2015-09-06
3586
Люминесценцией называется излучение вещества сверх его теплового излучения под воздействием подводимой к нему в той или иной форме энергии. Такое вещество называется люминофором. Природные явления люминесценции – северное сияние, свечение насекомых, минералов.
Люминесценция классифицируется по:
1. по типу возбуждения;
2. по механизму преобразования энергии;
3. по временным характерам свечения.
К первому типу относятся:
- фотолюминесценция (излучение под воздействием поглощенного излучения оптической области света);
- радиолюминесценция;
- катодолюминесценция;
- электролюминесценция;
- триболюминесценция;
- хемилюминесценция.
По механизму преобразования энергии различают:
- резонансная
- вынужденная
- спонтанная
- рекомбинационная
По временным характерам свечения бывают:
- флуоресценцию (быстро затухающая люминесценция время жизни 10−9-10−6 с)
- фосфоресценция (длительная люминесценция (10−3-10 с))
Деление это условное, т.к. нельзя указать строго определенную временную границу, т.е. она зависит от временного разрешения регистрирующих приборов.
|
|
|
Наибольшее применение в оптоэлектронике получили электро-, фото- и катодолюминесценция.
Люминесцентные лампы Широко применяются в качестве источников света общего назначения, в копировальных аппаратах, в медицине для обеззараживания помещения и т.д.
Люминесцентные лампы представляют собой стеклянную колбу, с нанесенным на внутреннюю поверхность люминофором. В торцы трубки введены вольфрамовые спиральные электроды. Внутрь трубки помещают несколько миллиграмм ртути и закачивают некоторое количество инертного газа.
Люминесцентная лампа, в отличие от лампы накаливания, не включается напрямую в электрическую сеть. Так как необходимо: предварительно прогреть электроды, дать импульс высокого напряжения и обязательное ограничение тока во время работы, который во время работы многократно возрастает. Поэтому применяют специальные устройства – балласты.
Работа люминесцентной лампы заключается в следующем: при подключении люминесцентных ламп к источнику питания, разогретые электроды испаряют ртуть, тем самым возбуждая её свечение. В свою очередь излучение разряда возбуждает свечения слоя люминофора лампы. Дальнейший нагрев электродов поддерживается энергией разряда и внешняя цепь нагрева электрода выключается.
Достоинства:
– большой срок службы 10 тыс. часов;
– отличное восприятие света;
– высокая стабильность светового потока около 95 % к концу службы лампы.
Недостатки:
– долгий запуск (1-3 сек);
– лампа светит на полную яркость только через 10-15 минут работы;
|
|
|
– использование специального пускового устройства;
– утилизация;
– мерцание лампы с удвоенной частотой сети, возникновение стробоскопического эффекта;
– низкочастотный гул (100Гц), исходящий от дросселя;
– большие габариты и масса;
– ограниченный температурный диапазон работы (0-250С).
Энергосберегающиие лампы – это люминесцентные лампы с электронным балластом. Под действием высокого напряжения происходит движение электронов, которые сталкиваясь с атомами газа, испускают УФ излучение, которое возбуждает люминофор. (T= -10+500С; t >5 тыс. ч.)
Газоразрядный источник представляет собой колбу с впаянными электродами: анодом и катодом. Если между электродами приложить напряжение, то свободные ионы, перемещаясь к катоду ускоряются и выбиваются из него электроны, которые перемещаясь к аноду ионизируют газ, поддерживая непрерывность процесса.
Спектр каждого источника зависит от рода газа или пара, т.е. от примесей, температуры свечения и давления в колбе.
При низких давлениях и температуре спектр газоразрядных источников линейчатый. При повышении температуры линии спектра расширяются. Рабочие температуры 4500-7000 К.
Достоинства:
– возможность модуляции излучения путем изменения частоты питания (f=30 кГц);
– мощный световой поток;
– высокий световой КПД до 30%.
Недостатки:
– сложная схема питания;
– высокие напряжения питания.
Светодиод или светоизлучающие диоды – это полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его цветовые характеристики зависят от химического состава полупроводника.
Работа светодиода основана на явлении инжекционной электролюминесценции, т.е. генерации оптического излучения в p-n переходе. Находящимся под прямым внешним напряжением.
Для материала полупроводника перехода материалы: фосфид галлия GaP, GaAs. (галлий – мышьяк (арсениум)), ZnSe (цинк – селен) и др. и некоторые тройные соединения GaAlAs (галлий – алюминий – мышьяк).
Изменяя состав полупроводников можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
Светодиоды описываются двумя группами параметров: оптическими и электрическими.
К оптическим относятся:
– излучательная характеристика - это зависимость относительного значения потока излучения к протекающему току.
– спектральная характеристика- зависимость относительного значения потока измерения от длины волны.
– диаграмма направленности - зависимость относительного значения потока излучения от направления распространения
– длина волны излучения (λ), на которой значение потока максимальна
– яркость (сила света).
К электрическим относятся:
– время включения-выключения (частота).
– ВАХ по которой определяются:
- максимально допустимые прямое и обратное напряжение
- максимальный прямой ток
Достоинства:
+ малые габариты;
+ линейная зависимость световых параметров от тока,
+ безинерционность включения-выключения (<100 нс
+ малое тепловыделение;
+ устойчивость к механическим воздействиям и вибрациям;
+ большой срок службы около 100 тыс. ч.;
+ встроенное светораспределение; неприменяемость опасных веществ.
Недостатки:
– разброс параметров в одной партии;
– невысокая мощность излучения;
– зависимость яркости от температуры;
– зависимость полярности питания.
Лазеры. Под лазером понимают устройство, испускающее в видимом спектре когерентную электромагнитную лучистую энергию в диапазоне от сверхкороткого ультрафиолетового до сверхдлинного инфракрасного излучения.
Все лазеры состоят из трех основных конструкционных блоков:
|
|
|
|
| Рис. 13.1 Схема лазера |
1. Активная (рабочая) среда. Активная среда представляет собой вещество, в котором создается инверсная заселенность. Она может быть:
– твердой - кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы;
– жидкой - растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах;
– газообразной - смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках.
В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.
2. Источник энергии (накачки). (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т.п.
3. Резонансная полость (оптический резонатор) с емкостным устройством - обычно два зеркала. Оптические резонаторы бывают с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. Резонатор представляет собой пару зеркал, которые располагаются параллельно друг другу. Между этими зеркалами помещается активная среда.
Существующие Л. различаются:
1) рабочей средой (твёрдые диэлектрики, полупроводники, газы, жидкости);
2) способом создания в среде инверсии населённостей, или, как говорят, способом накачки.
3) конструкцией резонатора;
4) режимом работы (импульсный, непрерывный).
Первое из зеркал отражает весь падающий на него свет. Второе зеркало полупрозрачное, оно возвращает часть излучения в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть выводится наружу в виде лазерного луча. Резонатор можно настроить таким образом, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (моду). Настройка осуществляется путем подбора расстояния между зеркалами.
Достоинства полупроводниковых лазеров:
+ очень большие коэффициенты усиления ~ 102-103 см-1, поэтому размеры полупроводникового Л. могут быть сделаны очень малыми (GaAs, CdS, InAs, InSb, ZnS и др.)
+ позволяют почти полностью перекрыть видимый и ближний инфракрасный диапазоны
+ очень высоким кпд преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%)
|
|
|
+ работа в непрерывном режиме.
Недостатки:
– невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами,
– трудность получения высокой монохроматичности.
Полупроводниковые Л. используются с наибольшей эффективностью в тех случаях, когда требования к когерентности и направленности не очень велики, но необходимы малые габариты и высокий кпд.
