Transcript 光源和光探测器
第九章 光源和光探测器 §1 辐射度量和光度量 §2 光源 §3 黑体辐射 §4 光量子 光的波粒二象性 §5 光的辐射过程 §6 激光器 §1辐射度量和光度量 辐射度学：是一门量度电磁辐射能的科学技 术，它不受人眼主观视觉限制， 建立在物理测量基础上，辐射度 量适用于整个电磁波谱范围。 光度量：以人眼对入射辐射刺激所产生的视 觉为基础，反映人眼视觉特性的光 辐射量，只适用于可见光部分。 1.1辐射度量 辐射度量的各个物理量定义如下: （1）辐射通量(又称辐射功率)Φ 定义：单位时间内通过某一截面的辐射能。 （2）辐射强度 I 描述点源辐射的量 定义：点辐射源在给定方向上单位立体角内 的辐射通量。 I = d Φ / dt 单位：瓦 / 球面度[ W / sr ] （3）辐射亮度B 描述面源辐射的量 定义：面辐射源在某方向上单位投影面积 单位立体角发出的辐射通量。 B = dΦ / dΩdscosθ =I /dscosθ 一般:辐射亮度的大小与 源面上的位置及方向有关。 单位：[ W / sr .m2] （4）辐射出射度 R 描述面源辐射的量 定义：辐射源单位面积上发出的辐射通量。 R = dΦ / ds 单位：瓦 /米2 [ W / m2] 光谱辐出度 r (λ) 定义：单位间隔内的辐出度。 称为光谱辐出度，常用r表示， r 一般与波长有关，记为r（ λ ） （5）辐射照度 E 辐射照度 E是描述受照物体的量 它表示入射到单位面积上的辐射通量的大小。 如图所示，照射到受照面上某元面积ds的辐射 通量为dΦ ，则面积ds的辐照度定义为 R = dΦ / ds 单位：瓦 /米2 [ W / m2] 1.2 光度量 在可见光范围内，人眼的视觉细胞对不同 波长的辐射有不同的响应。有辐照度量描 述可见光辐射不能反映人眼的亮暗感觉。 例如用辐射亮度相同的蓝光和黄光照射人 眼，人会感觉到黄光要比蓝光亮得多。在 白天，人眼对波长为555nm（频率为 540*1012Hz）的绿光最敏感，也就是说， 在引起相同亮暗感觉的条件下，对555nm 的光所需的辐射通量Φ （555nm）最小， 而对其它波长的光所需的辐射通量Φ （ λ ） 则较大。 我们定义光视效率V（ λ ）为： V（ λ ）= Φ （555）/ Φ （ λ ） 光视效率V（ λ ）是用来表示人眼对各种波长 光 的相对灵敏度的物理量。 白天：555nm 夜晚：507nm V（ λ ）= 1 光谱光视效率 为了客观描述辐射通量引起的视觉强度，引入 一个新的物理量——光通量。 设波长为λ的辐射通量为Φ （ λ ），对应的光 通量为Φ V （ λ ），则两者的关系为 Φ （ λ ）= Km V （ λ ） Φ （ λ） V 光视效能 K（ λ ）定义为波长为λ的光通量Φ V （ λ ） 与相应辐射通量Φ （ λ ）的比值： K（ λ ）= Φ V （ λ ）/Φ （ λ ） 当λ= 555nm， K（ λ ）有最大值： Km= 683 lm / W 光通量的SI单位为流明（lumen，记做lm）。 而辐射通量的单位则为W（瓦），二者的关系 为： 1 W = 683 V（ λ ）lm 对于555nm的单色光，则有 1W=683lm 即是说，其辐射通量为1W时，其光通量 为638lm。 §3 黑体辐射 3.1 热辐射的基尔霍夫定律 实验表明：物体的单色辐出度和单色吸收率 之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射 本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。 在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它 吸收的能量。 任何物体在热辐射的同时，也吸收从周围物 体发出的辐射能。被物体吸收的辐射通量与 入射到该物体的辐射通量之比，称为吸收率。 在单位波长间隔内的吸收率称为光谱吸收率， 它与波长有关，记做 a ( ) 为了描述物体的辐射与吸收的关系，德国物理学家基尔 霍夫与1859年提出了下列定律：在热平衡状态下，任何 辐射体的光谱辐出度 r ( , T ) 与光谱吸收率 a ( , T ) 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 r ( , T ) f ( , T ) ( , T ) 其中 r( , T ) 光谱辐出度 ( , T ) 光谱吸收率 f ( , T ) 与物质无关的普适函数 3.3 斯特藩—玻耳兹曼定律和维恩位移定律 1. 斯特藩—玻耳兹曼定律 黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比。 R T 4 2. 维恩位移定律 黑体的光谱辐出度的极大值所 对应的波长与绝对黑体温度成正比。 mT b P A L1 A为黑体 L2 B1 B2 B1PB2为分光系统 C为热电偶 测定黑体辐出度的实验简图 C R T 4 mT b 黑体辐射谱实验曲线 根据维恩位移定律计算 人体辐射的峰值波长为 9.4微米（T=310K） 太阳辐射的峰值波长为0.48微米（T=6000K） 太阳辐射的能量50%在可见和紫外区。 人体辐射的能量几乎全部在红外区。 3.4 黑体辐射的经典理论遇到困难 1.维恩公式 r0 ( , T ) C1 e 5 ( C 2 / T ) 在波长较短，温度较低时与实验结果相符。 2.瑞利-金斯公式 r0 ( , T ) 2c 4 kT 在波长很长，温度较高时与实验结果相符。 3.5 热辐射的量子理论---普朗克黑体辐射公式 r0 ( , T ) 2hc 5 2 . 1 e hc / kT 1 普朗克公式给出了黑体辐射的光谱分布公式 ——黑体的光谱辐出度表达式 从普朗克公式可以得到斯特藩—玻耳兹曼 定律和维恩位移定律，且维恩公式、瑞利-金 斯公式是普朗克公式在特殊情况下的近似。