《光辐射与光源》PPT课件.ppt
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1、2023/7/10,1,第二章 光辐射与光源,任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源产生光辐射的物体,即光源与光辐射探测器,所以光辐射理论和光电转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、时间及空间稳定性,等等。本章将简要介绍光辐射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比较典型的光辐射源,以及光源调制技术;光辐射探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。,2023/7/10,2,2.1 电磁波与光辐射,2.1.1 电磁波的性质与电磁波谱麦克斯维证明光是电磁波的一种表现形式。电磁波包括的范围很广,从无线电波到光波,从X射线到 射线,都
2、属于电磁波的范畴,波长覆盖很宽。光辐射仅占电波谱的一极小波段。,2023/7/10,3,2.1.2 光辐射,按辐射波长及人眼的生理视觉效应,光辐射被分成三个波段:紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm作单位、在红外波段波长用m作单位。单位长度内,波动重复的次数(一个波动拥有同样相位的次数),称为波数。在光谱学中,波数即波长的倒数,量纲是长度-1,单位惯常采用cm-1。可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。390770 nm范围的范围内;紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短,人眼不可感知,波长范围是10400 nm。红外辐射 是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射,波
3、长范围为0.771000 m。,2023/7/10,4,2.2 光辐射的度量,为了对光辐射进行定量描述,需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量,存在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系(物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量,脚标“v”表示光度物理量)。后者是考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科,其适用性局限于可见光波段;前者则是对电磁辐射能量的客观计量,适用于整个电磁波段。,2023/7/10,5,2.2.1 辐射量,辐射能 辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和;单个光子的能量取决于波长或频率。辐射能一般用符号Qe表示,其单位是焦耳(J)。辐射通量 辐射通量e又称为辐
4、射功率,定义为单位时间内流过的辐射能量,即(2.2-1)单位:瓦特(W)或焦耳秒-1(J s-1)。,2023/7/10,6,辐射出射度 简称辐出度,从辐射源表面单位面积发射出的辐射通量,其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的定义式(2.2-2)单位:瓦特米-2(W/m2)。辐射强度 辐射强度定义为:点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量,用Ie表示,即(2.2-3)单位:瓦特球面度-1(Wsr-1)。,2023/7/10,7,辐射亮度 辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图2.2-1所示。(2.2-4)单位:瓦特/球面度米2(W/srm2)。式中是给
5、定方向和辐射源面元法线间的夹角。,图2.2-1 辐射亮度示意图,2023/7/10,8,一般,辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足式(2-5)时,称之为余弦辐射体或朗伯体(2.2-5)式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。联立式(2.2-5)、(2.2-4),易得余弦辐射体的辐射亮度为(2.2-6)可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的,与方向角无关。余弦辐射体的辐射出射度为(2.2-7),2023/7/10,9,辐射照度 辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元面积dA之比。即(2.2-8)单位:瓦特米-2(W/m2)。单色辐射度量 对于单色光辐射
6、,同样可以采用上述物理量表示,只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量,并且对所有辐射量X来说单色辐射度量Xe,与辐射度量Xe之间均满足(2.2-9),2023/7/10,10,2.2.2 光度量,光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位,在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示,其定义完全一一对应,其关系如表2.2-1所示。,2023/7/10,11,光视效能 光视效能是人眼对某一波长下单位辐射通量的产生的光通量,即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之,即(2.2-10)单位:流明/瓦特(lm/W)。通过对标准光度观察者的实验测定,白天在辐
7、射波长555 nm(夜晚则为507 nm)处,K有最大值,其数值为Km=683 lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果,其定义为(2.2-11),2023/7/10,12,图2.2-2 光谱光视效率曲线,2023/7/10,13,2.3 黑体辐射,任何0 K温度以上的物体,都会由于其中的分子、原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电磁波,这种现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱,波长自远红外区到紫外区,并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。下面简要介绍热辐射的一些基本定律。,2023/7/10,14,2.3.1 单色吸收比和单色反射比。,当辐射从外界入射到“不透明”(不限于可
8、见光不透明)的物体表面上时,一部分能量被吸收,另一部分能量从表面反射(如果物体是透明的,则还有一部分能量透射)。需要强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时,也吸收周围物体发射的辐射能。(1)吸收比 被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比,用表示。,2023/7/10,15,(2)反射比 反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比,用表示。对于不透明的物体,单色吸收比和单色反射比之和等于1,即(2.3-1),若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸收比都等于1,即,则称该物体为绝对黑体(简称黑
9、体)。它没有反射,也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。图2.3-1 黑体模型,2023/7/10,16,(3)人工黑体 作为一种理想化模型,人工黑体是人工制作的、接近于黑体的模拟物。对于不透明的物体,当反射系数为1时,称为白体或镜(面反射)体。现实中的物体介于黑体、白体之间。(4)灰体 当某种物体的辐射光谱是连续的,并且在任何温度下所有各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数,那么这种物体就叫做理想灰体,或简称灰体。实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的,因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见,近似把它
10、们都看作是灰体,其发射率为介于0与1之间的正数。,2023/7/10,17,2.3.2 基尔霍夫辐射定律,1859年,德国物理学家基尔霍夫指出:在热平衡状态下,任何辐射体的光谱辐出度与光谱吸收率的比值只是辐射波长和温度的函数,而与辐射体本身性质无关,即(2.3-2)式中为黑体的单色辐射出射度。这说明黑体必然是辐射本领最大的物体。,2023/7/10,18,2.3.3 普朗克公式,1900年,普朗克假设物质辐射的能量是不连续的,只能是某一个最小能量的整数倍。由此创立了量子理论。黑体处于温度T时,在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出(2.3-3)式中h为普朗克常数,c为真空中的光速,kB为波
11、尔兹曼常数。令,则(2.3-3)式可改写为(2.3-4)第一辐射常数,第二辐射常数。,2023/7/10,19,图2.3-2为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度(辐射亮度)随波长的变化曲线。可见:对应任一温度,单色辐射出射度随波长连续变化,且只有一个峰值,对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度(即曲线下的面积)。单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。w/(m2m)单色辐射出射度的 峰值随温度的升高 向短波方向移动。图2.3-2 黑体辐射单色 辐射出射度的波长分布,2023/7/10,20,(1)瑞利-琼斯近似当很大时,可得到适合于长波长区的瑞
12、利-琼斯公式(2.3-5)在 时,瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。(2)维恩近似当T很小时,可得到适合于短波长区的维恩公式(2.3-6)在 区域内,维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。,2023/7/10,21,2.3.4 维恩位移定律 维恩位移定律定量地描述单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。设为峰值辐出度对应的波长,有(2.3-7)2.3.5 斯忒藩-玻尔兹曼定律 斯忒藩-玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比,而与黑体的其他性质无关。(2.3-8)其中 为斯忒藩-玻尔兹曼常数。2.3.6 色温 为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质,常用到色温度这
13、个量,单位为K。色温度并非热辐射光源本身的温度,而指在规定两波长如1=0.47 m、2=0.66 m处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。,2023/7/10,22,2.4 光源,光源是光辐射源的简称。光源可以分为天然光源和人造光源。自然界光源按产生原理只有两大类,第一类是热效应光源(细分为3种):一种是摩擦、颤振等物理效应,如飞机蒙皮辐射;一种是化学燃烧,如飞机、车辆发动机中化学反应,陨石坠落过程的燃烧;一种是热核反应,如太阳、核反应堆。第二大类为生物能光源:如人体、动物发出的红外辐射,萤火虫、海洋生物发出可见光。,2023/7/10,23,太阳 太阳是最大、最强的自然光源。太阳光谱
14、是连续的,包含宇宙射线、射线、X射线、紫外辐射、可见辐射、红外辐射和射电辐射等,且辐射特性与绝对黑体辐射特性近似。其中,近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射能的84.62%;X射线、射线、远紫外、远红外及微波波段的总能量不到1%。地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同,差异主要由大气的吸收和散射引起。人造光源则主要是电能转换而来的电光源,如白炽灯、汞灯、氙灯、黑体模拟器、激光器,等等。,2023/7/10,24,2.4.1 光源特征及描述,表2.4-1 一些重要的光源特性,2023/7/10,25,2.4.2 几种典型的光源,2.4.2.1 连续谱光源 连续谱光源在较宽的波长范围
15、内发出连续的辐射。典型的连续谱光源有白炽灯、能斯特辉光灯、碳化硅炽热棒、钨灯、石英碘灯(3600K)、氢灯或氘灯、氙灯,等等。表2.4-2示它们的一些技术参数。表2.4-2 常见连续谱光源,2023/7/10,26,2.4.2.2 线光源,在多数原子光谱法仪器中应用的线光源包括低压弧光灯、空心阴极放电管、无极放电灯及热梯度灯。(1)低压弧光灯 即低压弧光放电管。(2)空心阴极灯 空心阴极灯是由玻璃管制成的封闭着低压惰性气体的放电管。(3)无极放电灯 无极放电灯由一个数厘米长、直径512厘米的石英玻璃圆管制成。(4)热梯度灯 热梯度灯是一种相对较新的原子线光源。,2023/7/10,27,2.4
16、.3 激光器,激光(Laser)是受激辐射光放大的简称,它是量子力学对原子在能级间的激发和辐射规律研究及应用的直接结果,也是现代物理学的一个重大成果。激光的特点是:方向性好,He-Ne激光器的激光束的发散角可达10-4 rad;亮度高、强度大,一台红宝石巨脉冲激光器的辐射亮度为1015W/Srcm2;单色性好,光谱的谱线宽度很窄,激光器是最好的单色光源;相干性好;此外,激光的偏振性好。,2023/7/10,28,2.4.3.1 激光原理,1916年,爱因斯坦在研究光辐射与原子跃迁时发现,处于高能态E2的原子,在它发生自发辐射之前,如果受到外来的、能量为的光子的刺激作用,也会从高能态跃迁到,同时
17、辐射出两个能量也为的光子,如图2.4-1(c)所示。跃迁产生的光子不仅和外来光子的频率相等,而且发射方向、初相位以及偏振态也都相同,这一过程称为受激辐射。粒子数反转是产生激光的必要条件。那么,如何实现粒子数反转分布呢?实际上有两个问题需要解决:需要某种方式将尽可能多的原子输运到高能级上去,这个过程称为激励或抽运,激励的方式是通过外界输入能量,使原子不断地跃迁到高能级上去,输入的能量可以是光能、气体放电、化学能或核能等。这种激励过程,犹如用水泵将水抽运到高处一样,所以通常又把这些提供激励的能源系统称为泵浦;作为工作物质的微观原子必须要有一个原子可以停留较长的时间的能级,这些能级通常称为亚稳态(故
18、激光不可能在双能级系统中实现)。在亚稳态上,原子辐射跃迁的概率很小,所以原子停留的时间比较长,容易积聚足够多的原子,从而相对与低能级上的原子实现粒子数反转。,2023/7/10,29,图2.4-3 粒子数反转的实现 2.4-4 激光器的光学谐振腔,2023/7/10,30,如图2.4-3所示,提高泵浦将大量低能态E1上的原子抽运到激发态E2上,由于E3能级的寿命(原子停留时间)很短,大量原子通过自发辐射会跃迁到亚稳态能级E2上,亚稳态E2的寿命较长,自发跃迁的概率也很小,如果光抽运的强度足够大,就可以使处于E2状态的原子数N2超过处于E1状态的原子数N1,并达到,从而在能级E1和E2之间实现粒
19、子数反转。具有这样原子数分布的发光体系在外来光子诱导下就可以产生激光。,2023/7/10,31,2.4.3.2 激光器,激光器是用以产生激光的装置。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围,并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。激光器除了具有亚稳态结构的工作物质、泵浦外,还必须有一个光学谐振腔。如图2.4-4所示,在工作物质的两端放置两块反射镜,这两块反射镜可以是平面的,也可以是凹面的,或者是一平一凹的,并使两反射镜的轴线与工作物质的轴线平行放置,这时反射竟就构成了光学谐振腔,图2.4-4所示的是平行平面谐振腔。光学谐振
20、腔的主要作用是获得单色性和方向性都很好的激光。谐振腔可以使偏离轴线的光子经反射后从侧面直接逸出腔外或者经过几次来回反射最终逸出腔外,只有和轴线平行的光子能在这谐振腔两反射镜之间不断往复地运行,迫使其他处于高能态的原子发生受激辐射,使轴线方向运行的光子不断增加并从部分反射镜输出,从而得到具有很高方向性的激光束。,2023/7/10,32,谐振腔不仅对激光束的方向具有选择性,对激光的频率也能加以选择。当激光在谐振腔中来回反射时,将形成以反射镜为节点的驻波。根据驻波条件,对一定的腔长L,仅当受激发射光波的波长满足(2.4-2)的光才能在腔内形成稳定的驻波,即才能实现稳定的光振荡,而不满足上述条件的光
21、,则在多次反射过程中相互减弱以至消失。利用谐振腔的这种特性可获得单色性很好的激光。,2023/7/10,33,2.4.3.3 激光器分类,激光器的种类非常多。如按激光器工作物质性态分类,可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等;如近激光器工作方式来分类,可分为连续式、脉冲式、调Q与超短脉冲等等;按工作物质粒子划分,则又可分为原子激光器、分子激光器、自由电子激光器、离子激光器、准分子激光器等;按输出激光的波段范围分类可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等。这里只选择几个代表性的激光器作一些介绍。,202
22、3/7/10,34,一、固体激光器 1960年,T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器,也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。二、气体激光器 气体激光器的代表是氦氖激光器、CO2激光器。世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久,于1960 年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。三、液体激光器 1966年,美国IBM国际通用机器公司的科学家皮特索罗金和约翰兰卡德发现了有机染料溶液产生激光的关键机制,染料激光器作为最主要的液体激光器,从此得到迅速发展。四、半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管(LD),最先由
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