Источники оптического излучения (стр. 3 из 4)

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.

Явление фотолюминесценции нашло широкое применение при создании источников излучения. Сущность фотолюминесценции состоит в фото возбуждении люминофора - вещества с дефектами кристаллической решетки. Оно способно светить как в процессе возбуждения, так и после - фотонами поглощенного УФ-излучения оптической части спектра.

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.

Люминесцентные лампы - второй в мире по распространенности источник света, а в Японии они занимают даже первое место, обогнав лампы накаливания. Ежегодно в мире производится более одного миллиарда люминесцентных ламп Люминесцентная лампа - это типичный разрядный источник света низкого давления, в котором разряд происходит в смеси паров ртути и инертного газа, чаще всего - аргона.

Рис.7. Спектр излучения люминесцентной лампы

Срок службы обычных люминесцентных ламп определяется двумя факторами: спадом светового потока за счет "отравления" люминофора атомами ртути и продуктами распыления электродов и потерей эмиссионной способности электродов из-за полного расхода активирующего покрытия. Существуют лампы с защитной пленкой на люминофоре, значительно уменьшившей спад светового потока, и срок службы ламп нового поколения (Т5) определяется, в основном, уже только эмиссионной способностью электродов. Поэтому создание ламп без электродов - это реальный путь повышения срока службы люминесцентных ламп.

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)

Лазер - прибор, являющийся генератором вынужденного, когерентного во времени и пространстве излучения.

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.

Для того чтобы лазер-усилитель превратить в лазер-генератор излучения, вводят положительную обратную связь. В качестве звена положительной обратной связи используют оптические резонаторы. Они состоят из двух полупрозрачных зеркал и обеспечивают многократное прохождение волны излучения через активное вещество. В общем случае оптический резонатор - это система отражающих, преломляющих и других оптических элементов в пространстве, между которыми могут возбуждаться волны оптического излучения.

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:

а) систему накачки - ряд элементов, предназначенных для преобразования энергии и передачи ее от источника энергии к лазерному активному элементу;

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.

Существующие газовые лазеры обеспечивают генерацию в широком диапазоне, с ультрафиолетового до далекой инфракрасной области спектра. Активной средой газовых лазеров является образующаяся при возникновении электрического заряда газоразрядная плазма. Используются два типа разрядов: дуговой - сильный высокотемпературный разряд с высокой степенью ионизации плазмы; тлеющий - низкотемпературный, с низкой степенью ионизации плазмы.

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.

Заключение

Светотехника - область науки и техники, предметом которой являются исследование принципов и разработка способов генерирования, пространственного перераспределения и измерения характеристик оптического излучения, а также преобразование его энергии в другие виды энергии и использование в различных целях. Светотехника включает в себя также конструкторскую и технологическую разработку источников излучения и систем управления ими, осветительных, облучательных и светосигнальных приборов, устройств и установок, нормирование, проектирование, монтаж и эксплуатацию светотехнических установок.