Излучения оптического диапазона

Излучения оптического диапазона характеризуются длинами волн примерно от субмиллиметрового до дальнего ультрафиолетового излучений. В табл. 5.8 показаны виды излучений оптического диапазона (от 0,76 до 0,38 мкм), используемые в лазерных установках.

Границы инфракрасного диапазона (невидимые тепловые лучи) определяются примерно от длинноволнового участка видимого диапазона до субмиллиметровых волн включительно. За коротковолновой границей видимого диапазона простирается большая область ультрафиолетового диапазона (ближний, средний, дальний УФ), вплоть до рентгеновского диапазона.

Таблица 5.8. Излучения оптического диапазона

Границы инфракрасного диапазона (невидимые тепловые лучи) определяются примерно от длинноволнового участка видимого диа­пазона до субмиллиметровых волн включительно. За коротковолно­вой границей видимого диапазона простирается большая область ультрафиолетового диапазона (ближний, средний, дальний УФ), вплоть до рентгеновского диапазона. λ, нм	Излучение	Длина волны лазера	Вид лазера
760	Ближний ИК	1,06 мкм 6943 А 6328 А 5955 А	Лазер на стекле с Nd Рубиновый лазер He-Ne-лазер О- или Хелазер
650	Темно-красный Красный
600	Оранжевый
500	Желтый	Лазеры на красителях
400	Зеленый Голубой	4880 А	Аr-лазер
		Лазеры на красителях
380	Синий Фиолетовый
300	Ближний УФ	3371 А	N2-лазер

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение (ИКИ) - это тепловое излучение, представляющее собой часть электромагнитного спектра с длиной волны λ = 780 нм...1000 мкм и обладающее волновыми и световыми свойствами, энергия которого при поглощении в веществе вызывает тепловой эффект.

Источником инфракрасного излучения является любое нагретое тело. Спектр инфракрасного излучения подразделяют с учетом особенностей биологического действия натри области: коротковолновую ИКИ-А (λ < 1,4 мкм); средневолновую ИКИ-B (λ = 1,4...3,0 мкм); длинноволновую ИКИ-С (λ > 3 мкм).

Наиболее активно коротковолновое ИК-излучение, так как оно обладает наибольшей энергией фотонов, способно глубоко проникать в ткани организма и интенсивно поглощаться водой, содержащейся в тканях.

Полная энергия, испускаемая в единицу времени с единицы площади стенок полости, т.е. величина отдачи теплоты излучением, зависит от абсолютной температуры поверхности тела (прямо пропорциональна четвертой степени ее температуры) и определяется законом Стефана - Больцмана:

W_S = σT⁴ (5.26)

где W_S - интенсивность излучения (теплоотдача), Вт/м²; σ = 5,67 · 10^-8 Вт/(м² · К4) - постоянная Стефана-Больцмана; Т - абсолютная температура тела, К.

Эта энергия излучается в телесном угле Ω, равном 2π (ΩS/r²); S - площадь, вырезанная конусом на сфере радиусом r; единица измерения телесного угла во всех системах - стерадиан). Для каждой температуры имеется свое спектральное распределение, причем при увеличении температуры максимум энергии излучения сдвигается в ультрафиолетовую область спектра. При этом величина λ_max, соответствующая максимуму излучения для данного распределения, связана с Т соотношением:

(5.27)

где h = 6,63 · 10^-27 эрг · с - фундаментальная константа природы; с - скорость света.

Строгая зависимость энергии излучения нагретых тел от температуры существует только для абсолютно черного тела. Спектральные распределения излучений человека и Солнца близки к излучению абсолютно черного тела.

При прохождении инфракрасного излучения через воздух он почти не нагревается. Между двумя телами, имеющими разную температуру нагрева, устанавливается радиационный теплообмен с отдачей теплоты более нагретой поверхностью менее нагретой:

(5.28)

где Е - теплоотдача, Вт; С1 и С2 - константы излучения с поверхностей; Т1 и Т2 - температуры поверхностей, К.

Источники ИК-излучения можно разделить на две группы: естественного и техногенного происхождения.

Главным естественным источником ИК-излучения в биосфере является Солнце. При температуре внешней поверхности Солнца 6000 К примерно 50% энергии излучения приходится на ИК-диапазон. К числу естественных источников ИК-излучения относятся действующие вулканы, термальные воды, процессы тепломассопереноса в атмосфере, все нагретые тела, лесные пожары и т.п. Поверхность Земли испускает тепловое излучение в диапазоне длин волн примерно от 3 до 80 мкм, т.е. захватывает всю среднюю ИК-область.

Человеческая цивилизация, являясь сложной диссипативной структурой, неизбежно связана с тепловым излучением. Большая часть электрической энергии получается за счет преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании органического топлива.

Путем преобразования энергии органического топлива примерно 30% энергии превращается в электрическую, а 2/3 энергии поступают в окружающую среду в виде теплового загрязнения и загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Тепловое загрязнение водоемов и атмосферы имеет место и при эксплуатации атомных электростанций. В настоящее время установлена закономерность общего повышения температуры водоемов, рек, атмосферы, особенно в местах нахождения электростанций, промышленных предприятий в крупных индустриальных районах. В свою очередь, это приводит к изменению теплового режима водоемов, что сказывается на жизни биоорганизмов, к возникновению нежелательных воздушных потоков из-за повышения температуры в атмосфере, изменению влажности воздуха и солнечной радиации и, в конечном случае, к изменению микроклимата.

Наиболее распространенным источником ИК-излучения техногенного происхождения является лампа накачивания. При температуре нити лампы накаливания 2300...2800 К максимум излучения приходится на длину волны 1,2 мкм и около 95% энергии излучения - на ИК-диапазон. Используемые для сушки и нагрева лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 1 кВт излучают в ИК-диапазоне около 80% всей энергии. При понижении температуры общее ОГЛАВЛЕНИЕ ИК-излучения источника уменьшается. При падении интенсивности в 70 раз максимум интенсивности соответствует λ_т=10 мкм, а при λ_т= 18 мкм интенсивность уменьшится в 700 раз.

К числу источников ИК-излучения техногенного происхождения относятся также газоразрядные лампы, угольная электрическая дуга, электрические спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые пропускаемым током, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи самого различного назначения с использованием разного топлива (газа, угля, нефти, мазута, торфа и т.д.), электропечи, электротехнические устройства с неизбежным превращением доли электрической энергии в тепловую, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, ракетные и авиационные двигатели, МГД-генераторы, реакторы атомных станций и т.д.

К числу когерентных техногенных источников с узкой полосой ИК-излучения относятся ИК-лазеры (табл. 5.9).

Таблица 5.9. Длины волн генерации некоторых ИК-лазеров

Границы инфракрасного диапазона (невидимые тепловые лучи) определяются примерно от длинноволнового участка видимого диа­пазона до субмиллиметровых волн включительно. За коротковолно­вой границей видимого диапазона простирается большая область ультрафиолетового диапазона (ближний, средний, дальний УФ), вплоть до рентгеновского диапазона. λ, нм	Излучение	Длина волны лазера	Вид лазера
760	Ближний ИК	1,06 мкм 6943 А 6328 А 5955 А	Лазер на стекле с Nd Рубиновый лазер He-Ne-лазер О- или Хе-лазер
650	Темно-красный Красный
600	Оранжевый
500	Желтый	Лазеры на красителях
400	Зеленый Голубой	4880 А	Аr-лазер
		Лазеры на красителях
380	Синий Фиолетовый
300	Ближний УФ	3371 А	N2-лазер

В производственных помещениях с большим тепловыделением (горячие цеха) на долю инфракрасного излучения может приходиться до 2/3 выделяемой теплоты и только 1/3 на конвекционную теплоту.