+Лек 05 - Спектр оптических излучений Файл

Раздел 2. Механизмы воздействия оптических излучений на природу
Лекция 5
Спектр оптических излучений и защита от оптических излучений
1.Спектр оптических излучений и их диапазонов с указанием линий
генерации лазеров.
2.Солнцезащитные фильтры.
3.Нормирование интенсивности излучения осветительных установок.
2
1.Спектр оптических излучений и их диапазонов с указанием линий
генерации лазеров
Известно, что при разложении в спектр видимого излучения Солнца
все цвета плавно переходят один в другой. Излучение определенного цвета,
выделенное из всего спектра, называется монохроматическим.
Монохроматическими, то есть сосредоточенными в малом
спектральном интервале, принято считать не только видимые, но и другие
излучения в оптической части спектра. При этом спектральный интервал
монохроматического излучения принят равным 10 нм.
Таблица 1. Подразделение интервала длин волны на диапазоны
Область
Диапазон
Длины волн
Частота,
излучения
излучения
ГГц
ИК-спектр Очень дальний
100 мкм    1 мм
2998    300
Дальний
20 мкм    100 мкм
14990    2998
Средний
1,5 мкм    20 мкм
199861    14990
Ближний
750 нм    1,5 мкм
397227    199861
Видимый Красный
630 нм    770 нм
475860    389340
спектр
Оранжевый
590 нм    630 нм
508122    475860
Жёлтый
570 нм    590 нм
525951    508122
Зелёный
495 нм    570 нм
605640    525951
Синий
435 нм    495 нм
689177    605640
Фиолетовый
390 нм    435 нм
768697    689177
Ультрафиолет
  390 нм
  768697
Примечание: Цвета по другим источникам (стр.186: Шкрабак Охрана
труда. – М.,1989): 380-430 нм – фиолетовый; 430-470 нм – синий; 470-500 нм
– сине-зеленый; 500-550 нм – зеленый; 550-560 нм – желто-зеленый; 560-590
нм – желтый; 590-620 нм – оранжевый; 620-760 нм – красный.
1.1. Ультрафиолетовое излучение
Спектр ультрафиолетового излучения может быть линейчатым,
непрерывным или состоять из полос в зависимости от природы источника
ультрафиолетового излучения. Линейчатым спектром обладает УФизлучение атомов, ионов или лёгких молекул (например, H2). Для спектров
тяжёлых молекул характерны полосы, обусловленные электронноколебательно-вращательными переходами молекул. Непрерывный спектр
возникает при торможении и рекомбинации электронов.
Для ультрафиолетовой области спектра разработаны оптические
квантовые генераторы, среди которых наименьшую длину волны имеет
водородный лазер ( = 109,8 нм).
3
www. cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/114/029.htm
Длины волн генерации некоторых лазеров приведены в таблице 2.
Таблица 2. Типичные параметры импульсных лазеров, используемых в
технологических процессах
, нм
Активная среда (тип
лазера)
150...400
337
450...530
1060
Эксимеры (газовый)
N2 (газовый)
Ar (газовый)
Nd-стекло
(твердотельный)
Nd-ИАГ (твердотельный)
2-я гарм.
(твердотельный)
Rb (твердотельный)
Красители (жидкий)
СО2 (газовый)
1060
530
694
200...5000
10600
Е
импульса,
Дж
10–2...1
10–5...10–2
10–8...10–5
10–2...10+2
Макс.
част.
повт., Гц
102
102
108
10–1
Длит.
импул., сек
Р, Вт
0,02
(5...10)10–3
(1...100)10–4
510–4...104
50
1
10
50
10–3...1,0
10–4...0,3
102...104
102...104
10–2...103
10–3...1
50
1...10
10–2...10
10–2
10–4...10
1
10 ...10
103
0,1...1
1
1
90...500
2
4
2.Солнцезащитные фильтры
Солнцезащитные фильтры представляют собой светофильтры.
Светофильтр – устройство, меняющее спектральный состав и
энергию падающего на него оптического излучения (света) (Из БСЭ-2305).
Основной характеристикой светофильтра является спектральная
зависимость его коэффициента пропускания  (или оптической плотности D
= -lg), т.е. зависимость  или D от частоты (длины волны) излучения.
Селективные
светофильтры
предназначены
для
отрезания
(поглощения) или выделения каких-либо участков спектра. В сочетании с
приёмниками
света
эти
светофильтры
изменяют
спектральную
чувствительность приёмников.
Нейтральные светофильтры более или менее равномерно ослабляют
поток излучения в определённой области спектра.
Действие светофильтра может быть основано на любом оптическом
явлении, обладающем спектральной избирательностью, – на поглощении
света (абсорбционные светофильтры), отражении света (отражательные
светофильтры), интерференции света (интерференционные светофильтры),
дисперсии света (дисперсионные светофильтры) и пр.
Наиболее распространены стеклянные абсорбционные светофильтры,
которые
отличаются
постоянством
спектральных
характеристик,
устойчивостью к воздействию света и температуры, высокой оптической
однородностью. Они могут успешно применяться в качестве
солнцезащитных фильтров.
Промышленностью выпускается более 100 марок цветных стёкол для
светофильтров. Используя одно, два, а иногда и три стекла и меняя их
толщину, можно получать светофильтры с разнообразными спектральными
свойствами.
Абсорбционные светофильтры из окрашенной желатины и других
органических материалов менее надежны вследствие их низких
механической прочности и термической устойчивости, а также довольно
быстрого выцветания. Однако положительными качествами таких
светофильтров являются большое разнообразие спектральных характеристик
и простота изготовления.
Отражающие селективные и нейтральные светофильтры изготовляют
нанесением металлических плёнок на кварцевую или стеклянную подложку.
Селективные отражающие светофильтры с различными кривыми отражения
получают также, комбинируя слои разной толщины.
5
Интерференционные светофильтры состоят из двух полупрозрачных
зеркал (например, слоев серебра) и помещённого между ними слоя
диэлектрика. В проходящем свете интерферируют лучи, непосредственно
прошедшие через светофильтр. В результате в проходящем свете остаются
лучи с длиной волны, равной удвоенной толщине слоя диэлектрика, а в
отражённом эти лучи отсутствуют.
В дисперсионных светофильтрах максимум пропускания (минимум
отражения) приходится на ту длину волны, для которой равны показатели
преломления (ПП) двух сред n1 и п2. Выделение спектрального интервала
более эффективно, если вещество с ПП п2 (погружённое в среду с ПП n1)
размельчить. Обычно дисперсионные светофильтры изготавливают из
порошков бесцветных стёкол, залитых органическими жидкостями.
Общее применение светофильтров.
Если охарактеризовать шире, то светофильтры служат для выделения
или устранения требуемой спектральной области в научных исследованиях, в
фотометрии, спектрофотометрии, колориметрии, сочетаются почти со всеми
оптическими приборами и спектральными приборами.
В фотографии и кинематографической практике их применяют для
уменьшения рассеяния дымкой, улучшения цветопередачи и передачи
светотени, съёмки в инфракрасных лучах.
В светотехнике они употребляются для сигнализации, цветного
освещения, изменения цветовой температуры источников света.
Светофильтры необходимы во всех случаях, когда нужно избежать
нежелательного нагревательного действия инфракрасного излучения,
фотохимических и иных действий ультрафиолетового излучения, либо
ослабить или исправить спектральный состав видимого излучения (так, они
являются основным элементом защитных очков). Без светофильтров
невозможна
инфракрасная,
ультрафиолетовая
и
люминесцентная
микроскопия. Эти примеры не исчерпывают чрезвычайного многообразия
областей применения светофильтров.
6
3.Нормирование интенсивности излучения осветительных установок
Искусственным источником оптического излучения называют
устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в
оптическое излучение.
Совокупностью светотехнических устройств, предназначенных для
освещения является осветительная установка.
Понятие «осветительная установка» относится преимущественно к
установкам искусственного электрического освещения. В этом случае
охватывает:
-осветительные приборы с источниками света,
-пускорегулирующую аппаратуру,
-подводящие провода,
-распределительные щиты и
-прочие
электрические
устройства,
предназначенные
для
распределения электрической энергии между осветительными приборами.
Кроме того, в состав осветительной установки обычно включают все
специальные приспособления для повышения качества освещения (например,
искусственный фон), а также поверхности, участвующие в пространственном
перераспределении светового потока, в том числе стены и потолки
помещений.
К
осветительным
установкам
относят
также
установки
оздоровительного облучения (светолечения) и сигнальные фонари.
В России устройство и эксплуатация осветительных установок
регламентируются нормами и правилами, согласно которым осветительные
установки должны обеспечивать выполнение всех требований к
освещённости и качеству освещения, определяемых особенностями
освещаемого объекта, и быть при этом экономичными и надёжными в работе,
электро- и пожаробезопасными, простыми для монтажа и обслуживания.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы
материалы из (http:// www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/085/249.htm).
Нормирование интенсивности излучения осветительных установок
осуществляется с учетом их энергетических, светотехнических,
электротехнических и эксплуатационных показателей.
К светотехническим показателям электрических источников
оптического излучения относятся три основных показателя:
1) Спектральный состав излучения лампы Ф(), Вт/нм.
2) Эффективный поток излучения лампы Фэф.л (световой – лм,
фотосинтезный – фт, витальный – вит, бактерицидный – бк).
Единица светового потока – люмен – создается силой света в одну
канделу в пределах пространственного угла в один стерадиан.
7
Экспериментально установлено, что 1 лм составляет 1/683 части ватта
излучения при длине волны 555 нм.
В системе фотосинтезных величин за основную принят
фотосинтезный поток Фф [индекс (фито) характеризует величину, оцененную
по реакции на облучение зеленого растения]. Фотосинтезный поток
измеряется в фитах (фт). Фит – это один ватт излучения при длине волны 680
нм. Значение максимальной спектральной фотосинтезной эффективности
численно равно единице.
В системе витальных величин за единицу эффективного потока,
названного витальным, принят один вит (вит) – поток излучения в один ватт
при длине волны 254 нм.
В системе бактерицидных величин за единицу эффективного
(бактерицидного) потока принят один бакт (бк) – поток излучения в один
ватт при длине волны 297 нм.
Основные величины рассмотренных систем приведены в табл.3.
Таблица 3. Основные величины эффективного потока излучения лампы
Система
эффективных
величин
Стандартизованный
Область
Максимальная
приемник
спектральной
спектральная
излучения
чувствительности, чувствительность
положение
максимума, нм
Световых
Глаз среднего
380…760,
683 лм/Вт
человека
555
Фотосинтезных Зеленый лист
300…800,
1 фт/Вт
среднего растения
680
Витальных
Кожа среднего
280…390,
1 вит/Вт
человека
297
Бактерицидных Бактерии
220…315,
1 бк/Вт
254
3) Эффективная отдача лампы (лм/Вт, фт/Вт, вит/Вт, бк/Вт):
g max эф. л  g max
где
 эф. л
Рл
,
g max – максимальная спектральная чувствительность приемника
излучения;
эф. л – эффективный КПД лампы ( эф. л 
 эф. л
Рл
 эф. л – эффективный поток излучения лампы;
);
8
Рл – мощность лампы, Вт.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы
материалы из ([Живописцев Е.Н., Косицын О.А. Электротехнология и
электрическое освещение. – М.: Агропромиздат, 1990. – 303 с.: ил.], стр.199,
201, 210).