Izvori optičkog zračenja

Izvori optičkog zračenja (drugim riječima, izvori svjetlosti) su mnogi prirodni objekti, kao i umjetno stvoreni uređaji u kojima se određene vrste energije pretvaraju u energiju elektromagnetska radijacija s valnom duljinom od 10 nm do 1 mm.

U prirodi takvi izvori, koji su nam odavno poznati, jesu: sunce, zvijezde, munje i dr. Što se tiče umjetnih izvora, ovisno o tome koji proces dovodi do pojave zračenja, da li je prisilno ili spontano, ono je mogućnost odabira koherentnih i nekoherentnih izvora optičkog zračenja.

Koherentno i nekoherentno zračenje

Laseri odnose se na izvore koherentnog optičkog zračenja. Njihov spektralni intenzitet je vrlo visok, zračenje se odlikuje visokim stupnjem usmjerenosti, karakterizira ga monokromatičnost, odnosno valna duljina takvog zračenja je konstantna.

Većina izvora optičkog zračenja su nekoherentni izvori, čije je zračenje rezultat superpozicije velikog broja elektromagnetskih valova koje emitira skupina više elementarnih emitera.

Umjetni izvori optičkog nekoherentnog zračenja mogu se klasificirati prema vrsti zračenja, prema vrsti energije pretvorene u zračenje, prema načinu pretvaranja te energije u svjetlost, prema namjeni izvora, prema pripadnosti određenom dijelu spektra (infracrveni, vidljivi ili ultraljubičasti), ovisno o vrsti konstrukcije, načinu uporabe i sl.

Parametri svjetla

Optičko zračenje ima svoje svjetlosne ili energetske karakteristike. Fotometrijske karakteristike uključuju: tok zračenja, svjetlosni tok, intenzitet svjetlosti, svjetlinu, osvijetljenost itd. Izvori kontinuiranog spektra razlikuju se po svjetlini ili temperaturi boje.

Ponekad je važno znati osvjetljenje koje proizvodi izvor ili neku nestandardnu ​​karakteristiku, na primjer tok fotona. Izvori impulsa imaju određeno trajanje i oblik emitiranog impulsa.

Svjetlosna učinkovitost, ili spektralna učinkovitost, određuje koliko se učinkovito energija isporučena izvoru pretvara u svjetlost. Tehničke karakteristike, kao što su ulazna snaga i energija, dimenzije svjetlećeg tijela, otpornost na zračenje, raspodjela svjetlosti u prostoru i životni vijek, karakteriziraju umjetne izvore optičkog zračenja.

Izvori optičkog zračenja mogu biti toplinski s ravnotežno zagrijanim svjetlećim tijelom u kondenziranom stanju, kao i luminiscentni s nejednoliko pobuđenim tijelom u bilo kojem agregatnom stanju. Posebna vrsta su plazma izvori kod kojih priroda zračenja ovisi o parametrima plazme i spektralnom intervalu, a zračenje može biti toplinsko ili luminiscentno.

Toplinski izvori optičkog zračenja odlikuju se kontinuiranim spektrom, njihove energetske karakteristike poštuju zakone toplinskog zračenja, gdje su glavni parametri temperatura i emisivnost svjetlećeg tijela.

Uz faktor 1, zračenje je ekvivalentno zračenju apsolutno crnog tijela u blizini Sunca s temperaturom od 6000 K. Umjetni izvori topline zagrijavaju se električnom strujom ili energijom kemijske reakcije izgaranja.

Plamen pri izgaranju plinovite, tekuće ili krute zapaljive tvari karakterizira kontinuirani spektar zračenja s temperaturom koja doseže 3000 K zbog prisutnosti mikročestica krutog filamenta. Ako nema takvih čestica, spektar će biti prugast ili linearan, tipičan za plinovite proizvode izgaranja ili kemikalije koje se namjerno unose u plamen radi spektralne analize.

Projektiranje i primjena izvora topline

Signalna ili svjetleća pirotehnika, poput raketa, vatrometa i sl., sadrži stlačene smjese koje sadrže zapaljive tvari s oksidansom. Izvori infracrvenog zračenja obično su keramička ili metalna tijela različitih veličina i oblika koja se zagrijavaju plamenom ili katalitičkim izgaranjem plina.

Električni odašiljači infracrvenog spektra imaju spirale od volframa ili nikroma, zagrijavane propuštanjem struje kroz njih i smještene u omotače otporne na toplinu, ili odmah izrađene u obliku spirala, šipki, traka, cijevi itd. — od vatrostalnih metala i legura, ili drugih sastava: grafit, metalni oksidi, vatrostalni karbidi. Emiteri ove vrste koriste se za grijanje prostora, u raznim studijama iu industrijskoj toplinskoj obradi materijala.

Za infracrvenu spektroskopiju koriste se referentni emiteri u obliku štapića, kao što su Nernst pin i Globar, koje karakterizira stabilna ovisnost emisivnosti o temperaturi u infracrvenom dijelu spektra.

Mjeriteljska mjerenja uključuju proučavanje emisija iz modela apsolutnog crnog tijela gdje ravnotežna emisivnost ovisi o temperaturi; Takav model je šupljina zagrijana na temperature do 3000 K, izrađena od vatrostalnog materijala određenog oblika s malim ulazom.

Žarulje sa žarnom niti danas su najpopularniji izvori topline u vidljivom spektru. Koriste se u svrhu osvjetljenja, signalizacije, u projektorima, projektorima, osim toga, služe kao standardi u fotometriji i pirometriji.

Danas na tržištu postoji više od 500 standardnih veličina žarulja sa žarnom niti, u rasponu od minijaturnih do snažnih reflektora. Tijelo žarne niti obično je izrađeno u obliku volframove niti ili spirale i zatvoreno je u staklenu tikvicu napunjenu inertnim plinom ili vakuumom. Životni vijek takve svjetiljke obično završava kada žarna nit izgori.

Žarulje sa žarnom niti su halogene, a žarulja se puni ksenonom uz dodatak joda ili hlapljivih spojeva broma, koji osiguravaju obrnuti prijenos isparenog volframa iz žarulje - natrag u tijelo žarne niti. Takve lampe mogu trajati do 2000 sati.

Volframova nit postavljena je ovdje unutar kvarcne cijevi koja se zagrijava radi održavanja halogenog ciklusa. Ove lampe rade u termografiji i kserografiji i mogu se naći gotovo svugdje gdje služe obične žarulje sa žarnom niti.

U električnim svjetiljkama izvor optičkog zračenja je elektroda, odnosno užareno područje katode tijekom lučnog pražnjenja u žarulji punjenoj argonom ili na otvorenom.

Fluorescentni izvori

U luminiscentnim izvorima optičkog zračenja, plinovi ili fosfori pobuđeni su protokom fotona, elektrona ili drugih čestica ili izravnim djelovanjem električnog polja, koji pod tim okolnostima postaju izvori svjetlosti. Spektar emisije i optički parametri određeni su svojstvima fosfora, kao i energijom pobude, jakošću električnog polja itd.

Jedna od najčešćih vrsta luminiscencije je fotoluminiscencija, u kojoj spektar zračenja primarnog izvora postaje vidljiv. Ultraljubičasto zračenje pražnjenja pada na fosforni sloj, a fosfor pod tim uvjetima emitira vidljivu svjetlost i blisku ultraljubičastu svjetlost.

Štedne žarulje su jednostavno kompaktne fluorescentne svjetiljke koje se temelje na ovom efektu. Takva žarulja od 20 W daje svjetlosni tok jednak svjetlosnom toku žarulje sa žarnom niti od 100 W.

Zasloni katodnih cijevi su katodoluminiscentni izvori optičkog zračenja. Zaslon obložen fosforom pobuđuje snop elektrona koji leti prema njemu.

LED diode koriste princip injekcijske elektroluminiscencije na poluvodiče. Ovi izvori optičkog zračenja proizvode se kao diskretni proizvodi s optičkim elementima. Koriste se za indikaciju, signalizaciju, rasvjetu.

Optička emisija tijekom radioluminiscencije pobuđena je djelovanjem raspadajućih izotopa.

Kemiluminiscencija je pretvaranje energije kemijskih reakcija u svjetlost (vidi također vrste luminiscencije).

Svjetlosni bljeskovi u scintilatorima pobuđeni brzim česticama, prolaznim zračenjem i Vavilov-Čerenkovljevim zračenjem koriste se za detekciju pokretnih nabijenih čestica.

Plazma

Plazma izvori optičkog zračenja odlikuju se linearnim ili kontinuiranim spektrom, kao i energetskim karakteristikama koje ovise o temperaturi i tlaku plazme, a nastaju u električnom pražnjenju ili drugom metodom proizvodnje plazme.

Parametri zračenja variraju u širokom rasponu, ovisno o ulaznoj snazi ​​i sastavu tvari (vidi također plinske žarulje, plazma). Parametri su ograničeni ovom snagom i otpornošću materijala. Izvori pulsne plazme imaju veće parametre od kontinuiranih.