Основные источники оптического излучения

Классификация источников излучения

Важнейшими параметрами и характеристиками излучателей, которые необходимо знать при расчете ОЭП, являются мощность, энергия излучения, светимость, яркость, сила излучения, т.е. величины, рассмотренные выше, а также спектральные плотности этих величин или закономерности их распределения по спектру длин волн. Не менее важно распределение этих величин в пространстве, например по поверхности излучателя или углу, в пределах которого происходит излучение. Кроме того, часто необходимо знание и ряда других параметров и характеристик, которые кратко будут рассмотрены ниже.

Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон. Им является черное тело, или полный излучатель, которым называется тепловой излучатель, имеющий при заданной температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность энергетической светимости. Черное тело полностью поглощает все падающие на него излучения независимо от длины волны, поляризации и направления падения.

Точность конструктивной реализации модели черного тела определяется приближением коэффициента поглощения этой модели к единице. Так как все характеристики излучения черного тела могут быть определены, если известен всего, лишь один параметр – температура, оно служит эталонным прибором, по которому калибруются источники и приемники излучения. Наиболее распространена модель черного тела в виде замкнутой полости с малым выходным отверстием, например, полого шара или цилиндра. Если площадь отверстия мала по сравнению с общей поглощающей поверхностью полости, то любой луч, прошедший внутрь, при многократных отражениях практически полностью будет поглощен.

В качестве модели полного излучателя можно использовать также клиновидную или коническую полость, причем излучение ее будет тем ближе к излучению черного тела, чем большее число отражений испытывают лучи внутри полости. Важно отметить, что любое тело, например газ, имеющее коэффициент поглощения на единицу длины хода лучей меньше единицы, при увеличении пути прохождения излучения в нем будет излучать как черное тело. Например, собственное излучение солнечного ядра, проходя через хромосферу, заметно поглощается в ней. В результате Солнце можно рассматривать как черное тело с температурой, близкой к 6000 К.

Черное тело является идеальным ламбертовым (косинусным) излучателем.

Любой реальный тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) ε – отношением энергетической светимости тела к энергетической светимости черного тела при той же температуре, а также коэффициентом направленного излучения, являющимся отношением энергетической яркости тела в некотором направлении к энергетической яркости черного тела при той же температуре.

Тепловой излучатель, спектральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра не зависит от длины волны, называется неселективным. Неселективный излучатель со спектральным коэффициентом излучения меньше единицы называется серым излучателем

Излучатель, спектральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра зависит от длины волны, называется селективным. Примером является вольфрамовая нить лампы накаливания. Селективным характером излучения обладают и вещества, которым свойственны селективные отражательная способность и прозрачность. Степень селективности можно определить, если известны оптические характеристики вещества.

Коэффициентом поглощения, или поглощателъной способностью, называется отношение поглощаемой телом мощности излучения к потоку излучения, падающему на тело.

Важно отметить, что для большинства диэлектриков поглощательная способность растет с увеличением длины волны падающего излучения λ. Это накладывает ограничения на выбор материалов оптических систем для работы в длинноволновой области спектра. Поглощательная способность a меняется также в зависимости от угла падения лучей на вещество, однако это изменение практически не столь сильно сказывается, как зависимость a от λ.

Для металлов справедливо соотношение

,

где σ_э – электрическая проводимость, λ – длина волны падающего излучения.

Важным параметром, служащим для оценки эффективности различных излучателей, является энергетический КПД – отношение потока излучения в рабочем спектральном диапазоне ко всей потребляемой излучателем мощности.

Световым КПД излучателя называется отношение светимости M_υ к суммарной энергетической светимости для λ = 0…∞.

Световая отдача К_св – это отношение M_υ к энергетической светимости M_e, взятой для видимого диапазона λ = 0,4…0,76 мкм.

Нагретые тела как источники излучения отличаются от идеально черного тела, так как их коэффициенты излучения не равны единице на всех длинах волн. Следовательно, реальный излучатель дает меньше энергии, чем черное тело при той же температуре. Для расчетов энергии излучения, испускаемой серыми и селективными излучателями, удобно воспользоваться понятием об эквивалентных им полных излучателях, поскольку все параметры излучения последних можно определить по известной температуре. В качестве признаков эквивалентности могут служить яркость, цвет или энергетическая светимость, в соответствии с которыми введены понятия о яркостных, цветовых и радиационных температурах.

Яркостная температура – это температура черного тела, при которой на какой-либо длине волны оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело. Из определения черного тела и данного определения ясно, что яркостная температура всегда меньше реальной температуры тела.

Температурой распределения называется температура эквивалентного черного тела, при которой излучение данного тела в видимой части спектра практически идентично излучению черного тела, т. е. ординаты их спектрального распределения яркости пропорциональны.

Температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение, называется цветовой. Цветовая температура может быть больше или меньше фактической температуры тела, она может меняться с изменением этой фактической температуры.

Следует отметить, что некоторые селективные излучатели на отдельных участках спектра можно рассматривать как серые или даже черные тела, т. е. к ним этот термин вполне применим. На этих же участках представляется возможным использовать такие излучатели для моделирования черного тела.

Чтобы сравнить интегральные величины излучения черного тела и селективного излучателя, введено понятие «Радиационная температура». Это температура черного тела, имеющего такую же суммарную (по всему спектру) энергетическую светимость, что и данный селективный излучатель.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик свойства реальных излучателей описываются большим числом эксплуатационных, конструктивных и других параметров, как правило, эти параметры и характеристики приводятся в технических описаниях источников излучения.

К естественным первичным источникам относятся: солнце, луна, планеты, звезды, туманности, полярное сияние, молнии и космический фон. К вторичным (несамосветящимся), естественным источникам относятся земные живые и неживые объекты, отражающие излучение естественных источников.

Искусственные источники оптического излучения можно разделить на пять больших групп: 1) тепловые; 2) люминесцентные; 3) газоразрядные; 4) оптические квантовые генераторы – лазеры; 5) светодиоды.

Тепловые источники света используют свойство тел излучать при нагревании лучистую энергию. При достаточно большой температуре это излучение переходит в область видимого – тело начинает светиться. Световое излучение увеличивается с увеличением температуры тела. Тепловое излучение возникает в результате изменения энергетических состояний электронов и ионов, входящих в состав излучающего тела, независимо от его агрегатного состояния

Примером теплового источника может служить обыкновенная лампа накаливания, имеющая обычно излучающий элемент в виде нити или спирали из вольфрама.

Спектральное распределение тепловых источников приведено на рисунке 3. Спектр излучения тепловых источников является непрерывным.

1 – вольфрам, 2 – абсолютно черное тело

Рисунок 3 – Пример спектрального распределения

тепловых источников

Под люминесценцией понимают способность ряда веществ излучать энергию, накопленную в пределах атома при переходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие.

Люминесценция и, в частности, фотолюминесценция используются в источниках света – люминесцентных лампах (ЛЛ). Спектр излучения ЛЛ состоит из излучения люминофора, на которое накладывается линейчатый спектр ртутного разряда. Доминирующую часть потока излучения лампы составляет излучение люминофора. По спектральному составу стандартные ЛЛ делятся на четыре типа:

- ЛД – лампы дневного света (цветовая температура);

- ЛХБ – лампы холодного белого света (цветовая температура);

- ЛБ – лампы белого цвета (цветовая температура);

- ЛТБ – лампы теплого белого цвета (цветовая температура).

Спектральные характеристики ЛЛ всех четырех типов приведены на рисунке 4.

а) б)

а) б)

1 – лампа ЛД, 2 – лампа ЛХБ, 3 – лампа ЛБ, 4 – лампа ЛТБ

Рисунок 4 – Спектральные характеристики люминесцентных ламп

Газоразрядным источником излучения называется прибор, в котором излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металла или их смесей. Примером газоразрядного источника может служить ртутная лампа высокого давления. Спектр такой лампы является линейчатым.

В квантовых генераторах (лазерах) излучение вызывается индуцированными переходами электронов с высоких уровней энергии на более низкие, оно когерентно, монохроматично и распространяется в малом телесном угле.

В структурную схему лазера входят следующие блоки.

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.

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.

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.

Твердотельные лазеры отличаются от газовых принципиально только характером накачки. В качестве активной среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик, имеющий центры люминесценции.

Принцип действия излучающих полупроводниковых диодов (светодиодов) основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с р-n-переходом. Цвет свечения светодиода зависит от ширины запрещенной зоны, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны.

В настоящее время распространение получили так называемые «белые» светодиоды. Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый – смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. В третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет. На рисунке 5 приведены спектры излучения белого светодиода (InGaAIN) и теплого белого светодиода (InGaN).

а) б)

а – светодиод на основе nGaAIN, б – светодиод на основе InGaN

Рисунок 5– Спектральное распределение энергии излучения

белых светодиодов

Как видно из рисунка спектр излучения светодиодов схож по внешнему виду со спектром излучения люминесцентных ламп.