Лекция № 7. Специальные источники оптического излучения

Содержание лекции:

- импульсные лампы;

- лампы-вспышки одноразового действия;

- лампы тлеющего свечения;

- спектральные лампы;

- электролюминесцентные панели;

- светоизлучающие диоды;

- источники света с радиоактивными изотопами и светосоставы постоянного действия;

- лазеры.

Цели лекции:

- изучить основные принципы работы специальных источников оптического излучения.

7.1 Импульсные лампы.ИЛ - это ГЛ, рассчитанная на мощные импульсные электрические разряды, сопровождающиеся интенсивным оптическим излучением. Лампы имеют герметичный баллон из стекла или кварца, наполненный химически неактивным газом. Зажигание ИЛ осуществляется с помощью третьего расположенного внутри или на поверхности лампы управляющего электрода с подачей высоковольтного импульса. В некоторых случаях ИЛ не имеет управляющего электрода и зажигается кратковременным увеличением напряжения на основных электродах. Схемы включения ИЛ содержат накопитель, заряжаемый от источника постоянного тока, и устройства управления, синхронизации и защиты, регулирующие работу зарядного устройства, генератора зажигающих импульсов и разрядного контура. По конструктивным признакам позволяет выделить трубчатые и шаровые ИЛ. Характеристики излучения шаровых ИЛ имеют особенности, обусловленные существенно меньшей продолжительностью и меняющейся от импульса к импульсу формой светящего канала разряда в неограниченном стенками разрядном промежутке малой длины. В основном, предназначенны для оптической накачки лазеров. Дополнительными параметрами ламп являются: t_ин - интервал времени между вспышками; t_max - наибольшая длительность непрерывной работы; Р_ср=Wpf - средняя электрическая мощность; f_mах - наибольшая частота вспышек; N - число вспышек за срок службы.

7.2 Лампы-вспышки одноразового действия (ЛВ) дают импульс излучения за счет реакции горения магниевой или циркониевой фольги в атмосфере кислорода. Международными стандартами установлены конструкция, классификация, световые параметры и методы измерения параметров ЛВ для фотографирования. Эффективная длительность вспышки фотографических ламп лежит в пределах 10 и 30 мкс. Промышленностью выпускается фотографическая вспышка-куб, состоящая из четырех ЛВ, размещенных за гранями прозрачного пластмассового куба.

7.3 Лампы тлеющего свечения (ЛТС) предназначены для использования, главным образом, в качестве индикаторов. Кроме того, они находят множество других специальных применений.

Устройство и принцип их действия основаны на использовании катодного тлеющего свечения. В стеклянный баллон лампы впаяны два электрода, расположенные на близком расстоянии друг от друга. Лампа наполняется обычно неоно-гелиевой смесью с небольшой примесью аргона для снижения напряжения зажигания. Форма электродов зависит от назначения ЛТС. Часто электроды покрываются тонкой пленкой активирующего вещества, снижающего напряжение зажигания. При работе на переменном токе свечение попеременно покрывает оба электрода (с частотой сети). Излучение обладает весьма малой инерционностью и может модулироваться с частотой до 20 - 22 к Гц. Световой поток ЛТС в зависимости от типа ламп составляет от 0.02 до 5 лм. Яркость свечения - от 10² до 10⁴ кд/м². Световая отдача - от 0.2 до 1 лм/Вт, мощность ЛТС - от 0.01 до 10 Вт. Срок службы ЛТС свыше 1000 ч и ограничивается поглощением наполняющего лампу газа и потемнением колбы от распыления электродов. Включение ламп в сеть осуществляется через небольшой резистор, соединяемый последовательно с лампой.

7.4 Спектральные лампы (СЛ) служат источниками излучения с точно определенными длинами волн или с непрерывным спектром с известной спектральной плотностью потока излучения. По устройству и принципу действия спектральные лампы подразделяются на несколько групп.

7.4.1 Лампы дугового разряда с парами металлов и инертными газами содержат излучатель в виде небольшой разрядной трубки, наполненной смесью паров какого-либо металла с зажигающим газом и каким-либо металлом или инертным газом. Излучатель помещен во внешнюю стеклянную колбу, снабженную цоколем. Размеры трубки излучателя и сорт стекла выбираются, исходя из наполнения и теплового режима, с таким расчетом, чтобы обеспечить интенсивное излучение линий наполняющего металла, необходимый электрический режим и достаточный срок службы. Лампы излучают линейчатые спектры, характерные для атомов наполняющего горелку металла или газа.

7.4.2 Дуговые низковольтные водородные лампы дают непрерывное интенсивное излучение в области близкой к УФ. В некоторых лампах применяются активированный подогревный катод, заключенный в экранирующий цилиндр, и анод в виде диска с отверстием для наблюдения разряда. Пространство между катодом и анодом отделено экраном с небольшим отверстием (около 1 - 2 мм) для прохождения разряда. Концентрация плазмы в малом отверстии повышает плотность тока и энергетическую яркость излучения. Колба лампы имеет специальное окно, обеспечивающее выход УФ излучения. Лампа имеет плоское окно из монокристалла фтористого магния, расположенное на торце колбы. Такая конструкция позволяет вакуумно-плотно присоединять лампу при помощи грибкового уплотнения к камере спектрального прибора для непосредственного попадания излучения в вакуум прибора. В лампах с парами металлов нормальный режим устанавливается через 7 - 10 мин после включения. В лампах с газами период разгорания практически отсутствует.

7.4.3 Высокочастотные безэлектродные лампы типа ВСБ-2 представляют собой стеклянную колбочку сферической формы Æ 20 мм, наполненную инертным газом при давлении в несколько сот паскалей и содержащую небольшое количество металла. Лампа помещается в высокочастотное поле (» 100 МГц), создаваемое генератором, и излучает при этом узкие спектральные линии соответствующего металла. Лампы используются в атомно-абсорбционных, атомно-флюоресцентных спектрофотометрах, рефрактометрах и подобных им приборах.

7.4.4 Неоновые дуговые лампы являются эффективным и мощным источником оранжево-красного излучения. Лампа работает от сети 220 В, частотой 50 Гц и включается последовательно с дросселем. Для зажигания применен предварительный накал активированных электродов в сочетании с импульсом высокого напряжения по схеме, подобной схеме включения люминесцентных ламп со стартером. С этой целью у каждого электрода выведены оба конца. Средняя продолжительность горения 1000 ч. Лампы надежно работают при tокр от - 40 до +40°С и применяются, главным образом, для сигнального освещения аэродромов.

7.5 Электролюминесцентные панели. Электролюминесцентная панель (ЭЛП) представляет собой плоский конденсатор, в электрическое поле которого помещен люминофор. Электролюминесценция возбуждается при напряженности поля порядка 10⁴ - 10⁵ В/см. Плоскопараллельные обкладки электролюминесцентного конденсатора находятся на расстоянии нескольких десятков микрометров друг от друга. Пространство между ними заполнено прозрачным диэлектриком, в котором взвешены частицы люминофора. Одна или обе обкладки делаются прозрачными, обычно из стекла (иногда на керамике) или на гибкой основе. В последнем случае ЭЛП легко могут изгибаться. Стандартные ЭЛП на стекле предназначены для работы от сети 220 В на частотах 50, 400, 1000 и 1200 Гц и имеют вид прямоугольных пластин размером от 10´20 до 300´300 мм², толщиной 4 - 5 мм. В качестве люминофоров применяют сульфиды цинка и сульфиды, селениды цинка, кадмия. При необходимости ЭЛП могут иметь форму простых или сложных знаков. Области применения - в светящихся знаках для систем сигнализации и отображения информации, а также в качестве маломощных источников излучения различного назначения.

7.6 Светоизлучающие диоды представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые источники света, в которых излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». В светоизлучающих диодах используются полупроводниковые материалы высокой чистоты, легированные малыми количествами контролируемых примесей, создающих либо избыток электронов (материал n-типа), либо их недостаток, т.е. избыток «дырок», которые ведут себя подобно положительным зарядам (материал р-типа). В месте контакта материалов р- и n-типов образуется полупроводниковый р-n переход. Если к р-n переходу приложить постоянное напряжение в несколько вольт прямой полярности (т.е. к n-материалу минус, а р-материалу плюс), то приложенное поле будет заставлять перемещаться электроны и «дырки» навстречу друг другу, и они будут рекомбинировать в зоне контакта, частично испуская при этом фотоны. Спектр излучения зависит от материала полупроводника и вводимой примеси. Светоизлучающие диоды применяют, главным образом, в качестве малогабаритных осветителей, различных индикаторов и элементов в оптронах; их часто называют оптическими изоляторами (ОИ).

7.7 Источники света с радиоактивными изотопами и светосоставы постоянного действия (СПД), Источники света этого типа не требуют внешних источников питания, взрывобезопасны, имеют большой срок службы, но дают малые световые потоки и яркости, достаточные только для освещения шкал приборов, создания светящихся знаков и тому подобных целей. Они представляют собой запаянную стеклянную колбочку или трубку диаметром 1 - 3 см, покрытую изнутри слоем люминофора и наполненную тритиевым газом - изотопом водорода (³Н).

СПД представляют собой люминофор, смешанный с радиоактивными веществами. В настоящее время для возбуждения используют радиоактивные изотопы, дающие только р-излучение: тритий или прометий 147. Их достоинство в том, что электроны полностью задерживаются даже тонкими защитными слоями вещества и не разрушают основу люминофора. Компания «Изотоп» поставляет СПД на тритиевой основе различных цветов. Яркости в зависимости от цвета составляют от 0.05 до 0.2 кд/м². СПД употребляются для изготовления самосветящихся красок. Они практически безвредны, так как тонкий слой лака полностью поглощает b-излучение трития. Спад яркости определяется периодом полураспада трития.

7.8 Лазеры. Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения, обладающего совершенно уникальными свойствами: 1) высокой когерентностью в пространстве и во времени, 2) исключительно узкой направленностью (расходимость до 0.4'), 3) огромной концентрацией мощности (до 10¹¹ Вт/см² в непрерывном режиме до 10¹⁸ Вт/см² в импульсе), 4) высокой степенью монохроматичности (_Dl = 10^-9 нм при l = 500 нм), 5) способностью фокусироваться в исключительно малые объемы порядка l³. Первые лазеры были созданы в 1960 г. Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющего ту же частоту. Самое важное и замечательное в этом процессе заключается в том, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождествен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики это означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив для всего спектра электромагнитного излучения. Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, а также вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную работу и управление лазерным излучением. Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Активный элемент является основной функциональной частью излучателя, содержащей лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана активная среда. Лазерное вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Соответственно различают: а) газовые; б) жидкостные; в) твердотельные; г) полупроводниковые лазеры. Режим работы лазеров бывает непрерывный и импульсный, причем в последнем случае различают импульсно-периодический, дающий непрерывную серию импульсов, и импульсный, дающий одиночные импульсы излучения.