6-6. Promieniowanie optyczne (nadfioletowe, widzialne i podczerwone)

Promieniowanie optyczne jest to część widma promieniowania elektromagnetycznego o długościach fal z przedziału 100 nm – 1 mm. Promieniowanie optyczne dzieli się na promieniowanie nadfioletowe (UV), widzialne (VIS) i podczerwone (IR)  (6-6. slajd 1).

6-6. slajd 1

Fizyczną, chemiczną lub biologiczną przemianę wywołaną oddziaływaniem promieniowania optycznego na materię nazywa się skutkiem promieniowania optycznego.

W przypadku nielaserowego promieniowania optycznego, którego wiązka jest niespójna, uzyskiwane gęstości mocy promieniowania maleją z kwadratem odległości od źródła promieniowania. Natomiast w przypadku promieniowania laserowego, które charakteryzuje się wysoką spójnością, uzyskiwane gęstości mocy mogą być bardzo duże nawet w znacznych odległościach od źródła, gdyż promieniowanie to niełatwo ulega rozproszeniu i może pokonywać znaczne odległości. Dlatego przypadkowy kontakt ciała człowieka z wiązką bezpośrednią lub odbitą promieniowania laserowego wiąże się z dużym zagrożeniem dla jego zdrowia. Różne cechy obu ww. rodzajów promieniowania optycznego były przyczyną opracowania dla nielaserowego promieniowania optycznego oraz dla promieniowania laserowego osobnych kryteriów oceny zagrożenia oraz przyjęcia różnych najwyższych dopuszczalnych wartości.

Rodzaje i zakresy promieniowania nielaserowego

1. Promieniowanie nadfioletowe (UV) jest to promieniowanie optyczne o długości fali (λ) mieszczącej się w zakresie 10 ÷ 400 nm. Wyróżnia się następujące zakresy nadfioletu w zależności od długości fali (λ)  (6-6. slajd 11):
   • UV-A (nadfiolet bliski) - 315 ÷ 400 nm
   • UV-B (nadfiolet średni) - 280 ÷ 315 nm
   • UV-C (nadfiolet daleki) - 100 ÷ 280 nm.

Promieniowanie UV-C emitowane przez Słońce jest niemal w całości pochłaniane przez atmosferę. Promieniowanie to jest zabójcze dla organizmów żywych takich jak bakterie i dlatego sztuczne źródła UV-C są stosowane do dezynfekcji np. w szpitalach, przemyśle spożywczym. Pozostałe dwa zakresy promieniowania UV docierają do powierzchni Ziemi. Promieniowanie nadfioletowe o długościach fali poniżej 200 nm jest często nazywane nadfioletem próżniowym. Jest ono silnie pochłaniane przez prawie wszystkie substancje (również przez cienkie warstwy powietrza).

1. Promieniowanie widzialne (VIS) to promieniowanie optyczne zdolne do bezpośredniego wywoływania wrażeń wzrokowych, z których wynika widzenie. Granice widmowego przedziału promieniowania widzialnego najczęściej przyjmuje się jako zakres promieniowania o długości fali od 380 nm do 780 nm (6.6 slajd 15).
2. Promieniowanie podczerwone (IR) to promieniowanie optyczne o długości fali (λ) wynoszącej od 780 nm do 1 mm. Promieniowanie to dzieli się na następujące zakresy w zależności od długości fali (λ)  (6-6. slajd 16):
   • IR-A (podczerwień bliska) 780 – 1 400 nm
   • IR-B (podczerwień średnia) 1 400 – 3 000 nm
   • IR-C (podczerwień daleka) 3 000 nm - 1 mm

Źródła nielaserowego promieniowania optycznego

Źródła nielaserowego promieniowania optycznego dzieli się na:

• źródła naturalne,
• źródła elektryczne,
• źródła (procesy) technologiczne.

Najważniejszym z punktu widzenia życia na Ziemi naturalnym źródłem nielaserowego promieniowania optycznego jest Słońce. Promieniowanie słoneczne przy powierzchni Ziemi przy niezachmurzonym niebie zawiera około 7% promieniowania nadfioletowego, 43% promieniowania widzialnego i 50% promieniowania podczerwonego. Wartości te zmieniają się zależnie od szerokości geograficznej, pory dnia i roku, stanu pogody itp. Do naturalnych źródeł nielaserowego promieniowania optycznego należą również nieboskłon, Księżyc, planety, gwiazdy itd. [5].

W zależności od konstrukcji, elektryczne źródła promieniowania optycznego mogą emitować promieniowanie widzialne, nadfioletowe oraz podczerwone.

Promieniowanie widzialne emitują wszystkie źródła światła przewidziane do ogólnych celów oświetleniowych. Jednak niezależnie od promieniowania z zakresu widzialnego mogą one emitować w niewielkim zakresie promieniowanie cieplne (żarówki głównego szeregu, żarówki halogenowe) czy promieniowanie nadfioletowe (źródła rtęciowe – szczególnie metalohalogenkowe, żarówki halogenowe, lampy ksenonowe, wodorowe). Stosowane do niedawna do ogólnych celów oświetleniowych świetlówki oraz stosowane obecnie źródła LED nie mają tych wad (6-6. slajd 2 i rys.1).

6-6. slajd 2

Rys. 1. Stosowane do niedawna do ogólnych celów oświetleniowych świetlówki oraz stosowane obecnie źródła LED

Poza źródłami przewidzianymi do ogólnych celów oświetleniowcy dostępne są specjalistyczne promienniki emitujące promieniowanie nadfioletowe oraz podczerwone.

Promienniki emitujące promieniowanie z całego zakresu UV lub poszczególnych podzakresów: UV-A, UV-B, UV-C są w większości konstrukcjami świetlówkowymi lub lampami rtęciowymi (6-6. slajd 3, 4, 5).

6-6. slajd 3 

6-6. slajd 4

6-6. slajd 5

Promienniki UV wykonane w technologii LED najczęściej emitują promieniowanie z zakresu UV-A o długościach 365 nm, 395 nm, 405 nm (rys. 2).

Rys 2. Promienniki UV wykonane w technologii LED najczęściej emitujące promieniowanie z zakresu UV-A o długościach 365 nm, 395 nm, 405 nm

Elektryczne źródła nielaserowego promieniowania optycznego wykorzystywane są w wielu dziedzinach gospodarki | życia człowieka, do których zalicza się np.:

• przemysł elektroniczny (kasowniki pamięci EPROM), chemiczny (procesy fotopolimeryzacji), meblarski –(utwardzanie | suszenie farb | lakierów), poligraficzny (kopiowanie, wykonywanie matryc sitodrukowych, utwardzanie fotopolimerów, suszenie farb | lakierów), metalowy (defektoskopy),
• dezynfekcję (szpitale, przemysł spożywczy, farmaceutyczny, salony fryzjerskie, oczyszczalnie wody i| ścieków np.)  (6-6. slajd 4; rysunek 3),
• medycynę (np. fototerapia, leczenie łuszczycy w dermatologii, leczenie żółtaczki fizjologicznej, urządzenia terapeutyczne w rehabilitacji – (6-6. Slajd 5), analityka medyczna),
• weterynarię,
• hodowlę młodych zwierząt (rys.2)
• kosmetykę (solaria),
• urządzenia stosowane w pracach badawcze (np. spektrofotometry).

Bez względu na rodzaj zastosowanych źródeł promieniowania UV-C oprawy bakteriobójcze, można podzielić na następujące grupy:

• oprawy bakteriobójcze bezpośredniego działania - służące do bezpośredniego naświetlania promieniowaniem UVC powierzchni, powietrza czy cieczy. Podczas działania tych lamp w pomieszczeniu nie mogą przebywać ludzie i zwierzęta (rys. 3),
• przepływowe oprawy bakteriobójcze – służące głównie do dezynfekcji powietrza w pomieszczeniach a dezynfekcja odbywa się wewnątrz zamkniętej komory w oprawie; skażone powietrze zasysane jest przez wentylator do wnętrza komory dezynfekcyjnej, a następnie przepływa przez komorę z małą prędkością, bezpośrednio przy promiennikach UV-C i wydostaje się na zewnątrz oczyszczone mikrobiologicznie. Podczas działania tych lamp w pomieszczeniu mogą przebywać ludzie i zwierzęta pod warunkiem, że oprawy te są umieszczone w odległości co najmniej 1 m od ludzi a pomieszczenie jest wietrzone (rys. 3),
• oprawy bakteriobójcze dwufunkcyjne – dające możliwość zarówno bezpośredniego naświetlania jak i naświetlania przepływowego,
• zamknięte systemy dezynfekcji UV wody; źródło UV-C zamknięte jest w systemie, przez który przepływa woda.

 

Rys. 3 Lampy bakteriobójcze oraz przemysłowa oprawa UVC do montażu
na suficie lub ścianie

Promienniki podczerwieni są to źródła żarowe odpowiednio zmodyfikowane w celu zwiększenia emisji tego promieniowania oraz promienniki kwarcowe, kwarcowo-halogenowe i gazowe (6-6. Slajd 6 i rys. 4)

 

6.6. slajd 6

 

   

   

Rys. 4. Przykłady promienników podczerwieni

Nielaserowe promieniowanie optyczne stanowi także produkt uboczny działalności zawodowej człowieka. Są to różnego rodzaju procesy (źródła) technologiczne, do których zalicza się m.in. spawanie łukowe (6-6. slajd 7) i gazowe, cięcie łukiem plazmowym, cięcie tlenowe, natryskiwanie cieplne, elektrodrążenie, zgrzewanie oraz wszelkiego rodzaju procesy hutnicze (wytop stali, żeliwa, metali nieżelaznych – (6-6. slajd 8), szkła).

6-6. slajd 7

6-6. slajd 8

Źródła promieniowania laserowego

Jedynymi źródłami promieniowania laserowego są lasery (urządzenia laserowe), które wytwarzają lub wzmacniają spójną wiązkę promieniowania optycznego w procesie kontrolowanej emisji wymuszonej. Promieniowanie laserowe charakteryzuje się monochromatycznością, wysoką spójnością (czasową i przestrzenną), kierunkowością rozchodzenia się wiązki oraz możliwością uzyskiwania bardzo dużych gęstości mocy promieniowania. Lasery znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle (cięcie, spawanie, obróbka powierzchni, drążenie małych otworów, litografia, znakowanie, korekcja pamięci RAM itp.) telekomunikacji, medycynie (chirurgia ogólna, okulistyka, dermatologia, laryngologia, biostymulacja, stomatologia, ginekologia, urologia itp.), nauce  (6-6. slajd 9), lokacji i nawigacji, metrologii interferencyjnej, holografii, w różnego rodzaju sprzęcie biurowym oraz codziennego użytku jak drukarki laserowe, nagrywarki i odtwarzacze CD i przy wytwarzaniu efektów specjalnych np. w różnego rodzaju widowiskach artystycznych.

6-6. slajd 9