ИСТО́ЧНИКИ ОПТИ́ЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕ́НИЯ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
ИСТО́ЧНИКИ ОПТИ́ЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕ́НИЯ (источники света), приборы и устройства, а также природные объекты, в которых разл. виды энергии преобразуются в энергию оптич. излучения в диапазоне длин волн λ ≈ 10 нм – 1 мм. Природные излучающие объекты – Солнце, звёзды, атмосферные разряды и др. – являются естественными И. о. и. Искусственные И. о. и. в зависимости от вида преобладающего элементарного процесса испускания – вынужденного или спонтанного – делятся на когерентные и некогерентные. Когерентные И. о. и. (лазеры) генерируют излучение с чрезвычайно большой спектральной интенсивностью и высокой степенью направленности и монохроматичности. (Об их устройстве и применении см. в ст. Лазер.) Излучение большинства И. о. и. некогерентно и представляет собой суперпозицию электромагнитных волн, спонтанно испускаемых совокупностью независимых элементарных излучателей.
Описываемые ниже искусств. некогерентные И. о. и. классифицируют по видам излучения, роду вводимой в них энергии и способам преобразования её в световую, по назначению, виду и области спектра (инфракрасная, видимая, ультрафиолетовая), конструктивным особенностям и режимам эксплуатации, обусловленным разл. требованиями, предъявляемыми к И. о. и. в их разнообразных прикладных и науч. применениях.
Излучение источников света характеризуется энергетич. или световыми фотометрическими величинами – потоком излучения, световым потоком, силой света, яркостью, светимостью и др. Многие И. о. и. со сплошным спектром аттестуют по их яркостной TB или цветовой TC темп-ре. В ряде применений важно знать освещённость, создаваемую И. о. и.; они могут характеризоваться также нестандартными величинами, напр. потоком фотонов. Импульсные И. о. и. характеризуются длительностью τ и формой импульса излучения (см. Фотометрия импульсная). Эффективность преобразования вводимой в И. о. и. энергии в световую определяется энергетическим (спектральным) кпд или световой отдачей η. К технич. характеристикам И. о. и. относятся также вводимая мощность P или энергия W, размер светящегося тела, пространственное распределение и стабильность излучения, срок службы и др.
По видам излучения И. о. и. разделяются на тепловые с равновесно нагретым светящимся телом в конденсированном состоянии и люминесцирующие с неравновесно возбуждаемым телом в любом агрегатном состоянии. Особый класс составляют плазменные И. о. и., излучение которых в зависимости от параметров плазмы и спектрального интервала может быть тепловым или люминесцентным.
Тепловые источники оптического излучения
Эти источники имеют сплошной спектр и энергетич. характеристики, описываемые законами теплового излучения, в которых осн. параметрами являются темп-pa T_B и коэф. излучения ε светящегося тела. При ε = 1 излучение источника соответствует излучению абсолютно чёрного тела, что близко выполняется, напр., для Солнца (T_B = 6·10^3 К). В искусств. тепловых И. о. и. излучающее тело нагревается электрич. током или в результате выделения энергии в химич. реакциях горения.
Пламёна, возникающие при горении газовых, жидких или твёрдых горючих веществ, имеют сплошной спектр излучения с T_B до 3000 К, образованный раскалёнными твёрдыми микрочастицами. При отсутствии таких частиц наблюдаются полосатый и линейчатый спектры излучения, создаваемые газообразными продуктами горения или химич. элементами, специально вводимыми в пламя (напр., для спектрального анализа). В пиротехнич. осветительных и сигнальных средствах (ракеты, фейерверки и др.) используются спрессованные пламённые составы, содержащие горючее вещество и окислитель. В качестве источника ИК-излучения применяют керамич. и металлич. тела разл. форм и размеров, нагреваемые пламённым или каталитическим (без пламени) сжиганием газа.
В электрических ИК-излучателях накаливаемая током нихромовая или вольфрамовая спираль помещается в излучающую теплостойкую оболочку либо излучает само тело накала, изготовляемое в виде ленты, спирали, стержня, трубы и т. д. из тугоплавких металлов или проводящих неметаллич. материалов (графит, тугоплавкие карбиды и оксиды металлов). Такие источники ИК-излучения применяются для обогрева помещений, в теплофизич. исследованиях и для пром. термообработки материалов. В ИК-спектрофотометрии используются стержневые эталонные излучатели – штифт Нернста, глобар, имеющие хорошо воспроизводимую зависимость ε(λ,T) = 0,8–0,95 в ИК-области спектра. Для метрологич. измерений используется определяемое только величиной темп-ры T равновесное излучение моделей абсолютно чёрного тела, представляющих собой полости разл. форм с малым выходным отверстием, изготовляемые из тугоплавких проводящих материалов, нагреваемых до T ⩽ 3000 К.
Электрические лампы накаливания (ЛН) являются самыми распространёнными тепловыми И. о. и., применяемыми для общего и спец. освещения, сигнализации, в кинопроекционной аппаратуре, прожекторах, в качестве эталонов в пирометрии и фотометрии (светоизмерительные лампы). Номенклатура серийных ЛН составляет ок. 600 типоразмеров – от сверхминиатюрных (P = 0,01 Вт, диаметр 0,2 см) до мощных прожекторных (P = 10 кВт, диаметр 30 см). Тело накала изготовляется из \ce{W} в виде нити, спирали или ленты и помещается в вакуумируемую или наполняемую инертным газом стеклянную колбу, обычно каплеобразной формы. Световые характеристики и срок службы ЛН ограничиваются потемнением колбы из-за распыления вольфрамовой нити и её перегоранием.
Галогенные лампы накаливания (ГЛН) наполняются Хе с добавками иода или летучих химич. соединений Вr, обеспечивающими обратный перенос испарившегося \ce{W} со стенки колбы на нить. Благодаря этому они служат до 2000 ч при T = 3200 К. В ГЛН вольфрамовое тело накала располагается вдоль оси узкой кварцевой трубки, нагреваемой для поддержания галогенного цикла. ГЛН применяются в тех же областях, что и обычные ЛН, а также в ксерографии и термографии.
В электродосветных И. о. и. излучателем служит анодный кратер или раскалённая зона катода дугового разряда в воздухе или в наполненной \ce{Ar} лампе.
Люминесцирующие источники оптического излучения
В источниках света этого типа излучают холодные твёрдые и жидкие люминофоры и газы, возбуждаемые потоком фотонов, электронов и др. частиц или электрич. полем. Световые характеристики и спектр излучения таких И. о. и. определяются свойствами люминофоров, а также плотностью потока и энергией возбуждающих частиц или напряжённостью электрич. поля.
Фотолюминесценция используется для преобразования спектра излучения первичного источника. В люминесцентных лампах слой люминофора излучает в видимой и ближней УФ-области под действием УФ-излучения разряда. С кон. 20 в. вместо ламп накаливания в быту стали применять т. н. энергосберегающие лампы – люминесцентные лампы компактных размеров. Так, энергосберегающая лампа мощностью ок. 20 Вт даёт такой же световой поток, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт, и служит значительно дольше.
Катодолюминесцентными И. о. и. являются покрытые люминофорами экраны электронно-лучевых трубок, возбуждаемые пучком электронов, а также низковольтные катодолюминесцентные индикаторы.
На основе инжекционной электролюминесценции в полупроводниках работают светоизлучающие диоды, изготовляемые в виде дискретных и интегральных устройств, служащих осн. элементом оптоэлектроники и применяемых также для индикации и сигнализации, в качестве калибровочных источников и для освещения. В электролюминесцентных индикаторных панелях используется свечение порошковых кристаллофосфоров.
Радиолюминесценция, возбуждаемая продуктами радиоактивного распада разл. изотопов, позволяет получать видимое излучение в светосоставах постоянного действия.
В хемилюминесцентных источниках света люминесценция возникает в результате превращения энергии химич. реакций в видимое излучение (см. Химические источники света).
Световые вспышки, возникающие в сцинтилляторах под действием ионизирующих частиц, а также излучение Вавилова – Черенкова и переходное излучение используются для регистрации релятивистских заряженных частиц.
Плазменные источники оптического излучения
Такие источники имеют энергетич. характеристики и спектр излучения (линейчатый или сплошной), определяемые темп-рой и давлением плазмы, образующейся в них при электрич. разряде (см. Разрядные источники света) или иным способом, и изменяющиеся в широких пределах в зависимости от химич. состава рабочего вещества и вводимой мощности. Предельные параметры, ограничиваемые технически осуществимой скоростью ввода энергии и стойкостью материалов конструкции, в импульсных плазменных И. о. и. намного выше, чем в непрерывных.
Газоразрядные лампы (ГРЛ) изготовляются в виде герметичных ламп трубчатой, шаровидной и др. форм со впаянными в них электродами, наполняемых газами при давлениях от 1 Па до нескольких МПа. В них могут вводиться металлы или их химич. соединения, испаряемые при разряде в буферном инертном газе (\ce{Аr}, смесь \ce{Ne} и \ce{Аr}). Особенно широко используется легкоиспаряющаяся ртуть (см. Ртутная лампа). Спектральный диапазон излучения, выходящего из ГРЛ, определяется областью пропускания материала колбы лампы – силикатных и кварцевых стёкол или окошек из этих и др. оптич. материалов.
ГРЛ низкого давления в зависимости от плотности тока на катоде работают в режиме тлеющего или дугового разряда. В индикаторных лампах и панелях, обычно наполняемых смесью \ce{Ne} с \ce{Не} и \ce{Аr}, используется тлеющее свечение, локализованное вблизи катода. Трубчатые ГРЛ с пара́ми \ce{Hg} или \ce{Na} излучают в резонансных линиях до 80% вводимой мощности, поэтому достигаются большие кпд и η. Натриевые ГРЛ низкого давления дают оранжевый цвет и используются для уличного освещения. Ртутные люминесцентные ГРЛ широко применяются для внутр. и декоративного освещения. На внутр. поверхность их стеклянной трубки наносится слой люминофора, преобразующий резонансное УФ-излучение \ce{Hg} в видимую область со спектром излучения, близким к дневному свету или определённой цветности. Эритемные и бактерицидные ртутные лампы, излучающие в УФ-диапазоне через стенку колбы из увиолевого или кварцевого стекла, используются в медицине и биологии.
Дуговые ртутные трубчатые (ДРТ) и дуговые ксеноновые трубчатые (ДКсТ) лампы высокого давления и дуговые ртутные шаровые (ДРШ) и дуговые ксеноновые шаровые (ДКсШ) лампы сверхвысокого давления имеют колбы из термопрочного кварцевого стекла. Для наружного освещения используются лампы ДРТ, в которых разрядная трубка помещается в стеклянную оболочку, покрытую люминофором, усиливающим красную часть спектра, и лампы высокого давления с разрядной трубкой, содержащей \ce{Na}, а также \ce{Хе} и \ce{Hg}. В металлогалогенных лампах (дуговых ртутных с излучающими добавками, ДРИ) спектр корректируют, вводя в разряд галогениды разл. металлов. Лампы ДРИ, так же как и ДКсШ, имеющие спектр, близкий к солнечному, используют для имитации его излучения, при цветных фото-, кино- и телесъёмках, в полиграфии, кинопроекционной аппаратуре и прожекторах. Лампы ДРТ и ДРШ используются в люминесцентном анализе, фотохимии, ИК-спектроскопии, микроскопии, в медицине и биологии, для светокопирования и фотолитографии.
Спектральные лампы (с пара́ми металлов или инертными газами, водородные и дейтериевые, с полым катодом, шаровые высокочастотные безэлектродные лампы), излучающие в осн. в резонансных линиях разл. элементов или в непрерывном видимом и ближнем УФ-спектре, применяются в спектрофотометрии, спектральном анализе и др. Спектральные лампы позволяют получать линейчатые спектры ок. 70 химич. элементов.
Свободно горящая дуга, в канал которой поступают испускающие линейчатый спектр пары́ материала электродов или спец. вставок в нём, используется в эмиссионном спектральном анализе.
Импульсные плазменные И. о. и. имеют высокую яркость, достигаемую за счёт кратковременного ввода большой удельной мощности при электрич. разряде, обычно питаемом от батареи конденсаторов, а также при лазерном нагреве или ударном сжатии газа. Трубчатые и шаровые импульсные лампы, наполняемые, как правило, \ce{Хе}, рассчитаны на определённую энергию W разряда или ср. мощность P_{ср} в частотном режиме, в пределах которых могут варьироваться длительность и яркость одиночной вспышки. Трубчатые лампы делятся на три осн. типа: для накачки лазеров, светосигнальные и фотоосветительные, а также стробоскопические (капиллярные). В шаровых лампах, используемых в фотолитографии и для сверхскоростной фотосъёмки, достигаются T_B ≈ 3·10^4 К. Искровой разряд длительностью в неск. наносекунд реализуется при миним. индуктивности разрядного контура в лабораторных И. о. и. для импульсного фотолиза и сверхскоростной фотосъёмки.
Для таких применений, а также для исследования плазмы, накачки лазеров, имитации высокотемпературных радиационно-газодинамич. явлений в качестве стандартов яркости и др. используются лабораторные и стендовые мощные импульсные И. о. и. разл. типов: электроразрядные эрозионные И. о. и. (разряд с испаряемой стенкой, магнитоприжатый разряд, электрич. взрыв тонких металлич. проволочек или фольги в газе или вакууме), протяжённые (до 1 м) сильноточные (до 500 кА) самосжатые разряды в газах (Z-пинч), сверхзвуковые ударные волны, создаваемые в т. н. ударных трубах или при выходе детонационной волны из кумулятивного канала заряда взрывчатого вещества в воздух или инертный газ. В таких И. о. и. достигаются T_B порядка {(1–100)·10^4}K.
Лазерная плазма, образующаяся при фокусировке мощного импульса лазерного излучения в плотном газе (лазерная искра) или на твёрдой мишени, позволяет получить яркую вспышку и применяется в спектроскопии.
Синхротронное излучение, испускаемое электронами в синхротронах, имеет интенсивный сплошной спектр, перекрывающий весь оптич. диапазон. Его спектральный состав и яркость регулируются изменением энергии электронов; оно очень стабильно, поэтому используется как эталонное в вакуумной УФ-области.