Способы получения спектра белого света физика

Способы получения белого света

Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет.

Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода СД, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне UV, наносится три люмино-фора, излучающих, соответственно, голубой B, зеленый G и красный R свет. На фоне сплошного дифракционного спектра отчетливо видны участки повышенной интенсивности голубого, зеленного и красного цвета.

В третьем способе — желтый Y или зеленый G + красный R люминофор наносятся на голубой B светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый W или близкий к белому свет. На фоне сплошного дифракционного спектра отчетливо видны участки повышенной интенсивности: голубого B и желтого Y; голубого B, зеленного G и красного R цвета.

Недостатки СИД с люминофором: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; в-третьих — люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Если светодиоды с люминофором используются для освещения каких-либо объектов белым светом, то RGB – синтез позволяет создавать любую цветовую гамму и открывает бездну возможностей в разработке новых художественных приемов. RGB – синтез позволяет создавать установки с динамически меняющимися цветом и яркостью. Произвольно меняющийся во времени и пространстве цветной свет становится инструментом, доступным каждому художнику, архитектору, светодизайнеру.

Лекция 15 21. ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕР

Одним из самых распространенных в настоящее время является гелий – неоновый лазер, созданный в 1961 г. А. Джаваном (США). Чтобы понять принцип работы лазера, необходимо рассмотреть несколько ключевых вопросов.

Процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Согласно теории Бора атом в стационарном состоянии может находиться бесконечно долго, при этом он не поглощает и не излучает энергию. В этом состоянии атом обладает минимальной энергией E_n. Под действием внешних возмущений (соударения, поглощение кванта энергии и т.д.) атом переходит в возбужденное состояние с энергией E_m. Возбужденный атом пребывает в этом состоянии примерно 10 –8 с, после этого он самопроизвольно переходит в стационарное состояние, испуская квант света, частоту которого можно определить из постулата Бора:

где E_m и E_n – энергия атома в двух его состояниях, h-постоянная Планка.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10 –3 с. Такие уровни называются метастабильными. При спонтанном переходе характеристики излученного фотона (направление распространения, поляризация, фаза) произвольные.

Однако переходы между энергетическими уровнями атома не всегда связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода (1). Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным.

Вынужденное излучение принципиально отличается от спонтанного излучения. При индуцированном переходе атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у волны, вызвавшей этот переход.

С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. Индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рис. 2 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Рис.2. Условное изображение процессов: (а) — поглощения; (b) — спонтанного излучения; (с) — индуцированного излучения кванта.

Чтобы создать активную среду, в которой были бы возможны индуцированные переходы необходимо создать условия, при которых на более высоких энергетических уровнях находилось больше атомов, чем на стационарных. Такое распределение атомов по энергетическим состояниям называется инверсным.

В естественных условиях нижние энергетические уровни заселены более плотно, чем верхние, а число атомов N, находящихся в состоянии с энергией Е описывается распределением Больцмана:

где k- постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, С – константа, зависящая от природы вещества.

С учетом (2) для инверсных сред должно выполнятся условие

где: E_n, E_m – энергия атомов на энергетических уровнях n и m, причем E_n

Дата добавления: 2015-11-18 ; просмотров: 1416 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Способы получения спектра белого света физика

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА

Возьми три карточки-открытки и ножницами прорежь в середине каждой карточки отверстие размером с копеечную монету. Сделай из комков пластилина подставку для каждой карточки и прилепи их на стол в линию так, чтобы отверстия находились на одной прямой.

Посвети фонариком в отверстие карточки, которая расположена от тебя дальше всего, и посмотри сквозь отверстие ближайшей карточки.

Что ты видишь? Что можно сказать о траектории, по которой свет проходит от фонарика к твоему глазу?

Отодвинь среднюю карточку на пару сантиметров в сторону, чтобы теперь она загораживала путь свету. Что ты видишь теперь? Что произошло со светом? Можно ли увидеть какие-либо следы света на отодвинутой карточке?

Свет распространяется по прямой линии. Когда все три отверстия находятся на одной линии, то свет распространяется от фонарика вдоль этой линии и попадает прямо тебе в глаза;

Когда средняя карточка сдвинута, то на пути света появляется преграда, и свет не может ее обогнуть, так как распространяется по прямой. Карточка не дает ему пройти оставшийся путь до твоего глаза.

ПОЛУЧЕНИЕ СПЕКТРА

Белый цвет на самом деле нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Это смесь всех цветов радуги — красного, оранжевого» желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Эти цвета составляют так называемый видимый спектр. Есть несколько способов, как разделить белый свет на составляющие. Вот один из них.

Наполни миску водой и поставь на хорошо освещенную солнцем поверхность. Поставь внутрь зеркало и наклони его так, чтобы оно опиралось на один из бортиков кюветы.

Посмотри на отражение, которое зеркало отбрасывает на близлежащую поверхность. Что ты видишь? Чтобы сделать изображение более четким, помести в место, куда отбрасывается отражение, лист белой бумаги.

Свет распространяется волнами. Как и у морских волн, у них есть гребни, называемые максимумами, и впадины, называемые минимумами. Расстояние от одного максимума до другого называется длиной волны.

Пучок белого света содержит лучи света с разными длинами волн. Каждая длина волны соответствует определенному цвету. V красного цвета самые длинные волны. Дальше идут оранжевый, потом желтый, зеленый, голубой и синий цвета. У фиолетового цвета самые короткие волны.

Когда белый свет отражается в зеркале через воду, он разлагается на составляющие его цвета. Они расходятся и образуют картинку из параллельных цветных полос, называемую спектром.

А посмотри-ка на поверхность компакт-диска. Откуда здесь взялась радуга?

СПЕКТР НА ПОТОЛКЕ

Заполни стакан водой на одну треть. Поставь книги стопкой на какую-нибудь гладкую поверхность. Стопка должна быть чуть-чуть выше, чем длина фонарика.

Поставь стакан на стопку книг сверху так, чтобы часть его немного выдвигалась за край книги и висела в воздухе, но стакан бы не падал.

Поставь фонарик под свешивающейся частью стакана почти вертикально, и закрепи его в таком положении с помощью кусочка пластилина, чтобы не скользил. Включи фонарик и погаси свет в комнате.

Посмотри на потолок. Что ты видишь?
Повтори опыт, но теперь уже наполни стакан на две трети. Как изменилась радуга?

Луч фонарика падает на заполненный водой стакан под небольшим углом. В результате белый свет разлагается на составляющие его компоненты. Соседствующие друг с другом цвета продолжают свой путь по расходящимся траекториям и, попадая в конце концов на потолок, дают такой замечательный спектр.

Источник: Майкл ди Специо «Занимательные опыты»

Источник

Как получают белые светодиоды?

Именно этот принцип — смешение цветов — используется при получении белого свечения светодиодов. На сегодняшний день, разработаны несколько методик получения светодиодного свечения белого цвета. Рассмотрим их подробнее.

1-ый способ схож с работой люминесцентных ламп и состоит в нанесении на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, люминофоров трёх цветов – зеленого, красного и голубого.

2-ой способ также подразумевает применение люминофора, только в этом случае смешивается свечение голубого светодиода с излучением зелёного и красного, либо жёлто-зелёного люминофора. Данный метод часто является наиболее экономически оправданным.

3-ий способ получения белого LED излучения состоит в смешивании излучения монохромных кристаллов разных цветов. Обычно в этой методике используются три светодиода – красный (Red), зелёный (Green) и голубой (Blue), отсюда и название – RGB-светодиоды. Разноцветные кристаллы устанавливаются на одной матрице, а для смешения светового излучения используется какая-либо оптическая система (например, линза). В результате получается белый свет. Такой же принцип используется в телевидении при передаче цветного сигнала.

Каждая из вышеперечисленных технологий имеет свои достоинства и недостатки. RGB-технология позволяет не только получать белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме, управляя этим процессом вручную или с помощью программы. Таким же образом можно получать различные цветовые температуры белого света. Поэтому RGB-матрицы с успехом используются в светодинамических приборах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света.

Недостатком технологии RGB является ограниченный волновой диапазон излучения, из-за чего белый свет часто получается бледным, может иметь сероватый оттенок и зачастую неестественно взаимодействует с освещаемыми предметами. Этот недостаток можно преодолеть, добавляя к традиционной RGB-матрице эмиттеры других цветов: Amber, Liam, Cyan, Ginger и т. д. Таким образом можно значительно расширить спектр не только цветного, но и белого цвета.

Ещё один недостаток RGB-технологии состоит в том, что из-за неравномерного отвода тепла с краёв матрицы и из её середины светодиоды нагреваются неодинаково, а значит, их цвет будет по-разному меняться в процессе старения. Процесс усугубляется различиями в скорости деградации кристаллов разного цвета. Поэтому цветовая температура и цвет могут «плавать» в течение всего срока эксплуатации.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем RGB-светодиоды. К тому же они имеют однозначно заданный в процессе производства оттенок белого света от более теплой области 2800 K, до холодной синевато-белой области 9000 К. Поэтому обычно белые люминофорные светодиоды обеспечивают лучшую цветопередачу.

Конечно, и эта технология имеет ряд существенных недостатков.

• Прежде всего, к ним относится снижение световой отдачи светодиодов из-за преобразования света в люминофоре.

• Есть определённые технологические сложности и в плане равномерности нанесения слоя люминофора на кристалл, что приводит к неравномерному распределению света.

• Ещё один значимый минус заключается в том, что светодиод значительно долговечнее люминофора, а это, в свою очередь, снижает потенциальный рабочий ресурс источника света.

Светодиоды, изготовленные по разной технологии, применяются в разных осветительных приборах. RGB-светодиоды незаменимы для цветной заливки сцены, создания динамических цветовых эффектов, архитектурной и интерьерной подсветки. Светодиоды с люминофорным слоем обеспечивают необходимую яркость и интенсивность белого света и идеально подходят для светильников с заранее заданной цветовой температурой. Производители выпускают как «тёплые», так и «холодные» светодиоды, которые можно смешивать в произвольной пропорции, достигая лучших результатов.

Читайте другие выпуски светодиодного ликбеза:

Источник

Как получают белый свет свечения светодиода

С точки зрения физики белое свечение можно получить при смешивании семи базовых цветов. В светотехнике используется иной подход. Чаще всего смешиваются 2 или 3 разноцветных свечения. При оригинальных оттенках люминофоров можно получить свет различных необычных оттенков.

Что такое белый свет

Глаза людей воспринимают видимое электромагнитное излучение в определенном диапазоне. Ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские лучи тоже световые, но никто их не видит из-за слишком большой или слишком короткой длины волны. Белый свет создают световые волны с различной длиной. Самые короткие красные, самые длинные фиолетовые. Волны остальных цветов располагаются посередине.

В природе белый свет непрерывный (излучаемый фотосферой Солнца) и линейный, состоящий по меньшей мере из трех видов разноцветного излучения. При определенных обстоятельствах белый свет расщепляется на отдельные части спектра. Например, проходя через призму, луч разделяется на 7 частей с различной длиной волны и частотой колебаний. Если пропустить этот спектр через линзу, снова можно получить белый свет.

Еще Ньютон определил, что белый свет состоит из всех цветов, в черном цветов нет, Световые и цветовые волны способны складываться. Согласно закону физики, белое свечение вызывает отражение от какого-то предмета всех световых волн. Чтобы получить белый свет в светотехнике, используются 3 основных цвета: красный, зеленый и синий.

Цветовое пространство

Цветовым пространством называют абстрактную модель палитры, которая построена так, чтобы любой цвет стал точкой с определенными координатами, а конкретные координаты соответствовали одному цвету. Для упрощения измерений и расчетов создается изображение, называемое цветовой диаграммой (графиком).

RGB матрица – трехмерное цветовое пространство, в котором для каждого отдельного цвета выбран набор трех координат. Существует множество цветовых пространств, но размерность всегда определяют координаты.

Справка! В светотехнике не требуются пространства с высокой размерностью, например, ProPhoto, используемое для создания ксерокопий различных документов.

Цветопередача

Понятием «цветопередача» в светотехнике характеризуют влияние спектра свечения ламп на восприятие цвета объекта глазами человека. Отношение восприятия при искусственном и естественном освещении характеризуется коэффициентом CRI с максимальным значением 100 Ra. Человек воспринимает цвета окружающих его предметов наиболее натурально при значении 80-100 Ra.

Любой источник искусственного света должен обеспечить максимально точное восприятие цветов и оттенков. При расчетах учитываются требования к функциональности лампы и ее местоположение в помещении. Ra определяется при помощи восьми эталонных цветов, определенных DIN 6169.

Как получить белый свет с использованием светодиодов

Для того, чтобы получить белое свечение от светодиода, существуют 3 метода:

• перемешивание при помощи технологии RGB;
• нанесение люминофора трех цветов (красного, зеленого, голубого) на линзу диода, светящегося ультрафиолетовым цветом;
• нанесением люминофора зеленого (желто-зеленого) и красного люминофора на диод, светящийся голубым цветом.

Технология RGB при изготовлении светодиодов дает возможность получить белый свет различных оттенков, отличающихся по температуре. Но у свечения различный оттенок посередине и по краям. В процессе эксплуатации цвет расплывается, что не всем производителям удается это компенсировать.

Светодиоды с люминофорами дешевле, свечение качественное, но толщину слоя люминофора сложно контролировать, люминофор стареет быстрее, чем диоды, из-за него снижается светоотдача

Из чего можно собрать белый свет

Кроме технологии RGB существуют другие методы, позволяющие получить белый свет светодиодов, базирующиеся на смешивании:

• 7-и цветов радуги;
• чистого красного и голубого;
• желтого и синего;
• красного и желто-зеленого.

Основные способы получения

Не все производители при изготовлении светодиодного источника света используют кристаллы, излучающие базовые цвета. Другие варианты иногда оказываются более интересными. Например, белый свет светодиодов можно получить при смешивании желтого и синего, но CRI получается –13 Ra. Если свечение желтого расширить, добавив красный и желто-зеленый, Ra = 61.

Существую и другие уникальные технологии производителей светодиодов:

• Cree TrueWhite – синий, желто-зеленый и красный;
• Osram Brilliant Mix – красный, зеленый и оранжевый.

Справка! Уникальной можно считать технологию Osram EQ white, в которой предусмотрено смешивание синего и желто-зеленого. Оттенок белого в излучении светодиодов получается зеленоватый, Ra = 65.

Основные выводы

Основная цель производителей светодиодов – повысить светотехнические характеристики своей продукции, в том числе цветопередачу. Для этого не всегда достаточно RGB. Показатели меняются так же при замене оттенка люминофора. В результате белое свечение светодиодов приобретает различные оттенки.

Источник