Lưu lượng Sáng: Hướng dẫn toàn diện
Lưu lượng bức xạ là thuật ngữ mô tả lượng năng lượng bức xạ được phát ra, phản xạ, truyền qua hoặc nhận bởi một vật thể trong đơn vị thời gian. Năng lượng bức xạ là năng lượng mang theo bởi các sóng điện từ, chẳng hạn như ánh sáng, sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, tử ngoại và tia X. Lưu lượng bức xạ còn được gọi là công suất bức xạ hoặc công suất quang (trong trường hợp của ánh sáng).
Lưu lượng bức xạ là một khái niệm quan trọng trong đo lường bức xạ, đó là khoa học về việc đo lường và phân tích bức xạ điện từ. Lưu lượng bức xạ có thể được sử dụng để đặc trưng hiệu suất của nguồn sáng, bộ dò, thành phần quang học và hệ thống. Nó cũng có thể được sử dụng để tính toán các đại lượng đo lường bức xạ khác, chẳng hạn như cường độ bức xạ, độ sáng, mật độ bức xạ, lưu lượng bức xạ ra và bức xạ.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích lưu lượng bức xạ là gì, cách đo lường và tính toán, mối quan hệ với các đại lượng đo lường và quang học khác, và những ứng dụng và ví dụ cụ thể.
Lưu lượng bức xạ là gì?
Lưu lượng bức xạ được định nghĩa là tốc độ thay đổi của năng lượng bức xạ theo thời gian. Toán học, nó có thể được biểu diễn như sau:
Trong đó:
Φe là lưu lượng bức xạ tính bằng watt (W)
Qe là năng lượng bức xạ tính bằng joule (J)
t là thời gian tính bằng giây (s)
Năng lượng bức xạ là tổng số năng lượng được chuyển bởi các sóng điện từ qua một bề mặt hoặc trong một thể tích. Nó có thể được phát ra bởi một nguồn (chẳng hạn như bóng đèn), phản xạ bởi một bề mặt (chẳng hạn như gương), truyền qua một môi trường (chẳng hạn như không khí hoặc thủy tinh), hoặc hấp thụ bởi một vật thể (chẳng hạn như tấm pin mặt trời).
Lưu lượng bức xạ có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào hướng chuyển năng lượng. Ví dụ, nếu một nguồn sáng phát ra 10 W lưu lượng bức xạ, điều đó có nghĩa là nó mất 10 J năng lượng mỗi giây. Ngược lại, nếu một bộ dò nhận 10 W lưu lượng bức xạ, điều đó có nghĩa là nó nhận 10 J năng lượng mỗi giây.
Lưu lượng bức xạ phụ thuộc vào bước sóng hoặc tần số của bức xạ điện từ. Các bước sóng khác nhau có năng lượng khác nhau và tương tác khác nhau với vật chất. Chẳng hạn, ánh sáng nhìn thấy có năng lượng cao hơn bức xạ hồng ngoại và có thể nhìn thấy bằng mắt người. Bức xạ tử ngoại có năng lượng thậm chí cao hơn ánh sáng nhìn thấy và có thể gây cháy nắng và ung thư da.
Lưu lượng bức xạ trên đơn vị bước sóng hoặc tần số được gọi là lưu lượng phổ hoặc công suất phổ. Nó có thể được ký hiệu là Φe(λ) cho bước sóng hoặc Φe(ν) cho tần số. Tổng lưu lượng bức xạ trên một phạm vi bước sóng hoặc tần số có thể được tính bằng cách tích phân lưu lượng phổ:
Trong đó:
λ là bước sóng tính bằng mét (m)
ν là tần số tính bằng hertz (Hz)
λ1 và λ2 là giới hạn dưới và trên của phạm vi bước sóng
ν1 và ν2 là giới hạn dưới và trên của phạm vi tần số
Lưu lượng bức xạ được đo như thế nào?
Lưu lượng bức xạ có thể được đo bằng nhiều loại thiết bị gọi là bức xạ kế. Một bức xạ kế bao gồm một bộ dò chuyển bức xạ điện từ thành tín hiệu điện và một thiết bị hiển thị hoặc ghi lại tín hiệu.
Bộ dò có thể dựa trên các nguyên lý khác nhau, chẳng hạn như hiệu ứng nhiệt (ví dụ: nhiệt điện), hiệu ứng quang điện (ví dụ: điốt quang), hoặc hiệu ứng lượng tử (ví dụ: ống phóng đại quang). Bộ dò cũng có thể có các đặc tính khác nhau, chẳng hạn như độ nhạy, đáp ứng, tuyến tính, dải động, mức nhiễu, đáp ứng phổ, đáp ứng góc, và hiệu chuẩn.
Thiết bị hiển thị có thể là analog hoặc số và có thể hiển thị các đơn vị đo khác nhau, chẳng hạn như watt, volt, ampe, hoặc đếm. Thiết bị hiển thị cũng có thể có các tính năng khác nhau, chẳng hạn như độ phân giải màn hình, độ chính xác, độ chính xác, độ ổn định, tốc độ lấy mẫu, và lưu trữ dữ liệu.
Một số ví dụ về bức xạ kế là:
Pyranometer: đo bức xạ toàn cầu (lưu lượng bức xạ trên đơn vị diện tích từ mặt trời và bầu trời) trên một bề mặt nằm ngang
Pyrheliometer: đo bức xạ trực tiếp (lưu lượng bức xạ trên đơn vị diện tích chỉ từ mặt trời) trên một bề mặt vuông góc với mặt trời
Pyrgeometer: đo bức xạ dài sóng (lưu lượng bức xạ trên đơn vị diện tích từ bức xạ hồng ngoại) trên một bề mặt nằm ngang
Bức xạ kế: đo lưu lượng bức xạ từ bất kỳ nguồn hoặc hướng nào
Spectroradiometer: đo lưu lượng phổ (lưu lượng bức xạ trên đơn vị bước sóng hoặc tần số) từ bất kỳ nguồn hoặc hướng nào
Photometer: đo lưu lượng quang (lưu lượng bức xạ được cân nhắc theo độ nhạy của mắt người) từ bất kỳ nguồn hoặc hướng nào.
Lưu lượng bức xạ được tính như thế nào?
Lưu lượng bức xạ có thể được tính bằng nhiều công thức và mô hình khác nhau tùy thuộc vào loại và hình học của nguồn, môi trường, và bộ nhận. Một số công thức và mô hình phổ biến là:
Định luật Planck: tính lưu lượng phổ của một vật đen (một đối tượng lý tưởng hấp thụ và phát ra tất cả các bước sóng bức xạ) ở một nhiệt độ nhất định
Định luật Stefan-Boltzmann: tính tổng lưu lượng bức xạ của một vật đen ở một nhiệt độ nhất định
Định luật Cosin Lambert: tính cường độ bức xạ (lưu lượng bức xạ trên đơn vị góc rắn) của một nguồn Lambert (một đối tượng lý tưởng phát ra hoặc phản xạ bức xạ đều đặn theo mọi hướng) ở một góc nhất định
Định luật nghịch đảo bình phương: tính mật độ bức xạ (lưu lượng bức xạ trên đơn vị diện tích) của một nguồn điểm (một đối tượng lý tưởng phát ra bức xạ từ một điểm duy nhất) ở một khoảng cách nhất định
Định luật Beer-Lambert: tính sự suy giảm (giảm) lưu lượng bức xạ khi nó đi qua một môi trường hấp thụ
Phương trình Fresnel: tính sự phản xạ và truyền qua của lưu lượng bức xạ khi nó gặp gỡ một giao diện giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau
Định luật Snell: tính sự chiết suất (điều chỉnh) của lưu lượng bức xạ khi nó đi từ một môi trường sang môi trường khác có chỉ số khúc xạ khác nhau
Phân tán Rayleigh: tính sự phân tán (điều chỉnh hướng) của lưu lượng bức xạ bởi các hạt nhỏ hơn bước sóng bức xạ
Phân tán Mie: tính sự phân tán của lưu lượng bức xạ bởi các hạt có kích thước so sánh hoặc lớn hơn bước sóng bức xạ
Lưu lượng bức xạ liên quan đến các đại lượng đo lường và quang học khác như thế nào?
Lưu lượng bức xạ là một trong những đại lượng đo lường cơ bản có thể được sử dụng để dẫn xuất các đại lượng đo lường và quang học khác. Một số đại lượng khác là:
Cường độ bức xạ: lưu lượng bức xạ trên đơn vị góc rắn phát ra bởi một nguồn điểm theo một hướng nhất định. Đơn vị SI là watt trên steradian (W/sr).
Độ sáng: lưu lượng bức xạ trên đơn vị góc rắn trên đơn vị diện tích chiếu của một bề mặt hoặc thể tích theo một hướng nhất định. Đơn vị SI là watt trên steradian trên mét vuông (W/sr/m2).
Mật độ bức xạ hoặc phơi nhiễm bức xạ: lưu lượng bức xạ trên đơn vị diện tích xảy ra trên một bề mặt hoặc trong một thể tích. Đơn vị SI là watt trên mét vuông (W/m2) hoặc joule trên mét vuông (J/m2).
Lưu lượng bức xạ ra hoặc bức xạ: lưu lượng bức xạ trên đơn vị diện tích phát ra bởi một bề mặt hoặc trong một thể tích. Đơn vị SI là watt trên mét vuông (W/m2).
Bức xạ: lưu lượng bức xạ ra cộng với bức xạ phản xạ của một bề mặt. Đơn vị SI là watt trên mét vuông (W/m2).
Các đại lượng quang học tương tự như các đại lượng đo lường, nhưng chúng được cân nhắc theo độ nhạy của mắt người đối với các bước sóng khác nhau của ánh sáng. Hàm cân nhắc được gọi là hàm hiệu suất quang, và nó có giá trị tối đa là 683 lm/W tại 555 nm. Một số đại lượng quang học là:
Lưu lượng quang: lưu lượng bức xạ được cân nhắc theo hàm hiệu suất quang. Đơn vị SI là lumen (lm).
Cường độ quang: lưu lượng quang trên đơn vị góc rắn phát ra bởi một nguồn điểm theo một hướng nhất định. Đơn vị SI là candela (cd).
Độ sáng: lưu lượng quang trên đơn vị góc rắn trên đơn vị diện tích chiếu của một bề mặt hoặc thể tích theo một hướng nhất định. Đơn vị SI là candela trên mét vuông (cd/m2).
Độ chiếu sáng hoặc phơi nhiễm chiếu sáng: lưu lượng quang trên đơn vị diện tích xảy ra trên một bề mặt hoặc trong một thể tích. Đơn vị SI là lux (lx) hoặc lumen giây trên mét vuông (lm·s/m2).
Lưu lượng quang ra hoặc bức xạ quang: lưu lượng quang trên đơn vị diện tích phát ra bởi một bề mặt hoặc trong một thể tích. Đơn vị SI là lux (lx).
Độ sáng: lưu lượng quang ra cộng với độ chiếu sáng phản xạ của một bề mặt. Đơn vị SI là lux (lx).
Những ứng dụng và ví dụ cụ thể của lưu lượng bức xạ là gì?
Lưu lượng bức xạ là một đại lượng hữu ích cho nhiều ứng dụng và ví dụ liên quan đến bức xạ điện từ. Một số ví dụ là:
Chiếu sáng: lưu lượng bức xạ có thể được sử dụng để đo và so sánh đầu ra và hiệu quả của các loại nguồn sáng khác nhau, chẳng hạn như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, LED, hoặc laser. Nó cũng có thể được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống chiếu sáng cho các mục đích khác nhau, chẳng hạn như chiếu sáng nội thất, ngoại thất, hoặc sân khấu.
Năng lượng mặt trời: lưu lượng bức xạ có thể được sử dụng để đo và ước tính lượng bức xạ mặt trời đạt đến bề mặt Trái đất hoặc một tấm pin mặt trời. Nó cũng có thể được sử dụng để tính toán công suất và sản lượng năng lượng của các tế bào và hệ thống mặt trời.
Quan trắc từ xa: lưu lượng bức xạ có thể được sử dụng để đo và phân tích các tính chất và đặc điểm của các đối tượng và hiện tượng từ xa, chẳng hạn như nhiệt độ, thành phần, thực vật, ô nhiễm, thời tiết, hoặc khí hậu. Nó cũng có thể được sử dụng để tạo ảnh và bản đồ của Trái đất hoặc các thiên thể khác bằng vệ tinh hoặc kính viễn vọng.
Giao tiếp quang: lưu lượng bức xạ có thể được sử dụng để đo và tối ưu hóa hiệu suất và dung lượng của các hệ thống giao tiếp quang, chẳng hạn như sợi quang, quang không dây, hoặc quang không gian tự do. Nó cũng có thể được sử dụng để mã hóa và truyền thông tin bằng các kỹ thuật điều chế khác nhau, chẳng hạn như điều chế biên độ, tần số, hoặc pha.
Công nghệ laser: lưu lượng bức xạ có thể được sử dụng để đo và kiểm soát đầu ra và chất lượng của tia laser, chẳng hạn như công suất, cường độ, phân kì, tính đồng pha, cực hóa, hoặc chế độ. Nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra và điều khiển các hiệu ứng và hiện tượng khác nhau bằng laser, chẳng hạn như cắt, hàn, khoan, khắc, in, quét, phẫu thuật, holography, hoặc spectroscopy.
