Джерела і приймачі оптичного випромінювання (стр. 1 из 3)

ДЖЕРЕЛА І ПРИЙМАЧІ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

1. Теплове випромінювання

Однією з форм енергії є оптичне випромінювання, виникнення якого пов'язане із зміною енергетичних станів електронів в атомі, а також з коливальним або обертальним рушенням молекул, що входять до складу випромінюючого тіла. Оптичне випромінювання включає теплове (температурне) і люмінесцентне випромінювання.

Під тепловим випромінюванням розуміють випромінювання, яке виникає внаслідок теплового збудження атомів і молекул. Воно випускається всіма тілами при температурах, відмінних від абсолютного нуля, і характеризується температурою тіла. Теплове випромінювання твердих і рідких тіл має безперервний спектр. Люмінесцентне випромінювання виникає при збудженні атомів і молекул речовини за рахунок будь-якого вигляду енергії, крім теплової, наприклад, енергії хімічних реакцій, електричного струму і т.д. Теплове і люмінесцентне випромінювання є некогерентний і розповсюджуються в просторі у різних напрямах. Одночасно з випущенням випромінювання кожне тіло поглинає падаюче на нього випромінювання, внаслідок чого встановлюється рівноважна температура. Спектральні випромінювальні властивості тіл характеризуються спектральною щільністю енергетичної світності, а поглинальні властивості – спектральним коефіцієнтом поглинання, який показує, яка частина падаючого на поверхню тіла монохроматичного потоку випромінювання при певній температурі

і довжині хвилі поглинається. Тіло, що повністю поглинає весь падаючий потік незалежно від напряму падіння, спектрального складу і поляризації випромінювання, називають чорним тілом. Випромінювання цього джерела підкоряється законам, якізастосовуються також для розрахунку випромінювання реальних тіл з використанням поправочних коефіцієнтів.

Кількісний зв'язок між процесами випущення і поглинання енергії випромінювання для будь-якого тіла встановлює закон Кирхгофа. Згідно з цим законом для певної довжини хвилі при даній температурі відношення спектральної щільності енергетичної світності

до спектрального коефіцієнта поглинання є величина постійна для будь-яких тіл незалежно від їх природи і форми:

.

Оскільки для чорного тіла

, то із закону Кірхгофа випливає, що спектральна щільність

,

тобто чим вище коефіцієнт поглинання тіла, тим кращим випромінювачем воно є.

Розподіл енергії в спектрі випромінювання чорного тіла описується законом Планка:

, (1)

де

- постійна, рівна ; - постійна, рівна ; - основа натурального логарифма.

Криві розподіли спектральної щільності енергетичної світності, розраховані по формулі Планка, представлені на рис. 1. Для цих кривих довжина хвилі

в мікрометрах, відповідна найбільшій спектральній щільності

; (2)

. (3)

Закон Стефана Больцмана описує залежність між енергетичною світністю

чорного тіла і його температурою:

,

де

. Оскільки випромінювання чорного тіла підкоряється закону Ламберта, то

.

Для обчислення спектральної щільності енергетичної світности формулу (1) записують з використанням відносних величин

і :

, (4)

де

; .

Формулу (4) називають рівнянням єдиної ізотермічної кривої, яка може бути представлена у вигляді єдиного графіка або таблиці значень

. Користуючись цими даними, можна визначити для будь-якої довжини хвилі і температури. Для обчислення за формулами (2), (3) розраховують і . Знаючи , з таблиці або графіка знаходять , а потім визначають .

У природі чорних тіл не існує. Реальні випромінювачі, у яких

, звичайно розділяють на тіла з селективним (виборчим) випромінюванням і тіла з сірим випромінюванням. Для характеристики наближення випромінювання реального тіла при даній температурі до випромінювання чорного тіла при тій же температурі вводиться інтегральний і спектральний коефіцієнти випромінювання:

; , (5)

де

, , , - відповідно енергетична світність і спектральна щільність енергетичної світності реального і чорного тіл.

Значення

і для різних випромінювачів визначаються експериментально.

2. Теплові і газоразрядні джерела випромінювання. Світлодіоди

З фізичної точки зору будь-яке тіло, що здатне випромінювати енергію навкруги, можна назвати джерелом випромінювання. Всі існуючі джерела випромінювання можна розділити на дві групи: штучні і природні, які в свою чергу класифікуються або за фізичною природою випромінювання, або за призначенням.

До природнихджерел випромінювання відносяться Сонце, Місяць, планети, зірки, поверхня Землі, хмари, атмосфера. Природні джерела, випромінювання яких не можна регулювати, як правило, використовуються в системах пасивного типу або для наукових досліджень. Крім того, їх випромінювання є фоном, що створює перешкоди при роботі оптико-електронних приладів.

Найбільше практичне значення мають штучні джерелавипромінювання, які можна розділити на технічні і зразкові (модель чорного тіла, порожнисті випромінювачі, імітатори випромінювання). До основних технічних джерел відносяться теплові (температурні), люмінесцентні, змішаного випромінювання і лазери.

Теплові джерела. Випромінювання цих джерел підкоряється законам теплового випромінювання. Типовими представниками теплових джерел є електричні лампи розжарювання, штифт Нернста, силитовий випромінювач, моделі чорного тіла.

Електричні лампи розжарюваннявикористовують як джерела випромінювання в інфрачервоній і видимій областях спектра. Джерелом випромінювання в електричних лампах розжарювання служить нитка з тугоплавкого чистого металу або тугоплавких з'єднань металу. Матеріал тіла напруження повинен мати високу температуру плавлення, мінімальну швидкість випаровування і необхідну спектральну характеристику випромінювання. З чистих металів цим вимогам найбільш повно задовольняє вольфрам (температура плавлення

). З тугоплавких з'єднань найбільш придатний карбід тантала. Широке застосування ламп розжарювання пояснюється можливістю їх включення в мережу живлення без додаткових пристроїв, суцільним спектром випромінювання, відпрацьованою технологією виготовлення в широкому діапазоні потужностей, малою вартістю і високою надійністю.

Лампи розжарювання характеризуються температурою тіла напруження, яскравістю, світловим потоком, світловою віддачею, споживаною потужністю і робочим напруженням. Світлові і енергетичні параметри ламп розжарювання визначає температура тіла напруження. Економічність роботи лампи характеризується світловою віддачею, що визначається відношенням світлового потоку до загальної потужності випромінювання. У цей час випускаються Лампи розжарювання самого різного призначення для різних Областей застосування. Позначення ламп має таку структуру:

де 1 – буквене позначення (ОП – оптична, ІЧ – інфрачервона з кремнієвим вікном, Г – галогенна, М – малогабаритна, К – кіноапаратурна і т.д.); 2 – напруження живлення у вольтах; 3 – електрична потужність у ватах; 4 – відмінність від базової моделі.