Źródła promieniowania optycznego

Źródłami promieniowania optycznego (innymi słowy źródłami światła) jest wiele obiektów naturalnych, a także sztucznie stworzone urządzenia, w których określone rodzaje energii są przekształcane w energię promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 10 nm do 1 mm.

W przyrodzie takimi znanymi nam od dawna źródłami są: słońce, gwiazdy, błyskawice itp. Jeśli chodzi o źródła sztuczne, w zależności od tego, jaki proces prowadzi do powstania promieniowania, czy jest ono wymuszone, czy spontaniczne, jest to możliwość wyboru koherentnych i niekoherentnych źródeł promieniowania optycznego.

Promieniowanie koherentne i niespójne

Lasery odnoszą się do źródeł spójnego promieniowania optycznego. Ich intensywność widmowa jest bardzo duża, promieniowanie charakteryzuje się dużym stopniem kierunkowości, charakteryzuje się monochromatycznością, czyli długość fali takiego promieniowania jest stała.

Większość źródeł promieniowania optycznego to źródła niespójne, których promieniowanie jest wynikiem superpozycji dużej liczby fal elektromagnetycznych emitowanych przez grupę wielu elementarnych emiterów.

Sztuczne źródła optycznego promieniowania niespójnego można podzielić ze względu na rodzaj promieniowania, rodzaj energii zamienianej na promieniowanie, sposób zamiany tej energii na światło, przeznaczenie źródła, przynależność do określonej części widma (podczerwonego, widzialnego lub ultrafioletowego), w zależności od rodzaju konstrukcji, sposobu użytkowania itp.

Parametry świetlne

Promieniowanie optyczne ma swoją własną charakterystykę świetlną lub energetyczną. Charakterystyka fotometryczna obejmuje: strumień promieniowania, strumień świetlny, natężenie światła, jasność, luminancję itp. Źródła widma ciągłego wyróżnia się jasnością lub temperaturą barwową.

Czasami ważna jest znajomość oświetlenia wytwarzanego przez źródło lub jakiejś niestandardowej charakterystyki, na przykład strumienia fotonów. Źródła impulsów mają określony czas trwania i kształt emitującego impulsu.

Wydajność świetlna lub wydajność widmowa określa, jak skutecznie energia dostarczona do źródła jest przekształcana w światło. Właściwości techniczne, takie jak moc i energia wejściowa, wymiary korpusu świecącego, odporność na promieniowanie, rozkład światła w przestrzeni oraz żywotność, charakteryzują sztuczne źródła promieniowania optycznego.

Źródła promieniowania optycznego mogą być termiczne z równowagowo nagrzanym ciałem świecącym w stanie skondensowanym, jak również luminescencyjne z nierównomiernie wzbudzonym ciałem w dowolnym stanie skupienia. Szczególnym typem są źródła plazmowe, w których charakter promieniowania zależy od parametrów plazmy i przedziału widmowego, i tutaj promieniowanie może być termiczne lub luminescencyjne.

Termiczne źródła promieniowania optycznego wyróżniają się widmem ciągłym, ich charakterystyka energetyczna jest zgodna z prawami promieniowania cieplnego, gdzie głównymi parametrami są temperatura i emisyjność ciała świecącego.

Przy współczynniku 1 promieniowanie jest równoważne promieniowaniu ciała doskonale czarnego w pobliżu Słońca o temperaturze 6000 K. Sztuczne źródła ciepła są ogrzewane prądem elektrycznym lub energią chemicznej reakcji spalania.

Płomień podczas spalania gazowej, ciekłej lub stałej substancji palnej charakteryzuje się ciągłym widmem promieniowania o temperaturze sięgającej 3000 K dzięki obecności mikrocząstek stałych włókien. Jeśli takie cząstki nie występują, widmo będzie pasmowe lub liniowe, typowe dla gazowych produktów spalania lub chemikaliów celowo wprowadzanych do płomienia w celu analizy widmowej.

Projektowanie i zastosowanie źródeł ciepła

Pirotechnika sygnalizacyjna lub oświetleniowa, taka jak rakiety, fajerwerki itp., zawiera skompresowane kompozycje zawierające substancje palne z utleniaczem. Źródłami promieniowania podczerwonego są zwykle ceramiczne lub metalowe ciała o różnych rozmiarach i kształtach, które są ogrzewane płomieniem lub katalitycznym spalaniem gazu.

Elektryczne emitery widma podczerwieni mają spirale wolframowe lub nichromowe, ogrzewane przez przepuszczanie przez nie prądu i umieszczane w osłonach żaroodpornych lub od razu wykonane w postaci spiral, prętów, pasków, rurek itp. — z metali i stopów ogniotrwałych lub innych kompozycji: grafitu, tlenków metali, węglików ogniotrwałych. Emitery tego typu wykorzystywane są do ogrzewania pomieszczeń, w różnych badaniach oraz w przemysłowej obróbce cieplnej materiałów.

Do spektroskopii w podczerwieni stosuje się emitery wzorcowe w postaci pręcików, takie jak szpilka Nernsta i Globar, charakteryzujące się stabilną zależnością emisyjności od temperatury w podczerwonej części widma.

Pomiary metrologiczne obejmują badanie emisji z modeli absolutnego ciała doskonale czarnego, w których równowagowa emisyjność zależy od temperatury; Takim modelem jest wnęka nagrzana do temperatury do 3000 K, wykonana z materiału ogniotrwałego o określonym kształcie z małym wejściem.

Żarówki są obecnie najpopularniejszymi źródłami ciepła promieniowania w zakresie widzialnym. Stosowane są do celów oświetleniowych, sygnalizacyjnych, w projektorach, rzutnikach, ponadto pełnią rolę wzorców w fotometrii i pirometrii.

Obecnie na rynku dostępnych jest ponad 500 standardowych rozmiarów żarówek, od miniaturowych po potężne reflektory. Korpus żarnika jest zwykle wykonany w postaci żarnika wolframowego lub spirali i jest zamknięty w szklanej kolbie wypełnionej gazem obojętnym lub próżnią. Żywotność takiej lampy zwykle kończy się wraz z przepaleniem się żarnika.

Żarówki są halogenowe, a następnie bańkę wypełnia się ksenonem z dodatkiem jodu lub lotnych związków bromu, które zapewniają odwrotny transfer odparowanego wolframu z żarówki — z powrotem do korpusu żarnika. Takie lampy mogą trwać do 2000 godzin.

Włókno wolframowe jest tutaj zamontowane wewnątrz rurki kwarcowej ogrzewanej w celu utrzymania cyklu halogenowego. Lampy te sprawdzają się w termografii i kserografii i można je spotkać niemal wszędzie tam, gdzie służą zwykłe żarówki.

W lampach elektrycznych źródłem promieniowania optycznego jest elektroda, a raczej żarzący się obszar katody podczas wyładowania łukowego w żarówce wypełnionej argonem lub na zewnątrz.

Źródła fluorescencyjne

W luminescencyjnych źródłach promieniowania optycznego gazy lub luminofory są wzbudzane przez przepływ fotonów, elektronów lub innych cząstek albo przez bezpośrednie działanie pola elektrycznego, które w tych warunkach stają się źródłami światła. Widmo emisyjne i parametry optyczne są określone przez właściwości luminoforów, a także energię wzbudzenia, natężenie pola elektrycznego itp.

Jednym z najczęstszych rodzajów luminescencji jest fotoluminescencja, w której widoczne staje się widmo promieniowania pierwotnego źródła.Promieniowanie ultrafioletowe wyładowania pada na warstwę luminoforu, a luminofor w tych warunkach emituje światło widzialne i bliskie ultrafioletowi.

Energooszczędne lampy to po prostu świetlówki kompaktowe oparte na tym efekcie. Taka lampa o mocy 20 W daje strumień świetlny równy strumieniowi świetlnemu żarówki o mocy 100 W.

Ekrany kineskopowe są katodoluminescencyjnymi źródłami promieniowania optycznego. Pokryty luminoforem ekran jest wzbudzany przez lecącą w jego stronę wiązkę elektronów.

Diody LED wykorzystują zasadę wtrysku elektroluminescencji na półprzewodnikach. Te optyczne źródła promieniowania są wytwarzane jako dyskretne produkty z elementami optycznymi. Służą do sygnalizacji, sygnalizacji, oświetlenia.

Emisja optyczna podczas radioluminescencji jest wzbudzana przez działanie rozpadających się izotopów.

Chemiluminescencja to zamiana energii reakcji chemicznych na światło (zob rodzaje luminescencji).

Błyski światła w scyntylatorach wzbudzane przez szybkie cząstki, promieniowanie przejściowe i promieniowanie Wawiłowa-Czerenkowa są wykorzystywane do wykrywania poruszających się naładowanych cząstek.

Osocze

Plazmowe źródła promieniowania optycznego wyróżnia widmo liniowe lub ciągłe, a także charakterystyka energetyczna zależna od temperatury i ciśnienia plazmy, występujących w wyładowaniu elektrycznym lub w innej metodzie wytwarzania plazmy.

Parametry promieniowania zmieniają się w szerokim zakresie, w zależności od mocy wejściowej i składu substancji (zob lampy wyładowcze, osocze). Parametry są ograniczone tą mocą i odpornością materiału. Pulsacyjne źródła plazmy mają wyższe parametry niż ciągłe.