Promieniowanie podczerwone

Generacja, detekcja, zastosowanie

Źródła
sztuczne

Sztuczne źródła

promieniowania

podczerwonego



Promienniki podczerwieni



Lasery IR (irasery)



Diody LED i LE emitujące w podczerwieni



Diody OLED

Promienniki podczerwieni

Promienniki podczerwieni to urządzenia dla wytwarzania

i ukierunkowywania strumienia promieniowania

podczerwonego wykorzystywanego w celach grzewczych

Są cztery sposoby wytwarzania promieniowania podczerwonego:



temperaturowy



luminiscencyjny (rzadko stosowany)



fotoemisyjny (małe moce!)



laserowy

W związku z tym wyróżnia się promienniki:



temperaturowe



z promieniowaniem mieszanym (temperaturowum i luminiscencyjnym)



luminiscencyjne



lasery IR

Temperaturowe elektryczne promienniki

podczerwieni

Są to urządzenia w których występuje element grzejny
rozgrzewany do temperatury znacząco wyższej niż
otoczenie. Energię cieplną do nagrzania promiennika
dostarcza przepływający przez element grzejny prąd
elektryczny. Ponieważ elementami grzejnymi są zwykle
elementy

rezystancyjne,

cały

promiennik

stanowi

obciążenie

czysto

rezystancyjne.

Ilość

wypromieniowywanej mocy jest zależna od ilości mocy
elektrycznej pobieranej przez promiennik.

Widmo emitowanego promieniowania jest ciągłe,
zależne od temperatury emitującej powierzchni – opisuje
to prawo Plancka.

widm

zn

zn

widm

el

I

U

P

Q









Temperatura

powierzchni określa

widmo

promieniowania

cał

podcz

widm









Elektryczne promienniki podczerwieni

Promienniki podczerwieni

Zalety nagrzewania promiennikowego:



kierunkowość strumienia energii  nagrzewa się

miejsca potrzebne, a nie cały obiekt,



bardzo mała bezwładność cieplna,



nagrzewanie zgodne z wymogami fizjologii



brak ruchu powietrza wzniecającego kurz i pył

Zastosowanie

nagrzewania

promiennikowego:



ogrzewanie hal i magazynów, kościołów



ogrzewanie warsztatów i miejsc pracy



ogrzewanie miejsc na zewnątrz budynków



ogrzewanie instalacji wodnych,



rozmrażanie podjazdów



osuszanie,

podgrzewanie,

utrzymywanie

stałej

temperatury w procesach przemysłowych



zastosowania medyczne

Promienniki podczerwieni – zestawienie

porównawcze

Żarnik wolframowy w

bańce

Drut oporowy lub pręt przewodzący

Drut oporowy lub pręt

przewodzący

Budowa

promiennika

Bańka

żarówki

Bańka

kwarcowa

Rura

kwarcowa

Rura

metalowa

Pręt bez osłony

Panel

ceramiczna

Panel

kwarcowa

Temp.źródła

o

C

1650-2200

1500 -

2200

do 870

do 820

do 870

100 - 870

do 930

Barwa

Źółta do

jaskrawobiałej

Żółtawa

do biały

Jasnoczerwona Szaro

czerwona

Jasnoczerwona

Do ciemno

czerwonej

Jasnoczerwona

Geometria

źródła

Punktowe

Liniowe

Liniowe

Liniowe

Liniowe lub

powierzchniowy

Powierzchniowe Powierzchniowe

Max dł fali 

m

1.2 - 1.5

1.2 – 1.5

od 2.5

od 2.6

od 2.5

2.5 – 7.8

od 2.4

Max gęstość

mocy W/m

2

90

360

120 - 160

340

330

330

530

Sprawność

w przetw. na

podczerw. %

86

86 - 96

40 – 65

45 -65

45 –65

45 –65

45 -65

Bezwładność

Sekundy

Sekundy

1-2 min

2-4 min

6-7 min

5-10 min

5 – 10 min

Elektryczne promienniki podczerwieni -

Zastosowanie

- w suszeniu tunelowym i w warsztatach mechanicznych
- w dmuchaniu pojemników typu PET
- w kształtowaniu termicznym tworzyw sztucznych w
produkcji półprzewodn.
- w procesach epitaksjalnych, CVD, RTP, w utlenianiu
- w podgrzewaniu i utrzymywaniu temperatury
artykułów żywnościowych
- w suszeniu papieru
- w suszeniu lakieru i farby drukarskiej (sitodruk)
- we wstępnym suszeniu drewna przed lakierowaniem

Elektryczne promienniki podczerwieni -

Zastosowanie

Nagrzewanie

is a popular use of infrared technology. Wood, glass, metal,

plastic, rubber, textiles and more can benefit from the targeted heating
properties of IR.

Utwatdzanie

- Another popular use for infrared technology, curing is

applied to ceramics, glass, metal, plastic and more

Suszenie

. Infrared dries coatings, reduces mositure and more.

Procesy adhezyjne (łączenie)

is a popular and effective application. With

heat just where it is needed, IR is often the best solution for adhesives
activation.

Nagrzewanie w próżni

- This is an area in which IR is growing in

popularity. Infrared lamps are ideally suited to the demanding
requirements of operating in vacuum.

Nagrzewanie

Utwardzanie

Suszenie

Adhezja - Spajanie

Nagrzewanie w próżni

Elektryczne promienniki podczerwieni –

Zastosowanie lakiernictwo

Promieniowanie podczerwone dostarcza energii
potrzebnej do wysuszenia warstwy lakieru.
Oddziaływanie zależy od długości fali:

Czasy suszenia promiennikiem IR

Szpachlówka 2 - 3 min

Podkład 6 - 8 min

Lakier nawierzchniowy 8 - 12 min

Lakier wodorozcieńczalny 10 - 15 min

Lakier bezbarwny 7 - 12 min

http://www.eurolak.pl

Dane techniczne:

Moc

6kW

Napięcie 400V

Ilość kaset

1

Ilość żarników lamp 4

Prąd znamionowy 8A

Suszona powierzchnia

~1,3m x 1,2m

Elektryczne promienniki podczerwieni –

Zastosowanie sauna

Gazowe promienniki podczerwieni

Półprzewodnikowe źródła

promieniowania podczerwonego

Diody LED (light emitted diode)

Diody LE (laser diode)

Promieniowanie optyczne
(podczerwone) powstaje w
złączu p-n i związane jest ze
zmianą orbit przez elektrony

Diody LED – podstawy fizyczne





h

E



E



Idealna dioda LED emituje światło monochromatyczne (jedną barwę!)

http://amecam.pl/biblioteka_ld.htm

Realna dioda LED emituje światło prawie monochromatyczne

Diody LED – charakterystyki widmowe

Materiał półprzewodnikowy zawiera atomy różnych pierwiastków, o

różnej budowie i odmiennym rozmieszczeniu orbit i elektronów.

Diody LED i laserowe wykonywane są najczęściej ze związków galu,

glinu, arsenu, indu i fosforu, stąd spotykane oznaczenia np. GaAlAs

i InGaAsP. Niejednorodność budowy powoduje różnice w E i

rozmycie monochromatycznego charakteru emisji.

http://amecam.pl/biblioteka_ld.htm

Kolory LED - ów

Różne materiały półprzewodnikowe pozwalają produkować diody LED
emitujące różne barwy:

•

Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) — czerwona i podczerwona

•

Aluminium gallium phosphide (AlGaP) — zielona

•

Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) — jasno

pomarańczowa, pomarańczowa, żółta, zielona

•

Gallium arsenide phosphide (GaAsP) — czerwona, czerwono-

pomarańczowa, żółta

•

Gallium phosphide (GaP) — czerwona, żółta, pomarańczowa

•

Gallium nitride (GaN) — AlGaN (Quantum Barrier) zielona, niebieska

•

Indium gallium nitride (InGaN) — 450nm - 470nm — bliski ultrafiolet,

zielona, niebieska

•

Silicon carbide (SiC) jako domieszka - niebieska

•

Silicon (Si) as substrate — jako domieszka - niebieska

•

Sapphire (Al

2

O

3

) as substrate — jako domieszka - niebieska

•

Zinc selenide (ZnSe) — niebieska

•

Diamond (C) — ultrafiolet

•

Aluminium nitride (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN), (AlGaInN)

— bliski ultrafiolet

•

kombinacja czerwieni, zieleni i niebieskiej barwy daje wrażenie

światła białego

Drukarki laserowe na LEDach

Firma

Oki

zamiast

zespołu

soczewek

i

zwierciadeł

używa

nieruchomej

listwy

składającej się z kilkuset
diod

LED.

Każda

odpowiada

za

naświetlenie

jednego

punktu

wydruku,

a

wszystkie razem tworzą
jedną "kolumnę" obrazu.

Jednoprzebiegowe
drukarki LED są bardzo
szybkie.

Matryca

składająca się z diod
LED, naświetla obraz na
bębnie

pobierającym

toner z pojemnika. Z
bębna

toner

jest

bezpośrednio nanoszony
na kartkę papieru, która
wędruje do utrwalacza.

Zastosowanie promieniowania

podczerwonego

Kamera termowizyjna

Zakresy detekcji:

do 50

o

C 50-150

o

C

150-500

o

C

Rozdzielczość 0.2

o

C

Rozdzielczość geom.

1.4 mrad

Zakres czułości 

3-5 m

Detekcja człowieka

700m

http://www.pimall.com/nais/e.menu-j.html

Zastosowanie promieniowania

podczerwonego

Reflektor podczerwieni

Diodowy promiennik podczerwieni

efektywny zasięg do 30m

kąt świecenia 30o,

widmo podczerwieni 850nm,

http://www.pimall.com/nais/e.menu-j.html

Diody laserowe

Są to diody w których do emisji promieniowania
wykorzystuje się zjawisko laserowe zachodzące w
złączu półprzewodnikowym p-n, przy czym stany
wzbudzenia uzyskuje się dzięki przepływającemu
przez złącze prądowi.

Zjawiska laserowe w diodach – podstawy

fizyczne

Dioda laserowa pracuje jako laser wtedy, gdy ilość światła

wytworzonego w procesie emisji wymuszonej jest większa od sumy

strat.

Następuje to po przekroczeniu pewnej granicznej wartości prądu I

th

.

E







h

E



I

II

III

IV





h

E



Zjawisko laserowe

 

Nieodłączną częścią składową lasera są dwa półprzepuszczalne lustra, które

część światła przepuszczają, a część odbijają z powrotem. Na rysunku 5a
pokazano sytuację przy małym prądzie pracy. Pod wpływem płynącego
prądu następuje przenoszenie elektronów w atomach na wyższy
poziom, a następnie pojawia się promieniowanie w wyniku emisji
spontanicznej.

Powstające

kwanty

promieniowania

mają

przypadkową fazę i biegną we wszystkich możliwych kierunkach.
Zjawiska absorpcji rezonansowej i emisji wymuszonej występują, ale znoszą
się, ponieważ więcej elektronów znajduje się na niższej orbicie. Absorpcja
rezonansowa występuje częściej niż emisja wymuszona i w efekcie dioda
laserowa zachowuje się, jak

zwykła dioda LED.

Zjawisko laserowe

Przy zwiększaniu prądu coraz więcej elektronów jest przenoszonych na górną orbitę. Dochodzi
do sytuacji, gdy na górnej orbicie jest więcej elektronów, niż na niższej (nazywa się
to inwersją obsadzeń). Coraz więcej kwantów światła powstaje wskutek emisji wymuszonej.
Ze wzrostem prądu, proporcja między liczbą przypadków absorpcji rezonansowej, a liczbą
przypadków emisji wymuszonej zmienia się na korzyść tej ostatniej. Pewna, niewielka

część

powstających fotonów biegnie w kierunku osi lasera (czyli na rys. 5 − poziomo).

Światło to natrafia na półprzepuszczalne lustra, i jego część zostaje odbita z powrotem do
wnętrza lasera. To odbite światło powoduje dalszą wymuszoną emisję. Tworzy się

rezonator optyczny

. Ilustruje to rysunek 5b. Dzięki obecności luster, jeden kierunek jest

wyraźnie uprzywilejowany. O ile nawet promieniowanie biegnące w innych kierunkach także
powoduje wymuszoną emisję, to powstałe w ten sposób światło nie może opuścić lasera. Tylko
promieniowanie biegnące wzdłuż osi ma szanse opuścić laser, a część odbita z powrotem,
dzięki obecności luster, powoduje dalsze zwiększenie ilości fotonów biegnących wzdłuż osi.

Zjawisko laserowe

Jeden kierunek jest wyraźnie uprzywilejowany i ze wzrostem prądu coraz więcej kwantów
światła porusza się w osi lasera, między lustrami. Tylko kwanty mające odpowiedni
kierunek ruchu (dokładnie wzdłuż osi lasera), częstotliwość i fazę są
uprzywilejowane i biorą udział w dalszym wzmacnianiu. Pozostałe nie są
wzmacniane i ulegają wygaszeniu. W laserze powstaje swego rodzaju rezonans. W trakcie
akcji laserowej, w obszarze czynnym lasera ogromna większość występujących
kwantów energii porusza się w osi lasera między lustrami i ma jednakową
częstotliwość i fazę. Część tego promieniowania wychodzi przez lustra na zewnątrz.
Pokazano to na rysunku 5c. W odróżnieniu od diody LED, promieniowanie emitowane
laser jest spójne (koherentne), to znaczy, że poszczególne kwanty
promieniowania mają taką samą fazę.

Rezonans optyczny

Rezonans optyczny powstaje tylko wtedy gdy na długości L mieści się
całkowita ilość połówek fal. Fale których l tego nie spełnia są wygaszane.
Wyjaśnia to monochromatyczny charakter promieniowania laserowego.

W rzeczywistości długość złącza przeciętnej diody laserowej wynosi L =
0,2...0,3mm, natomiast długość fali wytwarzanego światła − od
635...1500nm. To znaczy, że w długości rezonatora zmieści się tysiące
“połówek fal”. W rzeczywistym rezonatorze mogą powstać prążki o
długościach fali światła różniących się o około 0,35nm. Natomiast
przesuwanie się prążków ze wzrostem wytwarzanej mocy optyczne
wynika po prostu ze zmiany (wzrostu) temperatury i związanych z tym
zmian odległości orbit.

Diody laserowe – charakterystyka

skuteczności

Dioda laserowa pracuje jako laser
wtedy, gdy ilość światła
wytworzonego w procesie emisji
wymuszonej jest większa od sumy
wymienionych wcześniej strat.
Następuje to po przekroczeniu
pewnej granicznej wartości prądu.

Diody laserowe – widmo promieniowania

In

te

n

sy

w

n

o

ść

p

ro

m

ie

n

io

w

a

n

ia

Diody laserowe – widmo promieniowania

Diody laserowe – budowa

 
 
 

 

Mała struktura diody o wymiarach, jest umieszczona na
stosunkowo dużym radiatorze. Typowa dioda laserowa
promieniuje w dwóch przeciwnych kierunkach. Tylny, słaby
strumień pada na wbudowaną fotodiodę. Dlatego dostępne
w handlu diody laserowe LD mają zazwyczaj trzy (rzadko
cztery) wyprowadzenia.

Diody laserowe – wykorzystanie fotodiody

 
 
 

Fotodioda jest wykorzystywana do utrzymywania mocy
promieniowania lasera na wyznaczonym poziomie.
Wystarczy

umieścić

taką

fotodiodę

w

obwodzie

sprzężenia zwrotnego aby uzyskać układ utrzymujący
stałą optyczną moc wyjściową. Dwa przykłady takich
układów sterujących są podane na rysunku poniżej.

Przestrzenna emisja promieniowania w

diodach laserowych

Sama dioda laserowa nie wytwarza wąskiej, równoległej wiązki
światła, tak jak inne lasery. Wytwarza wiązkę podobną do stożka,
z tym, że przekrojem wiązki nie jest koło, tylko elipsa. Kąt rozsyłu
światła w

osi równoległej

do warstwy czynnej lasera wynosi około

10º,

a

w osi prostopadłej − nawet 30º.

300 m

1

2

5



m

25

0 

m

Diody LD zawsze uzupełnione są skupiającym układem

optycznym (soczewką)

Uzyskiwana zbieżność 0.3-1 mrad

Diody laserowe – szacunkowy bilans

mocy

 
 
 

Napięcie pracy: 2V

Prąd pracy: 80 mA

Moc : 160 mW

Sprawność świetlna   10%

Moc emisji promieniowania  16 mW

Moc strat cieplnych  144 mW

Objętość warstwy generującej
promieniowanie V =
300*125*250*(10

-6

)

3

= 9.375 10

6

*

10

-18

 9.4 10

-12

m

3

Gęstość mocy:

q =P/V = 144 10

-3

/ 9.4

10

-12

m

3

= 15 10

9

W/m

3

=

15 10

6

kW/m

3

=

15

kW/cm

3

Zastosowanie diod LED i LD

Diody LD:



Sprzęt komputerowy: odczyt (zapis) płyt CD, drukarki

laserowe , czytniki kodów, myszy



Sprzęt biurowy: wskaźniki laserowe



Medycyna: skalpele laserowe, naświetlarki skóry,

aparatura diagnostyczna,



Narzędzia: poziomice, niwelatory, dalmierze, celowniki,

urządzenia znakujące



Telekomunikacja: nadajniki sygnałów



Show biznes: efekty świetlne



Poligrafia: naświetlarki



Automatyka: czujniki położenia, stanu powierzchni,

Diody LED:



Sygnalizacja, wskaźniki,



Oświetlenie ozdobne i użytkowe



Sprzęt komputerowy: myszy, drukarki,

Drukarki laserowe

Światłoczuły bęben jest naświetlany punkt po punkcie, linia po linii przez
promień lasera (diody LD). Stopień naświetlenia zależy od chwilowej
jasności diody laserowej (steruje tym fotodioda). W zależności od stopnia
naświetlenia, poszczególne punkty bębna przyciągają mniej lub więcej
tonera. Następnie toner z powierzchni bębna jest przenoszony na papier i
po podgrzaniu kolejnymi wałkami tworzy trwały obraz.

Lasery

Laser

-

jest

to

generator

promieniowania

optycznego,

wykorzystujący

zjawisko

emisji

wymuszonej. Otrzymywane promieniowanie ma
charakterystyczne

właściwości:

bardzo

małą

szerokość linii emisyjnej, jest spolaryzowane,
spójne w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej
rozbieżności. W laserach impulsowych można
uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie
narastanie impulsu.

Laser He-
Ne

Lasery – budowa i zasada działania

 

                                   

Pompowanie optyczne

Laser rubinowy

Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w
ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja
laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów,
a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.

Zasadniczymi częściami lasera są:



ośrodek czynny,



rezonator optyczny,



układ pompujący.

L do

20 cm

 3-

25

mm

694,3
nm

Warunek progowy akcji laserowej

Aby

mogła

zajść

akcja

laserowa,

wzmocnienie

promieniowania w obszarze czynnym musi

co najmniej

równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora

(rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz

emisję części

promieniowania na zewnątrz rezonatora

(np. przez

częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

Jeśli laser, którego rezonator optyczny ma długość L i jest
zakończony dwoma lustrami o współczynnikach odbicia



1

i



2

.

W trakcie jednego obiegu promieniowania w rezonatorze
natężenie światła I

o

zmienia się w sposób opisany

poniższym wzorem:

gdzie:



g - wzmocnienie optyczne ośrodka czynnego,



α - straty wewnętrzne - suma wszystkich strat

promieniowania wewnątrz rezonatora z wyjątkiem

absorpcji (jest już uwzględniona w g),

Warunek progowy:

Prowadzi do wzoru na minimalne
wzmocnienie progowe:

)

(

2

2

1

0

g

L

e

I

I













0

I

I 

2

1

min

1

ln

2

1







L

g





Rodzaje laserów – różne ośrodki

•

Lasery gazowe:

•He-Ne laser helowo-neonowy (543 nm
lub 633 nm)

•Ar laser argonowy (458 nm, 488 nm
lub 514,5 nm)

•laser azotowy (308 nm)
•laser kryptonowy (jonowy 647nm, 676
nm)

•laser na dwutlenku węgla (10.6 μm)

• Lasery na ciele stałym

•laser rubinowy (694,3 nm)
•laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645
nm)

•laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG)
(2090 nm)

•laser tytanowy na szafirze

•Lasery na cieczy

•lasery barwnikowe -
ośrodkiem czynnym są
barwniki rozpuszczone w
nieaktywnym ośrodku
przezroczystym, np.
rodamina

• Lasery
półprzewodnikowe

•złączowe (diody laserowe)
•laser na materiale
objętościowym

•laser na studniach
kwantowych

•laser na kropkach
kwantowych

Zastosowanie laserów

Poligrafia

Znakowanie produktów

Laserowe cięcie metali

Technologia wojskowa

Medycyna

Telekomunikacja

Sprzęt komputerowy

Technika świetlna

BHP urządzeń laserowych

Skupiony promień lasera, mający średnicę mniejszą niż
milimetr i niosący moc rzędu kilkudziesięciu miliwatów może
w ułamku sekundy nieodwracalnie wypalić fragment
siatkówki oka. Jest to szczególnie groźne w przypadku lasera
emitującego niewidzialne promieniowanie podczerwone.
Przy takich laserach obsługa musi mieć odpowiednie
zabezpieczenia w postaci specjalnych okularów lub maski
ochronnej. Popularne wskaźniki laserowe (laser pointer),
wykonywane zwykle w kształcie długopisu mają moc rzędu
1...5mW i zasadniczo nie są groźne dla wzroku bowiem
wiązka ma średnicę 2...3mm. Ale światło lasera można
skupić w wiązkę o średnicy znacznie poniżej 1mm, i wtedy
promieniowanie o podanej mocy może być szkodliwe, a
nawet niebezpieczne.

Dlatego w żadnym wypadku nie należy

dopuścić, by skupiony promień lasera nawet na chwilę
dostał się do oka, bo grozi to nieodwracalnym uszkodzeniem
wzroku

.

Urządzenia

laserowe

podzielono

na

kilka

klas

bezpieceństwa.

Klasy bezpieczeństwa urządzeń

laserowych

Klasa I

to urządzenia wytwarzające promieniowanie

laserowe nieszkodliwe dla zdrowie.

-  

Klasa II

to urządzenia wytwarzające promieniowanie

widzialne, które przy czasie oddziaływania do 0,25s nie
mają szkodliwego wpływu na zdrowie. W praktyce są to
urządzenia o mocy znacznie poniżej 1mW.

- 

Klasa IIIA

obejmuje urządzenia wytwarzające

promieniowanie o natężeniu do 25W/m

2

.

- 

Klasa IIIB

obejmuje urządzenia, których promieniowanie

może być groźne dla wzroku, a w szczególnych
przypadkach także dla skóry. Do tej grupy należą
urządzenia o mocy do 500mW.

- 

Klasa IV

obejmuje urządzenia, których promieniowanie

jest bardzo groźne dla wzroku i groźne dla skóry. Groźny
dla wzroku może być nawet promień odbity i rozproszony.
Takie promieniowanie może też wywołać pożar lub
wybuch.

 Każde urządzenie laserowe musi być oznakowane.