Люминесцентные источники оптического излучения

Принцип действия люминесцентных источников основан на свечении атомов, молекул, ионов и их комплексов, возникающем в результате перехода этих частиц из электронного возбужденного состояния в основное нсвозбуждсннос. Предварительный переход частиц в возбужденное состояние может осуществляться за счет нагрева до очень высокой температуры (термолюминесценция), а также воздействием оптического излучения (фотолюминесценция), ионизирующего излучения (рентгенлюминесценция), электрического поля (электролюминесценция), при протекании химических реакций (хемилюминесценция).

Рис. 9.12. Схема квантовых переходов при элементарном процессе излучения

На рис. 9.12 показана схема квантовых переходов при люминесценции. Элементарный акт люминесценции начинается с поглощения энергии атомом, сопровождающимся переходом электрона с одного из верхних основных энергетических уровней электронной оболочки на более высокий возбужденный энергетический уровень. Далее в общем случае имеет место безызлучательный переход электрона с возбужденного энергетического уровня на уровень излучения. Энергетический уровень излучения является неустойчивым, поэтому далее происходит переход электрона с уровня излучения на исходный устойчивый уровень. В некоторых средах возвращение электрона с уровня возбуждения на устойчивый уровень происходит непосредственно, без промежуточного перехода на уровень излучения (резонансная люминесценция).

Разница энергий уровня излучения W₂ и устойчивого уровня W, определяет энергию W_K и частоту / кванта оптического излучения:

где И — постоянная Планка.

Энергия атома, освобождаемая при безызлучательном переходе, равна разности fV₃ — W₂. Эта энергия недостаточна для излучения кванта оптического излучения и переходит в энергию тепловых колебаний атомов.

При переходе электрона с уровня возбуждения непосредственно на устойчивый уровень тепловая энергия не выделяется, а энергия излучаемого кванта равна разности W₃ — W.

Отличительной особенностью люминесцентного излучения является то, что испускание кванта оптического излучения происходит с некоторой задержкой относительно момента возбуждения электронной оболочки атома.

Среди люминесцентных источников оптического излучения наибольшее практическое использование имеют газоразрядные лампы и полупроводниковые светоизлучающие диоды.

Газоразрядной лампой называют электрооптический преобразователь, в котором оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

На рис. 9.13 показан один из вариантов получения газового разряда. В стеклянной колбе, заполненной рабочим газом, создается электрическое поле. Для создания поля в колбе размещены два электрода: отрицательный — катод и положительный — анод, подключенные к высоковольтному источнику напряжения. В наиболее распространенном варианте газовый разряд инициируется ускоренными в электрическом поле электронами, выходящими из катода за счет его нагрева (термоэмиссия электронов). Кинетическая энергия ускоренных электронов передается в результате столкновений молекулами и атомами газа, переходящими вследствие этого в возбужденное состояние. Обратный переход электронных оболочек атомов в нсвозбуждсннос состояние сопровождается оптическим излучением (электролюминесценция). Наряду с электронами, выходящими с катода, газовый разряд поддерживается и усиливается ускоряемыми электрическим нолем электрическими зарядами, возникающими в результате ионизации атомов и молекул газа. Кроме люминесцентного излучения, во многих случаях газового разряда присутствует и тепловое излучение колбы и электродов.

Рис. 9.13. Газоразрядная лампа: Г-газ; К-катод; А — анод;

Н — нагреватель; ОИоптическое излучение

Газоразрядные лампы имеют высокую световую отдачу, а также могут обеспечивать различный спектральный состав излучения. Требуемые параметры оптического излучения по спектральному составу и силе света достигаются подбором состава газовой смеси, давления, расположения и формы электродов, выбором пространственного и временного распределения напряженности электрического поля и силы электрического тока. Благодаря этому можно получать спектры излучения, состоящие из одиночных линий, миогополосные, непрерывные. Малая инерционность газоразрядных ламп обеспечивает возможность модуляции оптического излучения (стробоскопия, фотографирование и исследование быстропротекающих процессов).

При необходимости коррекции спектрального состава оптического излучения газоразрядной лампы и смещения спектра в длинноволновую область используется покрытие стенки стеклянной колбы люминофором, свечение которого происходит за счет фотолюминесценции под действием оптического излучения газового разряда.

Светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе инжекционной люминесценции, происходящей в полупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом.

Как было показано в разд. 8.6.3, электронно-дырочный переход (^-//-переход) — область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной п к дырочной р. В результате диффузии носителей заряда из одной области в другую возникает контактное электрическое поле (контактная разность потенциалов), противодействующее дальнейшей диффузии электронов и дырок. Если приложить к ^-«-переходу внешнее электрическое поле, направление которого противоположно контактному (прямое смещение, положительный потенциал приложен к /^-области), то через переход потечет электрический ток (рис. 8.11). При этом в область полупроводника, прилегающую к переходу, инжектируются избыточные носители тока — электроны и дырки. Их рекомбинация приводит к понижению энергетического уровня участвующих в этом процессе электронов оболочек атомов, что сопровождается оптическим излучением. Светодиоды испускают некогерентное излучение с узким спектральным составом. Длина волны, соответствующая максимуму спектральной плотности потока излучения, определяется полупроводниковым материалом и его легированием.