Strålingen af en kilde øges ved at øge dens udsendte effekt, ved at gøre det udsendte område af kilden mindre eller ved at udsende strålingen i en mindre rumvinkel. Strengt taget defineres radians i hvert punkt på den udstrålende overflade, som en funktion af positionen og som en funktion af observationsvinklen. Ofte, som i eksemplet ovenfor, bruger vi radians af en kilde til at betegne den gennemsnitlige radians over en finite størrelse åbning og over en bestemt rumvinkel af interesse.
Radians er en bevaret størrelse i et optisk system, således at radians målt som watt pr. arealenhed pr. enhed rumvinkel, der falder ind på en detektor, ikke vil overstige radiansen ved emitteren. I praksis vil den strålingsstyrke, der ses ved detektoren, for ethvert strålebundt, der afbilder en emitter til en detektor, blive formindsket af det lys, der absorberes undervejs eller spredes ud af den faste vinkel af det strålebundt, der når frem til detektoren.
Lad os tage et eksempel. Lad os antage, at man med øjet observerer en 35 W Xenon (Xe) kortbue-lampe på 35 W og derefter en 60 W lysstofrørslampe med lige rør, begge i en tilsvarende afstand på et par meter. (Som baggrundsinformation skal det nævnes, at 35W buelampen udsender betydeligt mindre synlig effekt end 60W lysstofrøret). Hvilken lyskilde opfattes som lysere, eller i radiometriske termer, har højere strålingsstyrke? Xe-kortbuelampen opfattes som værende meget lysere, selv om 35 W buelampen udsender mindre effekt end 60 W lysstofrøret. Dette skyldes, at kortbuelampen har et meget mindre udstrålingsområde (A) end lysstofrørets meget store udstrålingsområde, mens øjet modtager strålingen i mere eller mindre samme rumvinkel (Ω), når afstanden mellem øjet og kilden er den samme. Øjets linse danner et klart billede af Xe-bogen på et meget lille område af nethinden, og øjet føler sig ikke godt tilpas. Lysstofrør med et større område danner et billede over et meget større område på nethinden, som øjet kan tåle mere behageligt. Buelampen har en meget højere udstråling end lysstofrørslampen, selv om den udsender mindre effekt.
Som et yderligere eksempel kan man forestille sig, at man bruger Xe- og lysstofrørslamperne til at belyse et lille område som f.eks. enden af en optisk fiber med en diameter på 200 μm. Som følge af den højere stråling fra kilden kan strålingen fra 35 W Xe-buelampen med Xe-lysbue meget mere effektivt opsamles og fokuseres ind i fiberen. I modsætning hertil vil den 60 W fluorescerende lampe med lav radians være ineffektiv i forhold til at koble sin strålingsenergi ind i fiberen, uanset hvilken type fokuseringsoptik der anvendes.
Energetiqs laserdrevne lyskilder har ultrahøj radians fra deres lille udstrålende område (~ 100μm diameter). Stråling fra en sådan kilde med høj strålingsstyrke og lille udstrålingsområde kan kobles endnu mere effektivt ind i den optiske fiber med en diameter på 200 μm, der er beskrevet ovenfor. Dette gælder også for andre optiske systemer med små åbninger og en begrænset accepterende fastvinkel – optiske systemer med lille “étendue” – som f.eks. de smalle spalter i en monokromator. (For yderligere diskussion af étendue, se Application Note #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradiance
Irradiance er radiometriudtrykket for den effekt pr. arealenhed af elektromagnetisk stråling, der falder ind på en overflade. SI-enheden for irradians er watt pr. kvadratmeter eller milliwatts pr. kvadratmillimeter (Irradians kaldes undertiden intensitet, men denne brug fører til forveksling med en anden standardiseret, men sjældent anvendt radiometrisk enhed – strålingsintensitet – som måles i watt pr. steradian.)
Hvis en punktstrålekilde udsender stråling ensartet i alle retninger, og der ikke sker nogen absorption, falder bestrålingsgraden proportionalt med afstanden i kvadrat fra kilden, da den samlede effekt er konstant, og den spredes over et område, der vokser med afstanden i kvadrat fra strålekilden. For at kunne sammenligne strålingsintensiteten fra forskellige kilder må man tage hensyn til afstanden fra kilden. En afstand på 50 cm anvendes ofte til sådanne målinger.
Irradians er en nyttig målestok for anvendelser, hvor der skal leveres effekt til store områder. For eksempel er belysning af et klasseværelse eller en fodboldbane primært et spørgsmål om at levere et bestemt antal watt pr. kvadratmeter. Dette kan opnås ved at anvende en enkelt høj effektkilde. Da bestrålingsgraden imidlertid ikke afhænger af den faste vinkel, kan flere kilder kombineres og belyse væggene eller banen fra forskellige vinkler.
En kildes bestrålingsgrad er ikke den mest nyttige målestok, når der skal udformes et effektivt optisk koblingssystem, der opsamler stråling fra en kilde og derefter afgiver strålingen til et optisk instrument. Sådanne optiske instrumenter vil have en begrænset indgangsåbning og en begrænset accept fast vinkel. I sådanne tilfælde er det kildens strålingsstyrke (dens “lysstyrke”), der er mest anvendelig.
Radiantflux
Radiantflux er strålingsenergi pr. tidsenhed, også kaldet strålingseffekt . Strålingsflux bruges ofte til at beskrive strålingseffekten fra en strålekilde eller den strålingseffekt, der modtages af et optisk instrument. Eksempler på strålingsflux er: den strålingseffekt, der passerer gennem et nålehul; den strålingseffekt, der kommer ud af den optiske fiber i en fiberkoblet laser; den strålingseffekt, der modtages af en effektdetektor.
Enhederne for strålingsflux omfatter ikke areal eller rumvinkel, og er derfor ikke nyttige til at afgøre, om en bestemt lyskilde med en bestemt strålingsflux vil være nyttig til at levere sin effekt til et optisk instrument. I vores tidligere eksempel udsender 60 W lysstofrøret en større strålingsflux (effekt) end 35 W Xe-bue-lampe. Men med en passende fokuseringsoptik vil lysbuelampen levere en højere strålingsstrøm til den optiske fiber med en diameter på 200 μm. En laserdreven lyskilde som Energetiqs EQ-99 har måske en lavere strålingsflux end 35 W buelampen, men dens højere strålingsstyrke gør det muligt at levere en endnu højere strålingsflux til den optiske fiber med en diameter på 200 μm end 35 W buelampen.
Spektralstråling, spektralstråling og spektralstrålingsflux
De tre ovenfor omtalte udtryk er størrelser, der anvendes til at karakterisere stråling inden for et bestemt bølgelængdebånd (UV, VIS og/eller IR). Det er også almindeligt at betragte disse værdier for en enhedsbølgelængde (pr. nm) i spektret. For strålingseffekt pr. bølgelængdeenhed anvendes spektralstrålingsstrøm med SI-enhederne watt pr. meter , eller mere almindeligt milliwatt pr. nanometer . For stråling, der falder ind på en overflade, anvendes udtrykket spektralstråling med SI-enheden , eller mere almindeligt enheder på . For strålingseffekt i en enhed fast vinkel fra et enheds emitterende område og en enhedsbølgelængde er udtrykket spektralstråling, oftest med enheder på .
Spektralstråling er en vigtig målestok ved valg af en kilde til en anvendelse. Generelt udviser de fleste strålekilder variationer i den spektrale radians over hele deres emissionsspektrum. I figur 3 er den spektrale radians vist for en 30 W deuteriumlampe (D2), en 75 W Xe-bue-lampe med høj lysstyrke og for to versioner af Energetiqs laserdrevne lyskilde, EQ-99 og EQ-1500.
Figur 3: Spektralstråling for EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, 75W kortbuet Xe-lampe,
Tungstenlampe og D2-lampe.
For vores tidligere eksempel med belysning af en 200μm optisk fiber, lad os antage, at vi ønsker at sammenligne de fire lyskilder i figur 3 med hensyn til at levere 200 nm bølgelængde stråling ind i fiberen. Da nøgleparameteren er kildernes spektrale radians ved 200 nm, kan vi af figur 3 se, at Xe-lampens spektrale radians er ca. en størrelsesorden højere (“lysere”) end D2-lampen, og at LDLS-kilderne er endnu en størrelsesorden højere end Xe-lampen. Med den samme fokuseringsoptik, der anvendes til at koble lyset fra hver kilde ind i 200μm-fibren, ville den strålingsflux, der leveres ind i fiberen, ligeledes variere med de samme størrelsesordener.
Slutninger
I forbindelse med design af optiske instrumenter vil forskere og ingeniører, der vælger lyskilder, blive udsat for en række forskellige kildespecifikationer og radiometriske udtryk. Det er vigtigt at forstå specifikationernes art og at sætte dem sammen i radiometriske termer, der gør det muligt at træffe hensigtsmæssige designbeslutninger. Generelt er det for typiske optiske instrumentanvendelser som f.eks. spektroskopi og billeddannelse, at det er lyskildens radians og spektrale radians, som det er mest nødvendigt at forstå. For et instrument med begrænsende åbninger og faste vinkler er det strålingskildens radians, der bestemmer, hvor meget stråling der passerer gennem instrumentet. Ved omhyggeligt at matche instrumentet med en kilde med passende radians kan der konstrueres et optimalt system.
< Tilbage til listen over tekniske artikler
Se PDF-format >