انواع منبع نوری: از لامپ رشته ای و هالوژن تا دوتریوم و LED

منبع نوری وسیله ای است که انرژی، معمولا انرژی الکتریکی، را به نور تبدیل می کند. منابع نوری انواع بسیار متنوعی دارند؛ از لامپ های رشته ای و هالوژن تا لامپ های تخلیه گازی مانند لامپ دوتریوم، جیوه و زنون، و منابع نیمه رسانا مانند LED و دیود لیزری. هر نوع منبع نوری در محدوده طول موجی مشخصی نور تولید می کند و ویژگی ها و کاربردهای خاص خود را دارد.

منابع نوری علاوه بر روشنایی، در ابزارهای علمی مانند اسپکتروفتومترها و طیف سنج ها نقش کلیدی دارند، چون کیفیت و پایداری منبع نور، مستقیما روی دقت اندازه گیری اثر می گذارد. در این مقاله با انواع منابع نوری، اصول کار و کاربردهای آنها آشنا می شوید.

انواع منبع نوری

منابع نوری را می توان بر اساس سازوکار تولید نور به این گروه ها تقسیم کرد:

• منابع نوری رشته ای: تولید نور با گرم کردن یک رشته؛ مانند لامپ رشته ای و لامپ هالوژن تنگستن

• منابع نوری تخلیه گازی: تولید نور با تخلیه الکتریکی در گاز یا بخار فلز؛ مانند لامپ دوتریوم، جیوه، زنون و سدیم

• لامپ های فلورسنت: نوعی لامپ تخلیه گازی که نور فرابنفش را با پوشش فسفری به نور مرئی تبدیل می کند

• منابع نوری نیمه رسانا: مانند LED و دیود لیزری

لامپ های رشته ای

تاریخچه لامپ رشته ای

اختراع لامپ رشته ای حاصل کار دانشمندان متعددی است. در سال ۱۷۶۱، ابنزر کینرزلی، دانشمند انگلیسی، یک سیم را آنقدر گرم کرد که نور تابش کند. در دهه ۱۸۷۰، جوزف سوان در انگلستان و توماس ادیسون در آمریکا، لامپ های رشته ای کاربردی را توسعه دادند.

ادیسون با ایجاد خلأ بهتر درون لامپ، در اکتبر ۱۸۷۹ لامپی با رشته کربنی شده از نخ پنبه ساخت که بیش از ۱۳ ساعت دوام داشت. او بعدها با رشته کربنی شده از بامبو به عمری بیش از ۱۲۰۰ ساعت رسید و لامپ رشته ای را تجاری کرد.

لامپ رشته ای چگونه کار می کند؟

لامپ رشته ای با گرم کردن یک رشته فلزی تا دمای بسیار بالا نور تولید می کند. در این دما، رشته مانند یک جسم سیاه، طیف پیوسته ای از نور گسیل می کند.

• رشته: معمولا از تنگستن ساخته می شود که نقطه ذوب بسیار بالایی دارد. رشته روی سیم های نگهدارنده در یک پایه شیشه ای قرار می گیرد.

• حباب شیشه ای: رشته را در بر می گیرد و آنقدر بزرگ انتخاب می شود که دمای آن بیش از حد بالا نرود و تیره شدن دیواره در اثر تبخیر فلز رشته محدود شود. حباب می تواند شفاف یا مات باشد.

• گاز پرکننده: برای جلوگیری از اکسید شدن رشته، حباب یا خلأ می شود یا معمولا با یک گاز بی اثر کم فشار مانند نیتروژن، آرگون یا کریپتون پر می شود.

گاز پرکننده رشته را خنک می کند، تبخیر تنگستن را کند می کند و انتقال آن به دیواره لامپ را کاهش می دهد. گازهای سنگین تر مانند کریپتون و زنون تبخیر رشته را موثرتر کند می کنند و اجازه می دهند لامپ در دمای بالاتری کار کند و نور بیشتری به ازای هر وات تولید کند، اما به دلیل فراوانی کم، گران تر هستند. گاز پرکننده باید کاملا عاری از بخار آب باشد، چون رطوبت عمر لامپ را به شدت کاهش می دهد.

مزایا و معایب لامپ رشته ای

لامپ رشته ای به تجهیزات راه انداز خارجی نیاز ندارد، ساخت آن ارزان است و با جریان متناوب و مستقیم به خوبی کار می کند. به همین دلیل سال ها در روشنایی خانگی و تجاری پرکاربرد بود. اما بازده آن بسیار کم است: لامپ رشته ای معمولی کمتر از ۵ درصد انرژی مصرفی را به نور مرئی تبدیل می کند و بقیه آن به گرما تبدیل می شود.

لامپ هالوژن تنگستن

لامپ هالوژن تنگستن نوع پیشرفته لامپ رشته ای است که ساختاری مشابه لامپ رشته ای پر از گاز دارد، با این تفاوت که مقدار کمی هالوژن مانند ید یا برم به گاز پرکننده اضافه شده است. حباب این لامپ ها از کوارتز ساخته می شود تا دمای بالا را تحمل کند.

چرخه هالوژن

1. تنگستن از رشته داغ تبخیر شده و به سمت دیواره لامپ می رود.

2. وقتی دمای دیواره کوارتزی به بیش از حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد برسد، هالوژن با تنگستن واکنش داده و هالید تنگستن تشکیل می دهد. این ترکیب به جای رسوب روی دیواره، در گاز باقی می ماند.

3. هالید تنگستن به نزدیکی رشته داغ برمی گردد و در دمای بسیار بالا تجزیه می شود.

4. تنگستن روی بخش های سردتر رشته رسوب می کند و هالوژن آزاد شده دوباره چرخه را تکرار می کند.

این چرخه از تیره شدن دیواره لامپ جلوگیری می کند و به همراه گاز بی اثر، تبخیر رشته را کند می کند. نتیجه، عمر بیشتر یا امکان کار در دمای بالاتر با نور بیشتر و سفیدتر است. رشته در این لامپ ها دو نقش دارد: تولید نور و تولید گرمای لازم برای رساندن دمای دیواره به بیش از ۲۵۰ درجه.

کاربرد لامپ هالوژن در اسپکتروفتومتر

لامپ هالوژن تنگستن طیف پیوسته و پایداری در ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک تولید می کند و به همین دلیل منبع نور استاندارد بسیاری از اسپکتروفتومترها در این ناحیه است.

لامپ های تخلیه گازی (قوس الکتریکی)

لامپ تخلیه گازی یا لامپ قوس الکتریکی، با عبور جریان الکتریکی از یک گاز یونیزه یا بخار فلز نور تولید می کند.

نخستین لامپ قوسی کاربردی، لامپ قوس کربنی بود که با تخلیه الکتریکی بین دو الکترود کربنی در هوا نور تولید می کرد. این لامپ از دهه ۱۸۷۰ برای روشنایی خیابان ها و ساختمان های بزرگ استفاده می شد تا اینکه در اوایل قرن بیستم جای خود را به لامپ رشته ای داد. امروزه اصطلاح لامپ قوسی معمولا به لامپ هایی گفته می شود که بین الکترودهای فلزی، درون یک حباب شیشه ای یا کوارتزی پر از گاز، نور تولید می کنند.

اصول کار لامپ های تخلیه گازی

1. جریان الکتریکی از طریق دو الکترود که معمولا در دو انتهای لوله قرار دارند به گاز اعمال می شود.

2. الکترون ها در میدان الکتریکی شتاب می گیرند و با برخورد به اتم ها یا مولکول های گاز، آنها را برانگیخته می کنند.

3. اتم ها و مولکول های برانگیخته هنگام بازگشت به حالت پایه، نوری با طول موج های مشخص گسیل می کنند که معمولا در ناحیه مرئی یا فرابنفش است.

در کار با جریان مستقیم، یک الکترود نقش کاتد (الکترود منفی که الکترون گسیل می کند) و دیگری نقش آند (جمع کننده الکترون ها) را دارد. در جریان متناوب، هر دو الکترود به نوبت این نقش ها را ایفا می کنند. برخی لامپ ها یک الکترود راه انداز اضافی برای شروع تخلیه دارند. همچنین لامپ های بدون الکترود وجود دارند که انرژی در آنها با میدان فرکانس رادیویی یا مایکروویو منتقل می شود. این لامپ ها گران ترند اما چون الکترود فرسوده ای ندارند، عمر بسیار طولانی دارند.

گازها و بخارهای فلزی

بسته به طیف مورد نیاز، از گازهای مختلفی در لامپ های تخلیه استفاده می شود:

• گازهای نجیب: نئون، هلیوم، آرگون، کریپتون و زنون

• گازهای مولکولی: هیدروژن، دوتریوم، نیتروژن، اکسیژن و دی اکسید کربن

• بخار فلزات: جیوه، سدیم، پتاسیم، روبیدیم و سزیم

• هالیدهای فلزی: در لامپ های متال هالید

فلزات و هالیدهای فلزی معمولا فقط هنگام کار لامپ تبخیر می شوند و برای شروع تخلیه، یک گاز راه انداز مانند زنون یا آرگون نیز به لامپ اضافه می شود. در بسیاری از لامپ ها از مخلوطی از گازها استفاده می شود تا طیف، بازده نوری و سهولت روشن شدن مطلوب به دست آید. طیف گسیلی این لامپ ها به شرایط کار، به ویژه چگالی جریان و دمای پلاسما نیز بستگی دارد.

لامپ های اگزایمر نوع خاصی هستند که در آنها مولکول هایی به نام اگزایمر فقط در حالت برانگیخته تشکیل می شوند و هنگام تجزیه، نور فرابنفش تولید می کنند.

تخلیه درخششی و تخلیه قوسی

لامپ های تخلیه بسته به فشار گاز، دما و چگالی جریان، به دو حالت متفاوت کار می کنند:

• تخلیه درخششی (Glow Discharge): در دمای نسبتا پایین و چگالی جریان کم رخ می دهد. درجه یونیزاسیون متوسط است و گاز امپدانس زیادی دارد، بنابراین ولتاژ کاری نسبتا بالایی لازم است. الکترون ها انرژی بسیار بیشتری از یون ها دارند و با آنها در تعادل دمایی نیستند. لامپ های نئون و فلورسنت در این حالت کار می کنند.

• تخلیه قوسی (Arc Discharge): در دمای بسیار بالا (هزاران درجه) و معمولا با فشار و چگالی جریان بالا رخ می دهد. درجه یونیزاسیون بالاست، بنابراین امپدانس کم است و ولتاژ کاری پایینی، در حد چند ده ولت، کافی است. الکترون ها با یون ها تقریبا در تعادل دمایی هستند. برخلاف جرقه که پالسی و چند میکروثانیه ای است، قوس به صورت پیوسته برقرار می ماند.

لامپ دوتریوم

لامپ دوتریوم یک لامپ تخلیه گازی کم فشار است که طیف پیوسته ای در ناحیه فرابنفش تولید می کند و به همین دلیل منبع نور استاندارد اسپکتروفتومترهای UV است. این لامپ با دوتریوم، ایزوتوپ سنگین هیدروژن، پر شده است. خروجی آن در ناحیه فرابنفش زیاد و در ناحیه مرئی و فروسرخ کم است.

ساختار و نحوه کار لامپ دوتریوم

لامپ دوتریوم از یک رشته تنگستن (کاتد) و یک آند تشکیل شده که در دو طرف یک ساختار جعبه ای فلزی با یک روزنه کوچک قرار دارند. این ساختار برای تولید یک پرتو نور متمرکز و پایدار طراحی شده است.

1. پیش از روشن شدن، رشته به مدت حدود ۲۰ ثانیه گرم می شود.

2. سپس یک قوس الکتریکی بین رشته و آند برقرار می شود.

3. قوس، مولکول های دوتریوم را برانگیخته می کند. مولکول های برانگیخته هنگام بازگشت و تجزیه، نوری با طیف پیوسته در ناحیه فرابنفش، تقریبا از ۱۹۰ تا ۴۰۰ نانومتر، گسیل می کنند.

لامپ دوتریوم علاوه بر طیف پیوسته، چند خط طیفی مشخص نیز دارد که مهم ترین آن در ۶۵۶.۱ نانومتر است. این خط برای کالیبراسیون طول موج اسپکتروفتومترها استفاده می شود.

در بیشتر اسپکتروفتومترهای UV-Vis، از ترکیب لامپ دوتریوم برای ناحیه فرابنفش و لامپ هالوژن تنگستن برای ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک استفاده می شود تا کل محدوده طیفی پوشش داده شود.

لامپ جیوه

لامپ های جیوه دو نوع اصلی دارند: لامپ جیوه کم فشار که خطوط طیفی باریک و دقیقی تولید می کند و برای کالیبراسیون طول موج دستگاه های طیف سنجی استفاده می شود، و لامپ بخار جیوه پرفشار که برای روشنایی و تولید پرتو فرابنفش قوی به کار می رود.

خطوط طیفی جیوه

لامپ جیوه، به ویژه در ناحیه فرابنفش، خطوط طیفی بیشتری نسبت به لامپ دوتریوم دارد. مهم ترین خطوط گسیلی جیوه بر حسب نانومتر عبارت اند از:

ساختار لامپ بخار جیوه پرفشار

• حباب داخلی: از جنس کوارتز است، چون باید دمای حدود ۱۰۰۰ کلوین و فشار چند اتمسفر را تحمل کند. این حباب ابتدا خلأ شده و سپس مقداری آرگون و جیوه به آن وارد می شود.

• حباب خارجی: استوانه ای یا بیضوی است و از حباب داخلی در برابر عوامل محیطی و تغییرات دما محافظت می کند. سطح داخلی آن معمولا با فسفر پوشانده می شود تا بخشی از پرتو فرابنفش را به نور مرئی تبدیل کرده و رنگ نور را بهبود دهد. فضای بین دو حباب با گاز بی اثری مانند نیتروژن پر می شود تا از اکسید شدن قطعات داخلی جلوگیری شود.

• الکترودها: از جنس تنگستن هستند که به شکل مارپیچ دور میله های مولیبدن پیچیده شده و با موادی مانند اکسید باریم یا توریم پوشانده می شوند تا به راحتی الکترون گسیل کنند.

• الکترود راه انداز: در کنار یکی از الکترودهای اصلی قرار دارد و با یک مقاومت نسبتا بزرگ (حدود ۱۰ تا ۳۰ کیلواهم) سری است. پس از روشن شدن لامپ، جریان از مسیر اصلی عبور می کند و الکترود راه انداز عملا از مدار خارج می شود.

لامپ زنون

لامپ قوس زنون یک لامپ تخلیه پرفشار است که طیفی پیوسته و بسیار درخشان از فرابنفش تا فروسرخ تولید می کند و طیف آن به نور خورشید شبیه است. این لامپ در شبیه سازهای نور خورشید، پروژکتورهای سینما، فلورسانس سنج ها و میکروسکوپ ها استفاده می شود.

لامپ زنون فلاش نوعی لامپ زنون است که پالس های کوتاه و پرقدرت نور تولید می کند. در برخی اسپکتروفتومترها از لامپ زنون فلاش به عنوان یک منبع واحد برای کل ناحیه UV و مرئی استفاده می شود. چون لامپ فقط در لحظه اندازه گیری روشن می شود، عمر طولانی دارد و به زمان گرم شدن نیاز ندارد.

لامپ فلورسنت

لامپ فلورسنت نوعی لامپ تخلیه گازی است که نور فرابنفش حاصل از تخلیه در بخار جیوه را با یک پوشش فسفری به نور مرئی تبدیل می کند.

تاریخچه لامپ فلورسنت

• دهه ۱۸۹۰: توماس ادیسون و نیکولا تسلا با لامپ های فلورسنت آزمایش کردند، اما موفق به تولید تجاری آنها نشدند.

• سال ۱۹۰۱: پیتر کوپر هیوت، مهندس آمریکایی، با عبور جریان از بخار جیوه، لامپی ساخت که نور سبز آبی تولید می کرد. این لامپ بسیار کارآمدتر از لامپ رشته ای بود، اما به دلیل رنگ نامناسب نورش کاربرد محدودی داشت.

• دهه ۱۹۳۰: لامپ های فلورسنت با پوشش فسفری و نور سفید به صورت تجاری عرضه شدند.

• سال ۱۹۷۶: ادوارد هامر، مهندس شرکت جنرال الکتریک، روشی برای خم کردن لوله فلورسنت به شکل مارپیچ ابداع کرد که پایه لامپ های کم مصرف فشرده (CFL) شد.

لامپ فلورسنت چگونه کار می کند؟

1. لوله شیشه ای مهروموم شده حاوی مقدار کمی جیوه و یک گاز بی اثر، معمولا آرگون، با فشار بسیار کم است. سطح داخلی لوله با پودر فسفر پوشانده شده است.

2. با اعمال ولتاژ، الکترون ها از الکترودهای دو انتهای لوله در گاز شتاب می گیرند و جیوه درون لوله تبخیر می شود.

3. الکترون ها با اتم های جیوه برخورد کرده و آنها را برانگیخته می کنند.

4. اتم های جیوه هنگام بازگشت به حالت پایه، عمدتا نور فرابنفش در طول موج های ۲۵۴ و ۱۸۵ نانومتر گسیل می کنند.

5. پوشش فسفر این نور فرابنفش را جذب کرده و آن را به نور مرئی تبدیل می کند. شیشه لوله نیز بیشتر فرابنفش باقی مانده را جذب می کند.

پوشش فسفر از چند ماده فعال تشکیل شده است که ترکیب آنها طوری تنظیم می شود که در مجموع نور سفید تولید شود. با تغییر ترکیب فسفر، می توان نورهایی با رنگ های مختلف، مانند سفید آفتابی یا مهتابی، تولید کرد.

راه اندازی لامپ فلورسنت

لامپ های فلورسنت به بالاست نیاز دارند، چون پس از روشن شدن، مقاومت گاز با افزایش جریان کاهش می یابد و بدون محدودکننده، جریان به طور کنترل نشده بالا می رود.

در سیستم های قدیمی با بالاست مغناطیسی (سلف):

1. استارتر که یک لامپ درخشان کوچک با یک کلید دوفلزی است، ابتدا مدار را می بندد و جریان از الکترودهای لامپ عبور کرده و آنها را گرم می کند.

2. پس از چند ثانیه، استارتر مدار را قطع می کند. قطع ناگهانی جریان باعث می شود سلف یک ولتاژ بالای لحظه ای تولید کند که تخلیه را در گاز آغاز می کند.

3. پس از روشن شدن لامپ، ولتاژ لازم برای حفظ تخلیه کاهش می یابد و بالاست جریان را در حد مجاز محدود می کند.

لامپ های امروزی معمولا از بالاست الکترونیکی استفاده می کنند که با فرکانس بالا کار می کند، روشن شدن سریع تری دارد و سوسو زدن را تقریبا حذف می کند.

ویژگی های لامپ فلورسنت

• بازده بالا: لامپ فلورسنت فشرده حدود ۷۵ درصد انرژی کمتری از لامپ رشته ای مصرف می کند و عمر آن حدود ۱۰ برابر بیشتر است.

• سوسو زدن: در لامپ های با بالاست مغناطیسی، سوسو زدن نور ممکن است در برخی افراد باعث خستگی چشم یا سردرد شود. بالاست های الکترونیکی این مشکل را تا حد زیادی برطرف کرده اند.

• نور پخشی: نور فلورسنت پخش است و برای تولید پرتوهای متمرکز مانند چراغ جلوی خودرو مناسب نیست.

• حاوی جیوه: لامپ های فلورسنت حاوی جیوه هستند و نباید همراه زباله معمولی دور ریخته شوند.

طیف نور فلورسنت

طیف لامپ فلورسنت با طیف پیوسته لامپ رشته ای تفاوت زیادی دارد: در برخی طول موج ها شدت بالا و در بقیه بسیار کم است. این تفاوت در طیف سنج به راحتی دیده می شود. با این حال، چشم انسان نور فلورسنت را شبیه نور سفید می بیند، چون چشم فقط سه نوع گیرنده رنگ دارد و فقط نسبت تحریک این سه گیرنده برای درک رنگ اهمیت دارد. همچنین سیستم بینایی انسان به سرعت با طیف نور محیط تطبیق پیدا می کند.

LED

LED (دیود نورافشان) یک منبع نوری نیمه رسانا است. وقتی جریان از اتصال p-n آن عبور می کند، الکترون ها و حفره ها با هم ترکیب شده و انرژی خود را به صورت نور آزاد می کنند. رنگ نور LED به گاف انرژی ماده نیمه رسانا بستگی دارد و هر LED نوری با محدوده طول موجی نسبتا باریک تولید می کند.

LED سفید معمولا از یک LED آبی و یک پوشش فسفری تشکیل شده است که بخشی از نور آبی را به نور زرد تبدیل می کند و ترکیب آنها نور سفید ایجاد می کند.

LEDها بازده بسیار بالا، عمر طولانی، اندازه کوچک، روشن شدن فوری و مصرف انرژی کمی دارند و امروزه تقریبا جای همه لامپ های دیگر را در روشنایی گرفته اند. در ابزارهای اندازه گیری مانند فتومترها و اسپکتروفتومترهای قابل حمل نیز به عنوان منبع نور در طول موج های مشخص استفاده می شوند.

دیود لیزری

دیود لیزری نوعی منبع نوری نیمه رسانا است که مانند LED کار می کند، اما با ایجاد گسیل القایی در یک ساختار تشدیدگر، نوری همدوس، تک رنگ و بسیار متمرکز تولید می کند. دیودهای لیزری کوچک، کارآمد و ارزان هستند و در ارتباطات فیبر نوری، دستگاه های خواندن دیسک، لیزر پوینترها، چاپگرها و طیف سنجی رامان استفاده می شوند. برای آشنایی بیشتر، مقاله لیزر را بخوانید.

منابع نوری در اسپکتروفتومتر

انتخاب منبع نور مناسب، روی محدوده طیفی، پایداری و دقت اسپکتروفتومتر اثر مستقیم دارد. برای آشنایی بیشتر، راهنمای خرید اسپکتروفتومتر را بخوانید.

سوالات متداول درباره منابع نوری

چرا در اسپکتروفتومتر از لامپ دوتریوم استفاده می شود؟

چون طیف پیوسته و پایداری در ناحیه فرابنفش تولید می کند که لامپ های دیگر مانند هالوژن در آن ناحیه خروجی کافی ندارند.

تفاوت لامپ هالوژن و لامپ رشته ای معمولی چیست؟

لامپ هالوژن مقداری هالوژن دارد که با چرخه هالوژن از تیره شدن حباب جلوگیری می کند و عمر بیشتر و نور قوی تری فراهم می کند.

چرا لامپ جیوه برای کالیبراسیون استفاده می شود؟

چون خطوط طیفی بسیار باریک و دقیق با طول موج های شناخته شده تولید می کند.

لامپ فلورسنت چگونه نور سفید تولید می کند؟

بخار جیوه نور فرابنفش تولید می کند و پوشش فسفر داخل لوله آن را به نور مرئی سفید تبدیل می کند.

تفاوت LED و دیود لیزری چیست؟

هر دو نیمه رسانا هستند، اما LED نور ناهمدوس با پهنای طیفی بیشتر تولید می کند و دیود لیزری نور همدوس، تک رنگ و بسیار متمرکز.

جمع بندی

منابع نوری بر اساس سازوکار تولید نور به انواع رشته ای، تخلیه گازی، فلورسنت و نیمه رسانا تقسیم می شوند. لامپ های رشته ای و هالوژن با گرم کردن رشته تنگستن نور پیوسته تولید می کنند، لامپ های تخلیه گازی مانند دوتریوم، جیوه و زنون با برانگیختگی اتم ها و مولکول های گاز نور می دهند، لامپ های فلورسنت نور فرابنفش جیوه را به نور مرئی تبدیل می کنند و LEDها و دیودهای لیزری با ترکیب الکترون و حفره در نیمه رساناها نور تولید می کنند.

هر کدام از این منابع، طیف، بازده و کاربرد خاص خود را دارند و انتخاب منبع نور مناسب، به ویژه در ابزارهای طیف سنجی، اهمیت زیادی دارد.

منابع

• C. Dorrer, J. Opt. Soc. Am. B, 1999, 16(7), 1160.

• A. W. Fountain, T. J. Vickers, et al., Appl. Spectrosc., 1998, 52(3), 462.

• H. O. Hamaguchi, Appl. Spectrosc. Rev., 1988, 24(1–2).