Источники света. Лекция 12

1.

Лекция 12
Источники света
1

2.

План лекции
Источники света: тепловые и нетепловые. Свечка.
Флуоресценция. Хемофлуоресценция
Тепловые источники: лампа накаливания. КПД.
Приборы ночного видения
Газоразрядные лампы. Свечение плазмы.
Флуоресцентные лампы
Лампы высокого и низкого давления
Стимулированное излучение. Лазеры.
Когерентные и некогерентные источники
2

3.

Тепловое излучение
Другие источники излучения
Савельев т3
3

4.

Равновесная температура в космосе
Температура - физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и
количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.
Если говорить проще, то температура — есть величина, характеризующая тепловое состояние
какого-либо тела, вещества.
Если мы говорим о температуре применительно к веществу, то космос представляет из себя
практически вакуум. То есть, космическое пространство — это среда, в которой отсутствуют
вещества и тела и понятие температуры к космическому пространству не очень применимо.
Все же, если мы будем рассуждать о том, какая температура в космосе у тел помещенных
туда, то тут также все не так однозначно.
Температура тела в космосе во многом будет зависеть от того, в какой точке пространства это
тело сейчас находиться. Если тело будет находиться в свете какой либо звезды, к примеру
солнца, оно сможет нагреться за счет излучения. Если же тело поместить в тень, то оно будет
остывать стремясь приблизиться к абсолютному нулю по шкале Кельвина. То есть следуя
закону убывания энтропии, любое тело в тени в космосе будет стремиться к температуре 0 °К
или −273,15 °C.
Но опять же важно учитывать, что температура в космическом пространстве зависит от положения тела в пространстве и его
свойств.
К слову сказать, металлическая поверхность спутника на орбите земли в свете солнца нагревается до 160°C , а неосвещенная
сторона этого же спутника охлаждается до -100 °C. Нагрев и охлаждение происходит не быстро. Окажись без скафандра в открытом
космосе вы не замерзните мгновенно, как это обычно показывают в фантастических фильмах. Причиной вашей мгновенной смерти
станет скорее всего не холод, а закипание жидкостей вашего организма в виду разницы давлений.
4

5.

Равновесное излучение
5

6.

Энергетическая светимость
1859 г
6

7.

Испускательная и поглощательная способность тела
Вывод: черные тела
быстрее нагреваются и
быстрее охлаждаются за
счет излучения
7

8.

8

9.

9

10.

10

11.

Графики функции светимости АЧТ в шкале частот и шкале длин волн
11

12.

Световой поток
12

13.

Лампа накаливания
Ла́мпа нака́ливания — искусственный источник света, в котором свет испускает тело
накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. В качестве тела
накала чаще всего используется спираль из тугоплавкого металла (обычно —
вольфрама) либо угольная нить. Чтобы исключить окисление тела накала при
контакте с воздухом, его помещают в вакуумированную либо заполненную инертными
газами или парами колбу.
В лампе накаливания используется эффект нагревания тела накаливания при
протекании через него электрического тока (тепловое действие тока).
Любые тела испускают электромагнитные тепловые волны в соответствии с законом
Планка. Спектральная плотность мощности излучения (Функция Планка) имеет
максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры.
Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в
сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого
излучения необходимо, чтобы температура излучающего тела превышала 570 °C
(температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте).
Для зрения человека оптимальный, физиологически самый удобный спектральный
состав видимого света отвечает излучению абсолютно чёрного тела с температурой
поверхности фотосферы Солнца 5770 K. Однако неизвестны твердые вещества,
способные без разрушения выдержать температуру фотосферы Солнца, поэтому
рабочие температуры нитей ламп накаливания лежат в пределах 2000—2800 °C. В
телах накаливания современных ламп накаливания применяется тугоплавкий и
относительно недорогой вольфрам (температура плавления 3410 °C). Поэтому спектр
ламп накаливания смещён в красную часть спектра. Только малая доля
электромагнитного излучения лежит в области видимого света, основная доля
приходится на инфракрасное излучение.
Распределение энергии в спектре
25-ваттной лампы накаливания
13

14.

Галогенные лампы
Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп
наполняются химически инертными газами.
Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их
особенностью является введение в полость колбы галогенов или их
соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл в
холодной зоне лампы вступает в соединение с галогенами, образуя летучие
галогениды. Галогениды металла разлагаются на раскалённом теле накаливания
на металл и галоген, таким образом возвращая на тело накала испарившийся
металл и освобождая галоген, таким образом происходит непрерывная
циркуляция металла. Эта мера продлевает срок службы лампы и позволяет
увеличить рабочую температуру.
Галоге́нная ла́мпа — лампа накаливания, в баллон которой добавлен буферный
газ: пары галогенов (брома или иода). Буферный газ повышает срок службы
лампы до 2000-4000 часов и позволяет повысить температуру спирали. При
этом рабочая температура спирали составляет примерно 3000 С .
Галогенные лампы обладают хорошей цветопередачей (Ra 99-100), поскольку их
непрерывный спектр близок к спектру абсолютно чёрного тела с температурой
2800-3000 K.
14

15.

15

16.

Тепловизор
Теплови́ зор (тепло + лат. vīsio «зрение; видение») — устройство
для наблюдения за распределением температуры исследуемой
поверхности. Распределение температуры отображается на
дисплее как цветная картинка, где разным температурам
соответствуют разные цвета. Изучение тепловых изображений
называется термографией.
Все тела, температура которых превышает температуру
абсолютного нуля излучают электромагнитное тепловое
излучение в соответствии с законом Планка. Спектральная
плотность мощности излучения (функция Планка) имеет
максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит
от температуры.
Положение максимума в спектре излучения сдвигается с
повышением температуры в сторону меньших длин волн
(закон смещения Вина). Тела, нагретые до температур
окружающего нас мира (-50..+50 градусов Цельсия) имеют
максимум излучения в среднем инфракрасном диапазоне
(длина волны 7..14 мкм).
Максимум излучения при 300 К приходится на длину волны 10
мкм
16

17.

Приборы ночного видения
Прибор ночного видения (ПНВ) — класс оптико-электронных приборов,
обеспечивающих оператора изображением местности (объекта, цели и
т. п.) в условиях недостаточной освещённости. Существует несколько
подходов к построению ПНВ:
Усиление очень слабого видимого света, не различаемого глазом
человека. Идея реализуется в электронно-оптических
преобразователях (ЭОП) и, в некоторой степени, в современных
видеокамерах для систем охраны с т. н. ночным режимом.
Наблюдение в ближнем инфракрасном диапазоне (длина волны
0,7—1,5 мкм). Чувствительностью в этом диапазоне обладают ЭОП
и видеокамеры без инфракрасного фильтра. В ближнем ИК нет
естественных источников, кроме солнца, поэтому в полной
темноте такие ПНВ ничего не увидят без подсветки. Для таких ПНВ
существуют специальные источники подсветки (инфракрасные
прожекторы, например на базе инфракрасных светодиодов), не
видимые невооружённым глазом.
Наблюдение в среднем (тепловом) инфракрасном диапазоне
(длина волны 7—15 мкм). В этом диапазоне излучают все твёрдые
тела, нагретые до температур нашего мира: от −50 °C и выше. Такие
ПНВ называются тепловизорами. Они показывают картинку
разницы температур и не требуют никакой подсветки.
17

18.

Люминесценция
Люминесценция – это спонтанное электромагнитное
излучение в видимом диапазоне длин волн (400-700нм),
избыточное при данной температуре над тепловым
излучением тела, длительность которого превышает
период световых волн. Люминесценция – холодное
свечение.
Возникает, как и свет (и тепловое излучение) при
переходах электронов между энергетическими уровнями.
НО, в отличие от теплового излучения, которое
осуществляется за счёт внутренней энергии тела, для
возникновения люминесценции необходимы внешние
источники энергии.
Несмотря на это люминесценция - спонтанное излучение
вследствие того, что переход из возбуждённого состояния
в основное электрон осуществляет самопроизвольно.
Вещества, способные люминесцировать, называют
люминофорами.
18

19.

Виды люминесценции
19

20.

ЗАКОНЫ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
Законы люминесценции
Закон Стокса: длина волны люминесцентного излучения больше, чем длина волны света,
вызвавшего люминесценцию
I
возбуждение
люминесценция
Исключение – антистоксовская
люминесценция, которая наблюдается, если
квант света поглощён уже возбуждённым
атомом. В таком случае в кванте
люминесценции будет больше энергии, чем в
поглощённом кванте, а длина волны
соответственно меньше.
Закон Вавилова: энергетический выход люминесценции сначала возрастает по мере
увеличения длины волны света, вызывающего люминесценцию, а потом резко падает до 0.
Энергетический выход – это отношение энергии,
которая излучается в процессе люминесценции к
энергии, которую люминофор поглощает:
E
E0
0
20

21.

Люминесцентная лампа
Люминесце́нтная ла́мпа — газоразрядный источник света
(КПД ~10%), в котором электрический разряд в парах ртути
генерирует ультрафиолетовое излучение, которое
переизлучается в видимый свет с помощью люминофора
— например, смеси галофосфата кальция с другими
элементами.
Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз
больше, чем у ламп накаливания аналогичной мощности.
Наиболее распространены газоразрядные ртутные лампы
высокого и низкого давления.
лампы высокого давления применяют в основном в
уличном освещении и в осветительных установках большой
мощности;
лампы низкого давления применяют для освещения жилых
и производственных помещений.
Газоразрядная ртутная лампа низкого давления (ГРЛНД)
представляет собой стеклянную трубку с нанесённым на
внутреннюю поверхность слоем люминофора,
заполненную аргоном под давлением 400 Па и ртутью (или
амальгамой).
21

22.

Лазерные источники света
22

23.

Свойства вынужденного излучения
Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация
нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра
и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий
энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона,
энергия которого равна разности энергий этих состояний.
Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а
также направление распространения, что и индуцирующий фотон
(который при этом не поглощается).
Оба фотона являются когерентными.
Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении
(испускании) внёс А. Эйнштейн опубликовав в 1916 и 1917 годах
соответствующие научные статьи. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что
под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом)
может:
•перейти с более низкого энергетического уровня на более
высокий с поглощением фотона энергией ;
•перейти с более высокого энергетического уровня на более
низкий с испусканием фотона энергией
•кроме того, как и в отсутствие возбуждающего поля, остаётся
возможным самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на
нижний уровень с испусканием фотона энергией
23

24.

Яркость некогерентных источников
24

25.

Яркость лазерного источника
Поскольку при
стимулированном
излучении
генерируемые фотоны
летят строго в том же
направлении, что и
исходные, световой
поток получается с
очень большой
яркостью
25

26.

Когерентное излучение
Пространственная когерентность —
когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот
же момент времени в разных точках плоскости,
перпендикулярной направлению распространения волны.
Пространственная когерентность означает сильную
корреляцию (фиксированную связь фаз) между
электрическими полями в разных местах по всему профилю
пучка. Например, в сечении пучка с лазерным
дифракционным качеством, электрическое поле в разных
местах колеблется фиксированным образом, даже если
временная структура усложняется наложением различных
частотных составляющих.
Для пространственной когерентности необходимым
условием является точная направленность лазерного луча.
Лазеры могут излучать пучки света (например, гауссовые
пучки) с очень высокой пространственной когерентностью, и
это, пожалуй, самое принципиальное различие между
лазерным излучением и излучением от других источников
света. Высокая пространственная когерентность возникает изза существования мод резонатора, которые определяют в
пространстве коррелированные модели поля.
26

27.

Рассмотренные вопросы
Источники света: тепловые и нетепловые. Свечка.
Флуоресценция. Хемофлуоресценция
Тепловые источники: лампа накаливания. КПД.
Приборы ночного видения
Газоразрядные лампы. Свечение плазмы.
Флуоресцентные лампы
Лампы высокого и низкого давления
Стимулированное излучение. Лазеры.
Когерентные и некогерентные источники
27