Источники оптического излучения

Весь спектр излучения определяется энергетическими и фотометрическими величинами: потоком излучения , световым потоком , силой света I, освещенностью Е_ν , светимостью М_ν, яркостью L_ν.

Поток излучения – средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний. Он определяется из соотношения

= , (1.103)

Световое излучение (видимое человеческим глазом) характеризуется фотометрическими величинами. Одна из них – спектральная световая эффективность.

, (1.104)

где – световой поток, воспринимаемый глазом человека в диапазоне длины волны Δλ, лм (люмен);

– поток излучения в этом же диапазоне Δλ, Вт.

Люмен (лм) – излучение абсолютно черного тела при температуре затвердевания пластины с площади 5,305·10^-7 м².

Другой фотометрической величиной является спектральная чувствительность глаза V_λ :

V_λ = , (1.105)

где k_λ – спектральная световая эффективность;

k_m – световой эквивалент потока излучения для дневного света, лм/Вт, k_m=683.

Световой поток равен:

= , (1.106)

Сила света I – плотность светового потока (отношение светового потока к телесному углу Ω, в котором он распространяется). Единица измерения силы света – кандела;

I = , (1.107)

Телесный угол Ω – часть пространства, ограниченная конической поверхностью в стерадианах (ср). Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы радиусом r, вырезающему на поверхности сферы площадь S, равную r². Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол 65º32´.

Освещенность Е_ν – отношение светового потока d , падающего на малый элемент поверхности, к площади этого элемента dА.

E_ν = , (1.108)

Единица освещенности – люкс (лм/м²).

Освещенность может быть выражена через силу света

E_ν = , (1.109)

где β – угол между направлением излучения и нормалью к поверхности;

ℓ – расстояние от освещенной площадки dA до источника света.

Светимость М_γ – поверхностная плотность излучаемого потока.

М_ν = , (1.110)

Светимость характеризует как источник излучения, так и поверхности, на которые падает поток (явления рассеяния, прохождения, отражения светового потока).

Единица измерения светимости – лм/м².

Яркость L_ν – поверхностная плотность силы света dI_α светящейся поверхности dА в заданном направлении.

L_να = , (1.111)

Единица измерения яркости – кандела/м²

Различают источники излучения с непрерывным, полосовым и линейчатыми спектрами.

К источникам с непрерывным спектром относятся тепловые источники, излучение которых происходит в результате теплового возбуждения атомов, молекул, ионов, движущихся хаотично, несогласованно по времени, фазе и направлению.

К источникам излучения с полосовым и линейчатым спектрами относятся:

– люминесцентные излучатели;

– светодиоды;

– лазеры.

Светоизлучающий диод (светодиод). Принцип работы светодиода основан на том, что при прямом включении происходит инжекция электронов из высокоэнергетической зоны проводимости (n-область) через запрещенную зону шириной ΔW на низкоэнергетическую валентную зону (р-область), при этом выделяется фотон, энергия которого равна приблизительно ширине запрещен­ной зоны ΔW (в электрон-вольтах). Принцип действия светодиода представлен на рис. 1.71. Длина волны излучения

, мкм (1.112)

где h – постоянная Планка (6,626-10^-34, Дж·с);

с – скорость распространения излучения, м/с.

Длина волны зависит от полупроводникового материала, представляюще­го собой соединения галлия Ga, алюминия А1, мышьяка As, фосфора Р и различных примесей, что позволяет получить свечение различного цвета, а также инфра­красное излучение.

Существуют светодиоды переменного цвета свечения. Базовую область выполняют в виде сферы, а для направленного излучения применяют линзы. Светодиоды малоинерционны, время переключения 10^-9 с. На рис. 1.72 пред­ставлены схема включения и характеристика светодиода.

Лазер является источником когерентного (одинакового по фазе и частоте) излучения атомов. Принцип работы лазера состоит в том, что на элементарный излучатель, находящийся в возбужденном состоянии, воздействует электромаг­нитная волна, частота которой совпадает с частотой возбуждения (рис.1.73).

В результате излучения генерируется в одном направлении с одинаковой частотой и фазой когерентное излучение, которое, распространяясь в актив­ной среде, усиливается (накачка).

Часть излучаемого потока отражается от полупрозрачного зеркала и по пути к зеркалу 1 усиливается внешним источником энергии (накачка) и таким образом поддерживается инверсионное состояние активной среды. Излучение лазера имеет ряд свойств, имеющих важное значение для реализации оптиче­ских методов технической диагностики:

1 – малая расходимость излучения (высокая апертура) 0,003°;

2 – монохроматичность и когерентность;

3 – возможность управлять длительностью импульса излучения, при сверхмалой длительности до 10^-13с можно получить огромную мощность – до 10²⁰ МВт.

Основные типы лазеров:

– твердотельный лазер, активная среда – диэлектрический кристалл, ру­бин; применяется оптическая накачка в виде газоразрядных ламп или вспомо­гательного лазера;

– газовый лазер, активная среда – разреженный газ, накачка осуществля­ется тлеющим или дуговым электрическим разрядом;

– полупроводниковые лазеры бывают двух видов: первый – из арсенида галлия GaAs, сульфида кадмия CdS с накачкой электронным пучком, при этом требуется интенсивное охлаждение. Второй – инжекционный лазер изготовлен, как правило, из арсенида галлия GaAs. Его грани, перпендикулярные плоскости n-р-перехода отполированы и выполняют роль зеркал оптического резонатора. Под действием прямого напряжения электроны переходят из зоны проводимо­сти в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 1.74).

Миниатюрные инжекционные лазеры имеют линейные размеры до 1 мм и дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме – до 100 мВт.