Люминесцентные источники излучения
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:
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.
13.3 Приёмники излучения Приёмник излучения – устройство предназначенное для преобразования энергии оптического излучения в другие виды энергии (сигналы другой физической природы) или в оптическое излучение с другой длиной волны с целью их обнаружения и использования информации, которую они несут. Приёмники излучения подразделяются на следующие типы: - фотоэлектрические. Принцип действия основан на непосредственном значении их электрических свойств под воздействием излучения, т.е. явлении внешнего и внутреннего фотоэффекта (испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения). К ним относятся: фотодиоды, фоторезисторы, фотоумножители и т.д. - тепловые. Принцип действия основан на преобразование оптической энергии сигнала в теплоту, а потом в электрическую цепь. По чувствительному элементу тепловые приемники излучения делят: с твердым веществом (термоэлементы – появление термоЭДС; болтомеры – при поглощенном излучении изменяется сопротивление электическому току); с газовым веществом (оптико-акустические - увеличение объема газа с поглощением излучения; счетчики фотонов – ионизация газа вызывает в нем электрический разряд, т.е. регистрируется импульс). - фотохимические. Преобразуют оптическое излучение в химическую энергию. На ряду с одноэлементными приемными элементами используются многоэлентные с отдельными приемными элементами с дискретно или неравномерно распределенными по поверхности. Они служат для получения двухмерного объекта от излучения (фотопластинки, фотопленки, тепловизерные матрицы и т.д.).
|
