Источники оптического излучения являются важнейшими элементами, которые находят применение в науке, технике и повседневной жизни. Природа подарила человечеству естественные источники света, такие как Солнце, звезды и атмосферные явления. Эти природные объекты освещают мир и позволяют воспринимать его во всей красе.
Солнечный свет, охватывающий ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный спектры, играет ключевую роль как главный источник энергии для жизни на Земле.
Однако развитие технологий позволило человеку создавать искусственные источники оптического излучения, которые стали незаменимыми в быту и промышленности. Эти устройства преобразуют различные виды энергии в электромагнитное излучение с длиной волны от 10 нм до 1 мм.
Искусственные источники света делятся на когерентные и некогерентные.
Когерентные источники, такие как лазеры, генерируют узконаправленный свет с высокой степенью монохроматичности и интенсивности. Они используются в медицине, телекоммуникациях и производстве.
Некогерентные источники включают лампы накаливания, галогенные лампы, светодиоды и газоразрядные лампы. Каждый из этих типов имеет свои особенности и области применения.
Оптическое излучение охватывает три основных спектральных диапазона: ультрафиолетовый (100–400 нм), видимый (400–780 нм) и инфракрасный (780 нм – 1 мм). Каждый из них используется для решения различных задач — от медицинской диагностики до лазерной обработки материалов.
Таким образом, источники оптического излучения играют важную роль в освещении мира, передаче информации и открытии новых возможностей для науки и техники. Их разнообразие позволяет адаптировать технологии к самым широким потребностям современного общества.
Когерентное и некогерентное излучение
Лазеры относятся к источникам когерентного оптического излучения. Их спектральная интенсивность очень велика, излучение отличается большой степенью направленности, характеризуется монохроматичностью, то есть длина волны у такого излучения постоянна.
Подавляющее же большинство источников оптического излучения — это источники некогерентные, излучение которых является результатом наложения друг на друга большого количества электромагнитных волн, испускаемых группой многих элементарных излучателей.
Искусственные источники оптического некогерентного излучения можно классифицировать по виду излучения, по роду энергии, преобразуемой в излучение, по способу преобразования данной энергии в свет, по назначению источника, по принадлежности к той или иной области спектра (инфракрасная, видимая или ультрафиолетовая), по виду конструкции, режиму использования и т. д.
Параметры света
Оптическое излучение имеет свои световые или энергетические характеристики. К фотометрическим характеристикам относятся: поток излучения, световой поток, сила света, яркость, светимость и т. д. Источники сплошного спектра различают по яркостной или цветовой температуре.
Порой важно знать создаваемую источником освещенность, либо какую-нибудь нестандартную характеристику, например такую как поток фотонов. Импульсные источники имеют определенную продолжительность действия и форму импульса излучения.
Световая отдача или спектральный коэффициент полезного действия определяют эффективность преобразования подаваемой к источнику энергии — в световую. Технические характеристики, такие как вводимая мощность и энергия, габариты светящегося тела, стойкость излучения, распределение света в пространстве и срок службы, - характеризуют искусственные источники оптического излучения.
Источники оптического излучения могут быть тепловыми с равновесно нагретым светящимся телом в конденсированном состоянии, а также люминесцирующими с неравномерно возбужденным телом в любом агрегатном состоянии. Особенная разновидность — плазменные источники, характер излучения у которых зависит от параметров плазмы и спектрального интервала, здесь излучение может быть или тепловым, или люминесцентным.
Тепловые источники оптического излучения отличаются сплошным спектром, их энергетические характеристики подчиняются законам теплового излучения, где главными параметрами выступают температура и коэффициент излучения светящегося тела.
При коэффициенте 1 излучение эквивалентно излучению абсолютно черного тела, близкому к Солнцу с его температурой в 6000 К. Искусственные тепловые источники нагреваются электрическим током либо энергией химической реакции горения.
Пламя горения газообразного, жидкого или твердого горючего вещества характеризуется сплошным спектром излучения с температурой достигающей 3000 К, благодаря наличию раскаленных твердых микрочастиц. Если такие частицы отсутствуют, спектр будет полосатым или линейчатым, свойственным продуктам горения в газообразном состоянии или химическим веществам, намеренно вводимым в пламя с целью проведения спектрального анализа.
Устройство и применение тепловых источников
Пиротехника сигнального или осветительного назначения, такая как ракеты, фейерверки и т. д., содержат спрессованные составы, включающие в себя горючее вещество с окислителем. Источники инфракрасного излучения обычно представляют собой керамические или металлические тела различных размеров и форм, которые нагреваются пламенем либо посредством каталитического сжигания газа.
Электрические излучатели инфракрасного спектра имеют вольфрамовые или нихромовые спирали, накаливаемые пропусканием через них тока, и размещаемые в теплостойких оболочках, либо сразу изготавливаемые в виде спиралей, стержней, лент, трубок, и т. д. - из тугоплавких металлов и сплавов, либо иных составов: графит, оксиды металлов, тугоплавкие карбиды. Излучатели такого рода применяют для обогрева помещений, в различных исследованиях и в промышленной тепловой обработке материалов.
Для инфракрасной спектроскопии применяют эталонные излучатели в форме стержней, такие как штифт Нернста и глобар, отличающиеся стабильной зависимостью коэффициента излучения от температуры в инфракрасной части спектра.
Метрологические измерения предполагают исследование излучений моделей абсолютно черных тел, у которых равновесное излучение зависит от температуры; такая модель представляет собой нагреваемую до температур до 3000 К полость из тугоплавкого материала определенной формы с небольшим входным отверстием.
Наиболее популярными тепловыми источниками излучения видимого спектра являются сегодня лампы накаливания. Они служат для целей освещения, сигнализации, в проекторах, прожекторах, кроме того выступают эталонами в фотометрии и пирометрии.
На современном рынке представлено более 500 типоразмеров ламп накаливания, начиная от миниатюрных, заканчивая мощными лампами для прожекторов. Тело накала, как правило, изготавливается в виде нити или спирали из вольфрама, и заключено в стеклянную колбу, заполненную либо инертным газом, либо вакуумом. Срок службы такой лампы обычно заканчивается перегоранием тела накала.
Лампы накаливания бывают галогенными, тогда колба заполняется ксеноном с добавлением йода или летучих соединений брома, обеспечивающих обратный перенос испаряющегося вольфрама с колбы — обратно на тело накала. Такие лампы способны служить до 2000 часов.
Вольфрамовая нить установлена здесь внутри кварцевой трубки, разогреваемой с целью поддержания галогенного цикла. Данные лампы работают в термографии и ксерографии, также их можно встретить практически везде, где служат обычные лампы накаливания.
Электродосветные лампы используют дуговой разряд между электродами для генерации света. В таких устройствах раскалённая область катода испускает электроны, которые ионизируют аргон в колбе, формируя плазму с интенсивным излучением в видимом и УФ-диапазонах. Открытые дуговые конструкции (например, в прожекторах) работают в воздушной среде, где ионизированный кислород и азот создают характерное голубовато-белое свечение.
Люминесцентные источники
В люминесцирующих источниках оптического излучения, потоком фотонов, электронов или других частиц, либо прямым действием электрического поля, возбуждаются газы или люминофоры, становящиеся в данных обстоятельствах источниками света. Спектр излучения и оптические параметры определяются свойствами люминофоров, а также энергией воздействия возбуждения, напряженностью электрического поля и т. д.
Один из наиболее распространенных видов люминесценции — фотолюминесценция, при которой спектр излучения первичного источника преобразуется в видимый. Ультрафиолетовое излучение разряда падает на слой люминофора, а люминофор в данных условиях излучает видимый свет и ближний ультрафиолет.
Энергосберегающие лампы — это как раз компактные люминесцентные лампы на базе данного эффекта. Подобная лампа мощностью 20 Вт дает световой поток равный световому потоку от лампы накаливания мощностью 100 Вт.
Экраны с электронно-лучевыми трубками относятся к катодолюминесцентным источникам оптического излучения. Экран покрытый люминофором возбуждается пучком летящих к нему электронов.
В светодиодах используется принцип инжекционной электролюминесценции на полупроводниках.
Принцип работы светодиодов основан на инжекционной электролюминесценции в полупроводниковых структурах.
При подаче прямого напряжения на p-n-переход происходит инжекция носителей заряда: электроны из n-области проникают в p-область, а дырки — в противоположном направлении. Рекомбинация этих носителей в области перехода сопровождается выделением энергии в виде фотонов, энергия которых соответствует ширине запрещённой зоны полупроводника.
Особенности инжекционного механизма:
- Цвет свечения определяется материалом полупроводника и примесями. Например, GaP с добавками азота даёт красное или зелёное излучение, а структуры на основе GaN/InGaN обеспечивают синий и фиолетовый свет.
- Эффективность достигается за счёт минимизации безызлучательной рекомбинации путём оптимизации конструкции (гетеропереходы, квантовые ямы).
- Напряжение питания светодиодов обычно не превышает 3–4 В, что связано с типичной шириной запрещённой зоны используемых полупроводников (1.8–3.4 эВ).
Технические преимущества включают низкое энергопотребление (10–30 мА), высокую яркость и быстродействие (до 10-9 с). Современные разработки охватывают УФ-диапазон (AlGaN) и белые светодиоды на основе люминофорного преобразования синего излучения.
Светодиоды, как источники оптического излучения изготавливаются в виде дискретных изделий с оптическими элементами. Они применяются в индикации, сигнализации, освещении.
Оптическое излучение при радиолюминесценции возбуждается действием распадающихся изотопов.
Хемилюминесценция — превращение в свет энергии химических реакций (см. также виды люминесценции).
Вспышки света в сцинтилляторах, возбуждаемые быстрыми частицами, переходное излучение, а также излучение Вавилова-Черенкова, используют для выявления движущихся заряженных частиц.
Специализированные покрытия на основе антистоксовых люминофоров активно применяются для преобразования инфракрасного излучения в видимый свет, что особенно востребовано в сенсорных технологиях и системах визуализации.
Плазма
Плазменные источники оптического излучения отличаются линейчатым или сплошным спектром, а также энергетическими характеристиками, зависящими от температуры и давления плазмы, возникающей в электрическом разряде или при ином способе получения плазмы.
Параметры излучения варьируются в большом диапазоне в зависимости от подводимой мощности и состава вещества (см. также газоразрядные лампы, плазма). Параметры ограничиваются этой мощностью и стойкостью материалов. Импульсные источники плазмы обладают более высокими параметрами нежели непрерывные.
Особенностью плазменных источников является их способность генерировать как узкополосное (линейчатое), так и широкополосное излучение в зависимости от режима работы.
Например, в импульсных системах с электрическим взрывом металлических проводников или искровых разрядах достигаются экстремальные температуры, что приводит к формированию интенсивных вспышек с преобладанием сплошного спектра в УФ-диапазоне (200–280 нм). При этом спектральный состав излучения может включать линии возбужденных молекул азота и кислорода в видимой области (380–550 нм), что характерно для слабоионизированных плазменных сред.
Важным аспектом является зависимость спектральных характеристик от оптической толщины плазмы: в плотных средах наблюдается самообращение линий, когда центральная часть спектральной линии поглощается окружающими слоями, формируя характерные пики на крыльях.
Технические ограничения связаны не только с термостойкостью материалов, но и со скоростью ввода энергии — например, импульсные системы позволяют достигать мощности до 70 кДж за счет кратковременного воздействия, тогда как непрерывные источники требуют компромисса между стабильностью и энергоэффективностью.
Для газоразрядных ламп высокого давления ключевым фактором становится состав рабочего вещества: добавление редкоземельных элементов (например, церия или циркония) позволяет модифицировать спектр излучения, повышая его яркость в целевых диапазонах.
В экспериментальных установках с коронным разрядом основное воздействие оказывает тепловое УФ-излучение, способное инициировать фотохимические реакции в обрабатываемых средах, таких как образование перекиси водорода в воде.
Андрей Повный