електромагнітний спектр

  1. ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ СПЕКТР Електромагнітний спектр умовно ділиться на діапазони. В результаті їх розгляду...
  2. мікрохвильовий діапазон
  3. Інфрачервоний (ІК) діапазон
  4. Відомий діапазон
  5. ультрафіолетовий діапазон

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ СПЕКТР

Електромагнітний спектр умовно ділиться на діапазони. В результаті їх розгляду необхідно знати наступне.

  • Назва діапазонів електромагнітних хвиль.
  • Порядок їх прямування.
  • Межі діапазонів в довжинах хвиль або частотах.
  • Чим обумовлено поглинання або випромінювання хвиль того чи іншого діапазону.
  • Використання кожного типу електромагнітних хвиль.
  • Джерела випромінювання різних електромагнітних хвиль (природні і штучні).
  • Небезпека кожного виду хвиль.
  • Приклади об'єктів, що мають розміри, порівнянні з довжиною хвилі відповідного діапазону.
  • Поняття про випромінювання абсолютно чорного тіла.
  • Сонячне випромінювання і вікна прозорості атмосфери.

Діапазони електромагнітних хвиль

Діапазон Додаткове розподіл Довжини хвиль Інша Мікрохвильовий 1 мм - 30 см Інфрачервоний (ІК) дальній (субміліметровий) 10 - 1000 мкм 50 - 2000 мкм середній 1 - 10 мкм 5 - 30 мкм
2,5 - 50 мкм ближній 0,73 - 1 мкм 0,73 - 5 мкм
0,74 - 2,5 мкм Відомий 0,38 - 0,73 мкм Ультрафіолетовий (УФ) ближній 200 - 380 нм вакуумний 100 - 200 нм жорсткий 10 - 100 нм Рентгенівський м'який 0,1 - 20 нм жорсткий 0,01 - 0 , 1 нм Гамма <0,01 нм <0,005 нм

мікрохвильовий діапазон

Мікрохвильове випромінювання використовується для підігріву їжі в мікрохвильових печах, мобільного зв'язку, радарах (радіолокаторах), до 300 ГГц легко проходить атмосферу, тому придатне для супутникового зв'язку. У цьому діапазоні працюють радіометри для дистанційного зондування і визначення температури різних шарів атмосфери, а також радіо телескопи. Цей діапазон є одним з ключових для спектроскопії ЕПР і обертальних спектрів молекул. Тривала дія на очі викликає катаракту. Мобільні телефони негативно впливають на головний мозок.

Мобільні телефони негативно впливають на головний мозок

радіотелескоп

Характерною особливістю мікрохвильових хвиль є те, що їх довжина хвилі порівнянна з розмірами апаратури. Тому в цьому діапазоні прилади конструюються на основі розподілених елементів. Для передачі енергії використовуються хвилеводи і Полоскова лінії, а в якості резонансних елементів - об'ємні резонатори або резонансні лінії. Рукотворними джерелами МВ хвиль є клістрони, магнетрони, лампи біжучої хвилі (ЛБХ), діоди Ганна, лавинно-пролітні діоди (ЛПД). Крім того існують мазери, аналоги лазерів в довгохвильових діапазонах.

Мікрохвильові хвилі випромінюються зірками.

У мікрохвильовому діапазоні знаходиться так зване космічне фонове мікрохвильове випромінювання (реліктове випромінювання), яке за своїми спектральним характеристикам повністю відповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла з температурою 2,72К. Максимум його інтенсивності припадає на частоту 160 ГГц (1,9мм) (див. Рис. Нижче). Наявність цього випромінювання і його параметри є одним з аргументів на користь теорії Великого Вибуху, яка в даний час є основою сучасної космології. Останній, згідно, зокрема, цими вимірами і спостереженнями, стався 13,6 мільярдів років тому.

Вище 300 ГГц (коротше 1 мм) електромагнітні хвилі дуже сильно поглинаються атмосферою Землі. Атмосфера починає бути прозорою в ІК і видимому діапазонах.

література:

  1. Wikipedia. Microwave.

Інфрачервоний (ІК) діапазон

Інфрачервоний діапазон простирається приблизно від 0,74 мкм до 1 мм. Це відповідає частотам 300 ГГц - 400 ТГц. Електромагнітні хвилі цього діапазону відіграють дуже важливу роль у навколишньому нас природі і одночасно знайшли широке застосування в багатьох областях людської діяльності.

ІК хвилі асоціюються з теплом тому наші шкірні рецептори сприймають ІК випромінювання як тепло. ІК хвилі випромінюються будь-якими нагрітими тілами, в тому числі і людським тілом.

На мікроскопічному рівні більш довгохвильова частина ІЧ діапазону (1мм - 10 мкм) відповідає поглинанню (і випромінювання) на обертальних і коливально-обертальних переходах молекул в газовій фазі, молекулярним рухом в рідинах і фононів в твердих тілах. У цій частині спостерігається дуже сильне поглинання водяною парою атмосфери, хоча є певні "вікна" з частковим пропущенням, які можуть бути використані для астрономії.

На малюнку - пропускання видимого та ІЧ випромінювання атмосферою Землі. (Http://www.sarracenia.com/astronomy/remotesensing/physics060.html).

У середній частині (10 - 2,5 мкм) ІК випромінювання поглинається на всередині молекулярних коливаннях, коли атоми в молекулі коливаються біля своїх положень рівноваги. Нагріті тіла можуть інтенсивно випромінювати в цій області.

ІК випромінювання, яке примикає до видимого діапазону (2,5 мкм - 750 нм), має ті ж властивості і бере участь в тих же процесах, що і видиме світло.

ІК діапазон в силу своєї великої протяжності часто ділиться на піддіапазони. Існує кілька різних схем розподілу. Кожна зі схем посилається на відмінність властивостей або особливостей перебігу будь-небудь фізичних процесів в різних точках діапазону. Наприклад, різною реакцією людини на ІК радіацію, властивостями ІК приймачів, виготовлених з різних матеріалів, різної температурою астрономічних об'єктів, випромінюючих ІК хвилі різної довжини. Одна з найбільш поширених схем є наступна:

Назва піддіапазону Довжини хвиль Характеристики Близький. NIR (near), IR-A 0.75-1,4 мкм Межі цього діапазону визначені поглинанням водяної пари. Він зазвичай використовується телекомунікаціями на оптичних волокнах через низькі втрат в кварцових стеклах (SiO2). Підсилювачі зображень (різновид фотопомножувачів) мають в цьому діапазоні велику чутливість. У цьому діапазоні працюють прилади нічного бачення (ПНВ). Лазерне випромінювання в цьому діапазоні небезпечно для зору так як досягає сітківки ока і фокусується на ній точно також, як і видиме світло. Короткий. SWIR (short), IR-B 1,4-3 мкм На довжині хвилі 1450 нм поглинання води різко зростає. Ділянка між +1530 ​​і 1560 нм є основним для телекомунікацій на далекі відстані. Цей діапазон відносно безпечний для очей, так як поглинається оком до досягнення сітківки. Середній. MWIR (mid), IR-C 3-8 мкм В технології керованих ракет ділянку 3-5 мкм цього діапазону є вікно прозорості атмосфери, в якому функціонують головки самонаведення пасивних ІК ракет, що наводяться на інфрачервоний слід літаків. Багато гази в цьому діапазоні володіють сильними лініями поглинання, що дає можливим проводити моніторинг цих газів. Довгохвильовий. LWIR (long), IR-C 8-15 мкм Область тепловидения, в якій датчики можуть отримувати картину зовнішнього світу на основі власного теплового випромінювання предметів, що не потребує зовнішнього світу або теплових джерел, таких як сонце, місяць або ІК світильників. Далекий. FIR 15-1000 мкм Джерелами випромінювання в цьому діапазоні є лазери далекого ІК діапазону.

Значна частка енергії Сонця потрапляє на Землю у вигляді ІК випромінювання. Сонячне світло, що досягає Землю на рівні моря, має потужність більше 1 кВт / м2. При цьому 527 Вт доводиться на ІК випромінювання, 445 Вт на видимий діапазон і 32 Вт є УФ випромінювання. Баланс між поглиненої і випромінювань електромагнітної енергією має критичне значення для клімату Землі.

На малюнку - сонячне випромінювання при вході в атмосферу (жовтий колір) і на поверхні Землі (червоний колір). Для порівняння приведена крива випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою, яка максимально наближає криву до спектру випромінювання сонця. Видно, що на деяких довжинах хвиль випромінювання не дотігает поверхні Землі, а поглинається атмосферними молекулярними газами.

Більшість лазерів, наприклад, ND: YAG, багато волоконні і більшість потужних діодних лазерів, випромінюють в ближньому ІЧ діапазоні. Відносно невелика кількість лазерів випромінює в середній і довгохвильової частини ІК діапазону. Наприклад, CO2 лазер випромінює в районі 10,6 мкм і 9,6 мкм і на деяких інших довжинах хвиль в цій області. Лазери на вільних електронах дозволяють отримати дуже потужний, перебудовувати в широких межах, інфрачервоне випромінювання. ІК випромінювання може бути також отримано за рахунок перетворення частоти в нелінійних кристалах.

Інфрачервоні хвилі використовуються в телекомунікаціях (0,75 - 1,8 мкм), для обробки матеріалів (різка, "свердління" і т.д.) (1 - 10 мкм), термографії (0,9 - 14 мкм), для дистанційного управління побутовою технікою (телевізори, відеомагнітофони), в фізіотерапії для прогріву травмованих ділянок тіла, для зв'язку на коротких дистанціях, в приладах нічного бачення, в чутливих до тепла детекторах боєголовок снарядів і ракет (3 - 5 мкм), в охоронних системах будинків, пристроях нічного бачення, спектроскопії.

література:

  1. RP Photonics. Encyclopedia. Infrared Light.
  2. Wikipedia. Infrared.

Відомий діапазон

Один з найбільш важливих для людини діапазонів, пов'язаних з можливістю бачити навколишній світ. Він займає порівняно невелику ділянку електромагнітного спектра 380 - 730 нм.

вони

  • Легко проходять атмосферу.
  • Єдині едектромагнітние хвилі, які можуть бути виявлені людським оком.
  • Поглинаються за рахунок збудження електронів в молекулах і атомах, міжзонних переходів в напівпровідниках.
  • Природні джерела: сонце, блискавки. Штучні: лампи розжарювання, газорозрядні лампи, світлодіоди, лазери на барвниках, газові іонні, твердотільні і напівпровідникові лазери.
  • Мають неймовірне кількість додатків.

Хвилі з різною довжиною мають свій колір. Колірна гамма складається з нескінченної кількості колірних відтінків, але прийнято називати 7 основних кольорів. Червоний (625-740), помаранчевий (590-625), жовтий (565-590), зелений (500-565), блакитний (485-500), синій (440-485), фіолетовий (380-440).

Сім основних кольорів. Вікіпедія.

Колір Діапазон довжин хвиль, нм Діапазон частот, ТГц Діапазон енергії фотонів, еВ фіолетовий 380-440 680-790 2,82-3,26 синій 440-485 620-680 2,56-2,82 блакитний 485-500 600-620 2,48-2,56 зелений 500-565 530-600 2,19-2,48 жовтий 565-590 510-530 2,10-2,19 помаранчевий 590-625 480-510 1,98-2,10 червоний 625-740 400-480 1,68-1,98

Серед лазерів і джерел з їх застосуванням, випромінюючих в видимому діапазоні, можна назвати наступні: перший запущений лазер, - рубіновий, з довжиною хвилі 694,3 нм, діодні лазери, наприклад на основі GaInP і AlGaInP для червоного діапазону, і на основі GaN для синього діапазону, титан-сапфіровий лазер, He-Ne лазер, лазери на іони аргону і криптону, лазер на парах міді, лазери на барвниках, лазери з подвоєнням або підсумовуванням частоти в нелінійних середовищах, раманівське лаеери. ( https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak ).

Довгий час існувала проблема в створенні компактних лазерів в синьо-зеленої частини спектру. Були газові лазери, такі як аргоновий іонний лазер (з 1964 року), у якого дві основні лінії генерації лежать в синьої і зеленої частини спектра (488 і 514 нм) або гелій кадмієвий лазер. Однак для багатьох додатків вони не годилися через свою громіздкість і обмеженої кількості ліній генерації. Створити напівпровідникові лазери з широкою забороненою зоною не вдавалося через величезні технологічні труднощі. Однак в остаточному підсумку були розроблені ефективні методи подвоєння і потроєння частоти твердотільних лазерів ІК і оптичного діапазону в нелінійних кристалах, напівпровідникові лазери на основі подвійних сполук GaN і лазерів з підвищенням частоти накачування (upconversion lasers).

Джерела світла в синьо зеленої області дозволяють збільшити щільність запису на CD-ROM, якість репрографії, необхідні для створення повнокольорових проекторів, для здійснення зв'язку з підводними човнами, для зняття рельєфу морського дна, для лазерного охолодження окремих атомів і іонів, для контролю за осадженням з газу (vapor deposition), в проточній цитометрії. (Взято з "Compact blue-green lasers" by WP Risk et al).

література:

  1. RP Photonics. Encyclopedia. Visible Lasers.
  2. Сім основних кольорів. Вікіпедія.
  3. Compact Blue-Green Lasers.

ультрафіолетовий діапазон

Вважається, що ультрафіолетовий діапазон займає область від 10 до 380 нм. Хоча межі його чітко не визначені, особливо в короткохвильовій області. Він ділиться на піддіапазони і цей поділ також не є однозначним, так як в різних джерелах прив'язане до різних фізичних і біологічних процесів.

Так на сайті "Health Physics Society" ультрафіолетовий діапазон визначено в межах 40 - 400 нм і ділиться на п'ять піддіапазонів: вакуумний УФ (40-190 нм), дальній УФ (190-220 нм), UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), і UVA (320-400 нм) (чорний світло). В англомовній версії статті про ультрафіолеті в Вікіпедії "Ultraviolet" під ультрафіолетове випромінювання виділяється діапазон 40 - 400 нм, проте в таблиці в тексті представляється його розподіл на купу перекриваються поддиапазонов, починаючи з 10 нм. У російськомовній версії Вікіпедії "Ультрафіолетове випромінювання" з самого початку кордону УФ діапазону встановлюються в межах 10 - 400 нм. Крім того в Вікіпедії для діапазонів UVC, UVB і UVA вказані області 100 - 280, 280 - 315, 315 - 400 нм.

Ультрафіолетове випромінювання незважаючи на свій сприятливий вплив в невеликих кількостях на біологічні об'єкти є одночасно найнебезпечнішим з усіх інших природних розповсюджених випромінювань інших діапазонів.

Основним природним джерелом УФ випромінювання є Сонце. Однак не всі випромінювання досягає Землі, так як поглинається озоновим шаром стратосфери і в області коротше 200 нм дуже сильно атмосферним киснем.

UVC практично повністю поглинається атмосферою і не досягає земної поверхні. Цей діапазон використовується бактерицидними лампами. Надмірна експозиція призводить до пошкодження рогівки і сніжної сліпоти, а також до тяжких опіків обличчя.

UVB найбільш руйнівна частина УФ випромінювання, так як вона має досить енергії для пошкодження ДНК. Вона не повністю поглинається атмосферою (проходить близько 2%). Це випромінювання необхідно для вироблення (синтезу) вітаміну D, проте шкідливий вплив можуть спричинити опіки, катаракту і рак шкіри. Ця частина випромінювання поглинається озоном атмосфери, зниження концентрації якого викликає занепокоєння.

UVA практично повністю досягає Землі (99%). Він відповідальний за загар, але надмірність призводить до опіків. Як і UVB воно необхідне для синтезу вітаміну D. Опромінення надміру призводить до придушення імунної системи, жорсткості шкіри і утворення катаракти. Випромінювання в цьому діапазоні називають ще чорним світлом. Комахи і птахи здатні бачити цей світ.

На малюнку нижче для прикладу показана залежність концентрації озону по висоті на північних широтах (жовта крива) і рівень блокування озоном сонячного ультрафіолету. UVC повністю поглинається до висот в 35 км. У той же час UVA майже повністю досягає поверхні Землі, проте це випромінювання практично не представляє будь-якої небезпеки. Озон затримує велику частину UVB, проте деяка його частина досягає Землі. У разі виснаження озонового шару більша частина буде опромінювати поверхню і приводити до генетичного пошкодження живих істот.

Короткий список використання електромагнітних хвиль УФ діапазону.

  • Фотолітографія високого качеста для виготовлення електронних пристроїв таких, як мікропроцесори та мікросхем пам'яті.
  • При виготовленні оптоволоконних елементів, зокрема брегговскіх решіток.
  • Знезараження від мікробів продуктів, води, повітря, предметів (UVC).
  • Чорне світло (UVA) в криміналістиці, в експертизі творів мистецтва, у встановленні справжності банкнот (явище флуоресценції).
  • Штучна засмага.
  • Лазерне гравіювання.
  • Дерматологія.
  • Стоматологія (фотополімеризація пломб).

Рукотворними джерелами ультрафіолетового випромінювання є:

Немонохроматичним: Ртутні газорозрядні лампи різних тисків і конструкцій.

монохроматичні:

  1. Лазерні діоди, в основному на базі GaN, (невеликої потужності), що генерують в ближньому ультрафіолетовому діапазоні;
  2. Ексимерні лазери є дуже потужними джерелами ультрафіолетового випромінювання. Вони випромінюють наносекундні (піко секундні і мікросекундні) імпульси з середньою потужністю від декількох ватів до сотень ват. Типові довжини хвиль лежать між 157 нм (F2) до 351 нм (XeF);
  3. Деякі твердотільні лазери, леговані церієм, такі як Ce3 +: LiCAF або Ce3 +: LiLuF4, які працюють в імпульсному режимі з наносекундной імпульсами;
  4. Деякі оптоволоконні лазери, наприклад, леговані неодимом;
  5. Деякі лазери на барвниках здатні випромінювати ультрафіолет;
  6. Іонний аргоновий лазер, який, не дивлячись на те, що основні лінії лежать в оптичному діапазоні, може генерувати безперервне випромінювання з довжинами хвиль 334 і 351 нм, але з меншою потужністю;
  7. Азотний лазер, що випромінює на довжині хвилі 337 нм. Дуже простий і дешевий лазер, працює в імпульсному режимі з наносекундной тривалістю імпульсів і з піковою потужністю кілька мегават;
  8. Потроєння частоти Nd: YAG лазера в нелінійних кристалах;

література:

  1. Ultraviolet Radiation: How it Affects Life on Earth .
  2. Вікіпедія "Ultraviolet" .
  3. "Ultraviolet applications" .
  4. RP Photonics. Encyclopedia. Ultraviolet light .
  5. RP Photonics. Encyclopedia. Ultraviolet lasers .

Лекція не закінчена



Html?