آنچه در این مقاله می‌خوانید
منبع نوری می تواند LED، لامپ قوس الکتریکی با زنون یا جیوه، دیود لیزری یا از انواع لامپ های هالوژن-تنگستن باشد. انواع مختلف منبع نوری، هر کدام در محدوده فرکانس و طول موج متفاوتی عمل می کنند.
امروزه به منظور توسعه انواع منبع نوری و دستگاه های اپتیکی که نیازهای بالای صنعت و تحقیقات را برآورده می کنند، از فناوری های هایتک در ساخت آنها استفاده می شود.با ما همراه باشید تا در مورد عملکرد اینگونه لامپ ها بیشتر بدانیم.
به طور کلی انواع مختلف منبع نوری یا لامپ های الکتریکی، به دو گروه کلی زیر تقسیم می گردند:
منابع نوری گوناگون
اختراع منبع نوری رشته ای را به دانشمندان متعددی نسبت می دهند که به سال 1761 باز می گردد، زمانی که Ebenezer Kinnersley، دانشمند و مخترع انگلیسی، یک رشته سیم را تا حد تابش نور حرارت داد.
بعدها توماس ادیسون بود که با تجاری سازی لامپ رشته ای در ایالات متحده معتبر است و توانست سیستم خلأ بهتری برای حذف کامل هوا از لامپ و توسعه آن ایجاد کند.
تا اینکه در اکتبر سال 1879، ادیسون و تیمش یک لامپ رشته ای با رشته کربنیزه شده از نخ پنبه تولید کردند که می توانست حدود 14.5 ساعت دوام بیاورد و هنگامی که با رشته های مختلف آزمایش کردند، دریافتند که استفاده از بامبو طول عمر تا 1200 ساعت را تضمین می کند.
لامپ رشته ای ادیسون
منبع نوری رشته ای، نوعی سیستم نوری الکتریکی است که با گرم کردن یک سیم رشته ای تا درجه حرارت بالا تا زمانی که بدرخشد، نور تولید می کند. رشته ممکن است فقط توسط دو سیم حامل جریان یا به طور متناوب توسط سیم های اضافی که در یک پایه شیشه ای عایق ثابت شده اند پشتیبانی شود.
معمولاً فیلامنت یا رشته، از جنس تنگستن ساخته می شود و در یک حباب شیشه ای پر از گاز بی اثر محصور می شود. اندازه لامپ شیشه ای نیز به اندازه کافی بزرگ انتخاب می شود تا از دمای بیش از حد در حین کار جلوگیری شود و اثرات تیره شدن توسط فلز فیلامنت تبخیر شده محدود شود.
شیشه نیز می تواند شفاف باشد و رشته از بیرون قابل مشاهده باشد، و یا اینکه برای کاهش تابش نور، مات در نظر گرفته شود.
بخش های مختلف یک لامپ رشته ای نوعی
برای جلوگیری از اکسیداسیون سریع رشته، آن را در یک حباب شیشه ای قرار می دهند که یا تخلیه می شود یا (بیشتر) با مقداری گاز بی اثر کم فشار مانند نیتروژن، آرگون یا کریپتون پر می شود، که تبخیر رشته را کند می کند.
اثر دوم را می توان با انتخاب گازی با وزن اتمی سنگین مانند کریپتون یا زنون به حداقل رساند (توجه داشته باشید که این لامپ ها را نباید لامپ های کریپتون یا زنون نامید). در حقیقت گاز اطراف، فیلامان را خنک می کند و در عین حال، عمل تبخیر را نیز سرکوب کرده و مهاجرت تنگستن به دیواره لامپ را کاهش می دهد.
بعلاوه، دمای کارکرد بالاتر لامپ های پر شده با گاز، خروجی نور بیشتری را به ازای هر وات توان ورودی تولید می کند که استفاده از آنها را در کاربردهای حیاتی توجیه می کند.
مزیت استفاده از گازهای با وزن اتمی بالاتر این است که تبخیر رشته تنگستن را به طور موثرتری نسبت به گازهای با وزن کمتر، کند می کنند و در مورد گازهای نجیبی مانند زنون، به دلیل فراوانی طبیعی بسیار کم، هزینه به طور چشمگیری افزایش می یابد.
این نکته نیز مهم است که پر کردن گاز نیز باید عاری از هر گونه بخار آب باشد زیرا که می تواند به طور قابل توجهی طول عمر منبع نوری را کاهش دهد.
لامپ های رشته ای به تجهیزات تنظیم کننده خارجی نیاز ندارند و بنابراین، هزینه های تولید نسبتاً پایینی خواهند داشت و با جریان متناوب یا جریان مستقیم به یک اندازه خوب کار می کنند.
به همین دلیل، منبع نوری نوع رشته ای به طور گسترده در روشنایی خانگی و تجاری مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال،آنها کمتر از 5 درصد انرژی مصرفی خود را به نور مرئی تبدیل می کنند. انرژی باقی مانده به صورت گرما آزاد می شود. البته این درصد در مورد لامپ های تخصصی تر بیشتر است.
یکی از انواع منبع نوری رشته ای بسیار تخصصی، لامپ های هالوژن-تنگستن هستند از نظر ساختار، مشابه با لامپ‌های رشته ای تنگستن پرشده با گاز معمولی هستند (به جز مقدار کمی از هالوژن درون گاز پر شده).
عملکرد اینگونه منابع به این شکل است که گاز هالوژن با تنگستن تبخیر شده که بر روی دیواره لامپ رسوب کرده است، واکنش می دهد. هنگامی که دیواره پوشش کوارتزی به دمای تقریباً 250 درجه سانتی گراد برسد، هالوژن با تنگستن واکنش می دهد و تنگستن هالید تشکیل می دهد که از دیواره لامپ آزاد شده و به رشته باز می گردد.
بخش های مختلف یک منبع نوری هالوژن-تنگستن
این ترکیب هالید، در دمای تقریبی 2500 درجه سانتیگراد تفکیک می شود. تنگستن بر روی بخش های سردتر فیلامان رسوب کرده و هالوژن برای ادامه چرخه آزاد می شود. نقش فیلامان لامپ به دو منظور است: تولید نور و تولید گرمای لازم برای به دست آوردن دمای دیواره تا بیش از 250 درجه سانتیگراد.
افزودن گاز بی اثر، تبخیر رشته تنگستن را به تعویق می اندازد که همین امر، طول عمر لامپ را افزایش می دهد یا اجازه می دهد تا دمای عملکردی بالاتری در همان طول عمر داشته باشد.
مقایسه عنلکرد دو گاز آرگون و زنون در منبع نوری رشته ای هالوژن-تنگستن
لامپ قوس الکتریکی یا تخلیه ای، منبع نوری است که بر پایه یک تخلیه الکتریکی (که قوس ولتایی نیز نامیده می شود) توسط گاز یونیزه شده یا بخار فلزی نور تولید می کند.
اولین منبع نوری الکتریکی نوع قوسی، به طور عملی نور قوس کربنی است که از طریق تخلیه الکتریکی بین الکترودهای کربن در هوا تشکیل می شود و از دهه 1870 به طور گسترده ای برای روشنایی خیابان ها و ساختمان های بزرگ استفاده می شد تا اینکه در اوایل قرن بیستم با منبع نوری رشته ای جایگزین شد.
لامپ قوس کربنی در حال حاضر برای بیشتر اهداف روزمره منسوخ شده است، اما همچنان به عنوان منبع نوری فرابنفش با شدت بالا در سیستم های تخصصی استفاده می شود.
این اصطلاح در حال حاضر برای انواع منبع نوری تخلیه گازی استفاده می شود که توسط یک قوس بین الکترودهای فلزی از طریق گاز در یک لامپ شیشه ای نور تولید می کنند و انواع مختلفی دارند.
یک منبع نوری نوع تخلیه الکتریکی
اساساً، مبنای عملکردی هر منبع نوری نوع تخلیه گازی بر این اصل است که اتم ها یا مولکول های گاز با برخورد الکترون ها یا به طور متناوب با انتقال انرژی از سایر اتم ها، یون ها یا مولکول های گاز، به حالت های الکترونی برانگیخته می روند.
متعاقباً، گونه های برانگیخته در هنگام بازگشت به حالت تعادل یا پایه، نور درخشانی را ساطع می کنند که غالباً یا در محدوده طیفی مرئی یا فرابنفش است.
در بیشتر موارد جریان تحریک عبوری از گاز، با استفاده از دو الکترود اعمال می شود که معمولاً در دو انتهای مخالف یک لوله شیشه ای حاوی گاز قرار می گیرند.
شماتیک کلی یک لامپ تخلیه DC
برای عملکرد DC، یعنی جریان ثابت، یکی از الکترودها در نقش کاتد است (الکترود منفی که الکترون ها را به گاز ساطع می کند)، و دیگری آند است (الکترون ها را جمع آوری می کند).
برای عملکرد AC، الکترودها به طور متناوب هر دو عملکرد را انجام می دهند. در برخی موارد نیز یک الکترود اضافی برای احتراق وجود دارد (الکترود احتراق) که در حین کار به طور مداوم استفاده نمی شود.
لامپ های بدون الکترود نیز وجود دارند که انرژی الکتریکی به روش های دیگری، معمولاً با فرکانس رادیویی یا میدان مایکروویو وارد می شود. در حالی که این رویکرد معمولاً منجر به هزینه ساخت بالاتری می شود، معمولاً عمر طولانی لامپ را امکان پذیر می کند، زیرا از تخریب معمولی در الکترودها جلوگیری می شود.
در انواع منبع نوری فشار قوی که با چگالی جریان بالا و دمای گاز بالا کار می کنند، می‌تواند مقدار قابل توجهی تابش حرارتی نیز وجود داشته باشد.
بسته به طیف انتشار مورد نیاز، توان خروجی نوری و تابش طیف گسترده ای از گازها در لامپ های تخلیه گازی استفاده می شود که شامل گازهای نجیب مانند نئون، هلیوم، آرگون، کریپتون و زنون و همچنین گازهای مولکولی مختلف مانند هیدروژن، دوتریوم، نیتروژن، اکسیژن یا دیود کربن است.
در موارد دیگر، از فلزاتی مانند جیوه، سدیم، پتاسیم، روبیدیم، سزیم یا برخی از هالیدهای فلزی استفاده می شود که تا حد زیادی تنها در حین کار تبخیر می شوند.
به چنین ،منابع نوری لامپ بخار فلزی و لامپ متال-هالید می گویند. تبخیر فلز یا متال-هالید ممکن است در اثر تخلیه در یک گاز شروع کننده اضافی ایجاد شود، به عنوان مثال. زنون.
در بسیاری از موارد، یک منبع نوری تخلیه گازی از مخلوط مناسبی از گازهای مختلف استفاده می کند که به کاربر اجازه می دهد تا ویژگی های عملکردی مورد نظر را به دست آورد (طیف نوری خاص، بازده نوری، درخشندگی و سهولت احتراق).
یک مورد خاص، لامپ های اگزایمر هستند، که در آن دایمرهای برانگیخته در تخلیه گاز تشکیل می شوند و پس از تفکیک، نور UV تولید می کنند. البته توجه داشته باشید که طیف انتشار نیز می تواند به طور قابل ملاحظه ای به شرایط عملیاتی منبع نوری، به ویژه به چگالی جریان اعمال شده و دمای پلاسما یا جرقه حاصل بستگی داشته باشد.
پارامترهای عملکرد لامپ های تخلیه می تواند در مورد پارامترهای اساسی مانند فشار گاز، دما و چگالی جریان بسیار متفاوت باشد. این منجر به عملکردهای مختلف می شود:
این نوع تخلیه، در دمای نسبتاً پایین (مثلاً دمای نزدیک اتاق) انجام می شود که معمولاً با چگالی جریان کم همراه است و به دلیل درجه یونیزاسیون متوسط، امپدانس گاز نسبتاً زیاد است (در حالی که چگالی جریان الکتریکی کم است، نیاز به ولتاژ عملیاتی قابل توجهی دارد).
الکترون ها و یون های آزاد معمولاً از تعادل دمایی دور هستند: انرژی متوسط الکترون ها بسیار بیشتر از انرژی یون ها است، زیرا می توان آنها را با طول مسیر آزاد متوسط طولانی شتاب داد.
منبع نوری نوع تخلیه درخششی
این نوع تخلیه در دمای بالا (هزاران درجه سانتیگراد) و معمولاً با چگالی توان و فشار گاز نسبتاً بالا عمل می کند. برخلاف جرقه، در مدت زمان قابل توجهی (نه فقط برای چند میکروثانیه) حفظ می شود.
به دلیل درجه یونیزاسیون بالا، یک قوس دارای امپدانس کم است، یعنی با چگالی جریان بالا، اما ولتاژ نسبتاً کم (مثلاً چند ده ولت) کار می کند. الکترون‌ها طول مسیر آزاد متوسط کوتاهی دارند و بنابراین تا حد زیادی با یون ها در تعادل حرارتی هستند.
منبع نوری قوس الکتریکی
دقت داشته باشید که تخلیه قوس عملکرد پیوسته دارد، در حالی که جرقه عملکردی پالسی دارد.
یک لامپ قوس دوتریوم، یک منبع نوری با تخلیه گاز کم فشار است که زمانی که یک طیف پیوسته در ناحیه فرابنفش مورد نیاز است، معمولاً در طیف سنجی استفاده می شود.
این لامپ های حاوی هیدروژن (ایزوتوپ دوتروم)، به دلیل خروجی بالا در محدوده طول موجی فرابنفش، دارای خروجی نسبتاً کمی در نواحی مرئی و مادون قرمز قابل توجه هستند و عملکرد آنها مشابه با شعله هیدروژن است.
یک لامپ دوتریوم از یک رشته تنگستن و بخش آند که در طرف مقابل یک ساختار جعبه ای نیکلی قرار می گیرد، تشکیل می شود که برای تولید بهترین طیف خروجی طراحی شده است.
عملکرد این منبع نوری به این شکل است که برخلاف لامپ های رشته ای، از سمت رشته به آند یک قوس الکتریکی ایجاد می شود و پیش از شروع فرایند، فیلامان تقریباً 20 ثانیه گرم می شود.
قوس ایجاد شده، مولکول های دوتریوم موجود در لامپ را به حالت انرژی بالاتر برانگیخته می کنند که هنگام بازگشت به حالت پایه، نور ساطع می کنند. این سیکل پیوسته، منشأ تابش مداوم UV در این نوع منابع نوری است (یک فرایند برانگیختگی مولکولی).
شماتیک منبع نوری دوتریوم-هالوژن
استفاده از لامپ انتشار جیوه (Hg) معمولاً یکی از راه های کالیبراسیون و برای بررسی طول موج است. این لامپ خطوط بیشتری را در مقایسه با لامپ دوتریوم ارائه می دهد – به ویژه در ناحیه UV. خطوط اصلی انتشار جیوه در زیر آمده است.
253.7 nm 302.25 nm 313.16 nm 334.15 nm 365.48 nm
404.66 nm 435.83 nm 547.07 nm 576.96 nm 579.07 nm
موارد کاربردی استفاده از چنین لامپی کمی دشوارتر از انواع دیگر است. لامپ های بخار جیوه معمولاً از نظر ساختاری، دارای دو حباب داخلی و خارجی هستند. حباب داخلی باید بتواند دماهایی تا حدود ۱۰۰۰ کلوین و فشارهایی حدود ۳ اتمسفر را تحمل کند، به همین خاطر از جنس کوارتز ساخته می شود.
حباب داخلی از هر دو انتها به حباب خارجی متصل است. حباب داخلی را ابتدا تخلیه و سپس مقداری گاز آرگون و جیوه به آن وارد می کنند. حباب خارجی نیز استوانه ای یا بیضوی شکل است و معمولاً سطح داخلی آن را از فسفر می پوشانند تا برخی از طول موج های ناخواسته را جذب کند.
لامپ جیوه
حباب خارجی، از بخش داخلی در برابر عوامل جوی و محیطی (مانند تغییر درجه حرارت) محافظت می‌کند. الکترودهای لامپ از جنس تَنگستَن بوده و به شکل مارپیچ به دور میله هایی از جنس مولیبدن پیچیده می شوند و روی آنها را با اکسید باریوم یا توریوم که به سادگی الکترون ساطع می کنند، می پوشانند.
یک الکترود کمکی، در کنار یکی از دو الکترود اصلی قرار می گیرد که برای راه اندازی سیستم به کار می رود و بین دو حباب را با گازی خنثی مانند ازت پر می کنند تا مانع اکسید شدن قسمت های داخلی شود.
معمولاً یک مقاومت نسبتاً بزرگ (۱۰ تا ۳۰ کیلواهم) نیز با الکترود فرعی سری می شود که باعث می شود پس از راه اندازی، الکترود فرعی از مدار خارج شود.
لامپ های فلورسنت منابعی هستند که معمولاً برای مصارف روشنایی استفاده می شوند و نور فلورسنت ساطع می کنند.
خاصیت فلورسانس توسط مقداری فسفر (مواد فلورسنت) رخ می دهد که معمولاً در طیف طول موجی نور فرابنفش ناشی از تخلیه الکتریکی در برخی گازها، معمولاً در بخار جیوه، برانگیخته می شود و نور ساطع شده معمولاً سفید است.
در دهه 1890، توماس ادیسون و نیکولا تسلا با لامپ های فلورسنت آزمایش هایی را انجام دادند، اما هیچ یک از مخترعان قادر به تولید تجاری آنها نشد.
در اوایل قرن بیستم Peter Cooper Hewitt، یک مهندس برق آمریکایی، با عبور جریان از بخار جیوه، نور سبز آبی رنگی را تولید کرد. این لامپ ها به طور قابل توجهی کارآمدتر از لامپ های رشته ای بودن اما با این وجود، به دلیل رنگ نور آنها غیر عملی بودند.
در سال 1974، محققان در Osram Sylvania شروع به بررسی راه هایی برای تنظیم رنگ نور ساطع شده به منظور کاربردی تر کردن لامپ کردند و در نهایت در سال 1976، Edward Hammer بود که راهی برای خم کردن لوله فلورسنت به شکل مارپیچی کشف کرد و اولین نور فلورسنت فشرده را ایجاد کرد.
مشابه با لامپ های رشته ای، لامپ های فلورسنت دارای یک لوله شیشه ای مهر و موم شده هستند و از یک الکترود در دو انتها استفاده می کنند.
این لوله حاوی مقدار کمی جیوه و یک گاز بی اثر، معمولاً آرگون است که تحت فشار بسیار کم نگه داشته می شود. همچنین این لوله حاوی پودر فسفر است که در امتداد داخل شیشه پوشانده شده است (به دلیل خاصیت فلورسانسی).
با عبور جریان از طریق لامپ، افت ولتاژ قابل توجهی در الکترودها به وجود می آید و سپس الکترون ها از طریق گاز، از یک سر لوله به انتهای دیگر شتاب می گیرند که این فرآیند جیوه موجود درون لوله را تبخیر می کند.
همزمان با اینکه که الکترون ها و اتم های باردار در داخل لوله حرکت می کنند، با اتم های جیوه گازی نیز برخورد می کنند و حاصل این برخوردها این است که الکترون های اتم های جیوه با دریافت انرژی، به سطوح انرژی بالاتر بر انگیخته می شوند. با بازگشت الکترون ها به حالت پایه خود، فوتون هایی را ساطع می کنند.
لامپ فلورسنت
از نظر کارایی، منبع نوری فلورسنت حدود 75 درصد انرژی کمتری مصرف می کند و حدود 10 برابر بیشتر از لامپ رشته ای دوام می آورد.
با این حال، سوسو زدنی که در فرکانس بالا رخ می دهد می تواند برای انسان مضر باشد و باعث کشیدگی چشم یا میگرن شود. علاوه بر این، نور فلورسنت به شدت خاصیت پخش شوندگی دارد و همین موضوع، آنها را برای تولید پرتوهای متمرکز مانند چراغ های جلو اتومبیل یا یک چراغ قوه نامناسب می کند.
رایج ترین لامپ های فلورسنت حاوی بخار جیوه (مخلوط با آرگون یا زنون) در داخل یک لوله شیشه ای (لوله فلورسنت) با طول بین 20 سانتی متر تا 2.5 متر و قطر بین 1 سانتی متر تا چند سانتی متر است.
همانند لامپ های بخار جیوه، تخلیه الکتریکی اتم های جیوه از طریق پراکندگی غیرالاستیک الکترون ها انجام می شود. الکترون ها توسط میدان الکتریکی در لوله شتاب می گیرند و در هنگام برخورد یک الکترون با اتم جیوه، بخشی از انرژی جنبشی آن به الکترون های جیوه منتقل می شود.
پس از برانگیختگی، اتم جیوه می تواند نوری عمدتاً در ناحیه طیفی فرابنفش و در طول موج های 254 نانومتر و 185 نانومتر منتشر کند که این بخش از فرآیند، کاتدولومینسانس نامیده می شود.
پس از آن، یک پوشش فلورسنت (معمولاً فسفر) در سطح داخلی لوله، نور فرابنفش را جذب می کند و آن را به نور فلورسنت، عمدتاً در ناحیه طیفی مرئی، تبدیل می کند و هر گونه اشعه فرابنفش باقی مانده، توسط لوله شیشه ای جذب می شود.
فسفر حاوی چندین ماده فعال (ساطع کننده نور) است که ترکیب آنها به گونه ای است که در نهایت، طیف انتشار کلی در ناحیه طول موجی نور سفید قرار می گیرد و با تغییر ترکیب فسفر، می توان رنگ های مختلفی را به دست آورد.
تخلیه الکتریکی معمولاً بین دو رشته تنگستن رخ می دهد. در مرحله راه اندازی، الکترودها با جریان قوی تر از حد معمول گرم می شوند و تخلیه با یک ولتاژ بالا شروع می شود.
هنگامی که گاز یونیزه می شود، هدایت الکتریکی آن قابل توجه می شود و ولتاژ مورد نیاز برای حفظ دشارژ به زیر 200 ولت کاهش می یابد. مقاومت، اجازه می دهد تا جریان بیشتر افزایش یابد.
عملکرد لامپ فلورسنت جیوه
لامپ های فلورسنت بزرگتر معمولاً از سیم پیچ یا سلف به عنوان ballast استفاده می کنند که برای کار با جریان AC معمولی امکان پذیر است. در طی عملکرد سلف، تخلیه گاز به صورت الکتریکی bypass می شود و باعث می شود جریان نسبتاً زیادی از الکترودها و سلف عبور کند.
پس از چند ثانیه، bypass حذف شده و افت ناگهانی جریان باعث می شود که سلف ولتاژی را ایجاد کند که شروع به تخلیه می کند. در حالت پایدار، جریان بسیار کمتر از فاز راه اندازی است، به طوری که گرمایش الکترودها ضعیف است.
فرآیند راه اندازی توسط یک استارت کوچک (سوئیچ راه اندازی خودکار)، حاوی یک لوله درخشنده کوچک و یک کلید دو فلزی کنترل می شود.
طیف تابشی منبع نوری فلورسنت در یک اسپکترومتر، به راحتی از طیف تابشی یک لامپ رشته ای قابل تشخیص است زیرا در برخی مناطق طیفی، چگالی طیفی بالاست و در بقیه نواحی بسیار کمتر است.
با این وجود، تصور بصری برای چشم انسان می تواند شبیه به نور روز باشد و این اساساً به این دلیل است که چشم فقط سه نوع گیرنده نوری مختلف برای تشخیص رنگ ها دارد و تنها سطوح تحریک نسبی برای این گیرنده ها برای تأثیر رنگ مهم است.
علاوه بر این، حس بینایی انسان کالیبراسیون رنگ خود را با توجه به طیف نور محیط به سرعت تطبیق می دهد. به همین دلیل، تغییرات شدید در طیف نور روز، به سختی درک می شوند.
در این مقاله سعی بر این شد که انواع منبع نوری رایج و تخصصی را معرفی نماییم که در هر بخش عملکرد و شماتیک هر نوع منبع نوری ارائه گردیدو امیدواریم که مفید بوده باشد.
Dorrer, C. Opt. Soc. Am. B1999, 16(7), 1160.
Fountain, A.W.; Vickers, T.J. et al. Spectrosc. 1998, 52(3), 462.
Hamaguchi, H.O. Spectrosc. Rev. 1988, 24(1–2), 1378.
مقالات منتشر شده در ساعاتی قبل