《光辐射与测量复习》PPT课件.ppt
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1、复习,题型,一、填空(共25小题25空,每空1分)二、名词解释(共4小题,每小题5分)三、简答题(共4小题,每小题5分)四、问答题(共2小题,7+8分)五、推导(共1小题,每小题10分)六、计算(共1小题,每小题10分),、光辐射学所研究的光谱辐射谱域,紫外区:、真空紫外:1-280nm(杀菌区)、远紫外:280-315nm(保健区)、近紫外:315-380nm(光化学反应区)晒黑可见光区:380-780nm红外光区:、近红外:780-3103nm、中红外:3103-3104nm、远红外:3104-106nm,、光辐射测量所研究的范畴,辐射度学:研究有关射线、紫外辐射、可见光、红外辐射及其他电
2、磁辐射能量的计量学科。光度学:将可见光的能量与人眼对它的接收特性结合起来进行研究的计量科。色度学:研究颜色视觉机理、颜色测量的科学。,三、辐射强度:Ie,1、立体角:()立体角是描述辐射能向空间发射、传播或被某一表面接收时的发散或会聚的角度。定义:以锥体的基点为球心做一球表面,锥体在球表面上所截取部分的表面积dS和球半径r平方之比定义式:=S/r2单位:球面度(Sr),、定义:在给定方向上的立体角元内,离开点辐射源(或辐射面元)的辐射通量除以该立体角。,、辐射强度:,、定义式:均匀辐射:、单位:瓦/球面度(W/Sr)、均匀点辐射源(各向同性)Ie不随方向变而变,故整个球面的辐射通量为:,1、定
3、义:辐射体单位元表面所辐射的通量2、定义式:均匀辐射:3、单位:w/m2,四、辐射出射度:Me,.定义:被辐射的单位元表面里入射或获得的辐射通量的多少.定义式:均匀辐射:.单位:w/m2,五、辐射照度:Ee,辐射出射度与辐射照度的区别:辐射出射度与辐射照度的表达式和单位完全相同区别在于:Me描写面辐射源向外发射的辐射特性(a)Ee描写辐射接受面所接受的辐射特性(b),光谱光视函数曲线:1.光谱光视效率V():设引起相同视觉的波长和波长为555nm的辐射通量分别为和555则视觉函数为:V()=555/是个无量纲的物理量,.物理意义:V()反映人眼对各种不同波长光的视觉灵敏度。将555nm所对应的
4、黄绿光波长的光谱光视效率值定为,为最大值;红光和紫光的光谱光视效率值最小;红外和紫外光的光谱光视效率值为。,1.光强定义:光源在指定方向上通过单位立体角内的光通量的多少2.光强公式:v=dv/d 发光均匀分布:v=v/3.单位:cd(坎德拉),I,w,v=dv/d,光强:Iv,光亮度Lv1.定义:面光源在给定方向上,单位正投影面积的发光强度2.公式:光通量分布均匀:3.单位:cd/m2(坎德拉/平方米),1-6光源的颜色与色温,光源的颜色:(色表和显色性).光源的色表:光源发光时,人眼直接看光源时光 源所呈现的颜色2.光源的显色性:某光源与标准光源分别照射同一 物体时,人眼所产生的颜色类别用显
5、色指数来定量描述。,色温与相关色温:.色温:Tc 待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则称Tc为该辐射体光源的色温度,简称色温。Tc(单位:),距离平方反比定律.在rdA方向上的光强为:面积为dA的照度E为:而故 垂直于光线传播方向的被照元表面的照度与光强成正比,而与光源到被照元表面的距离平方成反比即为距离平方反比定律(图如下),光电池的漂移现象:1.漂移现象:光电池在长期遮盖以后暴露在光线照射下,当受照面的照度不变时,在最初一段时间里光电池电流是逐渐变化的,有时上升有时下降;当照射一段时间后趋于稳定,这种现象称为光电池的漂移现象(光电池结构如图),2.漂
6、移现象的影响因素:受光面的照度:照度漂移;照度漂移不同颜色的光入射到光电池上时,漂移现象也不同漂移现象随光电池所处的温度的改变而改变,光电法测光强的方法与步骤:1.示意图如下:,2.测量原理:Ls照射硒(Se)光电池时有 电流表的读数为,Lx照射硒(Se)光电池时有 电流表的读数为,若 则有 即,3.测量步骤:按1中的示意图装好器材让Ls照射硒(Se)光电池,记下光电流读数A,此时的照度为:将光电池旋转,让Lx照射硒(Se)光电池调节,使光电流的大小值为A,此时的照度为:利用公式 计算出待测灯光强,举例:一圆盘型朗伯光源dA,半径为r,求在圆盘中心轴线上c处的光照度?如下图所示解:圆盘距离圆心
7、x处的照度dE为:,由图有:故 整个圆盘在c点处产生的照度E为:而 法线方向的光强,-理想积分球原理及光通量标准灯,理想积分球的条件:积分球的内表面为一完整的几何球面,半径处处相等球内壁是中性均匀漫射面,对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实物的抽象光源,2.积分球原理:设光源S直接在球内任一点建立的照度EA,在M处的照度为EMA处dS发生第一次漫射出度为:故由朗伯定律的特性知dS面的光亮度为:A处dS发生漫射在M处产生的二次照度为:,上式代入得 整个球面发生一次漫射在M处建立的二次照度为:类似分析为:二次漫射光线在M处建立的三次照度为:,同理:则M点
8、的总照度EM为:故用小挡屏挡住S直接射向M点的光线时,则E1=0,上式中r、均为常数,球壁上任何位置的E与光源S的总光通量总成正比,因此可以通过测量球壁上开的小窗口的照度来计算光源的总光通量总。原理:标准光源的光通量已知S,ES可测得,在待 测光源的EX测得后,即可用相对比较法测得 待测光源的总即为球型光度计测量光源总光 通量的原理。,-4 相对比较法测总光通量,测量前准备工作:1.在球内点燃一只白炽灯去潮气,使球内壁漫发射 稳定和预照光电池使其稳定2.测量时依次点燃标准灯和待测灯,相对比较法测量光源总光通量原理:装标灯在球心:装待测灯在球心:由/得:,若探测器在线性范围内工作,iE则有:is
9、、ix 分别为标灯和待测灯的电流可测出,s标灯的光通量已知,由上式便可得到待测灯的光通量x,若测出P灯或U灯、I灯,也可计算出灯的光效=/P电,测量步骤:把标准灯装在球心点燃5-10分钟,记下光电流is 后,把电源关掉,取下标灯装上待测灯点燃5-15分钟待其稳定后,记下光电 流ix、P灯(U灯、I灯)据x=(is/ix)s计算出灯的总光通量,并由=/P电算出待测灯的光效(注:应多次测量求 平均值),4-1 棱镜的折射和色散,一、偏向角,当光线自空气射入三棱镜时,由于折射,出射光线将发生偏折。出射光线与入射光线之间的夹角称为偏向角,用 表示。对于同一种波长,只与入射角 i 有关。如图所示。,色散
10、现象:由复合光分解成单色光而形成光谱的 现象。由此可以制成单色仪,由单色 仪的分光作用可以测得光源的光谱功 率分布。产生色散的原因:白光是一种波长不同的复合 光,同一介质对于不同颜色的 光折射率不同。,四、棱镜的色散,()准光镜系统 由准直光物镜L1和放在L1焦平面上的狭缝S组成。将来自光源S的复色光变成平行光。()色散系统 平行光地照射在棱镜P的折射面A上,经棱镜的A、B两个折射面的折射,分解成沿不同方向传播的单色光。()成谱系统 由物镜L2和在其焦平面上的像屏(或谱面)组成。物镜L2将沿不同方向的平行光会聚于焦平面上,从而获得一幅彩色光谱线图。,一、棱镜单色仪的结构和光路,1 线色散率:表
11、示在 附近,单位波长间隔内的两光线在谱面上的距离。由右图知 称为角色散率。,二、光谱仪的基本特性,角色散率:单位rad/nm:线色散率:单位mm/nm:,角色散率d/d,表示偏向角对波长的变化。在最小偏向角时(折射线平行于棱镜底边),可以导出:可见角色散率与折射率 n 及棱镜顶角 有关。结论:(1)大,d/d 大;600(2)n 大,d/d 大因此,增加角色散率 d/d 的方式有三:改变棱镜材料,玻璃比石英的折射率大,但玻璃只适于可见 光区;增加棱镜顶角,多选 600;增加棱镜数目,但由于设计及结构上的困难,最多用2个。,光谱分辨率定义为/d,表示波长为和波长为+d的色光刚能分开的能力。对于某
12、一波长,其与相邻色光刚能分开的d越小,说明棱镜的光谱分辨能力越高。根据方孔衍射极限角分辨率d=d/a0,则棱镜的最大理论分辨率,即对应狭缝宽度趋近于零时,棱镜的最大理论分辨率和棱镜的尺寸以及棱镜材料的色散成正比。实际上,由于物镜有一定的像差以及要得到一定出射光能量,狭缝需要有一定的宽度,加上杂散光等的影响,实际单色仪的分辨率比Rmax小。,2.分辨本领,为棱镜材料色散率 t 为三棱镜底边长 为两条谱线的波长差,5-1 黑体及辐射定律,黑体:能在任何温度下,全部吸收任何波长的辐射的物体称为绝对黑体,简称黑体。黑体只是一种理想的模型。,黑体辐射:绝对黑体的辐射称为黑体辐射。,热辐射:任何物体,在高
13、于绝对零度时都会发射电磁波,若物体中的分子、原子是受热激发而发射电磁辐射现象称热辐射。,2、斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律,Stefan根据实验得得到黑体辐射出射度与温度之间的关系,称为斯忒藩-玻耳兹曼常数,物理意义:黑体在单位面积单位时间内辐射的总能量 与黑体温度T的四次方成正比。,例 由测量得到太阳辐射谱的峰值处在,计算太阳的表面温度和单位表面积上所辐射的功率;如太阳的辐射是常数,其直径,求太阳在一年内由于辐射而损失的质量。,解:,将太阳看作黑体,太阳的表面温度,太阳单位表面积上所辐射的功率即太阳辐出度,一年内辐射的能量,由,得,太阳的质量,该式的理论值与实验值符合得非常很好。但是,
14、该式要想成立,要想从理论上能够导出,能量只能取分立值,即能量是不连续的,并且能量的最小单元=h。这在当时是与经典物理学相矛盾的。,普朗克为了能从理论上将上式导出于是他提出了能量子假说。,(1)辐射物体中包含大量谐振子,频率为的电磁波是由频率为的振子发射的,这些振子的能量是取特定的分立值,2,3,n.,普朗克能量子假说,(2)存在着能量的最小单元,,能量子=h,h=6.6310-34焦耳 秒。称为普朗克常数,(3)振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量,由普朗克能量子假说从理论上推导出黑体的单色辐出度为:,k、c分别是玻尔兹曼常数和光速。,普朗克假说不仅圆满地解释了黑体的辐射问题,还解释了
15、固体的比热问题。它成为现代理论的重要组成部分。,(1)较小时,得维恩公式,讨论:,(2)较大时,得瑞利金斯公式,普朗克能量子假说取得了圆满的成功。,一、光电效应,光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。事实上,此处所指的光电效应是一种光子效应,也就是单个光子的性质对产生的光电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质,习惯上又将其分为外光电效应和内光电效应。,外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象,主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象,典型的例子是物质表面的光电子发射。,内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象,特别是半导体内部载流子产生效应,主要包括光
16、电导效应与光伏效应。,光生伏特效应:光照在半导体PN结或金属半导体接触上时,会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。,内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。,光电导效应:半导体材料受光照后,由于对光子的吸收内部产生光生载流子引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大而电阻减少的现象。可分为本征光电导效应与非本征光电导效应两种。,当光子能量大于材料禁带宽度时,把价带中电子激发到导带,在价带中留下自由空穴,从而引起材料电导率增加,即本征光电导效应。若光子激发杂质半导体,使电子从施主能级跃迁到导带,或从价带跃迁到受主能级,产生光生自由电子或自由空穴,从而增加材料电导率,即非本征光电导效应
17、。,二、光热效应,光热效应是物体吸收光,引起温度升高的一种效应。探测器件吸收光辐射能量后,并不直接引起内部电子状态的改变,而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量,引起探测元件温度上升,并进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化的现象。,探测体常用Pt、Ni、Au等金属和热敏电阻、热释电器件、超导体等。原则上,光热效应对光波波长没有选择性,但由于材料在红外波段的热效应更强,因而光热效应广泛用于对红外辐射、特别是长波长的红外线的测量,许多激光功率计常用该种类型的探测器。由于温升是热积累的作用,所以光热效应的速度一般比较慢,而且易受环境温度变化的影响。,6-1光电和热电探测器的特性,一、积分响
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