1.3.1 Теплові джерела випромінювання
Теплові джерела світла використовують властивість тел випромінювати при нагріванні променисту енергію. При досить високій температурі це випромінювання переходить в область видимого - тіло починає світитися. Світлове випромінювання збільшується зі збільшенням температури тіла.
Будь-яке тіло, що має колірну температуру вище абсолютного нуля, випромінює енергію. Якщо збуджений стан атомів і молекул цього тіла викликано нагріванням, то випромінювання, що посилається цим тілом в простір, є тепловим.
Теплове випромінювання виникає в результаті зміни енергетичних станів електронів та іонів, що входять до складу випромінюючого тіла, незалежно від його агрегатного стану. Однак для світлотехніки найбільший інтерес представляють тверді тіла. Випромінювання таких джерел складається з нескінченно великого числа монохроматичних випромінювань, потужність яких безперервно змінюється зі зміною довжини хвилі (рис.5).
Рис.5. Спектральний розподіл енергії теплових джерел: 1 - лампи розжарювання; 2 - Сонця
Прикладом теплового джерела може служити звичайна лампа розжарювання, що має зазвичай випромінюючий елемент у вигляді нитки або спіралі з вольфраму. Крім основних електричних (номінальну напругу, потужність), світлотехнічних (світловий потік, сила світла) і експлуатаційних (термін служби) параметрів лампи розжарювання мають ще одну важливу характеристику - світлову віддачу. Ця величина, що виражається в лм / Вт, показує скільки світла (лм) випромінює лампа на кожен ват електричної енергії, що підводиться до лампи. Чим вище світлова віддача, тим краще здійснюється перетворення електричної енергії в світлову. Світлова віддача ламп розжарювання невисока і складає 7-22 лм / Вт.
Використовувані на практиці в якості джерел освітлення теплові випромінювачі в великій мірі відрізняються один від одного по спектрального складу і потужності випромінювання. Для характеристики теплових джерел з метою їх практичного застосування і можливості їх порівняння між собою використовують штучну модель теплового випромінювача - абсолютно чорне тіло.
А
Колірна температура - при якій відносний спектральний склад його випромінювання тотожний складу випромінювання реального тіла. Поняття колірної температури може бути застосовано тільки до теплових джерел з безперервним спектром випромінювання. Лише з достатньою часткою наближення можна характеризувати колірною температурою джерела змішаного випромінювання.
1.3.2 Газорозрядні джерела
Газорозрядні джерела світла, прилади, в яких електрична енергія перетворюється в оптичне випромінювання при проходженні електричного струму через гази і ін. Речовини (наприклад, ртуть), що знаходяться в пароподібному стані.
У джерелах цього типу використовуються випромінювання газів, що виникають під дією проходить через них струму. Велике число газів і парів металів, в яких можна отримати досить потужний розряд, зумовило можливість створення великого числа різновидів. Газорозрядних ламп. Газорозрядний джерело світла являє собою скляну, керамічну або металеву (з прозорим вихідним вікном) оболонку циліндричної, сферичної або іншої форми, що містить газ, іноді кілька металу або ін. Речовини (галоїдні солі) з досить високою пружністю пара. В оболонку герметично вмонтовані (впаяні) електроди, між якими відбувається розряд. Існують газорозрядні джерела світла з електродами, що працюють у відкритій атмосфері або протоці газу, наприклад вугільна дуга.
Газорозрядний джерело світла застосовують для загального освітлення, опромінення, сигналізації та ін. Цілей. У Газорозрядні джерела світла для загального освітлення важливі висока світлова віддача, прийнятний колір, простота і надійність в експлуатації. Найбільш масовими газорозрядними джерелами світла для загального освітлення є люмінесцентні лампи Газорозрядні джерела утворюють лінійчатий спектр, який визначається складом інертних газів або парів металів, в яких відбувається електричний розряд. В результаті цього процесу атоми або молекули газу збуджуються електронним ударом і потім, випускаючи світло, переходять в початковий стан. Прикладом такого джерела може служити ртутна лампа високого тиску (Рис.6). Представлене на малюнку розташування спектральних ліній властиво тільки ртуті.
Рис.6. Спектральний розподіл енергії ртутної лампи високого тиску.
У джерел з лінійчатим спектром випромінювання відбувається в межах вузького ділянки спектра. Потік випромінювання джерела з таким лінійчатим спектром складається з монохроматичних потоків окремих ліній:
де - загальний потік випромінювання джерела з лінійчатим спектром; ,,, .... -монохроматіческіе потоки випромінювання окремих ліній.
Колір випромінювання і характер спектра залежать від складу газу або пари, що наповнює джерело світла, і умов розряду. Підбираючи відповідні газ і умови розряду, отримують випромінювання в будь-якій частині спектра.
Газорозрядні лампи можуть бути безперервного або імпульсного горіння. У газорозрядних лампах безперервного горіння використовують переважно тліючий і дугового розряди.
Для тліючого розряду характерні малий тиск газу або парів металу, що заповнюють розрядний проміжок, і мала щільність струму на електродах лампи. Лампи тліючого розряду мають, як правило, форму довгих трубок. Внаслідок малих щільності струму інтенсивність випромінювання таких джерел порівняно невелика.
Дугового розряд відбувається при великій щільності струму. Цей вид розряду найбільш широко використовується в газорозрядних лампах, оскільки з його допомогою вдається створити джерела світла великої яскравості при порівняно низьких робочих напругах.
Імпульсні газорозрядні лампи використовують для створення як окремих, але потужних імпульсів, так і частих, але менш потужних. Загальна тривалість спалаху імпульсних ламп становить короткий проміжок часу. У зв'язку з цим, незважаючи на велику силу світла в імпульсі сумарна потужність імпульсів досить мала.
1.3.3 Джерела випромінювання на основі явища люмінесценції
Під люмінесценцією розуміють здатність ряду речовин випромінювати енергію, накопичену в межах атома при переході електронів з вищих енергетичних рівнів на нижчі. Залежно від того, за рахунок якої енергії відбувається збудження атома, розрізняють фотолюмінесценцію, хемілюмінесценцію, катодолюмінесценцію і т.д.
Падаючий на речовину світло частково відбивається, а частково поглинається. Енергія поглинається світла в більшості випадків викликає лише нагрівання тел. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією падаючого на нього випромінювання. Це і є фотолюмінісценція. Світло збуджує атоми речовини. Випромінюється при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину хвилі, ніж світло, збудливий світіння. Найчастіше фотолюмінісценція використовується в лампах денного світла.
Явище фотолюмінесценції знайшло широке застосування при створенні джерел випромінювання. Сутність фотолюмінесценції складається в фото порушенні люмінофора - речовини з дефектами кристалічної решітки. Воно здатне світити як в процесі збудження, так і після - фотонами поглиненого УФ-випромінювання оптичної частини спектра.
Люмінесценція і, зокрема, фотолюмінісценція використовуються в джерелах світла, в яких УФ-промені за допомогою люмінофора перетворюються в випромінювання видимої зони спектра. Найчастіше фотолюмінісценція використовується в лампах денного світла.
Причому основну частину променевого потоку такого джерела складають випромінювання саме люмінофора.
При деяких хімічних реакціях, що йдуть з виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним. Це явище називається хемілюмінесценції. Влітку в лісі можна вночі побачити комаха світлячка. На тілі у нього "горить" маленький зелений "ліхтарик". Світиться цятка на його спинці має майже ту ж температуру, що і навколишнє повітря. Властивістю світитися володіють і інші живі організми: бактерії, комахи, багато риби, що живуть на великій глибині. Часто світяться в темряві шматочки гниючого дерева.
Створені на основі цього явища люмінесцентні джерела (лампи) представляють собою скляну трубку з відкачано повітря, всередині якої знаходяться невелика кількість ртуті і мала доза інертного газу.
Люмінесцентні лампи - другий в світі за поширеністю джерело світла, а в Японії вони займають навіть перше місце, обігнавши лампи розжарювання. Щорічно в світі виробляється більше одного мільярда люмінесцентних ламп Люмінесцентна лампа - це типовий розрядний джерело світла низького тиску, в якому розряд відбувається в суміші парів ртуті та інертного газу, найчастіше - аргону.
Рис.7. Спектр випромінювання люмінесцентної лампи
Термін служби звичайних люмінесцентних ламп визначається двома факторами: спадом світлового потоку за рахунок "отруєння" люмінофора атомами ртуті і продуктами розпилення електродів і втратою емісійної здатності електродів через повної витрати активирующего покриття. Існують лампи з захисною плівкою на люмінофорі, значно зменшила спад світлового потоку, і термін служби ламп нового покоління (Т5) визначається, в основному, вже тільки емісійною здатністю електродів. Тому створення ламп без електродів - це реальний шлях підвищення терміну служби люмінесцентних ламп.
Порошкоподібні люмінофори наносять на внутрішню поверхню трубки у вигляді тонкого рівномірного шару. Утворений при включенні електричний заряд в парах ртуті дає лінійчатий спектр, велика частина якого випромінюється в УФ-зоні на довжині хвилі 254 нм. Це короткохвильове випромінювання ртуті збуджує видиме світіння люмінесцентного покриття усередині трубки. Залежно від співвідношення люмінофорів в суміші люмінесцентна лампа дає світіння блакитного, жовтуватого або білого кольору. Крім випромінювання люмінесцентного покриття в світлі люмінесцентної лампи присутні і лінії ртутного спектра, що проникають крізь шар люмінофора рис.7).
1.3.4 Оптичні квантові генератори (лазери)
Лазер - прилад, який є генератором вимушеного, когерентного в часі і просторі випромінювання.
Пристрій лазерів грунтується на управлінні енергетичним станом атомів і молекул речовини, з якого вони виготовлені. У розглянутих раніше теплових джерел випромінювання світла також пов'язано з переходом атомів з одного стану в інший. Однак ці переходи в теплових джерелах випромінювання хаотичні в часі, і тому що випромінюються ними світлові хвилі одночасно знаходяться в різних фазах. У лазерах процес випромінювання у всіх атомів відбувається одночасно. Тому світлові хвилі в випромінюванні лазерів абсолютно когерентні, тобто в одній і тій же фазі.
Якщо створити систему порушених активних атомів (лазерну активне середовище) і пропустити через неї випромінювання, то можливе посилення цього випромінювання. Таке посилення оптичного випромінювання, засноване на використанні вимушеного випромінювання, називається лазерним посиленням.
Для того щоб лазер-підсилювач перетворити в лазер-генератор випромінювання, вводять позитивний зворотний зв'язок. В якості ланки позитивного зворотного зв'язку використовують оптичні резонатори. Вони складаються з двох напівпрозорих дзеркал і забезпечують багаторазове проходження хвилі випромінювання через активну речовину. У загальному випадку оптичний резонатор - це система відображають, заломлюючих і інших оптичних елементів в просторі, між якими можуть порушуватися хвилі оптичного випромінювання.
Спрощену структурну схему лазера можна представити у вигляді наступних основних елементів (рис.8).
1. Джерело енергії, що забезпечує створення енергії накачування. Під накачуванням лазера мається на увазі процес збудження речовини, що приводить до виникнення лазерної активного середовища. Залежно від виду енергії, що підводиться розрізняють оптичну, електричну, електронну, хімічну накачування.
Рис.8. Спрощена структурна схема лазера
2. Випромінювач лазера, що перетворює енергію накачування в лазерне випромінювання і містить один або кілька активних елементів:
а) систему накачування - ряд елементів, призначених для перетворення енергії і передачі її від джерела енергії до лазерному активному елементу;
б) лазерний активний елемент, що містить речовину, в якому створюється активне середовище в процесі накачування;
в) оптичний резонатор.
Структурна схема лазера зазвичай буває доповнена ще низкою елементів, які забезпечують працездатність лазера або службовців для управління лазерним випромінюванням.
За типом активного елементу лазери підрозділяються на напівпровідникові, газові, твердотільні і рідинні. За характером світіння лазери діляться на імпульсні і безперервного світіння. Для поліграфії найбільший інтерес представляють газові і твердотільні лазери.
Існуючі газові лазери забезпечують генерацію в широкому діапазоні, з ультрафіолетового до далекої інфрачервоної області спектра. Активним середовищем газових лазерів є утворюється при виникненні електричного заряду газорозрядна плазма. Використовуються два типи розрядів: дугового - сильний високотемпературний розряд з високим ступенем іонізації плазми; тліючий - низькотемпературний, з низьким ступенем іонізації плазми.
Найбільш поширеним типом газоразрядного лазера є гелій-неоновий, що працює на тліючому розряді. Під дією розряду відбувається збудження атомів гелію, які при зіткненні передають енергію атомам неону, що має точно такі ж рівні збудження.
Твердотільні лазери відрізняються від газових принципово тільки характером накачування. В якості активного середовища використовується кристалічний або аморфний діелектрик, що має центри люмінесценції.
висновок
Світлотехніка - область науки і техніки, предметом якої є дослідження принципів і розробка способів генерування, просторового перерозподілу і вимірювання характеристик оптичного випромінювання, а також перетворення його енергії в інші види енергії і використання в різних цілях. Світлотехніка включає в себе також конструкторську і технологічну розробку джерел випромінювання і систем управління ними, освітлювальних, опромінювальних і світлосигнальних приладів, пристроїв і установок, нормування, проектування, монтаж та експлуатацію світлотехнічних установок.
Джерела світла, випромінювачі електромагнітної енергії у видимій (або оптичної, тобто не тільки видимої, але і ультрафіолетового й інфрачервоного) області спектра.
В кінці 19 ст. з'явилися перші практично придатні електричні джерела світла. в створення яких великий внесок внесли російські вчені П.М. Яблочков, В.Н. Чиколев, А.Н. Лодигін і ін. З початку 20 ст. електрична лампа розжарювання завдяки економічності, гігієнічності та зручності в експлуатації починає швидко і повсюдно витісняти джерела світла, засновані на спалюванні. Сучасна електрична лампа розжарювання - теплове джерело світла, в якому випромінювання створюється спіраллю з вольфрамової дроту, розжареної до високої температури (близько 3000 К) проходять через неї електричним струмом. Лампи розжарювання - найбільш масові.