§6.3. Газоразрядные источники

В этих источниках используется излучение газов или паров ме­таллов, возникающее под действием электрического разряда. Достоин­ством этих источников является большая световая отдача, т.к. подбо­ром газа и условий разряда можно сосредоточить наиболее мощные линии излучения в видимом диапазоне, а также возможность получе­ния больших значений силы света. Недостатками газоразрядных ламп являются сложность включения, небольшой срок службы, большие по сравнению с лампами накаливания габариты.

По временному характеру излучения газоразрядные лампы под­разделяются на лампы непрерывного свечения и импульсные лампы, сила света в которых достигает 10⁸ кд.

К лампам непрерывного действия относятся ртутные лампы (ДРШ), циркониевые, це­зиевые, дейтериевые лампы низкого давления и неоновые лампы тлеющего разряда.

Ртутные лампы имеют спектральную характеристику излучения сдвинутую в ультра­фиолетовую часть спектра. Так как в ртутных лам­пах реализуется разряд на парах металла, то спектр ламп имеет линей­чатый характер. Излучение ртутных ламп лежит в пределах 0.10.4 мкм.

Близки по характеристикам к ртутным лампам дейтериевые лампы низкого давления, также имеющие линейчатый спектр сдвину­тый в УФ область. Цезиевые лампы с тлеющим раз­рядом имеют максимум излучения в области 0.80.9 мкм.

В качестве сигнальных индикаторных ламп широко используются малогабаритные не­оновые лампы тлеющего разряда, которые потреб­ляют малую мощность и создают небольшие световые потоки.

Импульсные газоразрядные лампы могут служить для создания редких, но мощных им­пульсов или для получения частых, но слабых вспышек. Длительность вспышки импульсных ламп мала(10^-610^-4сек), поэтому несмотря на огромную силу света в импульсе до десятков мил­лионов кандел энергия излучаемая в единицу времени невелика. Импульсные лампы имеют сложный спектральный состав излучения и отличаются стабильностью во времени фотометри­ческих параметров излучения.

§6.4. Лазеры

Наиболее перспективными источниками излучения фотометриче­ских систем контроля являются оптические квантовые генераторы – лазеры. Лазеры имеют высокие монохроматич­ность и когерентность излучения, малый диаметр и незначительную расходимость луча. Ра­бо­чий диапазон существующих лазеров изменяется от УФ излуче­ния( =0.3 мкм) до ИК излуче­ния( 300 мкм).

Л азер состоит из рабочего вещества помещённого в оптиче­ский резонатор и источника на­качки. Часто в со­став лазера вхо­дит охлаждающее устройство, отводящее тепло от рабочего тела. Получение лазерного излу­чения основано на квантовых пе­реходах электронов в рабочем теле, например в кристалле ру­бина. Под действием излу­чения накачки электроны с уровня переходят на уровни , , время пребывания на которых мало (10^-8 с). Поэтому очень быстро совершается безизлучательный переход на уровень , где элек­трон задерживается на более длитель­ное время(10^-3 с). Это позволяет создать на уровнях более высокую концентрацию электронов, т.е. создать ин­версную заселённость. Излучение квантов света опреде­лён­ной длины волны происходит при переходе электронов с уровня на уровень .

Оптический резонатор представляет собой два зеркала установ­ленных на определённом расстоянии кратном половине длины волны излучения параллельно друг другу. Для вывода из­лучения одно из зер­кал делают полупрозрачным. Резонатор реализует многократное про­хожде­ние излучения в рабочем теле, за счёт чего происходит увеличе­ние мощности излучения.

В газовых ОКГ в качестве активного вещества используют смесь инертных газов, дву­окиси углерода и др. В качестве возбуждающего фактора используют как правило электриче­ский разряд. Газовые ла­зеры используют в основном непрерывный режим работы, однако не­ко­торые типы имеют импульсный режим работы. Газовые лазеры имеют высокую монохроматичность и стабильность частоты излуче­ния. Однако мощность их излучения невелика – менее 1 Вт. Отечест­венные гелий – неоновые газовые лазеры ЛГ – 102, ЛГ –77, имеют =0.63 мкм, мощность – несколько мВт.

В твердотельных лазерах в качестве рабочего тела используют материалы, легирован­ные соответствующими примесями, например рубин ( =0.69 мкм), алюмоиттриевый гранат с примесью не­одима ( =1.06 мкм). Источники накачки представляют собой газораз­рядные спираль­ные или стержневые импульсные лампы с рефлекто­рами. Основным режимом работы твердотельных лазеров является импульсный режим. По сравнению с газовыми лазерами для твердо­тельных ОКГ характерны большая мощность в импульсе, меньшая ко­герентность излу­чения, большие габариты и масса. Общими недостат­ками газовых и твердотельных ОКГ явля­ются низкий КПД(1%), ма­лый срок службы, сложность блока питания. Мощность ОКГ на твёр­дом теле может достигать в непрерывном режиме 1 кВт. Отечествен­ные твердотельные ла­зеры ОКГ–15, =10 мкм, мощность W=10 Вт, рубиновый ОГМ–20, =0.69 мкм, W=1.5 кВт в импульсе , неодимовый ГСИ–1, =1.06 мкм, мощность W=3 кВт в им­пульсе .

В полупроводниковых лазерах излучение генерируется в резуль­тате рекомбинации электронов и дырок при прохождении тока через прямосмещённый p –n переход. Лазеры на основе GaAs излучают на длины волн 0,84 мкм при Т=93 К и 0.92 мкм при Т=300 К. Когерентным излучение является при плотности тока выше пороговой (10³10⁴ А/см²). При меньших токах возбуждения излучение становится спонтанным и ширина линий спектра излучения увеличива­ется. В этом случае источник работает в светодиодном режиме. В последнее время созданы эффективные инжекционные лазеры на гетеропереходах.