4. Các nguồn sáng khả kiến
4.2 Nguồn sáng huỳnh quang
Có nhiều nguồn phát sáng khả kiến không nóng sáng dùng cho việc thắp sáng trong nhà và ngoài đường, cũng như có những ứng dụng quan trọng trong kính hiển vi quang học.
Đa số các nguồn sáng này hoạt động trên cơ sở phóng điện qua chất khí như thủy ngân, hoặc các khí trơ neon, argon và xenon. Sự phát sinh ánh sáng khả kiến trong đèn phóng điện khí dựa trên sự va chạm giữa các nguyên tử và ion trong chất khí với dòng electron truyền qua giữa một cặp điện cực đặt ở hai đầu bóng đèn.
Ống thủy tinh của đèn huỳnh quang thông thường được phủ một lớp phosphor ở mặt bên trong và ống chứa đầy hơi thủy ngân ở áp suất rất thấp (xem hình 11). Dòng điện được thiết lập giữa các điện cực đặt ở hai đầu ống, tạo ra dòng electron chạy từ điện cực này tới điện cực kia. Khi các electron trong dòng va chạm với các nguyên tử hơi thủy ngân, chúng kích thích electron trong các nguyên tử này lên trạng thái năng lượng cao.
Năng lượng này được giải phóng dưới dạng bức xạ tử ngoại khi các electron trong nguyên tử thủy ngân trở lại trạng thái cơ bản. Bức xạ tử ngoại sau đó chiếu đến lớp phosphor phủ bên trong, làm cho nó phát ra ánh sáng trắng rạng rỡ được gọi là ánh sáng huỳnh quang. Đèn huỳnh quang có hiệu suất phát ánh sáng khả kiến gấp khoảng 2 đến 4 lần, tạo ra ít hao phí nhiệt hơn, và có tuổi thọ gấp 10 đến 20 lần so với các đèn nóng sáng.
Một đặc trưng ưu việt của nguồn sáng huỳnh quang là chúng phát ra một loạt bước sóng thường tập trung trong những dải hẹp gọi là phổ vạch. Kết quả là các nguồn sáng này không tạo ra phổ chiếu sáng liên tục đặc trưng của các nguồn nóng sáng. Một ví dụ tiêu biểu cho nguồn phát ánh sáng khả kiến không nóng sáng đơn sắc là đèn hơi natri thường dùng để chiếu sáng đường phố. Những bóng đèn loại này phát ra ánh sáng màu vàng rất mạnh, với hơn 95% ánh sáng phát xạ gồm ánh sáng 589nm và hầu như không có bước sóng nào khác nữa trong vùng khả kiến. Ngoài ra, có thể chế tạo các đèn phóng điện khí phát ra phổ gần như liên tục. Kĩ thuật phổ biến nhất là phủ lên bề mặt bên trong ống lớp bột phosphor, chúng sẽ hấp thụ bức xạ do dòng khí phát ra và biến đổi nó thành
Hình 11: Đèn huỳnh quang hơi thủy ngân [7]
GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Bùi Thị Mỹ Lê 21
phổ ánh sáng khả kiến rộng, trải từ lam tới đỏ. [7]
Dưới những điều kiện bình thường, đa số cá nhân không thể nào phân biệt được sự khác biệt giữa phổ vạch và phổ liên tục của ánh sáng. Tuy nhiên, một số vật thể lại phản xạ màu sắc đặc biệt trong ánh sáng phát ra từ một nguồn không liên tục, nhất là dưới sự chiếu sáng huỳnh quang. Đây là lí do vì sao mà vải vóc, cùng một số hàng hóa dễ bắt màu khác, treo trong cửa hàng thắp sáng bằng đèn huỳnh quang lại trông có màu hơi khác chút xíu so với khi nhìn dưới ánh sáng Mặt Trời hoặc rọi sáng bằng đèn volfram phổ liên tục.
Trong kĩ thuật hiển vi dùng ánh sáng phản xạ, đặc biệt khi khảo sát các mẫu nghiệm nhạy nhiệt, thường dùng đèn huỳnh quang hơn là bóng đèn volfram, do hiệu suất cao và công suất nhiệt thấp của chúng.
Đèn huỳnh quang hiện đại có thể cấu hình cho ống thẳng hoặc đèn chiếu sáng vòng cho ánh sáng cường độ mạnh và khuếch tán dùng cho kính hiển vi. Nguồn ánh sáng trắng nhân tạo này cạnh tranh được với ánh sáng Mặt Trời (không có nhiệt đi kèm) ở nhiệt độ màu, và loại bỏ đặc tính chớp sáng của các đèn ống huỳnh quang thương mại. So với đèn volfram, volfram-halogen, hoặc đèn hồ quang, thì đèn huỳnh quang chiếu sáng kính hiển vi có thể cho khoảng thời gian hoạt động tương đối lâu (khoảng 7000 giờ). Là nguồn ánh sáng khuếch tán, đèn huỳnh quang tạo ra trường sáng đồng đều mà không có các điểm nóng khó chịu, hoặc ánh chói.
Kĩ thuật rọi sáng với đèn catôt lạnh mới hứa hẹn sẽ là một nguồn sáng chuyên dụng dùng trong kĩ thuật hiển vi quang học, nhất là cho những sự kiện có thời gian sống ngắn được làm tăng thêm bằng sự kích thích huỳnh quang, giảm nhiệt hao phí hoặc thời gian sưởi ấm trong nguồn sáng có thể làm hư mẫu vật.
Một phương pháp thích hợp để chụp ảnh các mẫu vật đang chuyển động, đặc biệt có ích trong hiển vi chụp ảnh, là sử dụng các hệ thống flash chụp ảnh điện tử. Các đơn vị flash điện tử hoạt động nhờ sự ion hóa trong ống thủy tinh chứa khí xenon được điều khiển bởi sự phóng điện của tụ điện có điện dung lớn. Xung điện thế cao, thời gian sống ngắn phát ra từ máy biến thế làm cho khí xenon ion hóa, cho phép tụ phóng điện qua chất khí lúc này đã dẫn điện. Một sự bùng phát ánh sáng rực rỡ đột ngột xuất hiện, sau khi khí xenon nhanh chóng rơi trở lại trạng thái không dẫn điện, và tụ điện nạp điện. Ống đèn flash cho độ rọi 5500K trong sự bùng lên tức thời có thể ghi nhận một lượng đáng kể chi tiết vật thể, thích hợp dùng trong kĩ thuật chụp ảnh, ghi hình kĩ thuật số, và chụp ảnh hiển vi.
Đèn phóng điện hồ quang, bên trong chứa các chất khí như hơi thủy ngân và xenon, thường được dùng làm nguồn rọi sáng cho một số đèn chuyên dụng của kính hiển vi huỳnh quang. Một đèn hồ quang tiêu biểu sáng gấp 10 đến 100 đèn volfram, và có thể mang lại sự rọi sáng đơn sắc rực rỡ khi kết hợp với các bộ lọc giao thoa lưỡng sắc đặc
GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Bùi Thị Mỹ Lê 22
biệt phủ bên ngoài. Không giống như đèn volfram, đèn volfram-halogen, đèn hồ quang không có dây tóc, nhưng lại phụ thuộc vào sự ion hóa chất hơi, mặc dù sự phóng điện hồ quang năng lượng cao giữa hai điện cực sinh ra ánh sáng cường độ mạnh của chúng. Nói chung, đèn hồ quang có thời gian sống trung bình 100-200 giờ, và đa số các nguồn cung cấp ngoài được trang bị một máy bấm giờ cho phép người sử dụng theo dõi thời gian trôi qua. Đèn hồ quang thủy ngân (xem đèn thủy ngân và xenon minh họa trong hình 12) có công suất từ 50 đến 200 watt và thường gồm hai điện cực hàn kín dưới áp suất hơi thủy ngân cao bên trong ống thủy tinh thạch anh.
Đèn hồ quang thủy ngân và xenon không cho cường độ rọi đồng đều trong toàn bộ phổ bước sóng từ tử ngoại tới hồng ngoại. Phần lớn năng lượng bức xạ của đèn hồ quang thủy ngân trong phổ tử ngoại gần và xanh lam, với đa số vạch có cực đại cường độ cao xuất hiện trong ngưỡng 300-450nm, trừ một vài vạch có bước sóng cao hơn nằm trong vùng phổ xanh lục. Trái lại, đèn hồ quang xenon có năng lượng bức xạ rộng hơn và đồng đều hơn trong phổ khả kiến, và không có các vạch có cực đại cường độ cao đặc trưng như đèn hồ quang thủy ngân. Tuy nhiên, đèn xenon lại kém hiệu quả trong vùng tử ngoại, và năng lượng bức xạ của chúng trong vùng hồng ngoại lớn nên đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận và phải loại trừ tình trạng quá nhiệt nếu sử dụng các đèn này.
Hình 12: Đèn phóng điện hồ quang [7]
GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Bùi Thị Mỹ Lê 23
Hình 13: Cấu tạo của diode phát ánh sáng trắng
GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Bùi Thị Mỹ Lê 24
Hình 14: Đèn Néon sign dùng trong quảng cáo
Thời kì sử dụng diode phát quang làm nguồn chiếu sáng kĩ thuật bắt đầu vào thế kỉ 21, và diode là phần bù lí tưởng cho sự hợp nhất giữa công nghệ bán dẫn và hiển vi quang học. Sự tiêu thụ năng lượng tương đối thấp (1 đến 3 volt, 10 đến 100 miliampe) và thời gian hoạt động lâu dài của diode phát quang khiến cho những dụng cụ này trở thành nguồn sáng hoàn hảo khi yêu cầu cường độ chiếu ánh sáng trắng ở mức trung bình. Các kính hiển vi nối với máy tính giao tiếp qua cổng USB, hoặc được cấp nguồn bằng pin, có thể sử dụng LED làm nguồn sáng bên trong nhỏ gọn, ít tổn hao nhiệt, công suất thấp và giá thành rẻ, dùng cho việc quan sát bằng mắt hoặc ghi ảnh kĩ thuật số. Một số kính hiển vi dùng trong học tập và nghiên cứu hiện đang dùng diode phát ánh sáng trắng bên trong, cường độ cao làm nguồn sáng sơ cấp. [15]
Diode phát quang hiện nay đã được kiểm tra và thương mại hóa trong nhiều ứng dụng đa dạng, như làm tín hiệu giao thông, mật hiệu, đèn flash, và đèn chiếu sáng kiểu vòng gắn ngoài cho kính hiển vi. Ánh sáng do đèn LED trắng phát ra có phổ nhiệt độ màu tương tự với đèn hơi thủy ngân, loại đèn thuộc danh mục chiếu sáng ban ngày. Phổ phát xạ của đèn LED trắng được biểu diễn trong hình 13, cực đại phát tại 460nm là do ánh sáng xanh lam phát ra bởi diode bán dẫn gallium nitride, còn vùng phát sáng rộng cường độ cao nằm giữa 550 và 650nm là do ánh sáng thứ cấp phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ polymer. Sự tổng hợp các bước sóng tạo ra ánh sáng “trắng” có nhiệt độ màu tương đối cao, là vùng phổ có bước sóng thích hợp cho việc chụp ảnh và quan sát ở kính hiển vi quang học. [15]
GVHD: Lê Văn Nhạn SVTH: Bùi Thị Mỹ Lê 25