Источники оптического излуче­ния

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (источники света), приборы и устройства, а также природные объекты, в которых различные виды энергии преобразуются в энергию оптического излучения в диапазоне длин волн λ ≈ 10 нм - 1 мм. Природные излучающие объекты - Солнце, звёзды, атмосферные разряды и др. - являются естественными источниками оптического излучения. Искусственные источники оптического излучения в зависимости от вида преобладающего элементарного процесса испускания - вынужденного или спонтанного - делятся на когерентные и некогерентные. Когерентные источники оптического излучения (лазеры) генерируют излучение с чрезвычайно большой спектральной интенсивностью и высокой степенью направленности и монохроматичности. (Об их устройстве и применении смотри в статье Лазер.) Излучение большинства источников оптического излучения некогерентно и представляет собой суперпозицию электромагнитных волн, спонтанно испускаемых совокупностью независимых элементарных излучателей.

Описываемые ниже искусственные некогерентные источники оптического излучения классифицируют по видам излучения, роду вводимой в них энергии и способам преобразования её в световую, по назначению, виду и области спектра (инфракрасная, видимая, ультрафиолетовая), конструктивным особенностям и режимам эксплуатации, обусловленным различными требованиями, предъявляемыми к источникам оптического излучения в их разнообразных прикладных и научных применениях.

Излучение источников света характеризуется энергетическими или световыми фотометрическими величинами - потоком излучения, световым потоком, силой света, яркостью, светимостью и др. Многие источники оптического излучения со сплошным спектром аттестуют по их яркостной Т_В или цветовой Т_С температуре. В ряде применений важно знать освещённость, создаваемую источниками оптического излучения; они могут характеризоваться также нестандартными величинами, например потоком фотонов. Импульсные источники оптического излучения характеризуются длительностью τ и формой импульса излучения (смотри Фотометрия импульсная). Эффективность преобразования вводимой в источник  оптического излучения энергии в световую определяется энергетическим (спектральным) кпд или световой отдачей η. К техническим характеристикам источников оптического излучения относятся также вводимая мощность Р или энергия W, размер светящегося тела, пространственное распределение и стабильность излучения, срок службы и др.

По видам излучения источники оптического излучения разделяются на тепловые с равновесно нагретым светящимся телом в конденсированном состоянии и люминесцирующие с неравновесно возбуждаемым телом в любом агрегатном состоянии. Особый класс составляют плазменные источники оптического излучения, излучение которых в зависимости от параметров плазмы и спектрального интервала может быть тепловым или люминесцентным.

Тепловые источники оптического излучения. Эти источники имеют сплошной спектр и энергетические характеристики, описываемые законами теплового излучения, в которых основными параметрами являются температура Т_В и коэффициент излучения ε светящегося тела. При ε = 1 излучение источника соответствует излучению абсолютно чёрного тела, что близко выполняется, например, для Солнца (Т_В = 6·10³ К). В искусственных тепловых источниках оптического излучения излучающее тело нагревается электрическим током или в результате выделения энергии в химических реакциях горения.

Пламёна, возникающие при горении газовых, жидких или твёрдых горючих веществ, имеют сплошной спектр излучения с Т_В  до 3000 К, образованный раскалёнными твёрдыми микрочастицами. При отсутствии таких частиц наблюдаются полосатый и линейчатый спектры излучения, создаваемые газообразными продуктами горения или химическими элементами, специально вводимыми в пламя (например, для спектрального анализа). В пиротехнических осветительных и сигнальных средствах (ракеты, фейерверки и др.) используются спрессованные пламённые составы, содержащие горючее вещество и окислитель. В качестве источника ИК-излучения применяют керамические и металлические тела различных форм и размеров, нагреваемые пламенным или каталитическим (без пламени) сжиганием газа.

В электрических ИК-излучателях накаливаемая током нихромовая или вольфрамовая спираль помещается в излучающую теплостойкую оболочку либо излучает само тело накала, изготовляемое в виде ленты, спирали, стержня, трубы и т. д. из тугоплавких металлов или проводящих неметаллических материалов (графит, тугоплавкие карбиды и оксиды металлов). Такие источники ИК-излучения применяются для обогрева помещений, в теплофизических исследованиях и для промышленной термообработки материалов. В ИК-спектрофотометрии используются стержневые эталонные излучатели - штифт Нернста, глобар, имеющие хорошо воспроизводимую зависимость ε(λ, Т) =  0,8-0,95 в ИК-области спектра. Для метрологических измерений используется определяемое только величиной температуры Т равновесное излучение моделей абсолютно чёрного тела, представляющих собой полости различных форм с малым выходным отверстием, изготовляемые из тугоплавких проводящих материалов, нагреваемых до Т ≤ 3000 К.

Электрические лампы накаливания (ЛИ) являются самыми распространёнными тепловыми источниками оптического излучения, применяемыми для общего и специального освещения, сигнализации, в кинопроекционной аппаратуре, прожекторах, в качестве эталонов в пирометрии и фотометрии (светоизмерительные лампы). Номенклатура серийных ЛН составляет около 600 типоразмеров - от сверхминиатюрных (Р = 0,01 Вт, диаметр 0,2 см) до мощных прожекторных (Р = 10 кВт, диаметр 30 см). Тело накала изготовляется из W в виде нити, спирали или ленты и помещается в вакуумируемую или наполняемую инертным газом стеклянную колбу, обычно каплеобразной формы. Световые характеристики и срок службы ЛН ограничиваются потемнением колбы из-за распыления вольфрамовой нити и её перегоранием.

Галогенные лампы накаливания (ГЛН) наполняются Хе с добавками иода или летучих химических соединений Br, обеспечивающими обратный перенос испарившегося W со стенки колбы на нить. Благодаря этому они служат до 2000 ч при Т = 3200 К. В ГЛН вольфрамовое тело накала располагается вдоль оси узкой кварцевой трубки, нагреваемой для поддержания галогенного цикла. ГЛН применяются в тех же областях, что и обычные ЛН, а также в ксерографии и термографии.

В электродосветных источниках оптического излучения излучателем служит анодный кратер или раскалённая зона катода дугового разряда в воздухе или в наполненной Ar лампе.

Люминесцирующие источники оптического излучения. В источниках света этого типа излучают холодные твёрдые и жидкие люминофоры и газы, возбуждаемые потоком фотонов, электронов и других частиц или электрическим полем. Световые характеристики и спектр излучения таких источников оптического излучения определяются свойствами люминофоров, а также плотностью потока и энергией возбуждающих частиц или напряжённостью электрического поля.

Фотолюминесценция используется для преобразования спектра излучения первичного источника. В люминесцентных лампах слой люминофора излучает в видимой и ближней УФ-области под действием УФ-излучения разряда. С конца 20 века вместо ламп накаливания в быту стали применять так называемые энергосберегающие лампы - люминесцентные лампы компактных размеров. Так, энергосберегающая лампа мощностью около 20 Вт даёт такой же световой поток, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт, и служит значительно дольше.

Катодолюминесцентными источниками оптического излучения являются покрытые люминофорами экраны электронно-лучевых трубок, возбуждаемые пучком электронов, а также низковольтные катодолюминесцентные индикаторы.

На основе инжекционной электролюминесценции в полупроводниках работают светоизлучающие диоды, изготовляемые в виде дискретных и интегральных устройств, служащих основным элементом оптоэлектроники и применяемых также для индикации и сигнализации, в качестве калибровочных источников и для освещения. В электролюминесцентных индикаторных панелях используется свечение порошковых кристаллофосфоров.

Радиолюминесценция, возбуждаемая продуктами радиоактивного распада различных изотопов, позволяет получать видимое излучение в светосоставах постоянного действия.

В хемилюминесцентных источниках света люминесценция возникает в результате превращения энергии химических реакций в видимое излучение (смотри Химические источники света).

Световые вспышки, возникающие в сцинтилляторах под действием ионизирующих частиц, а также излучение Вавилова - Черенкова и переходное излучение используются для регистрации релятивистских заряженных частиц.

Плазменные источники оптического излучения. Такие источники имеют энергетические характеристики и спектр излучения (линейчатый или сплошной), определяемые температурой и давлением плазмы, образующейся в них при электрическом разряде (смотри Разрядные источники света) или иным способом, и изменяющиеся в широких пределах в зависимости от химического состава рабочего вещества и вводимой мощности. Предельные параметры, ограничиваемые технически осуществимой скоростью ввода энергии и стойкостью материалов конструкции, в импульсных плазменных источниках оптического излучения намного выше, чем в непрерывных.

Газоразрядные лампы (ГРЛ) изготовляются в виде герметичных ламп трубчатой, шаровидной и других форм со впаянными в них электродами, наполняемых газами при давлениях от 1 Па до нескольких МПа. В них могут вводиться металлы или их химические соединения, испаряемые при разряде в буферном инертном газе (Ar, смесь Ne и Ar). Особенно широко используется легкоиспаряющаяся ртуть (смотри Ртутная лампа). Спектральный диапазон излучения, выходящего из ГРЛ, определяется областью пропускания материала колбы лампы - силикатных и кварцевых стёкол или окошек из этих и других оптических  материалов.

ГРЛ низкого давления в зависимости от плотности тока на катоде работают в режиме тлеющего или дугового разряда. В индикаторных лампах и панелях, обычно наполняемых смесью Ne с Не и Ar, используется тлеющее свечение, локализованное вблизи катода. Трубчатые ГРЛ с парами Hg или Na излучают в резонансных линиях до 80% вводимой мощности, поэтому достигаются большие кпд и η. Натриевые ГРЛ низкого давления дают оранжевый цвет и используются для уличного освещения. Ртутные люминесцентные ГРЛ широко применяются для внутреннего и декоративного освещения. На внутреннюю поверхность их стеклянной трубки наносится слой люминофора, преобразующий резонансное УФ-излучение Hg в видимую область со спектром излучения, близким к дневному свету или определённой цветности. Эритемные и бактерицидные ртутные лампы, излучающие в УФ-диапазоне через стенку колбы из увиолевого или кварцевого стекла, используются в медицине и биологии.

Дуговые ртутные трубчатые (ДРТ) и дуговые ксеноновые трубчатые (ДКсТ) лампы высокого давления и дуговые ртутные шаровые (ДРШ) и дуговые ксеноновые шаровые (ДКсШ) лампы сверхвысокого давления имеют колбы из термопрочного кварцевого стекла. Для наружного освещения используются лампы ДРТ, в которых разрядная трубка помещается в стеклянную оболочку, покрытую люминофором, усиливающим красную часть спектра, и лампы высокого давления с разрядной трубкой, содержащей Na, а также Хе и Hg. В металлогалогенных лампах (дуговых ртутных с излучающими добавками, ДРИ) спектр корректируют, вводя в разряд галогениды различных металлов. Лампы ДРИ, так же как и ДКсШ, имеющие спектр, близкий к солнечному, используют для имитации его излучения, при цветных фото-, кино- и телесъёмках, в полиграфии, кинопроекционной аппаратуре и прожекторах. Лампы ДРТ и ДРШ используются в люминесцентном анализе, фотохимии, ИК-спектроскопии, микроскопии, в медицине и биологии, для светокопирования и фотолитографии.

Спектральные лампы (с парами металлов или инертными газами, водородные и дейтериевые, с полым катодом, шаровые высокочастотные безэлектродные лампы), излучающие в основном в резонансных линиях различных элементов или в непрерывном видимом и ближнем УФ-спектре, применяются в спектрофотометрии, спектральном анализе и др. Спектральные лампы позволяют получать линейчатые спектры около 70 химических элементов.

Свободно горящая дуга, в канал которой поступают испускающие линейчатый спектр пары материала электродов или специальных вставок в нём, используется в эмиссионном спектральном анализе.

Импульсные плазменные источники оптического излучения имеют высокую яркость, достигаемую за счёт кратковременного ввода большой удельной мощности при электрическом разряде, обычно питаемом от батареи конденсаторов, а также при лазерном нагреве или ударном сжатии газа. Трубчатые и шаровые импульсные лампы, наполняемые, как правило, Хе, рассчитаны на определённую энергию W разряда или среднюю мощность Р_ср в частотном режиме, в пределах которых могут варьироваться длительность и яркость одиночной вспышки. Трубчатые лампы делятся на три основных типа: для накачки лазеров, светосигнальные и фотоосветительные, а также стробоскопические (капиллярные). В шаровых лампах, используемых в фотолитографии и для сверхскоростной фотосъёмки, достигаются Т_В≈3·10⁴ К. Искровой разряд длительностью в несколько наносекунд реализуется при минимальной индуктивности разрядного контура в лабораторных источниках оптического излучения для импульсного фотолиза и сверхскоростной фотосъёмки.

Для таких применений, а также для исследования плазмы, накачки лазеров, имитации высокотемпературных радиационно-газодинамических явлений в качестве стандартов яркости и др. используются лабораторные и стендовые мощные импульсные источники оптического излучения различных типов: электроразрядные эрозионные источники оптического излучения (разряд с испаряемой стенкой, магнитоприжатый разряд, электрический взрыв тонких металлических проволочек или фольги в газе или вакууме), протяжённые (до 1 м) сильноточные (до 500 кА) самосжатые разряды в газах (Z-пинч), сверхзвуковые ударные волны, создаваемые в так называемых ударных трубах или при выходе детонационной волны из кумулятивного канала заряда взрывчатого вещества в воздух или инертный газ. В таких источниках оптического излучения достигаются Т_В порядка (1 -100)·10⁴ К.

Лазерная плазма, образующаяся при фокусировке мощного импульса лазерного излучения в плотном газе (лазерная искра) или на твёрдой мишени, позволяет получить яркую вспышку и применяется в спектроскопии.

Синхротронное излучение, испускаемое электронами в синхротронах, имеет интенсивный сплошной спектр, перекрывающий весь оптический диапазон. Его спектральный состав и яркость регулируются изменением энергии электронов; оно очень стабильно, поэтому используется как эталонное в вакуумной УФ-области.

Лит.: Рохлин Г. Н. Газоразрядные источники света. М.; Л., 1966; Литвинов В. С., Рохлин Г. Н. Тепловые источники оптического излучения. М., 1975; Александров А. Ф., Рухадзе А. А. Физика сильноточных электроразрядных источников света. М., 1976; Импульсные источники света / Под редакцией И. С. Маршака. 2-е изд. М., 1978; Источники и приемники излучения. СПб., 1991; Протасов Ю. С., Чувашев С. Н. Твердотельная электроника. М., 2003.