Искусственные источники оптического излучения

Искусственным источником света, иди, более строго, искусственным источником оптического излучения, называют устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в энергию электромагнитных излучений, лежащих в оптическом диапазоне спектра. Последний, как известно, разделяется на три области: ультрафиолетовую с длинами волн от 1 до 380 нм, видимую с длинами волн от 380 до 770 нм и инфракрасную с длинами волн от 770 до 10 нм.

Возникновение оптического излучения связано с изменением энергетических состояний валентных электронов, входящих в состав излучающего тела. Спектр излучения определяется энергетическими состояниями, которые могут принимать электроны в результате сообщения телу внешней энергии, т. е. строением тела, составляющих его атомов и молекул.

По физической природе оптическое излучение делят на тепловое излучение и люминесценцию.

Тепловое излучение. В основе действия источников теплового излучения лежит излучение энергии, сообщенной телу при нагревании тем или иным способом.

Согласно законам теплового излучения для получения высокого КПД в видимой области спектра необходимо нагревать тела до температур около 6000 К и стремиться к тому, чтобы излучение источника света сосредоточивалось по возможности только в видимой области. При нагреве твердых тел предел повышения температуры ограничивается температурой их плавления и быстрым испарением вещества. В настоящее время наивысшие температуры нагрева и световые КПД удается получать при применении вольфрама и карбидов тантала и гафния, при этом все же значительная часть излучения лежит в ИК-области. Попытки существенно повысить световую отдачу за счет увеличения селективности излучения нагретых твердых тел пока не дали значительных результатов, хотя принципиальные возможности в этом направлении имеются.

В отличие от твердых тел нагрев газов и паров не ограничен температурой плавления и может осуществляться практически до любых температур. Наиболее подходящим способом нагрева газов и паров до высоких температур является разряд. Путем подбора того или иного газа или пара можно получить селективное излучение в интересующей области спектра. Таким образом, при использовании газов или паров в качестве источника оптического излучения может быть повышен КПД и получен желаемый спектр излучения.

Люминесценция. В основе действия люминесцентных источников света лежат различные способы превращения отдельных видов энергии непосредственно в оптическое излучение. Оно возникает при локализованном поглощении внешней энергии частицами вещества с последующим излучением этой энергии и поэтому не связано с тепловым состоянием тела. Благодаря этому при люминесценции возможно более эффективное преобразование подводимой энергии в оптическое излучение. Люминесценцией называют спонтанное излучение, избыточное по сравнению с тепловым, если его длительность значительно превышает период колебаний электромагнитной волны соответствующего излучения. Люминесценция наблюдается в газообразных, жидких и твердых телах. Спектр люминесценции может состоять из отдельных линий (излучение отдельных атомов и ионов), полос (излучение молекул) и непрерывных участков (излучение твердых тел и жидкостей). Твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений, называют люминофорами.

В современных источниках света в основном используют электролюминесценцию и фотолюминесценцию.

Электролюминесценция — оптическое излучение атомов, ионов, молекул, жидких и твердых тел под действием ударов электронов, ионов, ускоренных в электрических полях до энергий, достаточных для возбуждения. Электролюминесценция газов и паров, возбуждаемых электронами в процессе газового разряда, является первопричиной излучения разрядов и широко используется в разрядных источниках света. Различные виды электролюминесценции люминофоров используются в злектролюминесцентных панелях. Свечение люминофоров под действием ударов электронов достаточной скорости, называемое катодолюминесценцией, используется в электронно-лучевых трубках, кинескопах, электронно-оптических преобразователях, некоторых специальных источниках света и других приборах.

Фотолюминесценция — оптическое излучение, возникающее в результате поглощения оптического излучения другого источника. В парах и газах наблюдается множества видов фотолюминесценции, определяемых энергией поглощаемых фотонов и строением поглощающих атомов, ионов или молекул. Например, резонансная флюоресценция паров и газов и многие другие виды, играющие большую роль в излучении разрядных ламп, особенно низкого давления. Фотолюминесценция люминофоров широко применяется в люминесцентных и некоторых других разрядных лампах.

В настоящее время наиболее широкое применение получили источники света, основанные на превращении электрической энергии в оптическое излучение, т. е. по роду первичной энергии относящиеся к категории электрических. Среди них наиболее массовыми являются лампы накаливания и разрядные лампы различного типа.