A forrás sugárzását úgy lehet növelni, ha növeljük a kibocsátott teljesítményét, ha kisebb a forrás kibocsátó területe, vagy ha a sugárzást kisebb térszögbe bocsátjuk ki. Szigorúan véve a sugárzásteljesítményt a kibocsátó felület minden pontján, a helyzet és a megfigyelési szög függvényében határozzuk meg. Gyakran, mint a fenti példában is, a forrás sugárzását úgy használjuk, hogy a sugárzást egy véges méretű nyílásra és valamilyen térszögre átlagolt sugárzást értjük alatta.
A sugárzássűrűség egy optikai rendszerben konzervált mennyiség, így a detektorra eső, egységnyi területegységre és egységnyi térszögre jutó wattban mért sugárzássűrűség nem haladja meg a sugárzó sugárzássűrűséget. A gyakorlatban bármely sugárnyaláb esetében, amely a kibocsátóról a detektorra esik, a detektoron látható sugárzást csökkenti az útközben elnyelt vagy a detektort elérő sugárnyaláb térszögéből szórt fény.
Lássunk egy példát. Tegyük fel, hogy szemmel megfigyelünk egy 35 W-os Xenon (Xe) rövid ívű lámpát, majd egy 60 W-os egyenes csövű fénycsövet, mindkettőt hasonló, néhány méteres távolságban. (Háttérinformációként: a 35 W-os ívlámpa lényegesen kisebb látható teljesítményt bocsát ki, mint a 60 W-os fénycső). Melyik fényforrást érzékeljük fényesebbnek, vagy radiometriai értelemben nagyobb a sugárzása? A Xe rövid ívű lámpa sokkal fényesebbnek érzékelhető, bár a 35W-os ívlámpa kisebb teljesítményt bocsát ki, mint a 60W-os fénycső. Ez annak köszönhető, hogy a rövid ívű lámpa kibocsátó felülete (A) sokkal kisebb, mint a fénycső nagyon nagy kibocsátó felülete, miközben a szem nagyjából azonos térszögben (Ω) kapja a sugárzást, ha a szem és a fényforrás közötti távolság azonos. A szemlencse a Xe-ív fényes képét alkotja a retina nagyon kis területén, és a szem nem érzi jól magát. A nagyobb felületű fénycső sokkal nagyobb területen képet alkot a retinán, amit a szem sokkal kényelmesebben tolerál. Az ívlámpának sokkal nagyobb a sugárzása, mint a fénycsőnek, annak ellenére, hogy kisebb teljesítményt bocsát ki.
Egy további példával élve, képzeljük el, hogy a Xe- és a fénycsővel megvilágítunk egy kis területet, például egy 200μm átmérőjű optikai szál végét. A nagyobb forrássugárzás eredményeként a 35 W-os Xe ívlámpa sugárzása sokkal hatékonyabban gyűjthető össze és fókuszálható a szálba. Ezzel szemben az alacsony sugárzási teljesítményű 60W-os fénycső nem lesz hatékony a sugárzási energiájának a szálba történő csatolásában, függetlenül attól, hogy milyen típusú fókuszáló optikát használunk.
Az Energetiq lézerrel vezérelt fényforrásai kis kibocsátási területük (~ 100μm átmérő) mellett ultranagy sugárzással rendelkeznek. Egy ilyen nagy sugárzású és kis kibocsátó felületű forrásból származó sugárzás még hatékonyabban kapcsolható a fent leírt 200μm átmérőjű optikai szálba. Ez más, kis apertúrájú és korlátozott befogadó térszögű optikai rendszerekre – kis “étendue”-val rendelkező optikai rendszerekre – is igaz, mint például a monokromátorok keskeny rései. (Az étendue további tárgyalását lásd a #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations című alkalmazási megjegyzésben.)
sugárzás
A sugárzás a felületre eső elektromágneses sugárzás egységnyi területre eső teljesítményének radiometriai kifejezése. A besugárzási sűrűség SI-egysége a watt per négyzetméter vagy milliwatt per négyzetmilliméter. (A besugárzási sűrűséget néha intenzitásnak is nevezik, de ez a használat összetéveszthető egy másik szabványos, de ritkán használt radiometriai egységgel, a sugárzási intenzitással, amelyet watt per steradiánban mérnek.)
Ha egy pontszerű sugárforrás minden irányba egyenletesen bocsát ki sugárzást, és nincs abszorpció, akkor a besugárzási erősség a sugárforrástól mért távolság négyzetével arányosan csökken, mivel a teljes teljesítmény állandó, és a sugárzás a sugárforrástól mért távolság négyzetével növekvő területen oszlik el. A különböző források besugárzási teljesítményének összehasonlításához figyelembe kell venni a forrástól mért távolságot. Az ilyen mérésekhez gyakran 50 cm-es távolságot használnak.
A besugárzási sűrűség hasznos mérőszám olyan alkalmazásokban, ahol a teljesítményt nagy területre kell eljuttatni. Például egy osztályterem vagy egy futballpálya megvilágítása elsősorban egy bizonyos négyzetméterenkénti wattmennyiség leadásának kérdése. Ez egyetlen nagy teljesítményű forrás használatával érhető el. Mivel azonban a besugárzás erőssége nem függ a térszögtől, több forrás kombinálható, különböző szögekből megvilágítva a falakat vagy a pályát.
A forrás besugárzás erőssége nem a leghasznosabb mérőszám egy hatékony optikai csatolórendszer tervezésekor, amely összegyűjti a sugárzást egy forrásból, majd a sugárzást egy optikai műszerbe juttatja. Az ilyen optikai műszerek korlátozott belépési apertúrával és korlátozott befogadó térszöggel rendelkeznek. Ilyen esetekben a forrás sugárzása (“fényereje”) a leghasznosabb.
Sugárzási fluxus
A sugárzási fluxus az egységnyi időre jutó sugárzási energia, más néven sugárzási teljesítmény . A sugárzási fluxust gyakran használják egy sugárforrás kimenő sugárzási teljesítményének vagy egy optikai műszer által fogadott sugárzási teljesítménynek a leírására. Példák a sugárzási fluxusra: egy tűlyukon áthaladó sugárzási teljesítmény; egy szálcsatolt lézer optikai szálából kilépő sugárzási teljesítmény; egy teljesítménydetektor által fogadott sugárzási teljesítmény.
A sugárzási fluxus mértékegységei nem tartalmazzák a területet vagy a térszöget, és ezért nem segítenek annak meghatározásában, hogy egy adott sugárzási fluxusú fényforrás hasznos lesz-e a teljesítményének egy optikai műszerbe történő leadásában. Korábbi példánkban a 60 W-os fénycső nagyobb sugárzási fluxust (teljesítményt) bocsát ki, mint a 35 W-os Xe ívlámpa. Megfelelő fókuszáló optikával azonban az ívlámpa nagyobb sugárzási fluxust juttat a 200μm átmérőjű optikai szálhoz. Egy lézervezérlésű fényforrás, mint például az Energetiq EQ-99, alacsonyabb sugárzási fluxust bocsát ki, mint a 35 W-os ívlámpa, de nagyobb sugárzása lehetővé teszi, hogy még nagyobb sugárzási fluxust juttasson a 200μm átmérőjű optikai szálba, mint a 35 W-os ívlámpa.
Spektrális sugárzássűrűség, spektrális besugárzássűrűség és spektrális sugárzási fluxus
A fent tárgyalt három kifejezés olyan mennyiségek, amelyeket egy bizonyos hullámhosszakon (UV, VIS és/vagy IR) belüli sugárzás jellemzésére használnak. Szokás ezeket az értékeket a spektrumban egységnyi hullámhosszra (nm-re) vonatkoztatva is figyelembe venni. Az egységnyi hullámhosszra jutó sugárzási teljesítményre a spektrális sugárzási fluxust használják, SI-egységben watt per méter , vagy gyakrabban milliwatt per nanométer . A felületre eső sugárzás esetében a spektrális besugárzássűrűség kifejezést használják, amelynek SI-egysége , vagy gyakrabban egységnyi. Az egységnyi kibocsátó területről és egységnyi hullámhosszról egységnyi térszögbe eső sugárzási teljesítményre a spektrális sugárzássűrűség kifejezést használják, leggyakrabban .
A spektrális sugárzássűrűség egy kulcsfontosságú mérőszám az alkalmazáshoz való forrás kiválasztásakor. Általánosságban elmondható, hogy a legtöbb sugárforrás spektrális sugárzása a kibocsátási spektrumában eltéréseket mutat. A 3. ábrán egy 30 W-os deutériumlámpa (D2), egy 75 W-os nagy fényerejű Xe ívlámpa, valamint az Energetiq lézerrel hajtott fényforrásának két változata, az EQ-99 és az EQ-1500 spektrális sugárzása látható.
3. ábra: Az EQ-99X LDLS, az EQ-77 LDLS, az EQ-400, az LDLS, a 75 W-os rövid ívű Xe-lámpa,
a volfrámlámpa és a D2-lámpa spektrális sugárzása.
Egy 200μm-es optikai szál megvilágítására vonatkozó korábbi példánk esetében tegyük fel, hogy a 3. ábrán látható négy fényforrást szeretnénk összehasonlítani a 200 nm hullámhosszúságú sugárzásnak a szálba való juttatásában. Mivel a kulcsparaméter a források spektrális sugárzása 200 nm-en, a 3. ábrán láthatjuk, hogy a Xe-lámpa spektrális sugárzása körülbelül egy nagyságrenddel nagyobb (“fényesebb”), mint a D2-lámpaé, az LDLS-források pedig egy további nagyságrenddel nagyobbak, mint a Xe-lámpa. Ha ugyanazt a fókuszáló optikát használnánk az egyes források fényének a 200μm-es szálba kapcsolásához, a szálba juttatott sugárzási fluxus hasonlóan ugyanilyen nagyságrendekkel változna.
Következtetések
Az optikai műszerek tervezése során a fényforrásokat kiválasztó tudósok és mérnökök számos forrásspecifikációval és radiometriai kifejezéssel találkoznak. Fontos, hogy megértsük a specifikációk természetét, és olyan radiometriai fogalmakba ágyazzuk őket, amelyek lehetővé teszik a megfelelő tervezési döntéseket. Általánosságban elmondható, hogy az olyan tipikus optikai műszeralkalmazások esetében, mint a spektroszkópia és a képalkotás, a fényforrás sugárzását és spektrális sugárzását kell leginkább megérteni. Korlátozó apertúrával és térszöggel rendelkező műszerek esetében a fényforrás sugárzása határozza meg, hogy mennyi sugárzás jut át a műszeren. A műszer és a megfelelő sugárzási erősségű forrás gondos összepárosításával optimális rendszer tervezhető.
< Vissza a műszaki cikkek listájához
PDF formátum megtekintése >