مفاهیم نور
مفاهیم نور
نـــــــور
امواج الكترومغناطيسي
طبيعت نور
- از نظر نيوتن نور از اجزاي كوچكي بنام فوتون تشكيل شده است.
- نظريه ديگر اينست كه نور موج است و خواص موجي دارد.
- از نظر فيزيك مدرن ، فيزيك كوانتوم، نور هم مي تواند ذره (Particle) باشد و هم موج.
- هيچ تضادي بين استفاده از يك تعريف و يا تعريف ديگر در تشريح يك پديده وجود ندارد.
- براي فهم خطر تشعشعات بايد به هر دو وجهي كه براي نور قائليم توجه كنيم.
شدت (Intensity) :
در سوختگي پوست با نور خورشيد و يا آسيب اشعه ليزر بر چشم انسان، مقدار كل انرژي نسبت به سطح تعيين كننده است.
طول موج (Wave length) :
طول موج به انرژي اجزاي نوري بستگي دارد. هرچه طول موج بيشتر باشد انرژي آن كمتر است و بالعكس . به همين خاطراست كه اشعه ماوراء بنفش براي پوست انسان (بدليل انرژي زياد) خطرناك است.
خصوصيات موجي نور :
طول موج: به l نشان مي دهيم.
فركانس : به f نشان مي دهيم.
C : سرعت حركت نور در خلاء (109m/s × 3)
رابطه بين طول موج و فركانس با سرعت موج :
C=l×f
رابطه بين طول موج و فركانس در خلأ با تقريب خوبي براي هوا نيز صادق است، ولي در محيطهاي ديگر تغيير خواهد كرد.
- نور از امواج الكتريكي و مغناطيسي كه در يك وضعيت عمودي نسبت به هم قرار دارند تشكيل
شده است.
- نور در حالت عادي جهت نوسان (Oscillation) خاصي ندارد.
- اگر جهت نوسان (Oscillation) تنها به يك جهت خاص توسط فيلتر محدود شود، مي گوييم نور پلاريزه(قطبي) شده است.
- نور پلاريزه براي سنسورهاي رفلكتوري (Retro- Reflective) استفاده دارد.
محدوده طول موج
شكل1-طول موج
- امواج الكترو مغناطيس بنابر طول موجشان در محدوده وسيعي قرار مي گيرند.
- اين محدوده شامل امواج راديويي ، نور مرئي ، اشعه X و ... مي شود.
- براي فتوسلها امواج الكترومغناطيس در محدوده طول موج nm 10تا mm 1قابل تشخيص‌اند.
(در اين محدوده مابين اشعه ماوراءبنفش ، نور مرئي براي چشم انسان و اشعه مادون قرمز تمايز قائل مي شوند).
- طول موج IR (مادون قرمز ، Infra red ) براي استفاده در اكثر واحدهاي فتوسل به عنوان منبع نور nm 880مي باشد.
- طول موج IR براي استفاده هاي خاص nm 950يا nm 660
- طول موج نور قرمز تابيده شده از ديود ليزري nm 657
شكل 2 – طيف تابشي الكترومغناطيس
جدول طول موجها
خواص نور مادون قرمز جهت استفاده در سنسورهاي فتوالكتريك:
- ترانزيستور و يا ديود گيرنده مورد استفاده در اينگونه سنسورها بيشترين حساسيت را نسبت به امواج در محدوده مادون قرمز دارند.
- ديودهاي فرستنده براي نور مادون قرمز داراي بازدهي بيشتري هستند . يعني با مقدار ثابت جريان عبوري تشعشعات بيشتري را ساطع مي كنند.
- گرد و خاك تاثير چنداني بر تشعشعات UV و IR ندارند.
- تاثير نور مرئي بر روي تشعشعات IR ناچيز است.
- عيب نور مادون قرمز جهت كاربرد مذكور اينست كه نقطه نوراني قابل رويت نيست، درنتيجه نصب وتنظيم سخت تر است.
پديده پراش يا انحراف:
- نسبت بين طول موج و اندازه جسم در رويت آن توسط گيرنده بسيار مهم است.
- وقتي پرتوهاي موازي نور با جسم برخورد مي كنند سايه توليد مي كنند :
- اگر گيرنده پشت جسم باشد هيچ نوري به آن نمي رسد.
شكل3-تشكيل سايه
- اگر گيرنده نسبت به جسم خيلي بزرگتر باشد، بخشي از نور به گيرنده مي رسد.
- ولي اگر تعداد زيادي اشياء كوچك جلوي گيرنده باشند، باعث مي شوند كه هيچ نوري به گيرنده نرسد. عملكرد خطاي سنسورهاي نوري بر اثر گرد و خاك يكي از اشكالات معمول آنهاست.
- اگر جسم هم اندازه طول موج نور باشد، پديده پراش ( يا انحراف پرتوهاي نور) رخ مي دهد و نور مي تواند به اطراف جسم راه يابد. و اين بدين معني است كه گيرنده مقداري نور دريافت
مي كند.
شكل4-پديده پراش
دلايل استفاده از ديودهاي نور قرمز در سنسورهاي نوري :
- فيلترهاي پلاريزاسيون براي نور قرمز بهتر و ارزانترند.
- براي نور قرمز تضعيف در فيبرهاي نوري كمتر است.
- نقطه نوراني مرئي است، در نتيجه نصب و تنظيم راحتتر است.
ماهيت نور
ماهيت ذره اي نور
مدل اتمي بور:
مطابق مدل بور الكترونها تنها مي توانند در فواصل مشخصي از هسته در حركت باشند كه اين فواصل مسيرهاي خاصي را در اطراف هسته مسخص مي كنند كه هريك از اين مسيرها داراي سطح انرژي مشخص است.
شكل5- مدل اتمي بور
مدل كوانتمي
بر طبق اين نظريه :
- اتم و يا مولكول نمي تواند هر مقدار از انرژي را آزادكند و تنها مي تواند بخشهاي معيني را
آزاد كند. اين بخشها كوانتوم خوانده مي شوند.
- مطابق اين مدل نور تنها موج نيست بلكه ذره نيز مي تواند باشد.
- انرژي تنها مي تواند در مقادير مشخصي جذب شود. دقيقتر اينكه، نور به صورت كوانتوم(بخش معيني) انرژي توسط لايه الكتروني جذب مي شود.
برانگيختگي
- هرگاه الكترون به مقدار كافي انرژي دريافت كند، از يك لايه به لايه بالاتر خواهد رفت، در اين حالت مي گوئيم برانگيخته شده است.
- لايه هاي اتمي هرچه به هسته نزديكتر باشند از سطح انرژي پايينتر برخوردارند و بالعكس.
شكل6-برانگيختگي
تابش
- الكترون برانگيخته شده پايدار نيست و دير يا زود به لايه اصلي خود سقوط خواهد كرد و مقداري انرژي به شكل تابش آزاد مي كند. زمان اين تابش قابل پيش بيني نيست.
شكل7- تابش
- وقتي اتمهاي زيادي برانگيخته شوند همگي در يك زمان تابش نخواهند كرد و امواج نوراني آهنگ يكساني نخواهند داشت. در اين حالت مي گوييم ناپيوسته اند.
شكل8-امواج پيوسته
شكل9-امواج ناپيوسته
ويژگيهاي اشعه تابش شده:
- مسير اشعه مشخص نيست. معمولا" نور در تمام جهات پراكنده مي شود، در واقع جهت خاصي ندارد.
- تشعشع نور هركوانتوم ، داراي مقدار انرژي مشخصي است و در نتيجه طول موج مشخصي دارد و در محدوده نور مرئي رنگ آن نيز مشخص است.
طيف تابش (Radiation spectrum) :
- در LED بين سطوح انرژي فواصل معيني وجود دارد. به همين دليل نور آن تك رنگ است.
- مادامي كه تابش تعداد زيادي از الكترونها همزمان نيست. امواج نوراني آهنگ يكساني ندارند و ناپيوسته اند.
- در ديگر مواد، مانند فلز سيم پيچ لامپ، بين دو سطح انرژي ، سطوح مختلفي ار انرژي وجود دارد كه سبب مي شود نور تك رنگ نباشد.
- تابش درمحدودة بعضي طول موجها (مثلا" در محدوده نور مرئي : رنگها) بيشتر و در برخي كمتر است.
- محدوده طول موجي كه LED در آن تابش مي كند بسيار كوچك است و به همين دليل است كه تك رنگ است.
شكل10-طيف تابش نور خورشيد
شكل11-طيف تابش LED
(محور X طول موج را نشان مي دهد و محور Y مقدار انرژي را به صورت نرماليزه شده نشان مي دهد)
5و6 ¬ نور IR تابش شده از LED هاي GaAl As P5, GaAsP4
4 ¬ محدوده قرمز نور رنگي تابش شده از LED ازجنسGaAs
طول موج نور تابشي از ديود ليزر مقدار ثابت nm 675 است، بدين دليل نور آن كاملا" تك رنگ است.
