Источники оптического излучения

Источниками оптического излучения (другими словами — источниками света) являются многие естественные объекты, а также искусственно создаваемые приборы, в которых те или иные виды энергии превращаются в энергию электромагнитного излучения с длиной волны от 10 нм до 1 мм.

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.

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.

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.

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.

У электродосветных ламп источником оптического излучения выступает электрод, а точнее — раскаленная область катода при дуговом разряде в наполненной аргоном колбе лампы или на открытом воздухе.

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. Данные 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.

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Источники оптического излучения

Электрическим источником оптического излучения называется устройство, преобразующее электрическую энергию в лучистую энер­гию оптического спектра. По способу излучения они делятся на температурные и люминесцентные. Первую группу составляют лампы накаливания, вторую – газоразрядные лампы низкого, высокого или сверхвысокого давления, использующие эффект электролюминесценции в газе и парах металлов.

Основные параметры электрических источников – номинальная мощность, напряжение, световая отдача, измеряемая числом люменов на 1 Вт (лм/Вт), световой поток и средняя продолжительность горения. Они регламентируются соответствующими стандартами.

В качестве электрических источников света в сельском хозяйстве используются лампы накаливания и люминесцентные лампы низкого и высокого давления.

Рис. 4.17 Лампа накаливания: 1 – стеклянная колба; 2 – вольфрамовая нить; 3 – крючки; 4 – электро­ды; 5 – центральная часть цоколя; 6 – резьба цоколя.

В настоящее время в сельском хозяйстве применяются лампы накаливания, в основном, на 220 и 235 В. Лампы накаливания общего назначения снабжаются цоколями Е27.

Обозначение ламп накаливания общего назначения:

Х2 – номинальное напряжение или диапазон напряжений, В;

Х3 – номинальная мощность, Вт (15…1000);

Х4 – отличительная особенность от базовой модели (1…9).

Пример маркировки: БК-215-225-100.

Колбы газонаполненных ламп накаливания заполняются смесью аргона или криптона и азота. Неодимовые лампы имеют колбу из стекла с добавлением окиси неодима, что улучшает спектр лампы (уменьшается изучение в жёлтой области спектра). Буквенное обозначение ламп накаливания в декоративной колбе начинается с буквы Д, далее указывается буквой форма колбы (абажур, свечеобразная, шаровая) и цвет колбы. Цифровая маркировка аналогична лампам накаливания общего назначения. Для светильников местного освещения используются лампы типа МО или МОЗ (с зеркальным покрытием колбы).

Продолжительность горения ламп накаливания в среднем 1000 ч, световая отдача (отношение светового потока к потребляемой мощности – показатель экономичности лампы) составляет до 19 лм/Вт.

Разновидностью ламп накаливания являются кварцевые галогенные лампы, имеющие более стабильный световой поток, малые габаритные размеры и массу, больший срок службы (до 3000 ч) и световую отдачу (до 30 лм/Вт).

Люминесцентные лампы низкого давления Газоразрядными источниками света называются уст­ройства, в которых невидимое ультрафиолетовое излучение плазмы (ионизированных паров металлов или газа) преобразуется с помощью люминофоров в излучение, воспринимаемое зрительно. Меняя виды люминоформа, можно варьировать цветовые характеристики ламп. Применяются люминесцентные лампы дневного (типа ЛД), белого (типа ЛБ), тепло-белого (типа ЛТБ) и холодно-белого (типа ЛХБ).

Люминесцентные лампы низкого давления благодаря высокой све­товой отдаче, улучшенному спектральному составу излучения и зна­чительному сроку службы нашли широкое применение для общего осве­щения производственных и общественных помещений.

Люминесцентная лампа – это длинная стеклянная трубка (кол­ба), внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора (рис. 4.18). В герметически закрытых торцах колбы 3 на молибденовых электродах 7, прикрепленных к стеклянной ножке 5, смонтирована вольфрамовая оксидированная моноспиралъ 6. К электродам спирали припаяны штырьки 1, изолированные от цоколя 2 лампы специальной мастикой. Из колбы лампы через отверстия в стеклянных ножках от­качивают воздух и вводят в нее инертный газ (аргон) и небольшое количество ртути (до 30 мг). Давление газа в колбе значительно ниже атмосферного, этим и объясняется название данного класса ламп. Электрический разряд в такой лампе начинается в атмосфере инертного газа, а затем по мере испарения ртути продолжается в ее парах. Длина волны излучения ртути соответствует ультрафиолетовой области спектра.

Рис. 4.18. Люминесцентная лампа низкого давления: 1 – ножки-штырьки; 2 – цоколь; 3 – стеклянная трубка (колба); 4 – люминофор; 5 – ножка; 6 – оксидированная моноспираль; 7 – электроды.

Люминесцентные лампы различают по форме и размерам колбы, мощности и спектральному составу или цветности излучения. Выпус­каемые промышленностью люминесцентные лампы отличаются только составом люминофора, следовательно, и спектральным составом излучения.

Структура обозначения люминесцентной лампы:

где Л – люминесцентная;

Х1 – цветность излучения (Б – белая, Г – голубая, Д – дневная, Е – естественная, ТБ – тепло-белая, З – зелёная, Ц – с улучшенной цветопередачей, ЦЦ – с очень хорошей цветопередачей);

Х2 – конструктивная особенность (К – кольцевая, У – U-образная);

Х3 – номинальная мощность, Вт;

Х4 – отличительная особенность от базовой модели.

Пример маркировки: ЛЕЦК 40-1.

Включение люминесцентных ламп в сеть возможно только с использованием специального пускорегулирующего аппарата – ПРА. Люминесцентные лампы в СНГ выпускают на мощности от 4 до 80 Вт. Средняя продолжительность горения люминесцентных ламп не менее 12000 ч, световая отдача – до 80 лм/Вт. В настоящее время наиболее совершенными являются люминесцентные лампы с диаметром колбы 16мм (так называемые лампы Т5), производимые, в частности, в Германии. Они имеют срок службы до 20000 ч, световую отдачу до 104 лм/Вт, у них значительно меньший спад светового потока в процессе горения, а масса ртути в лампе составляет 3. 5мг.

Таким образом, люминесцентные лампы значительно экономичнее и долговечнее ламп накаливания, однако они обладают и определёнными недостатками. К ним относятся более высокая стоимость, сложность включения в сеть (необходим ПРА), в то время как лампы накаливания включаются в сеть непосредственно (за исключением низковольтных галогенных ламп). Люминесцентные лампы являются неблагоприятными с точки зрения экологии, так как содержат ядовитое вещество – ртуть и должны утилизироваться на специализированных предприятиях. Кроме того, при питании люминесцентных ламп переменным напряжением промышленной частоты они с частотой 100 Гц гаснут и зажигаются, что создаёт пульсирующий световой поток, который утомляет зрение и вызывает стробоскопический эффект (искажённое восприятие вращающихся предметов). Использование электромагнитного ПРА приводит также к возникновению шума в процессе работы лампы и вызывает довольно значительные потери энергии в ПРА (потребляемая мощность ПРА доходит до 30% от мощности лампы).

Для устранения некоторых из указанных недостатков разработаны и выпускаются различные конструкции более дорогостоящих электронных ПРА, обеспечивающих питание люминесцентных ламп напряжением высокой частоты – до 40 кГц, что устраняет пульсации светового потока, шум, а также снижает потери энергии в ПРА в 2…3 раза. Конструктивно электронный ПРА представляет собой один небольшой блок без дополнительных элементов, который значительно компактнее электромагнитного ПРА (например, одна из моделей имеет размеры 66х46х28мм и массу не более 0,05 кг). В обозначении электронных ПРА могут указываться тип, количество и мощность подключаемых ламп, а также номинальное напряжение сети и другие параметры.

Выпускаются также компактные люминесцентные лампы (типов КЛЛ, КЛ и т. п.) мощностью от 5 до 57 Вт, срок службы до 10000 ч, световая отдача – до 75 лм/Вт, которые комплектуются только электронными ПРА, поэтому их стоимость достаточно высока.

К газоразрядным источникам света высокого давления относятся лампы типов ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и некоторые другие.

Лампы типа ДРЛ – дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления с исправленной цветностью – широко распространены для освещения производственных территорий, строительных площадок, проезжих частей дорог, а также промышленных помещений, не требующих вы­сокого качества цветопередачи.

Лампа (рис. 4.19) представляет собой прямую горелку 8 высокого давления, заключенную во внешнюю стеклянную колбу 9, то есть как бы лампу в лампе. На внутреннюю поверхность внешней колбы нанесен люминофор 10, предназначенный для преобра­зования ультрафиолетового излучения горелки в видимое. Колба го­релки выполнена из кварцевого стекла в виде цилиндрической труб­ки, в торцы которой впаяны вольфрамовые электроды 11. Внутри горелки находится аргон и дозированное количест­во ртути. Промышленность выпускает восемь типоразмеров ламп ДРЛ мощ­ностью от 50 до 2000 Вт для включения в сеть переменного тока но­минальным напряжением 220 и 380 В. В обозначении лампы, кроме типа указывается номинальная мощность и номер модификации.

Рисунок 4.19 Конструкция лампы типа ДРЛ:

1 – электроизоляционная стекломасса; 2 – стакан цоколя; 3 – стеклянная ножка лампы; 4, 11 – проводники; 5 – поджигающие электроды; 6 – омические сопротивления; 7 – горелка; 8 – стеклянная колба; 9 – люминофор; 10 – основные электроды; 12 – контактная шайба.

Металлогалогенные лампы типа ДРИ по конструкции в общих чер­тах подобны лампам типа ДРЛ. Их отличительная особенность заключается в том, что полость их горелки заполнена аргоном и дозированными компонентами в виде ртути и со­единений редкоземельных металлов (индия, талия и др.), а внешняя колба прозрачная, так как горелка является источником видимого излучения.

В обозначении ламп типа ДРИ(З) буквы обозначают: Д – дуговая, Р – ртут­ная, И – с излучающими добавками, 3 – зеркальная. Первое число после буквенного обозначения указывает номинальную мощность в ваттах, а второе после дефиса – номер разработки или модификации. Промыш­ленность изготавливает лампы типа ДРИ шести типоразмеров: от 250 до 3500 Вт. Световая отдача ламп ДРИ достигает 68…95 лм/Вт, средняя продолжительность горения 0,6…10 тысяч часов.

Натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) имеют самую большую световую отдачу среди всех газоразрядных ламп и отличаются незна­чительным снижением излучаемого светового потока на протяжении всего срока эксплуатации. Тонкостенную трубчатую горелку ламп ти­па ДНаТ изготавливают из поликристаллической окиси алюминия и за­полняют парами натрия и амальгамы натрия, ксеноном, парами ртути.

Для зажигания и работы газоразрядных ламп высокого давления необходимы специальные импульсные зажигающие устройства (ИЗУ).

В настоящее время существует ряд конструкций безэлектродных ламп, не содержащих ртути. К примеру, микроволновые серные лампы представляют собой колбу из кварцевого стекла диаметром 5…30мм, заполненную дозированным количеством серы и аргона. Разряд в лампе создаётся сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, подводимым извне. Колба обдувается воздухом и вращается для лучшего охлаждения. Срок службы указанных ламп ограничен только постепенным разрушением внешней поверхности колбы при обдувании от действия примесей, содержащихся в воздухе и может составлять до 45000 ч. Однако, срок службы источника СВЧ излучения значительно ниже, кроме того, указанный источник имеет значительные габариты и массу (несколько десятков килограммов). Перспективным источником света являются светодиоды, которые уже в настоящее время по экономичности не уступают лампам накаливания, а в будущем способны составить серьёзную конкуренцию как лампам накаливания, так и люминесцентным.

Лам­па ДРТ представляет собой трубку из кварцевого стекла, в концы ко­торой впаяны вольфрамовые электроды (рис. 4.20).

Рисунок 4.20 Конструкция лампы ДРТ: 1 – ввод; 2 – металлические хомутики; 3 – металлическая полоска; 4 – трубка из кварцевого стекла; 5 – держатель; 6 – электроды.

Мощность ламп ДРТ достигает 12000 Вт, продолжительность горения – 3000 ч.

Витальные (эритемные) люминесцентные лампы типа ЛЭ конструктивно не от­личаются от трубчатых люминесцентных ламп низкого давления, кроме сорта стекла, диаметра трубки и состава люминофора. Указанные лампы являются источником длинноволнового ультрафиолетового излучения, которое в определённых дозах благотворно влияет на сельскохозяйственных животных. Лампы выпускаются мощностью 15, 30, 40 Вт, продолжительность горения – до 5000 ч.

Бактерицидные лампы типа ДБ также конструктивно не отличаются от трубчатых люминесцентных ламп низкого давления. Но стекло не по­крыто люминофором, поэтому лампа является источником коротковолнового ультрафиолетового излучения, которое вызывает гибель различных микроорганизмов. Мощность указанных ламп – от 4 до 60 Вт, продолжительность горения – до 8000 ч.

Внутренняя часть колбы ламп-термоизлучателей, прилегающая к цоколю, покрыта зеркальным слоем, что позволяет перераспределить и концентрировать в заданном направлении излучаемый инфракрасный по­ток. Для снижения интенсивности видимого излучения часть колбы некоторых инфракрасных ламп покрывают красным (лампы ИКЗК) или синим (лампы ИКЗС) термостойким лаком.

Для облучения растений в теплицах и оранжереях используются специальные фотосинтезные лампы высокого давления типа ДРЛФ или ДРИФ мощностью 400 Вт, продолжительность горения – до 7000 ч, спектр которых приближен к солнечному.

Источник

Источники оптического излучения

1. Источники излучения

1.1 Типы источников излучения. Принципы их классификации

1.2 Симметричные и несимметричные источники излучения

1.3 Источники с различным спектральным распределением энергии

1.3.1 Тепловые источники излучения

1.3.2 Газоразрядные источники

1.3.3 Источники излучения на основе явления люминесценции

1.3.4 Оптические квантовые генераторы (лазеры)

Светотехника занимается теоретическим изучением процессов получения, преобразования и регистрации оптических излучений, а также решением разнообразных задач, связанных со светом. В частности, к ним относится разработка источников излучения различных типов, оптических инструментов и приборов, предназначенных для преобразования излучений. Светотехника занимается также приемниками излучения, предназначенными для измерения характеристик излучения, либо фотографической их регистрации. Большое место в современной светотехнике занимают проблемы, связанные с синтезом, измерением и регистрацией цветов.

Различают тепловые источники света, в которых свет возникает при нагревании тел до высокой температуры, и люминесцентные, в которых свет возникает в результате превращения тех или иных видов энергии непосредственно в оптическое излучение, независимо от теплового состояния излучающего тела. Искусственные источники света могут подразделяться: по роду используемой энергии на химические, электрические, радиоактивные и др., по назначению на осветительные, сигнальные и т.п. Каждый из типов, в свою очередь, может классифицироваться по различным дополнительным признакам, например по конструктивно-технологическим, эксплуатационным.

1. Источники излучения

1.1 Типы источников излучения. Принципы их классификации

Классификация источников излучения может осуществляться по различным признакам, например:

а) по размеру источников излучения;

б) по характеру распределения силы излучения в пространстве (по форме фотометрического тела);

в) по спектральному распределению потока излучения (световому потоку);

г) по времени действия излучения;

д) по цветовой температуре.

Источники делятся на искусственные и естественные.

Основные электрические параметры источников света:

Свет точечного источника отражается от идеального рассеивателя по закону косинусов Ламберта: интенсивность отраженного света пропорциональна косинусу угла между направлением света и нормалью к поверхности

B зависимости от соотношения размеров излучателя и расстояния его до исследуемой точки фотоприемника источники излучения можно условно разделить на две группы:

а) точечные источники излучения;

б) источники конечных размеров (линейные источники излучения).

Источник излучения, у которого размеры значительно меньше расстояния до исследуемой точки, называют точечным. Зa точечный источник принимают такой, максимальный размер (l) которого не менее чем в 10 раз меньше расстояния до приемника излучения (r) (рис.1). Для таких источников излучения соблюдается закон обратных квадратов, согласно которому освещенность поверхности прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния между излучателем и облучаемой поверхностью.

Рис.1. К определению понятия «точечный источник излучения»

К группе излучателей конечных размеров относят те излучатели, у которых относительные размеры по всем направлениям больше размеров точечного излучателя. По мере удаления от исследуемой точки относительные размеры такого излучателя могут достигнуть такого значения, при котором данный излучатель можно будет принять за точечный.

1.2 Симметричные и несимметричные источники излучения

По характеру распределения силы излучения (света) точечные источники можно разделить на симметричные и несимметричные.

Такое деление обусловлено различной формой фотометрического тела. Под фотометрическим телом излучателя понимают распределение силы излучения (света) в пространстве. Симметричные источники излучения имеют одинаковые значения потока излучения или светового потока по всем направлениям, составляющим одинаковые углы с осью симметрии излучателя. Cимметричный излучатель представляет собой фотометрическое тело в виде тела вращения вокруг своей оси (рис.2). Для такого источника все значения силы излучения (света) под любым углом а к оси симметрии источника будут одинаковы.

Рис.2 Модель симметричного излучателя

Этo позволяет пространственное распределение силы света выразить в виде графических кривых . Такие кривые строят в полярной или прямоугольной системе координат для вертикального или горизонтального сечения фотометрического тела (рис.3). Прямоугольную систему координат применяют для источников с распределением потоков излучения в пределах небольшого угла, например у прожекторов.

Рис.3. «Поперечная кривая» распределения силы света симметричного источника.

При сечении симметричного фотометрического тела вертикальной плоскостью по оси симметрии получают так называемую «продольную кривую» распределения силы света. Так как она симметрична, то ее строят обычно в пределах от 0 до 180°.

Сечение симметричного фотометрического тела горизонтальной плоскостью, проходящей перпендикулярно оси симметрии через центр источника, позволяет получить «поперечную кривую» распределения силы света.

Несимметричные излучатели не обладают симметрией распределения сил света, относительно оси вследствие чего их фотометрическое тело отличается от тела вращения и значения силы света неодинаковы для различных продольных плоскостей. В связи с этим строят семейство продольных кривых силы излучения, соответствующих различным направлениям в пространстве. Строят графическое распределение силы света в виде семейства кривых при = const в полярной системе координат (рис.4).

Рис.4. «Продольные кривые» распределения силы света несимметричного источника

1.3 Источники с различным спектральным распределением энергии

По спектральному распределению в светотехнике различают три основных вида источников излучения: тепловые, газоразрядные и лазерные. Последние основаны на явлении индуцированной (вынужденной) люминесценции.

Важнейшей характеристикой этих источников является спектральный состав излучения. Чаще всего он изображается графически в виде кривой спектрального распределения энергии. В зависимости от вещества излучателя спектры имеют различный характер. Различают спектры излучения линейчатые, полосатые и непрерывные (сплошные).

1.3.1 Тепловые источники излучения

Любое тело, имеющее цветовую температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Если возбужденное состояние атомов и молекул этого тела вызвано нагреванием, то излучение, посылаемое этим телом в пространство, является тепловым.

Тепловое излучение возникает в результате изменения энергетических состояний электронов и ионов, входящих в состав излучающего тела, независимо от его агрегатного состояния. Однако для светотехники наибольший интерес представляют твердые тела. Излучение таких источников состоит из бесконечно большого числа монохроматических излучений, мощность которых непрерывно меняется с изменением длины волны (рис.5).

Абсолютно черным телом называется такое тело, которое способно полностью поглотить все падающие на него излучения. Поэтому, согласно закону Кирхгофа, такое тело испускает при данной температуре большую энергию, чем любой другой источник. Модель абсолютно черного тела можно получить, если в полом шаре из непрозрачного и зачерненного изнутри материала сделать отверстие. При этом весь свет, попадающий в полость шара, практически полностью поглощается.

1.3.2 Газоразрядные источники

Газоразрядные источники света, приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и др. вещества (например, ртуть), находящиеся в парообразном состоянии.

В источниках этого типа используются излучения газов, возникающие под действием проходящего через них тока. Большое число газов и паров металлов, в которых можно получить достаточно мощный разряд, обусловило возможность создания большого числа разновидностей. Газоразрядных ламп. Газоразрядный источник света представляет собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, иногда некоторое количество металла или др. вещества (галоидной соли) с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы (впаяны) электроды, между которыми происходит разряд. Существуют газоразрядные источники света с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа, например угольная дуга.

Газоразрядный источник света применяют для общего освещения, облучения, сигнализации и др. целей. В Газоразрядные источники света для общего освещения важны высокая световая отдача, приемлемый цвет, простота и надёжность в эксплуатации. Наиболее массовыми газоразрядными источниками света для общего освещения являются люминесцентные лампы Газоразрядные источники образуют линейчатый спектр, определяемый составом инертных газов или паров металлов, в которых происходит электрический разряд. В результате этого процесса атомы или молекулы газа возбуждаются электронным ударом и затем, испуская свет, переходят в исходное состояние. Примером такого источника может служить ртутная лампа высокого давления (Рис.6). Представленное на рисунке расположение спектральных линий свойственно только ртути.

Рис.6. Спектральное распределение энергии ртутной лампы высокого давления.

У источников с линейчатым спектром излучение происходит в пределах узкого участка спектра. Поток излучения источника с таким линейчатым спектром складывается из монохроматических потоков отдельных линий:

где — общий поток излучения источника с линейчатым спектром; , , , …. -монохроматические потоки излучения отдельных линий.

Цвет излучения и характер спектра зависят от состава газа или пара, наполняющего источник света, и условий разряда. Подбирая соответствующие газ и условия разряда, получают излучение в любой части спектра.

Газоразрядные лампы могут быть непрерывного или импульсного горения. В газоразрядных лампах непрерывного горения используют преимущественно тлеющий и дуговой разряды.

Для тлеющего разряда характерны малое давление газа или паров металла, заполняющих разрядный промежуток, и малая плотность тока на электродах лампы. Лампы тлеющего разряда имеют, как правило, форму длинных трубок. Вследствие малых плотностей тока интенсивность излучения таких источников сравнительно невелика.

Дуговой разряд происходит при больших плотностях тока. Этот вид разряда наиболее широко используется в газоразрядных лампах, поскольку с его помощью удается создать источники света большой яркости при сравнительно низких рабочих напряжениях.

Импульсные газоразрядные лампы используют для создания как редких, но мощных импульсов, так и частых, но менее мощных. Длительность вспышки импульсных ламп составляет короткий промежуток времени. В связи с этим, несмотря на большую силу света в импульсе суммарная мощность импульсов достаточно мала.

1.3.3 Источники излучения на основе явления люминесценции

Под люминесценцией понимают способность ряда веществ излучать энергию, накопленную в пределах атома при переходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие. В зависимости от того, за счет какой энергии происходит возбуждение атома, различают фотолюминесценцию, хемилюминесценцию, катодолюминесценцию и т.д.

Падающий на вещество свет частично отражается, а частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на него излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества. Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Чаще всего фотолюминесценция используется в лампах дневного света.

Люминесценция и, в частности, фотолюминесценция используются в источниках света, в которых УФ-лучи при помощи люминофора преобразуются в излучение видимой зоны спектра. Чаще всего фотолюминесценция используется в лампах дневного света.

Причем основную часть лучистого потока такого источника составляют излучения именно люминофора.

При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным. Это явление называется хемилюминесценцией. Летом в лесу можно ночью увидеть насекомое светлячка. На теле у него «горит» маленький зеленый «фонарик». Светящееся пятнышко на его спинке имеет почти ту же температуру, что и окружающий воздух. Свойством светиться обладают и другие живые организмы: бактерии, насекомые, многие рыбы, обитающие на большой глубине. Часто светятся в темноте кусочки гниющего дерева.

Созданные на основе этого явления люминесцентные источники (лампы) представляют собой стеклянную трубку с откачанным воздухом, внутри которой находятся небольшое количество ртути и малая доза инертного газа.

Рис.7. Спектр излучения люминесцентной лампы

Порошкообразные люминофоры наносят на внутреннюю поверхность трубки в виде тонкого равномерного слоя. Образующийся при включении электрический заряд в парах ртути дает линейчатый спектр, большая часть которого излучается в УФ-зоне на длине волны 254 нм. Это коротковолновое излучение ртути возбуждает видимое свечение люминесцентного покрытия внутри трубки. В зависимости от соотношения люминофоров в смеси люминесцентная лампа дает свечение голубоватого, желтоватого или белого цвета. Кроме излучения люминесцентного покрытия в свете люминесцентной лампы присутствуют и линии ртутного спектра, проникающие сквозь слой люминофора рис.7).

1.3.4 Оптические квантовые генераторы (лазеры)

Устройство лазеров основано на управлении энергетическим состоянием атомов и молекул вещества, из которого они изготовлены. У рассмотренных ранее тепловых источников излучение света также связано с переходом атомов из одного состояния в другое. Однако эти переходы в тепловых источниках излучения хаотичны во времени, и поэтому излучаемые ими световые волны одновременно находятся в различных фазах. В лазерах процесс излучения у всех атомов происходит одновременно. Поэтому световые волны в излучении лазеров абсолютно когерентны, т.е. в одной и той же фазе.

Если создать систему возбужденных активных атомов (лазерную активную среду) и пропустить через нее излучение, то возможно усиление этого излучения. Такое усиление оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется лазерным усилением.

Упрощенную структурную схему лазера можно представить в виде следующих основных элементов (рис.8).

1. Источник энергии, обеспечивающий создание энергии накачки. Под накачкой лазера подразумевается процесс возбуждения вещества, приводящего к возникновению лазерной активной среды. В зависимости от вида подводимой энергии различают оптическую, электрическую, электронную, химическую накачку.

Рис.8. Упрощенная структурная схема лазера

2. Излучатель лазера, преобразующий энергию накачки в лазерное излучение и содержащий один или несколько активных элементов:

б) лазерный активный элемент, содержащий вещество, в котором создается активная среда в процессе накачки;

в) оптический резонатор.

Структурная схема лазера обычно бывает дополнена еще рядом элементов, обеспечивающих работоспособность лазера или служащих для управления лазерным излучением.

По типу применяемого активного элемента лазеры подразделяются на полупроводниковые, газовые, твердотельные и жидкостные. По характеру свечения лазеры делятся на импульсные и непрерывного свечения. Для полиграфии наибольший интерес представляют газовые и твёрдотельные лазеры.

Наиболее распространенным типом газоразрядного лазера является гелий-неоновый, работающий на тлеющем разряде. Под действием разряда происходит возбуждение атомов гелия, которые при соударении передают энергию атомам неона, имеющим точно такие же уровни возбуждения.

Твердотельные лазеры отличаются от газовых принципиально только характером накачки. В качестве активной среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции.

Источники света, излучатели электромагнитной энергии в видимой (или оптической, т.е. не только видимой, но и ультрафиолетовой и инфракрасной) области спектра.

1. Чуркин А.В., Уарова P. M., Шашлов А.Б. Основы светотехники. Учебное пособие. М.: МГУП, 1999 г.

2. Основы светотехники ч, 1. Лабораторные работы. Уарова P. M., Чуркин А.В., Шашлов А.Б. М.: МГУП, 2001 г.

3. Основы светотехники ч.2. Лабораторные работы. Шашлов Б.А., Чуркин А.В., Шашлов А.Б. М.: МГАП «Мир книги», 1996г.

4. Шашлов Б.А. Цвет и цветовоспроизведение. М.: МГАП «Мир книги», 1996 г.

5. Основы светотехники ч.1. и ч.2. Контрольные работы и методические указания по циклу общепрофессиональных дисциплин по специальности 281400. Уарова P. M., Шашлов А.Б., Чуркин А.В.М. МГУП, 1999 г., с.110-171.

Источник