第九章 光源和光探測器.ppt

第九章光源和光探測器 1輻射度量和光度量 2光源 3黑體輻射 4光量子光的波粒二象性 5光的輻射過程 6激光器 輻射度學 是一門量度電磁輻射能的科學技術(shù) 它不受人眼主觀視覺限制 建立在物理測量基礎(chǔ)上 輻射度量適用于整個電磁波譜范圍 光度量 以人眼對入射輻射刺激所產(chǎn)生的視覺為基礎(chǔ) 反映人眼視覺特性的光輻射量 只適用于可見光部分 1輻射度量和光度量 1 1輻射度量 輻射度量的各個物理量定義如下 1 輻射通量 又稱輻射功率 定義 單位時間內(nèi)通過某一截面的輻射能 2 輻射強度I描述點源輻射的量定義 點輻射源在給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量 單位 瓦 球面度 W sr 3 輻射亮度B 描述面源輻射的量 定義 面輻射源在某方向上單位投影面積單位立體角發(fā)出的輻射通量 I d dt 一般 輻射亮度的大小與源面上的位置及方向有關(guān) 單位 W sr m2 B d d dscos I dscos 4 輻射出射度R 描述面源輻射的量 定義 輻射源單位面積上發(fā)出的輻射通量 單位 瓦 米2 W m2 光譜輻出度r 定義 單位間隔內(nèi)的輻出度 稱為光譜輻出度 常用r表示 r一般與波長有關(guān) 記為r R d ds 5 輻射照度E 輻射照度E是描述受照物體的量 它表示入射到單位面積上的輻射通量的大小 如圖所示 照射到受照面上某元面積ds的輻射通量為d 則面積ds的輻照度定義為 單位 瓦 米2 W m2 R d ds 1 2光度量 在可見光范圍內(nèi) 人眼的視覺細胞對不同波長的輻射有不同的響應(yīng) 有輻照度量描述可見光輻射不能反映人眼的亮暗感覺 例如用輻射亮度相同的藍光和黃光照射人眼 人會感覺到黃光要比藍光亮得多 在白天 人眼對波長為555nm 頻率為540 1012Hz 的綠光最敏感 也就是說 在引起相同亮暗感覺的條件下 對555nm的光所需的輻射通量 555nm 最小 而對其它波長的光所需的輻射通量 則較大 我們定義光視效率V 為 光視效率V 是用來表示人眼對各種波長光的相對靈敏度的物理量 V 555 白天 555nm夜晚 507nmV 1 光譜光視效率 V KmV 光視效能K 定義為波長為 的光通量 V 與相應(yīng)輻射通量 的比值 K V 當 555nm K 有最大值 Km 683lm W 為了客觀描述輻射通量引起的視覺強度 引入一個新的物理量 光通量 設(shè)波長為 的輻射通量為 對應(yīng)的光通量為 V 則兩者的關(guān)系為 1W 683V lm 光通量的SI單位為流明 lumen 記做lm 而輻射通量的單位則為W 瓦 二者的關(guān)系為 對于555nm的單色光 則有1W 683lm即是說 其輻射通量為1W時 其光通量為638lm 3黑體輻射 3 1熱輻射的基爾霍夫定律 實驗表明 物體的單色輻出度和單色吸收率之間有一定的關(guān)系 吸收率大的物體其輻射本領(lǐng)也大 吸收率小的物體其輻射本領(lǐng)也小 在熱平衡條件下 物體輻射的能量必等于它吸收的能量 任何物體在熱輻射的同時 也吸收從周圍物體發(fā)出的輻射能 被物體吸收的輻射通量與入射到該物體的輻射通量之比 稱為吸收率 在單位波長間隔內(nèi)的吸收率稱為光譜吸收率 它與波長有關(guān) 記做 為了描述物體的輻射與吸收的關(guān)系 德國物理學家基爾霍夫與1859年提出了下列定律 在熱平衡狀態(tài)下 任何輻射體的光譜輻出度與光譜吸收率的比值只是輻射波長和溫度的函數(shù) 而與輻射體本身性質(zhì)無關(guān) 即 其中 3 3斯特藩 玻耳茲曼定律和維恩位移定律 1 斯特藩 玻耳茲曼定律 黑體的輻出度與絕對溫度的四次方成正比 2 維恩位移定律 黑體的光譜輻出度的極大值所對應(yīng)的波長與絕對黑體溫度成正比 測定黑體輻出度的實驗簡圖 A為黑體 B1PB2為分光系統(tǒng) C為熱電偶 黑體輻射譜實驗曲線 根據(jù)維恩位移定律計算 人體輻射的峰值波長為9 4微米 T 310K 太陽輻射的峰值波長為0 48微米 T 6000K 太陽輻射的能量50 在可見和紫外區(qū) 人體輻射的能量幾乎全部在紅外區(qū) 3 4黑體輻射的經(jīng)典理論遇到困難 1 維恩公式 在波長較短 溫度較低時與實驗結(jié)果相符 2 瑞利 金斯公式 在波長很長 溫度較高時與實驗結(jié)果相符 3 5熱輻射的量子理論 普朗克黑體輻射公