Диапазон длин волн видимого излучения

Какой свет мы видим?

Видимый свет — это энергия той части спектра электромагнитного излучения, которую мы способны воспринимать глазами, то есть видеть. Вот так все просто.

Длина волны видимого света

А теперь сложнее. Длины волн света в видимой области спектра лежат в диапазоне от 380 до 780 нм. Что это значит? Это значит, что волны эти очень короткие и высокочастотные, а «нм» — это нанометр. Один такой нанометр равен 10 -9 метрам. А если человеческим языком, то это одна миллиардная часть метра. То есть метр — это десять дециметров, сто сантиметров, тысяча миллиметров или… Внимание! Один миллиард нанометров.

Как мы видим цвета в пределах видимого спектра света

Наши глаза не только могут воспринимать эти крошечные волны, но и различать их длины в пределах спектра. Вот так мы и видим цвет — как часть видимого спектра света. Красный свет, один из трех основных цветов света, имеет длину волны примерно 650 нм. Зеленый (второй основной) — приблизительно 510 нм. И, наконец, третий — синий — 475 нм (или около того). Видимый свет от Солнца — это своеобразный коктейль, в котором эти три цвета смешаны.

Почему небо голубое, а трава зеленая?

Вообще-то это два вопроса, а не один. И поэтому мы дадим два разных, но связанных между собой ответа. Мы видим ясное небо в полдень голубым, потому что короткие волны света более эффективно рассеиваются при столкновении с молекулами газа в атмосфере, чем длинные. Так что голубизна, которую мы видим в небе — это синий свет, рассеянный и многократно отраженный молекулами атмосферы.

Но на восходе и закате небо может приобретать красноватый цвет. Да, и такое бывает, поверьте. Это происходит потому, что когда Солнце находится близко к горизонту, свету, чтобы достичь нас, приходится проделать более долгий путь через гораздо более плотный слой атмосферы (к тому же еще и довольно пыльный), чем когда Солнце находится в зените. Все короткие волны поглощаются, и нам остается довольствоваться длинными, отвечающими за красную часть спектра.

А вот с травой все слегка по-другому. Она выглядит зеленой, потому что поглощает все длины волн, кроме зеленых. Зеленые ей, видите ли, не по душе, поэтому она их отражает обратно нам в глаза. По этой же причине любой объект имеет свой цвет — мы видим ту часть спектра света, которую он не смог поглотить. Черные предметы выглядят черными, потому что поглощают все длины волн, практически ничего при этом не отражая, а белые — наоборот, отражают весь видимый спектр света. Это также объясняет, почему черное нагревается на солнце гораздо сильнее, чем белое.

Небо голубое, трава зеленая, собака — друг человека

А что там — за видимой областью спектра?

По мере того, как волны становятся короче, цвет меняется от красного к синему, доходит до фиолетового и, наконец, видимый свет исчезает. Но сам свет не исчез — а перешел в область спектра, которая называется ультрафиолетом. Хоть эту часть спектра света мы уже не воспринимаем, но именно она заставляет светиться люминесцентные лампы, некоторые виды светодиодов, а также всякие прикольные светящиеся в темноте штучки. Дальше уже идут рентгеновское и гамма-излучение, с которыми лучше дел не иметь вообще.

С другого конца области спектра видимого света, там где заканчивается красный цвет, начинается инфракрасное излучение, которое скорее тепло, чем свет. Вполне может вас поджарить. Затем идет микроволновое излучение (очень опасное для яиц), а еще дальше — то, что мы привыкли называть радиоволнами. У них длины уже измеряются сантиметрами, метрами и даже километрами.

И как это все относится к освещению?

Очень относится! С тех пор как мы узнали многое про спектр видимого света и про то, как мы его воспринимаем, производители светового оборудования постоянно работают над улучшением качества источников света для удовлетворения наших ежесекундно растущих потребностей. Так появились лампы «полного спектра», свет которых почти неотличим от естественного. Цвет света стали измерять по шкале Кельвина, чтобы иметь реальные цифры для сравнения и маркетинговых трюков. Стали выпускаться специальные лампы для различных нужд: например, лампы для выращивания комнатных растений, дающие больше ультрафиолета и света из красной области спектра для лучшего роста и цветения, или «тепловые лампы» различных видов, которые обосновались в бытовых обогревателях, тостерах, и гриле в «Шаурме от Ашота».

Узнайте определение и характеристику видимого света: длина волны, диапазон электромагнитного излучения, частота, диаграмма спектров цвета, восприятие цвета.

Видимый свет

Видимый свет – часть электромагнитного спектра, доступная человеческому глазу. Электромагнитное излучение этого диапазона просто именуют светом. Глаза реагируют на длины волн видимого света 390-750 нм. По частоте это соответствует полосе в 400-790 ТГц. Адаптированный глаз обычно достигает максимальной чувствительности в 555 нм (540 ТГц) при зеленой области оптического спектра. Но сам спектр не вмещает все цвета, улавливаемые глазами и мозгом. Например, такие красочные, как розовый и пурпурный, создаются при сочетании нескольких длин волн.

Перед вами главные категории электромагнитных волн. Разделительные линии в некоторых местах отличается, а другие категории могут перекрываться. Микроволны занимают высокочастотный участок радиосекции электромагнитного спектра

Видимый свет формирует вибрации и вращения атомов и молекул, а также электронные транспортировки внутри них. Этими транспортировками пользуются приемники и детекторы.

Небольшая часть электромагнитного спектра вместе с видимым светом. Разделение между инфракрасным, видимым и ультрафиолетовым не выступает на 100% отличительным

На верхнем рисунке отображена часть спектра с цветами, которые отвечают за конкретные чистые длины волн. Красный – наиболее низкие частоты и самые длинные волны, а фиолетовый – наибольшие частоты и кратчайшие длины волн. Излучение солнечного черного тела достигает максимума в видимой части спектра, но наиболее интенсивно в красном, чем в фиолетовом, поэтому звезда кажется нам желтой.

Цвета, добытые светом узкой полосы длин волн, именуют чистыми спектральными. Не забывайте, что у каждого много оттенков, потому что спектр непрерывный. Любые снимки, предоставляющие данные с длин волн, отличаются от тех, что присутствуют в видимой части спектра.

Видимый свет и земная атмосфера

Видимый свет пробивается сквозь оптическое окно. Это «место» в электромагнитном спектре, пропускающее волны без сопротивления. В качестве примера можно вспомнить, что воздушный слой рассеивает голубой лучше красного, поэтому небеса кажутся нам синими.

Оптическое окно также именуют видимым, потому что оно перекрывает спектр, доступный человеку. Это не случайно. Наши предки развили видение, способное использовать огромное многообразие длин волн.

Благодаря наличию оптического окна мы можем наслаждаться относительно мягкими температурными условиями. Функция солнечной яркости достигает максимума в видимом диапазоне, который перемещается, не завися от оптического окна. Именно поэтому поверхность нагревается.

Фотосинтез

Эволюция сказалась не только на людях и животных, но и на растениях, которые приучились правильно реагировать на части электромагнитного спектра. Так, растительность трансформирует световую энергию в химическую. Фотосинтез использует газ и воду, создавая кислород. Это важный процесс для всей аэробной жизни на планете.

Эту часть спектра именуют фотосинтетически активной областью (400-700 нм), перекрывающейся с диапазоном человеческого зрения.

Электромагнитный спектр условно делится на диапазоны. В результате их рассмотрения необходимо знать следующее.

• Название диапазонов электромагнитных волн.
• Порядок их следования.
• Границы диапазонов в длинах волн или частотах.
• Чем обусловлено поглощение или излучение волн того или иного диапазона.
• Использование каждого типа электромагнитных волн.
• Источники излучения различных электромагнитных волн (естественные и искусственные).
• Опасность каждого вида волн.
• Примеры объектов, имеющих размеры, сравнимые с длиной волны соответствующего диапазона.
• Понятие об излучении абсолютно черного тела.
• Солнечное излучение и окна прозрачности атмосферы.

Диапазоны электромагнитных волн

На рисунке – солнечное излучение при входе в атмосферу (желтый цвет) и на поверхности Земли (красный цвет). Для сравнения приведена кривая излучения абсолютно черного тела с температурой, которая максимально приближает кривую к спектру излучения солнца. Видно, что на некоторых длинах волн излучение не дотигает поверхности Земли, а поглощается атмосферными молекулярными газами.

Большинство лазеров, к примеру, ND:YAG, многие волоконные и большинство мощных диодных лазеров, излучают в ближнем ИК диапазоне. Относительно небольшое число лазеров излучает в средней и длинноволновой части ИК диапазона. Например, CO₂ лазер излучает в районе 10,6 мкм и 9,6 мкм и на некоторых других длинах волн в этой области. Лазеры на свободных электронах позволяют получить очень мощное, перестраиваемое в широких пределах, инфракрасное излучение. ИК излучение может быть также получено за счет преобразования частоты в нелинейных кристаллах.

Инфракрасные волны используются в телекоммуникациях (0,75 – 1,8 мкм), для обработки материалов (резка, “сверление” и т.д.) (1 – 10 мкм), термографии (0,9 – 14 мкм), для дистанционного управления бытовой техникой (телевизоры, видео магнитофоны), в физиотерапии для прогрева травмированных участков тела, для связи на коротких дистанциях, в приборах ночного видения, в чувствительных к теплу детекторах боеголовок снарядов и ракет (3 – 5 мкм), в охранных системах домов, устройствах ночного видения, спектроскопии.

Видимый диапазон

Один из наиболее важных для человека диапазонов, связанных с возможностью видеть окружающий мир. Он занимает сравнительно небольшой участок электромагнитного спектра 380 – 730 нм.

Они

• Легко проходят атмосферу.
• Единственные эдектромагнитные волны, которые могут быть обнаружены человеческим глазом.
• Поглощаются за счет возбуждения электронов в молекулах и атомах, межзонных переходов в полупроводниках.
• Естественные источники: солнце, молнии. Искусственные: лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды, лазеры на красителях, газовые ионные, твердотельные и полупроводниковые лазеры.
• Имеют неизмеримое количество приложений.

Волны с разной длиной имеют свой цвет. Цветовая гамма состоит из бесконечного количества цветовых оттенков, но принято именовать 7 основных цветов. Красный (625—740), оранжевый (590—625), желтый (565—590), зеленый (500—565), голубой (485—500), синий (440—485), фиолетовый (380—440).

Среди лазеров и источников с их применением, излучающих в видимом диапазоне, можно назвать следующие: первый запущенный лазер, — рубиновый, с длиной волны 694,3 нм, диодные лазеры, к примеру на основе GaInP и AlGaInP для красного диапазона, и на основе GaN для синего диапазона, титан-сапфировый лазер, He-Ne лазер, лазеры на ионах аргона и криптона, лазер на парах меди, лазеры на красителях, лазеры с удвоением или суммированием частоты в нелинейных средах, рамановские лаэеры. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).

Долгое время существовала проблема в создании компактных лазеров в сине-зеленой части спектра. Имелись газовые лазеры, такие как аргоновый ионный лазер (с 1964 года), у которого две основные линии генерации лежат в синей и зеленой части спектра (488 и 514 нм) или гелий кадмиевый лазер. Однако для многих приложений они не годились из-за своей громоздкости и ограниченного количества линий генерации. Создать полупроводниковые лазеры с широкой запрещенной зоной не удавалось из-за огромных технологических трудностей. Однако в конечном итоге были разработаны эффективные методы удвоения и утроения частоты твердотельных лазеров ИК и оптического диапазона в нелинейных кристаллах, полупроводниковые лазеры на основе двойных соединений GaN и лазеров с повышением частоты накачки (upconversion lasers).

Источники света в сине зеленой области позволяют увеличить плотность записи на CD-ROM, качество репрографии, необходимы для создания полноцветных проекторов, для осуществления связи с подводными лодками, для снятия рельефа морского дна, для лазерного охлаждения отдельных атомов и ионов, для контроля за осаждением из газа (vapor deposition), в проточной цитометрии. (взято из “Compact blue-green lasers” by W. P. Risk et al).

Ультрафиолетовый диапазон

Считается, что ультрафиолетовый диапазон занимает область от 10 до 380 нм. Хотя границы его четко не определены, особенно в коротковолновой области. Он делится на поддиапазоны и это деление также не является однозначным, так как в разных источниках привязано к различным физическим и биологическим процессам.

Так на сайте "Health Physics Society" ультрафиолетовый диапазон определен в границах 40 — 400 нм и делится на пять поддиапазонов: вакуумный УФ (40-190 нм), дальний УФ (190-220 нм), UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), и UVA (320-400 нм) (черный свет). В англоязычной версии статьи об ультрафиолете в Википедии "Ultraviolet" под ультрафиолетовое излучение выделяется диапазон 40 — 400 нм, однако в таблице в тексте представляется его деление на кучу перекрывающихся поддиапазонов, начиная с 10 нм. В русскоязычной версии Википедии "Ультрафиолетовое излучение" с самого начала границы УФ диапазона устанавливаются в пределах 10 — 400нм. Кроме того в Википедии для диапазонов UVC, UVB и UVA указаны области 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение несмотря на свое благотворное влияние в небольших количествах на биологические объекты является одновременно самым опасным из всех других естественных широкораспространенных излучений других диапазонов.

Основным естественным источником УФ излучения является Солнце. Однако не все излучение достигает Земли, так как поглощается озоновым слоем стратосферы и в области короче 200 нм очень сильно атмосферным кислородом.

UVC практически полностью поглощается атмосферой и не достигает земной поверхности. Этот диапазон используется бактерицидными лампами. Чрезмерная экспозиция приводит к повреждению роговицы и снежной слепоте, а также к тяжелым ожогам лица.

UVB наиболее разрушительная часть УФ излучения, так как она имеет достаточно энергии для повреждения ДНК. Она не полностью поглощается атмосферой (проходит около 2%). Это излучение необходимо для выработки (синтеза) витамина D, однако вредное влияние могут повлечь ожоги, катаракту и рак кожи. Эта часть излучения поглощается озоном атмосферы, снижение концентрации которого вызывает беспокойство.

UVA практически полностью достигает Земли (99%). Оно ответственно за загар, но чрезмерность приводит к ожогам. Как и UVB оно необходимо для синтеза витамина D. Облучение сверх меры приводит к подавлению иммунной системы, жесткости кожи и образованию катаракты. Излучение в этом диапазоне называют еще черным светом. Насекомые и птицы способны видеть этот свет.

На рисунке ниже для примера показана зависимость концентрации озона по высоте на северных широтах (желтая кривая) и уровень блокирования озоном солнечного ультрафиолета. UVC полностью поглощается до высот в 35 км. В то же время UVA почти полностью достигает поверхности Земли, однако это излучение практически не представляет какой-либо опасности. Озон задерживает большую часть UVB, однако некоторая его часть достигает Земли. В случае истощения озонового слоя большая часть будет облучать поверхность и приводить к генетическому повреждению живых существ.

Краткий список использования электромагнитных волн УФ диапазона.

• Фотолитография высокого качеста для изготовления электронных устройств таких, как микропроцессоры и микросхем памяти.
• При изготовлении оптоволоконных элементов, в частности брэгговских решеток.
• Обеззараживание от микробов продуктов, воды, воздуха, предметов (UVC).
• Черный свет (UVA) в криминалистике, в экспертизе произведений искусства, в установлении подлинности банкнот (явление флуоресценции).
• Искусственный загар.
• Лазерная гравировка.
• Дерматология.
• Стоматология (фотополимеризация пломб).

Рукотворными источниками ультрафиолетового излучения являются:

Немонохроматические: Ртутные газоразрядные лампы различных давлений и конструкций.

Монохроматические:

1. Лазерные диоды, в основном на базе GaN, (небольшой мощности), генерирующие в ближнем ультрафиолетовом диапазоне;
2. Эксимерные лазеры являются очень мощными источниками ультрафиолетового излучения. Они излучают наносекундные (пикосекундные и микросекундные) импульсы со средней мощностью от нескольких ватт до сотен ватт. Типичные длины волн лежат между 157 нм (F2) до 351 нм (XeF);
3. Некоторые твердотельные лазеры, легированные церием, такие как Ce3+:LiCAF или Ce3+:LiLuF4, которые работают в импульсном режиме с наносекундными импульсами;
4. Некоторые оптоволоконные лазеры, к примеру, легированные неодимом;
5. Некоторые лазеры на красителях способны излучать ультрафиолет;
6. Ионный аргоновый лазер, который, несмотря на то, что основные линии лежат в оптическом диапазоне, может генерировать непрерывное излучение с длинами волн 334 и 351 нм, но с меньшей мощностью;
7. Азотный лазер, излучающий на длине волны 337 нм. Очень простой и дешевый лазер, работает в импульсном режиме с наносекундной длительностью импульсов и с пиковой мощностью несколько мегаватт;
8. Утроенние частоты Nd:YAG лазера в нелинейных кристаллах;