światłowodowe systemy transmisji danych.

Oddzielne rozdziały poświęcono noktowizji i termowizji - technologiom umożliwiającym obserwację w warunkach ograniczonej widoczności. Noktowizja umożliwia widzenie w ciemności dzięki wzmacnianiu światła szczątkowego. Jest powszechnie stosowana przez wojsko, służby specjalne i policję m.in. do nocnych obserwacji, patrolowania granic czy wykrywania zagrożeń. Znajduje również zastosowanie w ratownictwie (np. podczas poszukiwania osób zaginionych), monitoringu oraz ochronie obiektów. Z kolei termowizja umożliwia detekcję promieniowania podczerwonego emitowanego przez ciała, generując tzw. obraz cieplny - termogram. Technologia ta jest szeroko stosowana w wojsku, medycynie, przemyśle, energetyce, budownictwie, straży pożarnej oraz w motoryzacji.

Rozdział siódmy zawiera przegląd nowoczesnych czujników optycznych do detekcji gazów. Znajdują one zastosowanie m.in. w monitorowaniu jakości powietrza, wykrywaniu śladowych ilości gazów, spektroskopii, analizie emisji przemysłowych i spalin, przemyśle chemicznym i farmaceutycznym, a także w medycynie - na przykład do wykrywania markerów chorobowych w wydychanym powietrzu. W sektorze obronnym wykorzystuje się je do wykrywania śladowych ilości par materiałów wybuchowych.

W rozdziale ósmym opisano budowę i zasadę działania dalmierzy - impulsowych, fazowych i triangulacyjnych. Omówiono ich zalety, ograniczenia i obszary zastosowań. Dalmierze laserowe odgrywają istotną rolę w takich dziedzinach, jak geodezja, budownictwo, przemył, wojsko, robotyka oraz motoryzacja.

Rozdział dziewiąty jest poświęcony lidarom, które odgrywają coraz większą rolę we współczesnych technologiach. Wykorzystywane są m.in. w geodezji, kartografii, ochronie środowiska, metrologii, wojsku, systemach bezpieczeństwa, pojazdach autonomicznych, rolnictwie oraz leśnictwie. Przedstawiono różne typy lidarów - od błyskowych poprzez rozproszeniowe, różnicowe (DIAL), fluorescencyjne, ramanowskie, aż po lidary dopplerowskie.

W rozdziale dziesiątym omówiono systemy bezprzewodowej łączności optycznej (FSO), działające w wolnej przestrzeni tam, gdzie zastosowanie tradycyjnej infrastruktury światłowodowej lub radiowej jest niemożliwe. Przedstawiono również systemy pracujące wewnątrz budynków, pod wodą oraz na platformach mobilnych, takich jak samoloty, drony czy pojazdy lądowe. Zaprezentowano też wyniki prac własnych nad hybrydowymi systemami FSO/RF, integrującymi łączność optyczną i radiową.

Ostatni rozdział przybliża wybrane zastosowania systemów optoelektronicznych w technice wojskowej - od podświetlaczy laserowych po systemy obrony aktywnej - pokazując, jak głęboko technologie optoelektroniczne przenikają do obszaru bezpieczeństwa i obronności.

Mamy nadzieję, że niniejsza publikacja stanie się nie tylko źródłem wiedzy, lecz również inspiracją do dalszych badań oraz praktycznego wykorzystania optoelektroniki - dziedziny, która nieustannie wyznacza kierunki współczesnego postępu technologicznego.

Autorzy dziękują sponsorom: Wojskowej Akademii Technicznej (Instytut Optoelektroniki, Wydział Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa, Wydział Nowych Technologii i Chemii), CRW Telesystem-Mesko Sp. z o.o., PCO S.A., oraz Vigo Photonics S.A.

Warszawa, luty 2026

Zbigniew Bielecki

Małgorzata Kopytko

Jacek Wojtas

Wykaz ważniejszych oznaczeń

A powierzchnia detektora

b stała przesunięć Wiena (b = 0,289777 cm-K)

c prędkość światła (c = 2,99792458 - 108 m/s)

Ca pojemność wejściowa przedwzmacniacza

CC pojemność detektora

CC pojemność cieplna detektora

d grubość detektora

D* wykrywalność znormalizowana detektora

DD średnica układu optycznego odbiornika

E energia

EE energia krawędzi pasma przewodnictwa

EE poziom Fermiego

EE szerokość przerwy energetycznej

EE energia krawędzi pasma walencyjnego

EE energia kinetyczna

f częstotliwość, ogniskowa układu optycznego

?f szerokość pasma

f-3dB częstotliwość graniczna (3-decybelowa)

G wzmocnienie fotoelektryczne, wzmocnienie optyczne w ośrodku czynnym lasera

GG przewodność cieplna detektora

h stała Plancka (h = 6,62607015 - 10-34 J-s lub h = 4,135667696 - 10-15 eV-s)

I natężenie prądu

II natężenie prądu szumów

II natężenie fotoprądu

k stała Boltzmanna (k = 1,380649 - 10-23 J/K lub k = 8,617333262 - 10-5 eV/K)

K stężenie gazu

L długość rezonatora

LL straty we wnęce rezonansowej

ll długość koherencji

M współczynnik powielenia lawinowego

N stężenie gazu

n współczynnik załamania ośrodka

NEP moc równoważna szumom

NETD różnica temperatur równoważna szumom

p współczynnik piroelektryczny

P moc

PP moc lasera

Q dobroć komory rezonansowej

q ładunek elementarny (q = 1,602176634 - 10-19 C)

R rezystancja

RR rezystancja wejściowa przedwzmacniacza

RR rezystancja detektora

r reflektancja, współczynnik odbicia półprzewodnika

RR czułość prądowa detektora

RR rezystancja termiczna

RR czułość napięciowa detektora

t czas

tt czas dryftu

T temperatura

tt współczynnik transmisji układu optycznego nadajnika

tt współczynnik transmisji układu optycznego odbiornika

v prędkość

vv prędkość dryftu nośników

V napięcie

VV napięcie przebicia

VV napięcie szumów

W praca wyjścia

x droga optyczna promieniowania w absorberze

? współczynnik absorpcji promieniowania

?? współczynnik absorpcji promieniowania przez aerozole

?? współczynnik absorpcji promieniowania przez molekuły

?? współczynnik Seebecka

?a współczynnik rozpraszania aerozoli

?m współczynnik rozpraszania molekuł

? współczynnik ekstynkcji atmosfery

? emisyjność

? wydajność kwantowa

? okres siatki Bragga

? długość fali promieniowania

?? długość fali odpowiadająca maksimum czułości detektora

?? długość fali odcięcia

? częstość promieniowania

?a przekrój czynny na absorpcję

? stała Stefana-Boltzmanna (? = 5,670374419 - 10-8 W-m-2-K-4)

?? współczynnik odbicia od celu

? czas życia nośników

?a transmisja atmosfery

?e elektryczna stała czasowa

?th termiczna stała czasowa

? strumień promieniowania

? powinowactwo elektronowe

? częstotliwość kątowa

Wykaz ważniejszych skrótów

APD (ang. avalanche photodiode) - fotodioda lawinowa

ADC (ang. analog-to-digital converter) - przetwornik analogowo-cyfrowy

ADAS (ang. advanced driver assistance system) - zaawansowany system wspomagania kierowcy

APS (ang. active pixel sensor) - piksel aktywny

BER (ang. bit error rate) - bitowa stopa błędów

BIP (ang. barrier infrared photodetector) - barierowy detektor podczerwieni

BJT (ang. bipolar junction transistor) - tranzystor złączowy bipolarny

BSI (ang. backside-illuminated) - oświetlenie od tyłu

CCD (ang. charge-coupled device) - przyrząd ze sprzężeniem ładunkowym

CDS (ang. correlated double sampling) - układ z podwójnym skorelowanym próbkowaniem

CEAS (ang. cavity enhanced absorption spectroscopy) - rezonatorowa spektroskopia absorpcyjna

CRDS (ang. cavity ring-down spectroscopy) - spektroskopia strat we wnęce optycznej

CIS (ang. CMOS image sensor) - czujnik obrazu CMOS

CMOS (ang. complementary metal-oxide-semiconductor) - technologia komplementarnego łączenia półprzewodnika, metalu i tlenku

DAS (ang. direct absorption spectroscopy) - bezpośrednia spektroskopia absorpcyjna

DBR (ang. distributed Bragg reflector) - rozproszone zwierciadło Bragga

DD (ang. direct detection) - układ detekcji bezpośredniej

DFA (ang. doped fiber amplifier) - domieszkowany wzmacniacz światłowodowy

DFB (ang. distributed feedback) - laser z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym

DFOS (ang. distributed fiber optic sensor) - rozproszony czujnik światłowodowy

DIAL (ang. differential absorption lidar) - lidar absorpcji różnicowej

DL (ang. diode laser) - dioda laserowa

DM (ang. direct modulation) - modulacja bezpośrednia

DOAS (ang. differential optical absorption spectroscopy) - różnicowa spektroskopia absorpcyjna

EEL (ang. edge emitting lasers) - laser o emisji krawędziowej

FBG (ang. fiber Bragg grating) - światłowodowa siatka Bragga

FET (ang. field effect transistor) - tranzystor polowy

FFC (ang. flat fiber contact) - płaskie czoło ferruli światłowodu

FOV (ang. field of view) - kąt (pole) widzenia

FPA (ang. focal plane array) - matryca detektorów z obróbką sygnału w płaszczyźnie obrazowej

FSI (ang. frontside-illuminated) - oświetlane od przodu

FSO (ang. free space optics) - łącze optyczne w otwartej przestrzeni

FT-IR (ang. Fourier transform infrared) - fourierowski spektrometr podczerwieni

FWHM (ang. full width at half maximum) - szerokość połówkowa w połowie amplitudy (wysokości)

GIF (ang. graded-index fiber) - światłowód gradientowy

GPS (ang. global positioning system) - system nawigacji satelitarnej

HUD (ang. head-up display) - wyświetlacz przezierny

ICCD (ang. intensified charge-coupled device) - matryca CCD ze wzmacniaczem obrazu

ICMOS (ang. intensified complementary metal-oxide-semiconductor) - matryca CMOS ze wzmacniaczem obrazu

ICL (ang. interband cascade laser) - międzypasmowy laser kaskadowy

IFF (ang. identification friend or foe) - system identyfikacji "swój-obcy"

IFOV (ang. instantaneous field of view) - chwilowe pole widzenia

INS (ang. inertial navigation system) - bezwładnościowy system nawigacyjny

JFET (ang. junction field effect transistor) - tranzystor polowy złączowy

LBRG (ang. laser beam-riding guided missile) - pocisk naprowadzany wiązką laserową

LCD (ang. liquid crystal display) - wyświetlacz ciekłokrystaliczny

LED (ang. light-emitting diode) - dioda elektroluminescencyjna

LIF (ang. laser-induced fluorescence) - laserowo wzbudzana fluorescencja

LSS laserowy symulator strzelań

LWIR (ang. long-wave infrared) - długofalowa podczerwień

LWS (ang. laser warning system) - system ostrzegania przed opromieniowaniem laserowym

L3TV (ang. low light level TV) - telewizyjny system obserwacji w warunkach słabego oświetlenia

MCP (ang. microchannel plate) - płytka mikrokanalikowa

MEMS (ang. micro-electro-mechanical system) - mikroukład elektro-mechaniczny

MIS (ang. metal-insulator-semiconductor) - struktura metal-izolator-półprzewodnik

MMF (ang. multi-mode fiber) - światłowód wielomodowy

MOEMS (ang. micro-opto-electro-mechanical system) - mikroukład opto-elektro-mechaniczny

MPE (ang. maximum permissible exposure) - maksymalny dopuszczalny poziom ekspozycji na promieniowanie

MPPC (ang. multi-pixel photon counter) - wielopikselowy licznik fotonów

MRTD (ang. minimum resolvable temperature difference) - minimalna rozróżnialna różnica temperatury

MTF (ang. modulation transfer function) - funkcja przenoszenia modulacji

MWIR (ang. mid-wave infrared) - średniofalowa podczerwień

NA (ang. numerical aperture) - apertura numeryczna

NEP (ang. noise equivalent power) - moc równoważna szumom

NETD (ang. noise equivalent temperature difference) - różnica temperatury równoważna szumom

NIR (ang. near infrared) - bliska podczerwień

NOHD (ang. nominal ocular hazard distance) - nominalna odległość zagrożenia dla oczu

NVB (ang. night vision binocular) - lornetka noktowizyjna

NVD (ang. night vision device) - urządzenie nocnego widzenia

NVG (ang. night vision goggle) - gogle noktowizyjne

NVM (ang. night vision monocular) - luneta noktowizyjna

NVS (ang. night vision sight) - celownik noktowizyjny

OLED (ang. organic LED) - organiczna dioda elektroluminescencyjna

OTDR (ang. optical time domain reflectometer) - optyczny reflektometr w dziedzinie czasu

PMT (ang. photomultiplier tube) - fotopowielacz

PAS (ang. photoacoustic absorption spectroscopy) - spektroskopia fotoakustyczna

PSD (ang. position sensitive detector) - detektor położenia

PPM (ang. pulse position modulation) - modulacja położenia impulsu

QCL (ang. quantum cascade laser) - kwantowy laser kaskadowy

QW (ang. quantum well) - studnia kwantowa

QE (ang. quantum efficiency) - wydajność kwantowa

QWIP (ang. quantum well infrared photodetector) - detektor podczerwieni na bazie studni kwantowych

QDS (ang. quasi-distributed sensor) - światłowodowy czujnik wielopunktowy/quasirozdzielony

QEPAS (ang. quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy) - spektroskopia fotoakustyczna z rezonatorem kwarcowym

ROIC (ang. readout integrated circuit) - układ odczytu sygnału

SOA (ang. semiconductor optical amplifier) - półprzewodnikowy wzmacniacz optyczny

SNR (ang. signal to noise ratio) - stosunek mocy sygnału do mocy szumu

SMF (ang. single-mode fiber) - światłowód jednomodowy

TEM (ang. transverse electro-magnetic) - poprzeczna fala elektromagnetyczna

TCR (ang. temperature coefficient of resistance) - temperaturowy współczynnik rezystancji

TEC (ang. thermoelectric cooler) - chłodziarka termoelektryczna

TIC (ang. thermal imaging camera) - kamera termowizyjna

TLAS (ang. tunable laser absorption spectroscopy) - spektroskopia absorpcyjna z przestrajalnym laserem

UAV (ang. unmanned aerial vehicle) - bezzałogowy statek powietrzny

UOWC (ang. underwater optical wireless communication) - podwodna bezprzewodowa łączność optyczna

VCSEL (ang. vertical cavity surface emitting laser) - laser o emisji powierzchniowej z pionową wnęką

WDM (ang. wavelength division multiplexing) - multipleksacja z podziałem długości fali

WOC (ang. wireless optical communication) - optyczna komunikacja bezprzewodowa

Rozdział 1Zjawiska fizyczne będące podstawą pracy urządzeń i systemów optoelektronicznych

Gdy promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje z materią, na przykład przenika przez atmosferę, wodę lub ciało stałe, może ulec osłabieniu na skutek absorpcji i rozpraszania. Absorpcja to proces, w którym atomy lub cząsteczki pochłaniają energię promieniowania, co może prowadzić do ich wzbudzenia do wyższego poziomu energetycznego. Rozpraszanie natomiast polega na zmianie kierunku rozchodzenia się promieniowania w wyniku jego interakcji z materią. Wspólny efekt tych dwóch zjawisk określa się mianem tłumienia. Dlatego też absorpcja i rozpraszanie to kluczowe procesy, które określają, jak promieniowanie (światło) zachowuje się, gdy napotyka różne materiały. To właśnie te procesy wpływają m.in. na kolor nieba, przezroczystość wody czy konstrukcję urządzeń optoelektronicznych.

W niniejszym rozdziale skupimy się na efektach wynikających z praw mechaniki kwantowej. Omówimy m.in. strukturę poziomów energetycznych elektronów w atomach, proces absorpcji i emisji promieniowania oraz czas życia stanów wzbudzonych. Przedstawimy również widmo ciągłe promieniowania ciała doskonale czarnego oraz podstawowe zjawiska optyczne, takie jak odbicie i załamanie światła, interferencja, rozproszenie oraz fluorescencja.

1.1. Widmo promieniowania optycznego

W niniejszej książce skupimy się na promieniowaniu optycznym, które jest częścią promieniowania elektromagnetycznego o długości fal w zakresie od 10 nm do 1 mm [1]. Zakres promieniowania optycznego (rys. 1.1) obejmuje promieniowanie nadfioletowe lub ultrafioletowe (ang. ultraviolet, UV), widzialne (ang. visible, VIS) oraz podczerwone (ang. infrared, IR). Najważniejszym zakresem widmowym określonym czułością oka ludzkiego jest zakres widzialny, odpowiadający długości fali między 380 nm i 780 nm. Wartości te należy traktować jako przybliżone, ponieważ zależą od wartości strumienia energetycznego promieniowania działającego na siatkówkę oka oraz od czułości oka. Światło o największej długości fali widzimy jako czerwone, a o najmniejszej jako fioletowe.

Naturalnymi źródłami światła są ciała ogrzane do temperatury powyżej 1000 K - przykładowo temperatura barwowa światła świeczki wynosi około 2000 K. Sztucznymi źródłami światła z zakresu widzialnego są przyrządy półprzewodnikowe, które emitują promieniowanie o określonym widmie częstotliwościowym w wyniku rekombinacji nośników swobodnych. Do materiałów półprzewodnikowych emitujących (lub wykrywających) promieniowanie w zakresie widzialnym należą m.in. arsenek galu (GaAs), który świeci na czerwono, arsenofosforek galu (GaAsP), który - w zależności od składu - może emitować światło czerwone, zielone lub żółte, oraz azotek galu (GaN), stosowany do emisji światła niebieskiego.

Rys. 1.1. Widmo promieniowania optycznego [2]

A co z półprzewodnikowymi źródłami światła białego? Ponieważ biała barwa powstaje jako mieszanina różnych składowych kolorów w odpowiednich proporcjach, nie może być bezpośrednio uzyskana z jednego materiału półprzewodnikowego. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest struktura emitująca światło niebieskie lub fioletowe, pokryta warstwą luminoforu. Emitowane światło pobudza luminofor, który następnie emituje promieniowanie o szerszym widmie, dając w rezultacie światło postrzegane jako białe. Alternatywną metodą jest zastosowanie trzech oddzielnych struktur półprzewodnikowych emitujących światło w barwach czerwonej, zielonej i niebieskiej. Ich odpowiednie połączenie również umożliwia uzyskanie efektu światła białego.

Promieniowanie nadfioletowe obejmuje zakres długości fal od 10 nm do 400 nm. Jest ono emitowane przez atomy i cząsteczki po uprzednim wzbudzeniu lub zjonizowaniu elektronów walencyjnych. Naturalnymi źródłami promieniowania UV są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają też ciała o temperaturze 3000 K. Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi około 5800 K, jest silnym źródłem promieniowania UV. Promieniowanie nadfioletowe charakteryzuje się silnym działaniem fotochemicznym, zdolnym do inicjowania reakcji chemicznych. Fale o długości poniżej 300 nm mogą prowadzić do jonizacji atomów i są szczególnie szkodliwe, a nawet śmiertelne dla organizmów żywych.

Ze względu na skutki oddziaływania na organizmy żywe promieniowanie UV dzieli się na trzy zakresy, w zależności od długości fali [3]:

- UV-C (100-280 nm) - wykazuje szczególnie szkodliwy wpływ na organizm człowieka. Działa destrukcyjnie na komórki, zwłaszcza na DNA (ang. deoxyribonucleic acid), może powodować uszkodzenie spojówki i rogówki oka oraz wywoływać reakcję rumieniową skóry.

- UV-B (280-315 nm) - odpowiada za najbardziej bezpośrednie i silne efekty biologiczne promieniowania UV. Pobudza melanocyty do produkcji melaniny, powoduje oparzenia słoneczne, może wywołać immunosupresję i kancerogenezę. Jednocześnie odgrywa pozytywną rolę, stymulując syntezę witaminy D w skórze.

- UV-A (315-400 nm) - jest odpowiedzialne za natychmiastowe przebarwienia skóry, a także reakcje pigmentacyjne i rumieniowe o charakterze opóźnionym. Przyczynia się również do fotostarzenia skóry oraz wzmacnia działanie promieniowania UV-B w obrębie naskórka.

Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez atomy i cząsteczki w wyniku przejść energetycznych związanych z drganiami oscylacyjnymi i rotacyjnymi, które powodują zmiany rozkładu ładunku elektrycznego. Zakres promieniowania IR znajduje się pomiędzy światłem widzialnym a mikrofalami i obejmuje umowne długości fal od około 780 nm do 1 mm.

Istnieje kilka sposobów podziałów promieniowania podczerwonego na pasma. W zastosowaniach technicznych i detekcyjnych najczęściej stosuje się podział wynikający z odpowiedzi różnych typów detektorów oraz właściwości transmisyjnych promieniowania IR w atmosferze ziemskiej [4]:

- Bliska podczerwień (ang. near-infrared, NIR): od 0,78 do 1,4 ?m. W tym zakresie widmowym działają detektory krzemowe (m.in. matryce CCD i CMOS), InGaAs oraz germanowe.

- Podczerwień krótkofalowa (ang. short-wave infrared, SWIR): od 1,4 do 3 ?m. W tym zakresie działają m.in. detektory wykonane z antymonku indu (InSb), siarczku ołowiu (PbS), arsenku indowo-galowego (InGaAs) oraz tellurku kadmowo-rtęciowego (HgCdTe). Niechłodzone detektory InGaAs efektywnie pracują do około 1,8 ?m, natomiast chłodzone kriogenicznie detektory HgCdTe umożliwiają wykrywanie promieniowania w przedziale od 1 do 2,5 ?m.

- Podczerwień średniofalowa (ang. mid-wave infrared, MWIR): od 3 do 5 ?m. Obejmuje długości fal, w których pracują różne typy detektorów promieniowania podczerwonego. W tym zakresie wykorzystywane są m.in. detektory wykonane z antymonku indu (InSb), częściowo z selenku ołowiu (PbSe), a także z tellurku kadmowo-rtęciowego (HgCdTe), którego właściwości można dostosować do potrzeb aplikacji w tym zakresie widmowym.

- Podczerwień długofalowa (ang. long-wave infrared, LWIR): od 8 do14 ?m. W tym zakresie pracują detektory wykonane z HgCdTe, supersieci drugiego rodzaju oraz mikrobolometry.

- Bardzo daleka podczerwień (ang. very long-wave infrared, VLWIR): od 14 do około 30 ?m. Detekcję promieniowania w tym zakresie widmowym umożliwiają m.in. domieszkowane detektory krzemowe oraz detektory z supersieci drugiego rodzaju.

W ostatnich latach istotnym przedmiotem badań naukowych jest promieniowanie terahercowe (THz). Znajduje się ono w widmie elektromagnetycznym pomiędzy mikrofalami a promieniowaniem podczerwonym. Przyjmuje się, że zakres terahercowy obejmuje częstotliwości od 0,1 do 10 THz, co odpowiada długościom fal od 3 mm do 30 ?m [5]. Ze względu na te wartości fale terahercowe nazywane są także falami submilimetrowymi. Promieniowanie terahercowe ma wiele właściwości, które czynią go przydatnym do zastosowania w systemach bezpieczeństwa, medycynie, telekomunikacji kosmicznej oraz technikach obrazowania.

1.2. Absorpcja promieniowania i mechanizm powstawania linii widmowych

Znajomość procesów dotyczących absorpcji i emisji promieniowania elektromagnetycznego jest niezbędna do zrozumienia zasad działania wielu urządzeń i systemów, które zostaną omówione w kolejnych rozdziałach tej książki. Zacznijmy zatem od wyjaśnienia mechanizmów pochłaniania i emisji promieniowania przez atomy.

Większość prac eksperymentalnych nad strukturą elektronową atomów, wykonanych przed opublikowaniem pracy Nielsa Bohra w 1913 roku [6], polegała na pomiarach częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego (np. światła), pochłanianego lub emitowanego przez atomy. Odkryto, że atomy absorbują lub emitują jedynie określone, dyskretne częstotliwości, charakterystyczne dla każdego pierwiastka w układzie okresowym. Stwierdzono również, że widma absorpcyjne i emisyjne, tj. zespoły tych częstotliwości, stają się coraz bardziej złożone dla cięższych pierwiastków.

Zanim zrozumiano struktury elektronowe atomów, naturalnym krokiem było rozpoczęcie badań od najprostszego z nich - atomu wodoru, zbudowanego z jednego protonu i jednego elektronu. Eksperymenty wykazały, że nawet w wypadku tak podstawowego atomu częstotliwości absorpcji i emisji światła można pogrupować w kilka serii. W ramach każdej z nich kolejne linie widmowe zbliżają się do siebie, aż w końcu zbiegają ku pewnej wartości granicznej.

W opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne traktowane jest jako strumień nieposiadających masy cząstek elementarnych zwanych fotonami. Energia pojedynczego fotonu zależy od częstotliwości lub długości fali i opisana jest zależnością:

,

(1.1)

gdzie h = 6,62617 - 10-34 J-s jest stałą Plancka, ? to częstotliwość promieniowania, ? to długość fali promieniowania, a c = 299 792 458 m/s to prędkość fali elektromagnetycznej (światła) w próżni.

Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J). Jednak w fizyce ciała stałego powszechnie używa się innej jednostki: elektronowolta (eV), który jest równy 1,60218 - 10-19 J. Powód użycia tej jednostki stanie się jasny w dalszej części tekstu i wynika z kluczowej roli, jaką odgrywa elektron w fizyce ciała stałego.

Pierwszą hipotezę skwantowanej emisji promieniowania wysunął w 1900 roku Max Planck, natomiast w 1905 roku Albert Einstein zaproponował hipotezę kwantów światła, którą wykorzystał do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego [7]. Dlatego wzór (1.1) bywa nazywany wzorem Plancka-Einsteina, choć częściej występuje pod nazwą wzoru Plancka. Natomiast termin fotonu wprowadził Gilbert N. Lewis w 1926 roku.

Każdy foton niosący energię może oddziaływać z cząstkami materii. W wyniku absorpcji (pochłonięcia) fotonu elektron zostaje wzbudzony - przechodzi wtedy z jednego dyskretnego poziomu energetycznego, o głównej liczbie kwantowej n, na inny poziom, o wyższej głównej liczbie kwantowej m, co odpowiada większej energii (Em > En). Zjawisko to nazywamy wzbudzeniem atomu. Warto podkreślić, że absorpcja może zachodzić również w atomach już wzbudzonych - wówczas mówimy o absorpcji ze stanów wzbudzonych.

Energia h? potrzebna do przejścia z niższego stanu na wyższy może być obliczona ze wzoru [8]:

[eV],

(1.2)

gdzie n = 1, 2, 3, ... , m = (n + 1), (n + 2), (n + 3), ... , a Z to liczba atomowa.

Ponieważ energia każdego stanu jest stała, również różnica energii między poziomami pozostaje niezmienna. Elektronowe przejścia między tymi stanami, zgodnie z równaniem (1.2), prowadzą do emisji lub absorpcji promieniowania o określonej częstotliwości i są reprezentowane jako pojedyncze, dyskretne linie widmowe. Jeśli na atom pada światło o widmie ciągłym, to w wyniku absorpcji w strukturze tego widma pojawiają się ciemne linie, czyli prążki absorpcyjne widoczne na tle widma ciągłego.

Elektron wzbudzony do poziomu energetycznego Em może powrócić na niższy poziom En, który niekoniecznie musi być tym samym, od którego został wcześniej wzbudzony. Proces ten, zwany relaksacją, trwa zazwyczaj około 10-8 s. Różnica energii pomiędzy poziomami jest wypromieniowywana w postaci kwantu światła o częstotliwości ?, co skutkuje pojawieniem się jasnego prążka w widmie emisyjnym (rys. 1.2).

Rys. 1.2. Schemat tworzenia dyskretnych linii widmowych w wyniku przejść elektronów między orbitalami atomowymi

Szereg dyskretnych linii, wynikających z pojedynczych przejść elektronów między poziomami energetycznymi w atomie wodoru, tworzy jego widmo absorpcyjne lub emisyjne. Linie te grupują się w serie widmowe (rys. 1.3), klasyfikowane według wspólnego poziomu energetycznego n, do którego (lub z którego) zachodzi przejście elektronu. Na przykład: seria Lymana odpowiada przejściom zakończonym na poziomie n = 1, seria Balmera - na poziomie n = 2, a seria Paschena - na poziomie n = 3. Linie w każdej serii oznacza się sekwencyjnie, począwszy od tej o najniższej częstotliwości (czyli największej długości fali), z użyciem liter greckich. Na przykład przejście 5 ? 1 nazywane jest "Lyman-delta" (Ly-?), a przejście 5 ? 3 - "Paschen-beta" (Pa-?).

Rys. 1.3. Energie światła emitowanego przez atom wodoru

Wzór (1.2) można zastosować do dowolnego układu wodoropodobnego, czyli takiego, w którym pojedynczy elektron krąży wokół jądra atomowego, na przykład w jonie helu He+ lub jonie litu Li2+. Szczególnym przypadkiem tego wzoru są linie widmowe wodoru, dla których liczba atomowa Z = 1. Warto podkreślić, że każdy pierwiastek ma unikalny układ linii widmowych, charakterystyczny wyłącznie dla niego - stanowi on swego rodzaju spektroskopowy "odcisk palca". Analiza linii widmowych emitowanych przez świecący gaz pozwala określić skład danej substancji.

Przykładowe widma emisyjne i absorpcyjne dla kilku gazów pokazano na rysunku 1.4.

Rys. 1.4. Absorpcyjne i emisyjne widma atomowe wodoru, helu i tlenu

W przypadku gazów atomowych poziomy energetyczne odpowiadające określonym liczbom kwantowym n są stałe i leżą stosunkowo daleko od siebie, dlatego atomy mogą absorbować jedynie fotony o ściśle określonych energiach. W cząsteczkach układ poziomów energetycznych elektronów jest znacznie bardziej złożony. Oprócz poziomów wynikających z konfiguracji elektronowej występują także poziomy wibracyjne, związane z drganiami atomów wewnątrz cząsteczki, oraz poziomy rotacyjne, odpowiadające obrotom całej cząsteczki. W takich układach poziomy energetyczne leżą tak blisko siebie, że tworzą niemal ciągłe pasma energetyczne.

1.3. Promieniowanie ciała doskonale czarnego

Typowym przykładem oddziaływania między polem elektromagnetycznym a materią, którego nie da się wyjaśnić w ramach klasycznej fizyki i które wymaga zastosowania zasad mechaniki kwantowej, jest promieniowanie ciała doskonale czarnego (CDC). Ciało doskonale czarne całkowicie pochłania promieniowanie padające na jego powierzchnię, niezależnie od długości fali i kierunku padania. Charakteryzuje się również największym możliwym natężeniem promieniowania dla danej temperatury, które ma jednakową wartość we wszystkich kierunkach. W rezultacie CDC stanowi idealny absorber oraz emiter promieniowania cieplnego, zwłaszcza w zakresie podczerwieni.

W przyrodzie nie istnieją idealne CDC, można jedynie zbudować ich przybliżony model. Przykładem takiego modelu może być pusta kula lub stożek z otworem (rys. 1.5). Stożek powinien być dość mały w porównaniu z wymiarami wnęki, lecz wystarczająco duży w porównaniu z długością fali, aby można było pominąć brzegowe efekty dyfrakcyjne. Promieniowanie wpadające do wnęki wielokrotnie odbija się od jej ścian, aż zostaje prawie całkowicie pochłonięte. Parametry promieniowania wychodzącego z wnętrza, takie jak rozkład natężenia w zależności od częstotliwości, zależą wyłącznie od temperatury wnęki. Dobrymi rzeczywistymi przybliżeniami CDC są promienniki pokryte substancjami o wysokiej, nieselektywnej emisyjności, takie jak sadza, czerń złota czy inne specjalistyczne powłoki absorbujące.

Rys. 1.5. Model ciała doskonale czarnego: (a) w postaci kuli z otworem, (b) w postaci stożka

Pojęcie CDC wprowadził w 1862 roku Gustav Kirchhoff, próbując wyjaśnić rozkład widma promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała stałe i ciecze [9]. Zastanawiał się m.in., dlaczego rozgrzewany kawałek metalu, który początkowo nie emituje światła widzialnego, wraz ze wzrostem temperatury zaczyna świecić - najpierw na czerwono, następnie na żółto, aż w końcu jego barwa staje się coraz bardziej biała. Analizował również, jak odróżnić światło rzeczywiście emitowane przez dane ciało od światła, które jest od niego odbijane? Aby odpowiedzieć na to pytanie, potrzebne było ciało, które całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie, nie odbijając żadnej jego części. W ten sposób powstało pojęcie CDC.

Kirchhoff poszukiwał modelu idealnie czarnego ciała w celu wyjaśnienia wyników eksperymentów, ponieważ już wcześniej, w 1859 roku, wykazał, że materiały różnią się zdolnością do emitowania promieniowania w zależności od rodzaju powierzchni [10]. Przedmioty o ciemnej, matowej powierzchni pochłaniają więcej promieniowania cieplnego niż te o powierzchni jasnej i gładkiej. Jednocześnie udowodnił, że stosunek zdolności emisyjnej ciała do jego zdolności absorpcyjnej jest taki sam dla wszystkich ciał i zależy wyłącznie od temperatury oraz długości fali. Stosunek ten nazwano uniwersalną funkcją Kirchhoffa:

,

(1.3)

gdzie e(?,T) i a(?,T) oznaczają odpowiednio zdolność emisyjną i absorpcyjną ciała w funkcji częstotliwości.

Wzór (1.3) nazywany jest prawem Kirchhoffa dla promieniowania cieplnego i może być również zapisany w zależności od długości fali:

.

(1.4)

Zatem im silniej ciało absorbuje promieniowanie o danej długości fali, tym intensywniej je również emituje. Zdolność emisyjna ciała oznacza ilość energii emitowanej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu, w zakresie długości fali od ? do ? + d?, przy temperaturze T. Całkowita zdolność emisyjna - czyli emisja z całego zakresu długości fal - nazywana jest całkowitą zdolnością emisyjną i opisana jest wzorem:

[W-cm-2].

(1.5)

Zdolność absorpcyjna ciała to stosunek energii zaabsorbowanej do energii promieniowania padającego. Określa ona, jaka część energii promieniowania elektromagnetycznego o długościach fal z przedziału od ? do ? + d?, padającego w jednostce czasu na jednostkę powierzchni, zostaje pochłonięta przez dane ciało.

Z definicji CDC, którego zdolność absorpcyjna wynosi 1 dla każdej długości fali i w każdej temperaturze, wynika, że uniwersalna funkcja Kirchhoffa z równania (1.4) jest równa zdolności emisyjnej CDC:

.

(1.6)

Przeciwieństwem CDC jest ciało doskonale białe, które całkowicie rozprasza padające na nie promieniowanie, niezależnie od długości fali i temperatury. Jego zdolność absorpcyjna wynosi 0, a zatem jego zdolność emisyjna jest także równa 0.

Wszystkie inne ciała, których zdolność absorpcyjna jest niezależna od długości fali i zawsze mniejsza od jedności, tj. a(?,T) < 1, nazywamy ciałami szarymi. Energia wypromieniowana przez ciało szare jest mniejsza od energii emitowanej przez CDC o tej samej temperaturze. Jest to zrozumiałe, gdy weźmiemy pod uwagę, że rzeczywiste ciała część padającego na nie promieniowania odbijają lub przepuszczają.

Rozpatrzmy bilans energetyczny w najbardziej ogólnym przypadku, gdy dowolne ciało znajduje się w polu promieniowania cieplnego (rys. 1.6).

Zgodnie z zasadą zachowania energii, dla ciała znajdującego się w równowadze termodynamicznej z otoczeniem, strumień promieniowania padającego ? jest równy sumie strumieni promieniowania pochłoniętego ?a, odbitego ?r oraz przepuszczonego ?t:

.

(1.7)

Rys. 1.6. Schemat objaśniający bilansowanie energii promieniowania

Dzieląc obie strony równania (1.7) przez ?, możemy je przedstawić w postaci bezwymiarowej:

,

(1.8)

gdzie współczynniki a, r i t nazywamy odpowiednio absorbancją, reflektancją i transmitancją - stanowią one ilościowe miary odpowiednio absorpcji, odbicia i transmisji promieniowania.

Ciało zwierciadlane wykazuje cechy podobne do ciała doskonale białego (a = 0 oraz r = 1), z tą różnicą, że promieniowanie nie jest rozpraszane, lecz odbijane kierunkowo, zgodnie z prawem odbicia. Właściwości zbliżone do ciała zwierciadlanego mają przedmioty wykonane z czystego metalu (np. lustra, folie, wypolerowane blachy) o gładkiej powierzchni, wolne od tlenków. W przestrzeni kosmicznej materiały te są często wykorzystywane do izolacji termicznej statków kosmicznych oraz skafandrów kosmonautów. Czyste tlenki metali wykazują właściwości zbliżone do ciała doskonale czarnego. W tabeli 1.1 przedstawiono względne wartości całkowitej emisyjności kilkunastu materiałów. Jakość obróbki powierzchni ma istotny wpływ na właściwości radiometryczne materiału.

Tabela 1.1. Względne wartości emisyjności kilkunastu materiałów [11]

Materiał

Temperatura [K]

Całkowita emisyjność*

Wolfram

500

1000

2000

3000

3500

0,05

0,11

0,26

0,33

0,35

Polerowane srebro

650

0,03

Polerowane aluminium

300

1000

0,03

0,07

Polerowana miedź

4-600

0,02-0,15

Polerowane żelazo

0,2

Polerowany mosiądz

500

0,03

Oksydowane żelazo

80-500

0,8

Poczerniona miedź

320

0,78

Oksydowane aluminium

273

0,75

Woda

273

0,94

Lód

0,96-0,985

Śnieg

293

0,85

Papier

273-373

0,92

Szkło

0,94

Poczerniona lampa

0,95

Laboratoryjny model ciała czarnego

0,98-0,99

* Całkowita emisyjność to stosunek całkowitej energii wypromieniowanej przez dane ciało do całkowitej energii wypromieniowanej przez CDC w samej temperaturze.

Ciało doskonale przezroczyste to modelowe ciało, które całkowicie przepuszcza padające na nie promieniowanie, niezależnie od długości fali i temperatury. Jego zdolność absorpcyjna i współczynnik odbicia wynoszą 0, natomiast współczynnik transmisji wynosi 1. Z tego względu jego zdolność emisyjna także jest równa 0.

Jednak zdolność do niemal stuprocentowego odbicia lub transmisji oraz zaniedbywalnej absorpcji dotyczy jedynie określonego zakresu długości fali w widmie promieniowania cieplnego. Ciała przezroczyste w zakresie widzialnym nie muszą być przezroczyste w podczerwieni - i odwrotnie.

Wróćmy jednak do eksperymentu Kirchhoffa, o którym wspomniano wcześniej. Doszedł on do słusznego wniosku, że zdolność emisyjna CDC będącego w równowadze termodynamicznej zależy wyłącznie od jego temperatury. Założenie, że źródłem promieniowania cieplnego jest CDC, znacznie ułatwiło późniejsze opisy matematyczne. W tym kontekście warto przytoczyć prawo sformułowane przez Wilhelma Wiena w 1893 roku, które głosi, że moc promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez CDC osiąga maksimum dla długości fali odwrotnie proporcjonalnej do temperatury ciała, zgodnie ze wzorem:

,

(1.9)

gdzie ?max to długość fali promieniowania o maksymalnej mocy (w metrach), T to temperatura CDC (w kelwinach), a b = 0,289777 cm-K to stała przesunięć Wiena.

Widmo promieniowania cieplnego obejmuje wszystkie długości fali, co oznacza, że każde ciało emitujące promieniowanie cieplne świeci światłem własnym w całym zakresie widma. Maksimum natężenia promieniowania przypada jednak na różne długości fali, w zależności od temperatury ciała. Dla obiektów o temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej większość promieniowania emitowana jest w zakresie podczerwieni. Promieniowanie emitowane przez ludzkie ciało osiąga maksimum przy długości fali między 9 a 10 ?m. Wraz ze wzrostem temperatury ciała rośnie całkowita moc promieniowania, a maksimum przesuwa się w kierunku krótszych fal (rys. 1.7).

Rys. 1.7. Rozkład spektralnej emitancji promieniowania w funkcji długości fali dla różnych temperatur

Źródło: a) NASA/Goddard/SDO; b) Subhajit007/Pixabay; c) Lovely Akther/Dreamstime; d) JonPauling/Pixabay; e) SlicedCorpse/Pixabay.