Светотехнические материалы Светотехническими материалами называются материалы предназначенные

Светотехнические материалы

Светотехническими материалами называются материалы, предназначенные для непосредственного взаимодействия со световым потоком, в результате чего создаются реальные условия и имеют место физические процессы отражения, пропускания, рассеивания, поглощения светового потока, изменения его физических характеристик или генерирования качественно новых форм излучений.

В технических системах железнодорожного транспорта используются самые разнообразные светотехнические элементы и устройства: • сигнальные, осветительные элементы различного назначения, • фильтры, линзы, отражатели, рассеиватели света, • разнообразные волоконно-оптические приборы и системы.

• Физический механизм взаимодействия потока излучения с материалом обусловлен двойственными проявлениями света (волновым и квантовым). • Волновая природа электромагнитного излучения характеризуется уравнением Максвелла, связывающим показатель преломления (п ) с диэлектрической проницаемостью εr и магнитной проницаемостью µr материала:

• Квантовая природа электромагнитного излучения описывается формулой Планка, связывающей энергетические показатели светового потока с физическими параметрами потока: где Е – энергия кванта фотона; h – постоянная Планка; v – частота излучения.

При прохождении света из одной оптической среды в другую у него меняется в одно и то же число раз как длина волны λ, так и скорость распространения. Эта числовая характеристика называется показателем преломления среды п и выражается как: где с – скорость света в вакууме; скорость света в данной среде. V –

Поскольку с = λ 0 V, то сила света будет равна: где λ – длина световой волны в данной среде; λ 0 – длина световой волны в вакууме.

Явления взаимодействия света с материалом могут протекать как в оптически однородной, так и в оптически неоднородной среде. Оптически однородной считают среду, все участки которой имеют одно и то же значение показателя преломления. Оптически неоднородной может быть либо среда, в которой значение показателя преломления неодинаково на различных участках, либо среда, представляющая комбинацию участков с различными значениями показателей преломления. Из двух сред более оптически плотной считается среда, у которой значение показателя преломления больше.

При световых явлениях, протекающих в оптически неоднородной среде, закон прямолинейного распространения света не выполняется. Явления, связанные с отклонением от этого закона, протекают на границах раздела сред, имеющих различные показатели преломления.

Воздействие среды на свет проявляется в изменении характера его распространения в пространстве, в изменении структуры светового потока, поглощении света средой. Воздействие света на материал проявляется в характере и интенсивности развития тепловых, фотохимических и фотоэлектрических процессов в нем.

Воздействие среды на световой поток • Отражение светового потока; • Рассеивание и дифракция (т. е. разложение светового потока на составляющие гармоники); • Поляризация светового потока; • Интерференция светового потока (при попадании света на поверхность тонких пленок наблюдается сложение электромагнитных колебаний, отраженных от нижней и верхней поверхностей); • Дисперсия светового потока (т. е. излучение различных длин волн, происходящее из-за различия показателей преломления световых гармоник); • Поглощение(абсорбция) светового потока;

Световой поток • Световым потоком называется мощность лучистой энергии видимого спектра электромагнитного излучения, которая оценивается по световому ощущению, производимому на зрение человека.

Основные свойства светотехнических материалов определяются по их взаимодействию со световым потоком (при его отражении, пропускании, преломлении и поглощении. )

Классификация светотехнических материалов По характеру взаимодействия со световым потоком все материалы приято делить на: • отражающие, • пропускающие, • поглощающие, • излучающие.

• По физическим параметрам светотехнические материалы делятся на: металлы (проводники), полупроводники и диэлектрики. Оптические характеристики этих материалов значительно различаются между собой. • При высоких значениях электрической проводимости имеет место оптика металлов. Если проводимость мала, то в материалах преимущественно проявляются оптические свойства, характерные для диэлектриков.

Физический процесс отражения может иметь различные формы Различают направленное и рассеяное отражение: • направленным считают отражение, при котором величины телесных углов падающего и отраженного световых потоков одинаковы, в этом случае имеет место сохранение величины телесного угла светового потока при его отражении; • рассеянным отражением, в отличие от направленного, считается такое отражение, при котором телесный угол отраженного светового потока больше телесного угла падающего светового потока, т. е. имеет место увеличение телесного угла светового потока при его отражении. • Возможны также направленно-рассеянное и диффузнорассеянное виды отражения.

Основные световые характеристики : • • • световой поток F; сила света I; яркость B; коэффициент яркости rα; коэффициент отражения ρ; коэффициент поглощения α; коэффициент пропускания τ; степень рассеивания γ; цвет

• Коэффициент отражения (ρ) определяется отношением отраженного светового потока Fomp к падающему световому потоку Fo • Коэффициент пропускания (τ) в общем случае определяется как отношение прошедшего сквозь материал светового потока Fnр к падающему потоку Fo • Коэффициент поглощения (α) определяется отношением поглощенного материалом светового потока Fnoгл к падающему Fo • Согласно закону сохранения энергии всегда соблюдается зависимость вида:

; Коэффициент отражения Коэффициент пропускания Коэффициент поглощения

• Коэффициент яркости rα определяется отношением яркости освещенного пятна на данном материале в направлении α к яркости идеальной диффузно-отражающей поверхности с р = 1. • Индикатриса коэффициентов яркости характеризует блеск (глянец) материала, т. е. относительную величину направленной составляющей отраженного света. • К дополнительным характеристикам относятся: • Цветность определяется координатами цветности на стандартном цветовом графике. • Цвет является более полной характеристикой материала, поскольку в данном случае оценивается качественно и количественно координатами цветности и яркости отраженного потока.

На железнодорожном транспорте светотехнические материалы наиболее часто применяются при создании следующих устройств: • • отражателей; пропускателей; световозвращателей; волоконно–оптических средств передачи информации.

Отражатели В качестве отражателей часто используются металлы, белые пигменты и эмали Зависимость коэффициентов отражения поверхности металлов от длительности атмосферного воздействия

Значения коэффициента отражения алюминия значительно выше, чем у других металлических покрытий (хрома, никеля, серебра, родия). Зеркальные отражатели, выполненные из чистого алюминия, в течение длительного времени сохраняют начальный уровень коэффициента отражения (равный 0, 9).

Значения спектральных коэффициентов отражения металлов снижаются в коротковолновой части спектра и возрастают в длинноволновой: в области ультрафиолета (λ = 250 нм) только алюминий и его сплавы с магнием (магналии) обладают коэффициентом отражения 0, 6– 0, 8, а серебро, золото, платина, медь, никель и другие металлы имеют коэффициенты отражения ниже 0, 4. в инфракрасной области (λ = 800– 2000 нм) многие металлы, в том числе алюминий, имеют повышенные значения коэффициента отражения.

Белые пигменты, используемые в устройствах ж. д. транспорта: • Окись цинка п=1, 95. . . 2, 05; покрываемость хорошая; • Барий сернокислый п=1, 63. . . 1, 64; покрываемость очень хорошая; • Двуокись титана п=2, 2. . . 2, 4; покрываемость очень хорошая; • Свинцовые белила п=1, 91. . . 2, 1; покрываемость очень хорошая.

Пропускатели • В качестве пропускателей в светотехнических устройствах наиболее часто применяются силикатные и органические стекла. Светотехнические характеристики стекол могут быть изменены путем нанесения на них различных пленочных материалов. • Например, для повышения коэффициента отражения наносится слой непрозрачной пленки серебра, алюминия и др. • При нанесении слоя полупрозрачных металлических пленок из серебра, хрома, никеля, серебристого цинка, трехсернистой сурьмы или алюминия обеспечивается определенное соотношение между отраженным и пропущенным световыми потоками (светоделительное покрытие).

Силикатные стекла • (представляют собой переохлажденные расплавы различных окислов, из которых основным является окись кремния Si 02. ) • В зависимости от содержания окислов стекла разделяются на: • силикатные с главным окислом Si 02, алюмосиликатные (Si 02 и А 1203), боросиликатные (Si 02 и В 203), алюмоборосиликатные (Si 02, A 1203 и В 203), алюмофосфоросиликатные (Si 02, A 1203 и Р 205) и др.

Применение стекол: • Прозрачное бесцветное силикатное стекло (отличается повышенной хрупкостью и значительной жесткостью) применяется в качестве защитных стекол, призматических преломлятелей, прессованных рассеивателей, оптических деталей зеркальных светильников и др. • Свинцовое стекло обладает оптической прозрачностью, наибольшим показателем преломления, хорошей атмосферостойкостью. • Боросиликатное стекло характеризуется высокой температурой плавления, низким коэффициентом расширения и низким показателем преломления, обладает химической, температурной и абразивной устойчивостью.

• В светотехнике применяются различные окрашенные стекла. На их основе получают оптические фильтры для видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра электромагнитного излучения. • Важную роль играют светорассеивающие стекла (глушенные и матированные), которые составляют элементы рассеивателей светильников. • Глушенные стекла часто обладают направленным пропусканием света, что составляет их принципиальное отличие от матированных стекол. • Матированные стекла обладают небольшой рассеивающей способностью, но не пропускают направленной составляющей светового потока.

Органические стекла • Органические стекла изготавливаются из полиметилметакрилата и его сополимеров. • Различают окрашенные, неокрашенные, армированные стеклотканью, термостойкие и другие стекла. • По характеристикам рассеивания света органические стекла делятся на шесть групп с коэффициентом рассеивания от 0, 02 до 0, 8.

Основными отрицательными качествами органических стекол: • способность к электризации, • возможность выделения токсичных веществ, • быстрое старение, • горючесть. Для уменьшения этих качеств применяется обработка антистатиками, введение в их состав специальных пластификаторов и наполнителей.

Световозвращающие материалы • Световозвращающие материалы – это сложные материалы, обладающие способностью отражать свет в направлении, обратном направлению падения независимо от угла падения света на материал • Световозвращающие материалы состоят из оптических элементов в виде микроскопических стеклянных шариков, равномерно распределенных в полимерной среде. Показатель преломления таких элементов значительно больше показателя преломления пленочных изделий.

Зависимость коэффициента яркости световозвращающего материала от угла падения света

Световозвращающий материал может иметь различные конструктивные решения, при которых обеспечивается плотная упаковка шариков и наличие зеркального покрытия со стороны их тыловой поверхности. Благодаря своим специфическим свойствам он производит впечатление светящегося предмета. Такие материалы нашли широкое применение в светосигнальных дорожных устройствах.

Волоконно-оптические средства передачи информации • Волоконно-оптическая связь (ВОС) возникла в результате объединения оптической связи – передачи информации в виде модулированного пучка света и волоконной оптики – распространения света внутри гибких оптических волокон.

Волоконно-оптические средства передачи информации • Волоконно-оптические линии связи по сравнению с традиционными (кабельными) имеют определенные преимущества: • большая пропускная способность; • защищенность от внешних электромагнитных воздействий; • отсутствие взаимного влияния между сигналами, передаваемыми по различным оптическим волокнам; • малые потери энергии сигнала при его распространении; • электрическая безопасность; • высокая степень защищенности от несанкционированного доступа; • экономичность; • малые габариты и масса.

Основные направления применения волоконно-оптических элементов: • ВОЛС (волоконно-оптические линии связи); • ЛВОС (локальные волоконно-оптические сети); • ВОП (волоконно-оптические преобразователи); • системы видеонаблюдения

Строение световода 1 – стрежень (сердцевина, сердечник), 2 – оболочка (1, 2 – кварцевое стекло), 3 – защитное покрытие (диэлектрик) Коэффициент отражения стержня обязательно должен быть больше, чем у оболочки.

Два основных типа световолокна: • многолучевое (многомодовое) • однолучевое (одномодовое). Световолокно различаютпо типам маршрутов световых лучей или по способам их прохождения по сердечнику волокна. Обычно волокна с сердечником многолучевого типа делятся на шаговые и ступенчатые.

Тип волокна Одномодовое Многомодовое • По сердечнику передается единичный световой луч. • Сердечник волокна однолучевого типа чрезвычайно мал по размеру: 8. . 10 мкм • Обладает более высокой пропускной способностью и мощностью. • По сердечнику передается несколько световых лучей. • Сердечник волокна многолучевого типа по размеру: 50. . 80 мкм. • Дешевле, чем одномодовые. • Более простое обслуживание.

Волокно однолучевого типа обладает более высокой пропускной способностью и мощностью по сравнению с многолучевыми. • Например, телекоммуникационный кабель может передавать до 60 000 каналов телефонной радиосвязи на одной паре волокон однолучевого типа.