2. SORGENTI:

2A) EMISSIONE DI CORPO ESTRANEO.

Ricordiamo che ogni oggetto emette radiazione elettromagnetica: la distribuzione in funzione della lunghezza d'onda della radiazione emessa può essere espressa come prodotto del potere di emissione dell'oggetto per la funzione di PLANCK:

2.1) ()=(2c h/)

dove T è la temperatura assoluta dell'oggetto, C è la velocità della luce nel vuoto, K è la costante di Boltzmann e H è la costante di Planck.

Il potere di emissione è una quantità dimensionale numericamente compresa tra 0 e 1, in generale funzione di e di T, che misura il rapporto fra l'emissione di un oggetto reale e la massima possibile emissione indicata dalla funzione di Planck.

La legge di Kirchhoff stabilisce che il potere di assorbimento e il potere di emissione di un oggetto, a una medesima temperatura, sono uguali. In particolare, un oggetto che ha massimo assorbimento, e che nel visibile risulterebbe essere nero, ha anche massima emissione, uguale alla funzione di Planck. Tale oggetto, per estensione delle sue caratteristiche nel visibile, viene chiamato pertanto corpo nero e la funzione ?2.1? è detta distribuzione di corpo nero.

La figura 2.1 (J.Valley) mostra la distribuzione spettrale della radiazione di corpo nero ad alcune temperature significative. Si nota che nell'infrarosso si hanno radianze minori di quelle raggiunte nel visibile; tuttavia, mentre nel visibile emettono significativamente solamente oggetti a temperature di alcune migliaia di gradi, quali, per es., il Sole (6000K) e le lampade a incandescenza (3000K), nell'infrarosso emettono anche oggetti a temperatura ambiente (300K) e inferiore.

2B) SORGENTI INFRAROSSE:

a)Sorgenti incoerenti. Si utilizzano lampade a incandescenza con involucro trasparente all'infrarosso (ad esempio il quarzo), o lanmpade del tipo GLOBAR o NERNST, costituite da una barretta di materiale opportuno (ossidi di terre rare o carbone)riscaldata a temperature di circa 1000-2000K, che, essendo prive di involucrom emettono senza il filtraggio e l'attenuazione di quest'ultimo. Una sorgente spesso usata alle grandi lunghezze d'onda è la lampada ad arco in vapori di mercurio con finestra in quarzo. A queste sorgenti si ricorre qualora si renda necessario massimizzare la quantità di radiazione utilizzata.

Molto spesso la sorgente di radiazione infrarosso è il corpo o sistema in studio, che può essere caratterizzato o analizzato in modo passivo misurando la sua emissione spontanea.

b)Sorgenti coerenti.Sono numerose e di vario tipo. Si possono realizzare sia sorgenti con emissioni a impulsi di alta potenza, sia sorgenti con emissione continua. In alcune sorgenti la lunghezza d'onda d'emissione è o accordabile in un intervallo continuo di valori, o selezionabile tra alcuni valori discreti, cosicché sorgenti coerenti sono praticamente disponibili in tutto l'infrarosso. Operano in questa regione spettrale sia sorgenti di tipo ottico, che utilizzano l'inversione di popolazione indotta in un opportuno materiale, sia sorgenti di tipo elettromagnetico, che utilizzano risonanza in un fascio di elettroni, o generazione per differenza, o moltiplicazione della frequenza emessa da altre sorgenti coerenti.

Al primo tipo appartengono i laser, che utilizzano transazioni elettroniche in atomi neutri, fra i quali meritano di essere ricordati il laser a elio-neon, che opera a 1,15 e 3,39m,e quelli che utilizzano transazioni vibrorotazionali in composti molecolari, quali, per es., CO,H2O,HCN,CO2. In particolare, il laser a CO2, che può operare a varie lunghezze d'onda raccolte in due bande intorno a 9.4 e a 10.6 m, è una sorgente importante per la sua versatilità ed elevata potenza.

Questo laser ha una grande diffusione sia per le interessanti applicazioni dirette, motivate dall'importanza tecnica della regione spettrale intorno a 10 m (dove ha luogo il massimo di emissione degli oggetti a temperatura ambiente e l'atmosfera terrestre è trasparente), sia per le numerose applicazioni indirette, come meccanismo di pompa di altri laser molecolari che operano a più grandi lunghezze d'onda. Sempre fra i laser di tipo ottico, sono interessanti, per la loro accordabilità in una vasta zona spettrale, il laser a centri di colore, che opera tra i 0,8 e 2 m circa, e i diodi laser, che, con varie combinazioni di materiale, consentono di ottenere sorgenti accordabili fra i 0,8 e i 30 m. E' infine interessante per l'elevata potenza di uscita, il laser a neodimio, che emette a 1.06 m.

Lo sviluppo di queste sorgenti laser di tipo ottico, che si sono diffuse nell'infrarosso a partire dalle brevi lunghezze d'onda, è avvenuto di pari passo a quello di sorgenti di radiazione coerente a grandi lunghezze d'onda, basate su risonatori elettronici.

Il KLYSTRON, con opportuna moltiplicazione di frequenza ottenuta con generazione di armoniche per mezzo di elementi non lineari, può fornire radiazione coerente in un intervallo spettrale che s'estende da alcuni millimetri fino a circa 300m.

Il CARCINOTRON opera nello stesso intervallo spettrale in modo diretto e quindi con maggiori potenze, ma è limitato da maggiori difficoltà costruttive. Interessanti prospettive sono associate allo sviluppo di sorgenti a stato solido, che promettono grande semplicità di funzionamento e affidabilità, e ai laser a elettroni liberi,che, sebbene limitati nelle applicazioni dal loro notevole ingombro, sono in grado di fornire, in linea di principio, grandi potenze senza nessun limite inferiore di lunghezza d'onda.