紅外技術(shù) 第三章 紅外輻射源

1、1第三章第三章 紅外輻射源紅外輻射源信息科學與工程學院信息科學與工程學院 馮傳勝馮傳勝Email: 下載：下載：Http:/fcs- 原則上說，凡是溫度高于絕對原則上說，凡是溫度高于絕對0度的物體都度的物體都是紅外輻射源。是紅外輻射源。 可分為可分為人工輻射源人工輻射源和和自然輻射源自然輻射源；又可分為；又可分為相干輻射源相干輻射源和和非相干輻射源非相干輻射源。 本章主要介紹紅外輻射實驗或紅外技術(shù)研究本章主要介紹紅外輻射實驗或紅外技術(shù)研究中常用的輻射源。中常用的輻射源。3本章目錄本章目錄 3.1 黑體黑體 3.2 能斯特燈能斯特燈 3.3 硅碳棒硅碳棒 3.4 鎢帶燈鎢帶燈 3.5 汞燈汞燈

2、3.6 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 3.7 紅外激光器紅外激光器 3.8 太陽輻射太陽輻射 3.9 月球月球 3.10 地球地球 3.11 人體人體43.1 黑體黑體 (Black Body)5 3.1.1 理想黑體理想黑體 理想黑體：理想黑體： 黑體的吸收率黑體的吸收率=1 物體發(fā)射率定義為物體發(fā)射率定義為 光譜發(fā)射率定義為光譜發(fā)射率定義為 根據(jù)基爾霍夫輻射定律根據(jù)基爾霍夫輻射定律 基爾霍夫輻射定律的另一描述形式：基爾霍夫輻射定律的另一描述形式： 任何物體的發(fā)射率等于它在相同溫度和相同條件下的任何物體的發(fā)射率等于它在相同溫度和相同條件下的吸收率。吸收率。( )( )( )bM TTMT( )( )

3、( )bMTTMT( )( )( , )( , )( )( )bMTMTTTMTE T M(T)：T溫度下的溫度下的輻射度輻射度;Mb(T)黑體在黑體在T溫度溫度下的輻射度。下的輻射度。灰體？灰體？ 灰體的發(fā)射率灰體的發(fā)射率也是與溫度和波長無關(guān)的常也是與溫度和波長無關(guān)的常數(shù)，只不過數(shù)，只不過1 1。輻射體分為三類輻射體分為三類黑體黑體灰體（實際黑體可看作發(fā)射率接近于灰體（實際黑體可看作發(fā)射率接近于1 1的灰體）的灰體）自然界中，大地、空間背景、人體（皮膚）、無動力自然界中，大地、空間背景、人體（皮膚）、無動力空間飛行器、噴氣式飛機尾噴管等輻射體都可看作灰空間飛行器、噴氣式飛機尾噴管等輻射體都可

4、看作灰體。體。選擇性輻射體選擇性輻射體發(fā)射率不是常數(shù)，與波長有關(guān)，是波長的函數(shù)。發(fā)射率不是常數(shù)，與波長有關(guān)，是波長的函數(shù)。三者發(fā)射率的比較（如圖）三者發(fā)射率的比較（如圖）8 3.1.2 實際黑體實際黑體一、實際黑體的發(fā)射率一、實際黑體的發(fā)射率 吸收率吸收率接近于接近于1。 用其作為標準來校正其它紅外輻射源或紅外系統(tǒng)。用其作為標準來校正其它紅外輻射源或紅外系統(tǒng)。 基爾霍夫定律證明密閉空腔內(nèi)的輻射就是黑體的輻射?；鶢柣舴蚨勺C明密閉空腔內(nèi)的輻射就是黑體的輻射。 腔體輻射理論是制作黑體源所涉及的基礎(chǔ)，主要有古費腔體輻射理論是制作黑體源所涉及的基礎(chǔ)，主要有古費（Gouff）理論、德法斯（）理論、德法斯

5、（Devos）理論等。）理論等。 Gouff在在1954年提出了一個計算開孔空腔有效發(fā)射率的表年提出了一個計算開孔空腔有效發(fā)射率的表達式：達式： 01(1)( ,)1tttAF xSAASS其中其中是腔內(nèi)表面的是腔內(nèi)表面的發(fā)射率發(fā)射率；A是是開孔面積開孔面積；St是是腔體內(nèi)表面總面積腔體內(nèi)表面總面積(包包括括A)。F(x,)是與開孔相對于腔底的立體角有關(guān)的一個值。是與開孔相對于腔底的立體角有關(guān)的一個值。ASt9 常用的腔型有：常用的腔型有：球型腔球型腔、錐型腔錐型腔、柱型腔柱型腔。 設(shè)設(shè)g=R/L1,則則A/S0的值與球形腔的的值與球形腔的A/St的的值相同值相同,則則K表達式中的表達式中的(

6、A/St-A/S0)的值則為的值則為圖上兩曲線的差值圖上兩曲線的差值,對于本例約為對于本例約為0.047; 則則 (4)計算黑體的有效發(fā)射率計算黑體的有效發(fā)射率00(1 0.5) 0.0470.0235K 00 (1) 0.95 1.0235 0.972325K14二、實際黑體的結(jié)構(gòu)及分類二、實際黑體的結(jié)構(gòu)及分類 實際黑體，俗稱黑體爐。其結(jié)構(gòu)如圖：實際黑體，俗稱黑體爐。其結(jié)構(gòu)如圖：結(jié)構(gòu)組成：結(jié)構(gòu)組成： 黑體芯子黑體芯子 加熱繞阻加熱繞阻 測量與控制腔測量與控制腔體溫度的溫度計體溫度的溫度計和溫度控制器和溫度控制器15 按其工作溫度來分可分為三類：按其工作溫度來分可分為三類： 低溫黑體：小于低溫

7、黑體：小于100C 中溫黑體：中溫黑體：1001000C 高溫黑體：高溫黑體：1000C以上。以上。 設(shè)計制作黑體時應考慮以下問題：設(shè)計制作黑體時應考慮以下問題： 1腔形的選擇腔形的選擇 球型、錐型、柱型球型、錐型、柱型 2對腔芯材料的選擇對腔芯材料的選擇(好的熱導率、高的抗氧化能力好的熱導率、高的抗氧化能力或氧化層不易脫落、高發(fā)射率或氧化層不易脫落、高發(fā)射率) 低于低于600K可選用銅；可選用銅； 1400K以下可選用鉻鎳不銹鋼；以下可選用鉻鎳不銹鋼； 高于高于1400K用石墨或陶瓷。用石墨或陶瓷。 3腔體的等溫加熱腔體的等溫加熱 加熱繞阻或熱管加熱繞阻或熱管 4腔體的溫度控制和測量腔體的溫

8、度控制和測量 5降低黑體前表面的輻射降低黑體前表面的輻射 加限制光闌加限制光闌16三、等效輻射三、等效輻射設(shè)圖中虛線為設(shè)圖中虛線為“光軸光軸”，光闌孔面積為，光闌孔面積為As，其法，其法線與光軸的夾角為線與光軸的夾角為s；探測器接收輻射面面積為；探測器接收輻射面面積為Ad，其法線與光軸的夾角為，其法線與光軸的夾角為d，則，則探測器等黑體光闌黑體輻射經(jīng)光闌后的輻射強度：40coscoscosbssssssMTILAAA 黑體在探測器表面產(chǎn)生的輻照度：4022coscoscosdssdITEAll 探測器接收輻射功率(s = d =0)：402dsdTPEAA Al l17四、黑體的鑒定四、黑體的

9、鑒定對于實際的黑體，要根據(jù)有關(guān)熱輻射理論，按各項技術(shù)對于實際的黑體，要根據(jù)有關(guān)熱輻射理論，按各項技術(shù)指標，認真地進行鑒定，以確定它與理想黑體的偏離程指標，認真地進行鑒定，以確定它與理想黑體的偏離程度。度。首先，從理論上，根據(jù)相關(guān)理論，由腔體的形狀、尺寸首先，從理論上，根據(jù)相關(guān)理論，由腔體的形狀、尺寸及溫場分布來計算它的發(fā)射率，以估計它與理想黑體的及溫場分布來計算它的發(fā)射率，以估計它與理想黑體的偏離程度。偏離程度。其次，對其性能進行實際測試。其次，對其性能進行實際測試。首先，檢測黑體腔內(nèi)溫度的均勻程度首先，檢測黑體腔內(nèi)溫度的均勻程度(1K)。其次，檢測溫度其穩(wěn)定性其次，檢測溫度其穩(wěn)定性(0.5K

10、/4h)。第三，檢測實際黑體與斯帝芬第三，檢測實際黑體與斯帝芬-玻爾茲曼定律的符合程度。玻爾茲曼定律的符合程度。1. 測量探測器信號與測量探測器信號與As的關(guān)系的關(guān)系2. 測量探測器信號與測量探測器信號與l2的關(guān)系的關(guān)系3. 測量探測器信號與測量探測器信號與T4的關(guān)系的關(guān)系性能較好的黑體應得到很好的線性關(guān)系性能較好的黑體應得到很好的線性關(guān)系(尤其尤其2, 3)，通過測量，通過測量其斜率可得到其斜率可得到的實驗值，可將其與斯帝芬的實驗值，可將其與斯帝芬-玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)比較。比較。44002()sdTTPA Al 考慮到環(huán)境溫度考慮到環(huán)境溫度T0，則探測器，則探測器上接收到的黑體的輻射功

11、率為：上接收到的黑體的輻射功率為：183.2 能斯特燈能斯特燈(Nernst Lamp)19 常用作紅外分光光度計的光源。常用作紅外分光光度計的光源。 能斯特燈是由氧化鋯、氧化釷、氧化釔或氧能斯特燈是由氧化鋯、氧化釷、氧化釔或氧化鈹?shù)幕旌衔餆Y(jié)成的一種很脆的空心圓柱化鈹?shù)幕旌衔餆Y(jié)成的一種很脆的空心圓柱體或圓棒，兩端以鉑絲作為電源的引出線，體或圓棒，兩端以鉑絲作為電源的引出線，典型尺寸為長典型尺寸為長30mm，直徑，直徑13mm。 能斯脫燈常作為紅外分光光度計中的紅外輻能斯脫燈常作為紅外分光光度計中的紅外輻射源。它有壽命長，工作溫度高，黑體特性射源。它有壽命長，工作溫度高，黑體特性好和不需要水

12、冷等特性。主要缺點是機械強好和不需要水冷等特性。主要缺點是機械強度低，稍受壓，就會損壞。度低，稍受壓，就會損壞。 恒流電源供電：工作電流恒流電源供電：工作電流0.30.6A。 工作溫度：工作溫度：1700K1800K。203.3 硅碳棒硅碳棒(Globar)21 用碳化硅用碳化硅(SiC)做成的圓棒。作為輻射測量做成的圓棒。作為輻射測量的輻射源時，不能含有雜質(zhì)。的輻射源時，不能含有雜質(zhì)。 作為紅外輻射源用的硅棒：作為紅外輻射源用的硅棒： 典型尺寸為長典型尺寸為長510cm，直徑為，直徑為5mm。 工作電源為工作電源為50V，工作電流為，工作電流為35A。 硅碳棒也是分光計和紅外光譜儀中常用的光

13、硅碳棒也是分光計和紅外光譜儀中常用的光源之一。源之一。 由于直接工作于大氣中，表面升華較大，需由于直接工作于大氣中，表面升華較大，需要給裝有硅碳棒的護罩通以冷水，以冷卻電要給裝有硅碳棒的護罩通以冷水，以冷卻電極。制作工藝簡單，價格也較低。極。制作工藝簡單，價格也較低。223.4 鎢帶燈鎢帶燈23 是廣為使用為紅外輻射源。常用于紅外輻射是廣為使用為紅外輻射源。常用于紅外輻射測量，作為測量，作為3um以下的近紅外輻射源使用。以下的近紅外輻射源使用。 與日常照明用的鎢絲燈一樣，鎢帶燈也是通與日常照明用的鎢絲燈一樣，鎢帶燈也是通電加熱鎢帶而發(fā)光的。電加熱鎢帶而發(fā)光的。 鎢帶的典型尺寸為寬約鎢帶的典型尺

14、寸為寬約2mm，厚約，厚約0.02mm，長約長約20mm。真空泡時可工作于。真空泡時可工作于1100C，充充惰性氣體惰性氣體(如氬氣等如氬氣等)可工作于可工作于2700度。度。 工作電壓一般為工作電壓一般為1020V，工作電流約，工作電流約20A。 由于玻璃罩的存在由于玻璃罩的存在(不透大于不透大于4um輻射輻射)，一，一般工作波長范圍為般工作波長范圍為0.53um(近紅外近紅外)。243.5 汞燈汞燈25 是光學實驗室中常用的一種輻射源。是光學實驗室中常用的一種輻射源。 相對于前面介紹的輻射源相對于前面介紹的輻射源(能斯特燈、硅碳能斯特燈、硅碳棒、鎢帶燈等棒、鎢帶燈等)，汞燈是一種氣體輻射源

15、。，汞燈是一種氣體輻射源。是利用汞蒸氣放電發(fā)光而制成的輻射源。是利用汞蒸氣放電發(fā)光而制成的輻射源。 按燈內(nèi)汞蒸氣壓的不同，可分為低壓、高壓按燈內(nèi)汞蒸氣壓的不同，可分為低壓、高壓和超高壓三種。和超高壓三種。汞燈的紅外輻射譜線波長汞燈的紅外輻射譜線波長263.6 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是光電子技術(shù)領(lǐng)域中重要的發(fā)光器件之發(fā)光二極管是光電子技術(shù)領(lǐng)域中重要的發(fā)光器件之一。一。 這類輻射源是在半導體這類輻射源是在半導體p-n結(jié)通以正向電流時，注結(jié)通以正向電流時，注入載流子，并利用注入載流子復合而發(fā)光的器件。入載流子，并利用注入載流子復合而發(fā)光的器件。屬于非熱輻射輻射源。屬于非熱輻射輻射源。 可工

16、作于可見光波段，也可工作于紅外波段?？晒ぷ饔诳梢姽獠ǘ?，也可工作于紅外波段。 砷化鎵砷化鎵(GaAs)的禁帶寬度為的禁帶寬度為1.43eV，則電子和空穴復合時，則電子和空穴復合時發(fā)光的峰值在發(fā)光的峰值在900nm940nm的近紅外波段。的近紅外波段。 特點是當譜帶窄，在特點是當譜帶窄，在30nm50nm之間。時間響應短之間。時間響應短(1us)，體積小，體格便宜。，體積小，體格便宜。 工作電壓工作電壓1.22V，電流，電流20100mA。驅(qū)動方式有交。驅(qū)動方式有交流、直流和脈沖三種。流、直流和脈沖三種。273.7 紅外激光器紅外激光器 激光器是激光器是20世紀世紀60年代發(fā)展起來的一種新型年代

17、發(fā)展起來的一種新型光源。與普通光源相比，激光具有方向性好、光源。與普通光源相比，激光具有方向性好、亮度高、單色性和相干性好等特性。激光器亮度高、單色性和相干性好等特性。激光器的出現(xiàn)從根本上突破了以往普通光源的種種的出現(xiàn)從根本上突破了以往普通光源的種種局限性（如亮度低、方向性和單色性差等），局限性（如亮度低、方向性和單色性差等），賦予古老光學技術(shù)以新的生命力，產(chǎn)生了許賦予古老光學技術(shù)以新的生命力，產(chǎn)生了許多新的分支學科，如全息照相、光信息處理、多新的分支學科，如全息照相、光信息處理、非線性光學等。非線性光學等。 紅外波段的激光器，已成為紅外技術(shù)中的重紅外波段的激光器，已成為紅外技術(shù)中的重要輻射源

18、，并在紅外通訊、主動式紅外雷達，要輻射源，并在紅外通訊、主動式紅外雷達，測距，目標顯示等紅外系統(tǒng)中得到了廣泛應測距，目標顯示等紅外系統(tǒng)中得到了廣泛應用。用。28 激光器的分類：激光器的分類： 按工作物質(zhì)分類：按工作物質(zhì)分類： 氣體激光器氣體激光器 液體激光器液體激光器 固體激光器固體激光器 半導體激光器半導體激光器 按工作方式分類：按工作方式分類： 連續(xù)激光器連續(xù)激光器 脈沖激光器脈沖激光器 氣體激光器的增益介質(zhì)是氣態(tài)的，特點：氣體激光器的增益介質(zhì)是氣態(tài)的，特點： 1、發(fā)射波長范圍大，視不同介質(zhì)，能輸出、發(fā)射波長范圍大，視不同介質(zhì)，能輸出110nm1.8mm波長的激光。波長的激光。 He-Ne

19、激光器：激光器：0.63um CO2激光器：激光器：10.6um 2、時間相干性和空間相干性居各類激光器之首。、時間相干性和空間相干性居各類激光器之首。29 固體激光器是利用摻在晶體或玻璃中的少量固體激光器是利用摻在晶體或玻璃中的少量離子作為增益介質(zhì)。特點：離子作為增益介質(zhì)。特點： 1、結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用，輸出功率高。、結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用，輸出功率高。 紅寶石紅寶石(Al2O3)激光器：波長激光器：波長694.3nm，功率可達，功率可達103W以上。以上。 摻釹的釔鋁石榴石摻釹的釔鋁石榴石(YAG)激光器，波長激光器，波長1.06um，功率，功率可達可達MW量級。量級。 2、單色性和指向性不如

20、氣體激光器。、單色性和指向性不如氣體激光器。 染料激光器的增益介質(zhì)是由能發(fā)射熒光的有染料激光器的增益介質(zhì)是由能發(fā)射熒光的有機染料分子組成。特點：機染料分子組成。特點： 染料分子的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的吸收光譜染料分子的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的吸收光譜幾乎是連續(xù)譜，寬度可達幾十納米。可調(diào)染料激幾乎是連續(xù)譜，寬度可達幾十納米?？烧{(diào)染料激光器是分光技術(shù)中的重要光源。光器是分光技術(shù)中的重要光源。30 半導體激光器中光增益是通過半導體的導帶與價帶半導體激光器中光增益是通過半導體的導帶與價帶之間的電子的受激躍遷實現(xiàn)的，其發(fā)發(fā)射波長因半之間的電子的受激躍遷實現(xiàn)的，其發(fā)發(fā)射波長因半導體材料的不同而不同。導體

21、材料的不同而不同。 GaAs激光器：波長激光器：波長0.85um，功率在，功率在mW量級。量級。 特點：體積小，時間響應短。是光通訊中的重要光源。特點：體積小，時間響應短。是光通訊中的重要光源。 激光器的三個重要組成部分：激光器的三個重要組成部分： 工作物質(zhì)：工作物質(zhì)： 用來在特定能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激發(fā)射。用來在特定能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激發(fā)射。 泵浦裝置泵浦裝置 用來激勵工作物質(zhì)，使其產(chǎn)生并維持特定能級間的粒子數(shù)反用來激勵工作物質(zhì)，使其產(chǎn)生并維持特定能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和相應的受激發(fā)射。轉(zhuǎn)和相應的受激發(fā)射。 光學諧振腔光學諧振腔 其作用是保證受激發(fā)射光子在腔內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的激光振蕩

22、，此其作用是保證受激發(fā)射光子在腔內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的激光振蕩，此外還對振蕩光子的特征（頻率、方向等）加以限制，以保證外還對振蕩光子的特征（頻率、方向等）加以限制，以保證激光輸出的高方向性和高單色性。激光輸出的高方向性和高單色性。313.8 太陽輻射太陽輻射 太陽是太陽是G類星體，是人類研究最多、最早的輻射源。類星體，是人類研究最多、最早的輻射源。在紅外輻射測量中，如是不是研究太陽本身的輻射，在紅外輻射測量中，如是不是研究太陽本身的輻射，則太陽輻射就屬于背景干擾。則太陽輻射就屬于背景干擾。 如圖為太陽的輻射光譜（太陽的溫度約為如圖為太陽的輻射光譜（太陽的溫度約為6000K，峰值輻射出現(xiàn)在峰值輻射出現(xiàn)在0

23、.48um處）。處）。 太陽近一半的能量在紅外波段，太陽近一半的能量在紅外波段，40%在可見波段，在可見波段，10%在紫外和在紫外和X射線波段。射線波段。 應注意，太陽在地球表面的照度約為應注意，太陽在地球表面的照度約為0.09W/cm2，而許多紅外系統(tǒng)設(shè)計用于探測而許多紅外系統(tǒng)設(shè)計用于探測10-10 W/cm2或更低照或更低照度的目標，所以，對太陽度的目標，所以，對太陽“偶而一瞥偶而一瞥”，可能造成，可能造成嚴重過載，甚至使系統(tǒng)遭受永久性損傷。嚴重過載，甚至使系統(tǒng)遭受永久性損傷。32太陽的輻射在經(jīng)過大氣時，由于大氣中各成分的吸收和散射，能到達地面的輻射大都在0.33um波段。另外太陽在地面產(chǎn)

24、生的輻照度隨季節(jié)、地理區(qū)域、云量和大氣狀況的不同，在很大范圍內(nèi)變化。3.9 月球月球 月球的輻射為自身輻射與對太陽輻射的反射月球的輻射為自身輻射與對太陽輻射的反射所組成。所組成。 月球可以看成一個溫度為月球可以看成一個溫度為400K的絕對黑體，的絕對黑體，其自身輻射的峰值波長為其自身輻射的峰值波長為7.2um。 月球表面的反射系數(shù)隨波長的延伸而增大，月球表面的反射系數(shù)隨波長的延伸而增大，因而光譜輻射度曲線的最大值向長波段移動。因而光譜輻射度曲線的最大值向長波段移動。在月球自身輻射和對太陽輻射反射綜合作用在月球自身輻射和對太陽輻射反射綜合作用下，月球表面輻射度的最大值出現(xiàn)在下，月球表面輻射度的最

25、大值出現(xiàn)在0.54um處，其輻亮度小于處，其輻亮度小于500W.m-2.sr-1。3.10地球地球 地球的輻射與地球的輻射與280K的灰體類似，其自發(fā)輻射峰值波長的灰體類似，其自發(fā)輻射峰值波長大約為大約為10um。地球上溫度分布隨季節(jié)、地理位置、氣。地球上溫度分布隨季節(jié)、地理位置、氣象等的不同而不同。大致在象等的不同而不同。大致在200K300K之間。之間。 白天，地球的輻射包含反射或散射太陽的輻射和自身白天，地球的輻射包含反射或散射太陽的輻射和自身的輻射。在的輻射。在34um波段，含有水汽、波段，含有水汽、CO2、臭氧等的大、臭氧等的大氣的自發(fā)輻射與對太陽的散射的輻亮度幾乎相同。這氣的自發(fā)輻

26、射與對太陽的散射的輻亮度幾乎相同。這樣，地球表面的光譜分布存在兩個峰值，短波峰值樣，地球表面的光譜分布存在兩個峰值，短波峰值（約為（約為0.5um）是由于對太陽光的散射產(chǎn)生的，長波峰）是由于對太陽光的散射產(chǎn)生的，長波峰值（約值（約10um）是地球的熱輻射所致，而輻射的最小值）是地球的熱輻射所致，而輻射的最小值出現(xiàn)在兩峰值之間的出現(xiàn)在兩峰值之間的34um波段。波段。 天黑后或夜間，遠處地表面的反射輻射就觀察不到。天黑后或夜間，遠處地表面的反射輻射就觀察不到。天將亮時，輻射增強，而當太陽光射線方向與觀察方天將亮時，輻射增強，而當太陽光射線方向與觀察方向重合時，輻射達到最大值。日落后，輻射便迅速減向重合時，輻射達到最大值。日落后，輻射便迅速減弱，此時的光譜分布相當于地球環(huán)境溫度的灰體的光弱，此時的光譜分布相當于地球環(huán)境溫度的灰體的光譜分布。譜分布。3.11人體人體 人體是一個絕對溫度為人體是一個絕對溫度為310K的輻射體。峰值波長大的輻射體。峰值波長大約在