Strålningen av en källa ökas genom att man ökar den emitterade effekten, genom att göra källans emitterande yta mindre eller genom att emittera strålningen i en mindre rymdvinkel. Strängt taget definieras radiansen i varje punkt på den emitterande ytan, som en funktion av positionen och som en funktion av observationsvinkeln. Ofta, som i exemplet ovan, använder vi strålning från en källa för att beteckna strålningen som medelvärde över en sluten öppning och över en viss rymdvinkel av intresse.
Radians är en bevarad kvantitet i ett optiskt system så att radians mätt som watt per areaenhet per enhet rymdvinkel som infaller på en detektor inte kommer att överstiga radiansen vid emittenten. I praktiken, för varje strålknippe som avbildar en emittent till en detektor, kommer den radians som ses vid detektorn att minskas av det ljus som absorberas på vägen eller sprids utanför den fasta vinkeln för den strålknippa som når detektorn.
Låt oss ta ett exempel. (Som bakgrundsinformation kan nämnas att båglampan på 35 W avger betydligt mindre synlig effekt än lysröret på 60 W). Vilken ljuskälla uppfattas som ljusare, eller i radiometriska termer, har högre radians? Xe-kortbågslampan uppfattas som mycket ljusare, även om 35W-bågslampan avger mindre effekt än 60W-lysröret. Detta beror på att ljusbågslampans mycket mindre strålningsyta (A) är mycket mindre än lysrörslampans mycket stora strålningsyta, samtidigt som ögat tar emot strålningen i mer eller mindre samma fasta vinkel (Ω) när avståndet mellan ögat och ljuskällan är detsamma. Ögats lins bildar en ljus bild av Xe-bågen på en mycket liten yta av näthinnan och ögat känner sig inte bekvämt. Lysröret med större yta bildar en bild över en mycket större yta på näthinnan, vilket ögat kan tolerera mer bekvämt. Båglampan har en mycket högre utstrålning än lysrörslampan, trots att den avger mindre effekt.
För ytterligare ett exempel kan man tänka sig att använda Xe- och lysrörslampan för att belysa ett litet område, t.ex. änden av en optisk fiber med en diameter på 200 μm. Till följd av den högre strålningen från källan kan strålningen från 35W Xe-båglampan med Xe mycket effektivare samlas in och fokuseras in i fibern. Däremot kommer den lågstrålande 60W lysrörslampan att vara ineffektiv när det gäller att koppla in sin strålningsenergi i fibern, oavsett vilken typ av fokuserande optik som används.
Energetiqs laserdrivna ljuskällor har ultrahög strålning från sitt lilla sändningsområde (~ 100μm diameter). Strålning från en sådan källa med hög strålning och liten emitterande yta kan kopplas ännu effektivare till den optiska fiber med 200 μm diameter som beskrivs ovan. Detta gäller även för andra optiska system med små öppningar och en begränsad fast vinkel – optiska system med liten ”étendue” – t.ex. de smala slitsarna i en monokromator. (För ytterligare diskussion om étendue, se Application Note #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradians
Irradians är den radiometriska termen för effekten per ytenhet av elektromagnetisk strålning som infaller på en yta. SI-enheten för irradians är watt per kvadratmeter , eller milliwatts per kvadratmillimeter . (Irradians kallas ibland intensitet, men denna användning leder till förväxling med en annan standardiserad, men sällan använd, radiometri-enhet -Radiant Intensity – som mäts i watt per steradian.)
Om en punktstrålningskälla avger strålning jämnt i alla riktningar och det inte finns någon absorption, så sjunker irradiansen i proportion till avståndet i kvadrat från källan, eftersom den totala effekten är konstant och den sprids över en yta som ökar med avståndet i kvadrat från strålningskällan. För att jämföra irradiansen från olika källor måste man ta hänsyn till avståndet från källan. Ett avstånd på 50 cm används ofta för sådana mätningar.
Irradians är ett användbart mått för tillämpningar där effekt måste levereras till stora områden. Att t.ex. belysa ett klassrum eller en fotbollsplan är i första hand en fråga om att leverera ett visst antal watt per kvadratmeter. Detta kan uppnås genom att använda en enda hög effektkälla. Men eftersom irradiansen inte beror på fast vinkel kan flera källor kombineras och belysa väggarna eller planen från olika vinklar.
En källas irradians är inte det mest användbara måttet när man utformar ett effektivt optiskt kopplingssystem som samlar in strålning från en källa och sedan levererar strålningen till ett optiskt instrument. Sådana optiska instrument kommer att ha en begränsad inträdesöppning och en begränsad acceptansfast vinkel. I sådana fall är det källans radians (dess ”ljusstyrka”) som är mest användbar.
Radiantflöde
Radiantflöde är strålningsenergi per tidsenhet, även kallad strålningseffekt . Strålningsflöde används ofta för att beskriva strålningseffekten från en strålningskälla eller den strålningseffekt som tas emot av ett optiskt instrument. Exempel på strålningsflöde är: den strålningseffekt som passerar genom ett nålhål; den strålningseffekt som kommer ut ur den optiska fibern i en fiberkopplad laser; den strålningseffekt som tas emot av en effektdetektor.
Enheterna för strålningsflöde innefattar inte area eller rymdvinkel och är därför inte till hjälp när det gäller att avgöra om en viss ljuskälla med ett visst strålningsflöde kommer att vara användbar när det gäller att leverera sin effekt till ett optiskt instrument. I vårt tidigare exempel avger lysröret på 60 W ett större strålningsflöde (effekt) än Xe-båglampan på 35 W. Men med en lämplig fokuserande optik kommer båglampan att leverera ett högre strålningsflöde till den optiska fibern med en diameter på 200 μm. En laserdriven ljuskälla, t.ex. Energetiqs EQ-99, kan ha ett lägre strålningsflöde än 35 W båglampan, men dess högre strålningsstyrka gör att den kan leverera ett ännu högre strålningsflöde till den optiska fibern med en diameter på 200 μm än 35 W båglampan.
Spektralstrålning, spektralstrålning och spektralt strålningsflöde
De tre termer som diskuteras ovan är kvantiteter som används för att karakterisera strålning inom ett visst våglängdsband, (UV, VIS och/eller IR). Det är också vanligt att betrakta dessa värden för en enhets våglängd (per nm) i spektrumet. För strålningseffekt per enhet våglängd används spektralt strålningsflöde med SI-enheterna watt per meter , eller vanligare milliwatts per nanometer . För strålning som infaller på en yta används termen spektral irradians med SI-enheten , eller vanligare enheter av . För strålningseffekt inom en enhetlig fast vinkel från en enhetlig emitterande yta och en enhetlig våglängd används termen spektral radians, vanligen med enheter av .
Spektral radians är ett viktigt mått när man väljer en källa för en tillämpning. I allmänhet uppvisar de flesta strålkällor variationer i spektralstrålning över sitt emissionsspektrum. I figur 3 visas spektralstrålningen för en 30 W deuteriumlampa (D2), en 75 W Xe-båglampa med hög ljusstyrka och två versioner av Energetiqs laserdrivna ljuskälla, EQ-99 och EQ-1500.
Figur 3: Spektralstrålning för EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, 75W kortbågig Xe-lampa,
Tungstenlampa och D2-lampa.
För vårt tidigare exempel med belysning av en 200 μm optisk fiber antar vi att vi vill jämföra de fyra ljuskällorna i figur 3 när det gäller att leverera strålning med 200 nm våglängd i fibern. Eftersom nyckelparametern är källornas spektrala radians vid 200 nm kan vi från figur 3 se att Xe-lampans spektrala radians är ungefär en storleksordning högre (”ljusare”) än D2-lampan och att LDLS-källorna är ytterligare en storleksordning högre än Xe-lampan. Med samma fokuseringsoptik som används för att koppla ljuset från varje källa till 200 μm-fibrerna skulle det strålningsflöde som levereras till fibern på samma sätt variera med samma storleksordning.
Slutsatser
I konstruktionen av optiska instrument kommer forskare och ingenjörer som väljer ljuskällor att utsättas för en mängd olika specifikationer för källor och radiometriska termer. Det är viktigt att förstå specifikationernas karaktär och att koppla dem till radiometriska termer som möjliggör lämpliga konstruktionsbeslut. För typiska tillämpningar av optiska instrument, t.ex. spektroskopi och bildframställning, är det i allmänhet ljuskällans radians och spektrala radians som är viktigast att förstå. För ett instrument med begränsande öppningar och fasta vinklar är det strålningen från ljuskällan som avgör hur mycket strålning som passerar genom instrumentet. Genom att noggrant matcha instrumentet med en källa med lämplig radians kan ett optimalt system utformas.
< Tillbaka till listan över tekniska artiklar
Se PDF-format >