Широкополосные источники света
1. Теоретическая часть
Абсолютно чёрное тело (АЧТ) – физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение (ЭМ) во всех диапазонах. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать ЭМ излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой. Излучение черного тела, находящегося в тепловом равновесии, описывается законом Планка.
Где I — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности на единицу длины волны при температуре T; K — постоянная Больцмана, h — постоянная Планка, c — скорость света.
Измерив спектр излучения черного тела, мы можем рассчитать температуру этого черного тела. На рис.1 представлена зависимость мощности излучения чёрного тела от длины волны.
Рисунок 1 – Зависимость мощности излучения чёрного тела от длины волны
Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с абсолютно чёрным телом при данной температуре (например, излучение внутри полости в абсолютно чёрном теле), называется чернотельным (или тепловым равновесным) излучением. Равновесное тепловое излучение однородно, изотропно и неполяризовано, перенос энергии в нём отсутствует, все его характеристики зависят только от температуры абсолютно чёрного тела-излучателя (и, поскольку чернотельное излучение находится в тепловом равновесии с данным телом, эта температура может быть приписана излучению).
В зависимости от температуры нагрева АЧТ проявляется его цветность излучения. Цветовая температура – характеристика хода интенсивности излучения источника света как функции длины волны в оптическом диапазоне (рис. 2).
Рисунок 2 – Хроматическая диаграмма с длинами волн цветов
В качестве источников широкополосного излучения используются следующие:
- Лампа накаливания – искусственный источник света, в котором свет испускает тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. В качестве тела накала чаще всего используется спираль из тугоплавкого металла (обычно – вольфрама) либо угольная нить. Чтобы исключить окисление тела накала при контакте с воздухом, его помещают в вакуумированную либо заполненную инертными газами или парами колбу.
- Люминесцентная лампа – газоразрядный источник света, в котором электрический разряд в парах ртути генерирует ультрафиолетовое излучение, которое переизлучается в видимый свет с помощью люминофора – например, смеси галофосфата кальция с другими элементами.
- Твердотельные источники света – светоизлучающие диоды (СИД) – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения, в основе которого лежит инжекционная электролюминесценция.
Конкретно в данном обзоре рассмотрим широкополосный источник света Thorlabs SLS201L, где основным элементом источника является вольфрамовая лампа. Вольфрамовый источник света представляет собой форму лампы накаливания. Во время работы через вольфрамовую нить протекает ток, который нагревается примерно до пары тысяч Кельвин. Вольфрам излучает видимый и инфракрасный свет при этой температуре, создавая источник света, который можно аппроксимировать излучателем черного тела.
SLS201L — это источник света, известный как кварцево-вольфрамово-галогенный (QTH). В таком источнике света вольфрамовая нить запечатана в кварцевую оболочку, заполненную смесью инертного газа и галогена. Атомы вольфрама, испарившиеся из нити накала во время работы, ударятся об атомы газа, а затем отскочат обратно к нити накала, тем самым снизив общую скорость испарения нити. Галоген в газовой смеси также будет реагировать с вольфрамом, осажденным на внутренней поверхности колбы, и образовывать галогенид вольфрама, который легче испаряется обратно в газовую смесь. Когда галогенид вольфрама приближается к нити накала, он диссоциирует при высокой температуре нити, создавая градиент концентрации вольфрама. Такой поток называется «вольфрам-галогенный цикл». Он эффективно «накачивает» вольфрам обратно в нить накала, продлевая срок службы источника света и уменьшая потемнение колбы.
SLS202L — источник света с вольфрамовой нитью накаливания для ИК-приложений (до 2600 нм, рис. 3). Он работает при более низкой цветовой температуре, генерируя больше ИК-излучения. Нить накала закрыта сапфировым окном, которое пропускает ИК-излучение лучше, чем кварц. Золотой отражатель также расположен за нитью накала, которая отражает более длинные волны, что обеспечивает более высокий выходной сигнал в диапазоне от ближнего до ближнего ИК-диапазона.
Рисунок 3 – Типичный спектр источника белого света
Лампа размещена внутри корпуса, в заднем фокусе 1-й линзы. Линза примерно коллимирует выходной сигнал лампы, а затем вторая линза фокусирует коллимированный пучок на многомодовом оптическом патч-корде, обеспечивая широкополосный источник света волоконным соединением. На рис. 4 показан контур пути луча в SLS201L.
Рисунок 4 – Базовая оптическая конфигурация SLS201L
В отличие от традиционных источников света на основе нити накала, лампы SLS201L не подвержены ни постепенному снижению, ни кратковременным колебаниям яркости в течение всего срока службы.
Источник света SLS201L оснащен внутренней петлей обратной связи, что обеспечивает постоянную интенсивность, низкий уровень шума и длительный срок службы. Принцип работы изображен на блок-схеме (рис. 5). Интенсивность оптического излучения измеряется внутренним фотодиодом, который подает сигнал монитора на блок управления. Затем блок контроллера регулирует управляющий ток источника питания, чтобы компенсировать дрейф или флуктуацию выходного оптического сигнала.
Рисунок 5 – Замкнутая обратная связь в SLS201L
2. Спецификация ИБС Thorlabs SLS201L
Ниже в таблице 1 представлена спецификация для источника белого света (ИБС), который в наличии в лаборатории «ЛЛС». В стандартном комплекте имеется пат-корд:
- Диаметр сердцевины 400 ± 8 мкм;
- NA 0,39 ± 0,02;
- Диаметр оболочки 424 ±10 мкм;
- Буфер FT030 диаметром 3 мм;
- Минимальный радиус изгиба 20 мм;
- Рабочий диапазон длин волн от 400 до 2200 нм (Low OH).
Параметры | Значение |
Рабочий диапазон длин волн | 360-2600 нм |
Пиковая длина волны | 1000 нм |
Температура нагрева | 1796 К |
Стабильность по температуре | ±15 К |
Мощность лампы | 9 Вт |
Выходная мощность на волокне (типичная)* | 10 мВт |
Выходная мощность в свободном пространстве (типичная)** | 500 мВт |
Коллимированная выходная мощность (типичная)** | 60 мВт |
Расходимость луча без оптического ответвителя**** | 8, 2° |
Расхождение коллимированного луча***,**** | 2° |
Диаметр коллимированного луча***,***** | 24 мм |
Дрейф выходной мощности в час (типовой) | 0,01 % |
Дрейф оптической мощности на °C (типовой) | 0,1 % |
Стабильность выходной мощности****** | 0,05 % |
Источник питания | 100-240 В (переменный ток) |
Рабочая температура | От 0 до 45 °С |
Температура хранения | От -15 до 70 °С |
Габариты |
216.4 × 55.0 x 57.5 мм (8.52" × 2.17" × 2.26") |
**Измерено на выходном порте источника света со снятым патч-кордом.
***Измерено с дополнительным коллиматором.
****Половинный угол, расчетное значение при 587 нм
*****Измерено на расстоянии 10 см от коллиматорной линзы.
******Стандартное отклонение значения оптической мощности в процентах, измеренное при комнатной температуре в течение 1 часа с частотой дискретизации 1 Гц после 45-минутного прогрева.
3. Практическое применение
Источник белого света (ИБС) интуитивно понятен в использовании. Обратим внимание на составные части. На рисунке 6 представлена комплектация ИБС:
- Источник белого света;
- Шнуры питания;
- Три шестигранника;
- Ключ;
- Многомодовый патч-корд;
- Переходник SMA разъема;
- Объектив с коллимирующей линзой.
Рисунок 6 – Комплектация ИБС
В данной конфигурации корпуса легко можно встроить дополнительные фильтры для отсечения некоторого диапазона длин волн (рис. 7).
Рисунок 7 – Оснастка для фильтров
Область объектива легко снимается и подлежит замене, в случае повреждения установленной или изменения условий для эксперимента (рис. 8).
Рисунок 8 – Возможность замены объектива ИБС
Особенно важно обратить внимание на разъем для питания в ИБС (рис. 9). Thorlabs усовершенствовал разъем, однако важно с осторожностью проводить подключение разъемов.
Рисунок 9 – Разъем питания ИБС
Стабилизированный вольфрамово-галогенный источник света Thorlabs SLS201L обеспечивает постоянную интенсивность излучения черного тела мощностью 10 мВт в диапазоне длин волн от 360 до 2600 нм. Поскольку спектр данного черного тела охватывает как видимый, так и ближний инфракрасный диапазоны спектра, этот источник идеально подходит для интеграции в оптическое измерительное оборудование. Если объединить данный источник с датчиком отражения или спектрометром, то можно получить данные по диффузному отражению или флуоресценции образца. Также подобные источники используются для задней подсветки тестовой мишени в рамках системы калибровки детектора. Еще одним применением может быть использование в качестве источника освещения в интерферометрии белого света, например, для картографирования структуры поверхности образцов.
Благодаря широкополосному источнику белого света можно проводить огромный спектр работ. Можно измерять волоконные компоненты на спектральные характеристики, проводить их оптимизацию и анализ. Пропуская свет через образец, мы получаем спектр пропускания, который интерпретирует огромное количество важных характеристик оптических волокон и компонентов.
Источник белого света Thorlabs SLS201L в наличии в лаборатории АО «ЛЛС». Данное оборудование протестировано инженерами АО «ЛЛС» и при наличии дополнительных вопросов просим обратиться к специалистам компании.