光傳感光調(diào)制

光傳感光調(diào)制第一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

何謂光調(diào)制光調(diào)制就是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上,完成這一過(guò)程的器件稱為調(diào)制器。調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變化而變化，這些參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長(zhǎng)等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測(cè)器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測(cè)出所需要的信息。第二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

§1光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)

一、微彎效應(yīng)光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)第三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日原理

利用光在微彎光纖中強(qiáng)度的衰減原理，將光纖夾在兩塊具周期性波紋的微彎析構(gòu)成的變形器中構(gòu)成調(diào)制器。從波導(dǎo)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光會(huì)有一部分泄漏到包層中去，這種泄漏是光纖內(nèi)發(fā)生模式耦合的結(jié)果，這些耦合模變?yōu)檩椛淠＃斐蓚鞑ス饽芰康膿p耗。纖芯中的光向包層逸出的原因從幾何光學(xué)來(lái)說(shuō)是由于全反射條件的破壞造成的，從波導(dǎo)理論來(lái)說(shuō)則是光纖的彎曲引起了各種傳導(dǎo)模式的耦合，則形成耦合模式被送入包層中去產(chǎn)生輻射模。第四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

微彎調(diào)制示意圖第五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日定量分析微彎效應(yīng)造成的損耗可寫(xiě)成如下形式

式中為齒距，為齒數(shù)目，為變形幅度，ａ為纖芯半徑，為光纖外半徑，為內(nèi)外層折射率差值。其中任何一個(gè)參數(shù)改變都會(huì)起到光強(qiáng)調(diào)制的作用。在實(shí)際問(wèn)題里，變形器及光纖參數(shù)全部固定時(shí)，則可認(rèn)為

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實(shí)際測(cè)量框圖利用這種調(diào)制技術(shù)可以直接測(cè)量位移的變化量(變形器上的變形板位移的大小決定光強(qiáng)的衰減程度),而間接測(cè)量的量則可包括溫度，壓力，振動(dòng)，應(yīng)變等。探測(cè)器脫模器脫模器第七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日脫模器的作用這里脫模器的作用是在進(jìn)入探測(cè)器之前消除掉進(jìn)入包層中的光以保證只有纖芯中的光才能傳到變形器和探測(cè)器。其方法是在幾厘米長(zhǎng)的包層外邊表面上刷上黑漆，這就可以幾乎完全吸收掉傳入包層中的光（或者剝?nèi)ネ獍鼘又糜谡凵渎势ヅ涞男『兄校?。第八?yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日其它類型被測(cè)物體移動(dòng)引起光纖變形，曲率半徑隨之改變，引起輻射模。第九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日其它類型將光纖繞成多圈螺旋管狀，增加變形長(zhǎng)度以提高靈敏度第十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

微彎型水聽(tīng)器多模光纖繞于帶有螺紋的鋁管螺紋谷內(nèi)不會(huì)發(fā)生變形，而通過(guò)縱向槽的那部分光纖將由于外部壓力而變形，如果這種壓力來(lái)自于聲波，則可依此原理制成水聽(tīng)器。脫模器ＬＡＳＥＲ探測(cè)器第十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、光強(qiáng)度的外調(diào)制技術(shù)上述微彎調(diào)制技術(shù)屬于內(nèi)調(diào)制，屬于功能性調(diào)制技術(shù)，它是利用光纖本身特性的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的。所謂外調(diào)制技術(shù)，是指調(diào)制環(huán)節(jié)發(fā)生在光纖以前的部分，光纖本身的性質(zhì)并不改變，它只起到傳光的作用。此時(shí)的光纖分為兩部分，即輸入光纖和輸出光纖，或發(fā)送光纖和接收光纖。

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1、反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器

a、原理由輸入光纖出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分進(jìn)入輸出光纖，進(jìn)入多少與反射面位置有關(guān)。輸入光纖輸出光纖反射面第十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

b、定量分析反射鏡面的移動(dòng)方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其背面距離處形成輸入光纖的虛象，因此，光強(qiáng)調(diào)制作用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯(lián)系的。設(shè)兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為，數(shù)值孔徑為，兩光纖垂直距離為2ａ，并定義第十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器示意圖ad2r輸出光纖輸入光纖的鏡像back第十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

檢測(cè)范圍則當(dāng)距離時(shí)，兩光纖的耦合為零，無(wú)反射光進(jìn)入輸出光纖；當(dāng)時(shí)，兩光纖耦合最強(qiáng)，輸出光強(qiáng)達(dá)最大值，此時(shí)輸入光纖的像發(fā)出的光錐底面積將輸出光纖端面積全部遮蓋，是一個(gè)常數(shù)，光錐底面積為

第十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日因此最大檢測(cè)范圍是即檢測(cè)位移的范圍在和

之間。第十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

定量計(jì)算光耦合系數(shù)如果定量計(jì)算光耦合系數(shù)，必須先計(jì)算輸入光纖像的發(fā)光錐體面積與輸出光纖端面的交疊面積，如果精確計(jì)算，則必須使用gamma方程，十分復(fù)雜。輸出光纖a輸入光纖反射型光強(qiáng)外調(diào)制傳感器示意圖第十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日如果作線性近似，即將錐體邊緣與輸出光纖芯交界的弧線作為直線處理，則可得到線性解，在線性近似下，可求得交疊面積與光錐底面積之比為

r第十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日式中為交疊面積的高，由決定：

假定反射鏡面無(wú)光吸收，兩光纖的光功率耦合效率，即為交疊面積與光維底面積之比，

的最大值發(fā)生在處。第二十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日上述關(guān)系式給出了反射式位移傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)，如果芯徑，的階躍光纖，，計(jì)算結(jié)果表明最大耦合效率發(fā)生于處。此傳感器的固有分辨率好于。第二十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

這些都是簡(jiǎn)化處理

上面的分析作了很多簡(jiǎn)化處理：除了線性假設(shè)不分，還假定了①光纖為階躍型光纖；②模譜是均勻一致的，即功率密度在光維底面上是均勻的；③反射面平行于光纖端面；④反射率為100％等。第二十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

2、遮光型光強(qiáng)外調(diào)制技術(shù)上面所言為反射式，除此之外還有遮光式，一種辦法是將發(fā)射光纖和接取光纖對(duì)準(zhǔn)，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)加在移動(dòng)的遮光板上；另一種方法是直接移動(dòng)接收光纖。這兩種方式都是使接收光纖只能收到發(fā)送光纖發(fā)出的部分光，從而實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。第二十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日遮光型光強(qiáng)外調(diào)制技術(shù)用這種辦法可以測(cè)量位移、壓力、溫度等物理量，這些物理量的變化都可使光強(qiáng)減弱由于閘式要使兩光纖距離大一些，因此光損耗較大，但它可固定兩光纖，因而使用可靠。光閘輸入光纖輸出光纖第二十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、折射率光強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)

（反射系數(shù)式光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)）

反射系數(shù)與兩介質(zhì)的折射率有關(guān)，利用折射率的變化來(lái)改變反射系數(shù)，則可達(dá)到調(diào)制光強(qiáng)的目的，下圖給出了一種典型裝置：光源探測(cè)器信號(hào)處理調(diào)制器第二十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日全反射面第二十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日調(diào)制機(jī)理由光纖左端入射的光，一部分沿光路返回到探測(cè)器。調(diào)制機(jī)理是：光纖左端有兩個(gè)反射面，其中底面的為全反射面（鍍膜而成），兩反射面搭接，斜面反射面與折射率為n3的介質(zhì)接觸，調(diào)節(jié)斜面反射鏡的角度使纖芯光經(jīng)反射后能垂直入射到全反射面上，則纖芯光入射到斜反射面時(shí)能夠部分地透射到的介質(zhì)中去，由費(fèi)涅爾公式描述：

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其中為強(qiáng)度反射系數(shù)，，為入射角?？梢?jiàn)，若介質(zhì)由于壓力或溫度的變化引起微小變化，則會(huì)導(dǎo)致反射系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)的改變，利用此原理可設(shè)計(jì)溫度或壓力傳感器。

第二十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2光偏振調(diào)制技術(shù)許多物理效應(yīng)都會(huì)影響或改變光的偏振狀態(tài)，采用這些效應(yīng)可設(shè)計(jì)偏振調(diào)制器，下面介紹一種典型效應(yīng)。第二十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日法拉弟發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下可使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)（在光的傳播方向上加上強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)）一、法拉弟效應(yīng)（磁致旋光效應(yīng)）Ｈd第三十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度由經(jīng)驗(yàn)公式給出：

式中為靜磁通量，為光所穿越的媒質(zhì)長(zhǎng)度，是比例因子，稱費(fèi)爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。第三十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日實(shí)際例子對(duì)于氣體，約為，固體和液體為的量級(jí)。如對(duì)于1厘米長(zhǎng)的樣品，高斯的磁場(chǎng)，，此時(shí)振動(dòng)面將轉(zhuǎn)動(dòng)。第三十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日顯然，法拉弟效應(yīng)可用來(lái)設(shè)計(jì)光調(diào)制器，欲提高效率必須每單位長(zhǎng)度的材料對(duì)光的吸收要盡量小，而偏振面旋轉(zhuǎn)的角度要盡量大，為此，人們研制了許多奇特的鐵磁材料，如ＬeCraw利用人工生長(zhǎng)的釔鐵石榴石（YIG）磁性晶體，它的費(fèi)爾德數(shù)可以達(dá)到(對(duì)波長(zhǎng)，溫度范圍)。第三十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日利用法拉第效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)

實(shí)驗(yàn)裝置圖

調(diào)制電流恒定磁場(chǎng)起偏器檢偏器第三十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

線偏振光從左面進(jìn)入晶體，橫向的直流磁場(chǎng)使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強(qiáng)度矢量（由恒定磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)所引起）可以改變方向，它對(duì)晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。因?yàn)榉ɡ苄D(zhuǎn)依賴于磁化強(qiáng)度的軸向分量，所以線圈電源控制了角，檢偏器把這一偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。也就是說(shuō)，要傳遞的信息作為調(diào)制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變化的形式攜帶著信息。第三十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日應(yīng)當(dāng)指出的是，應(yīng)將法拉弟旋轉(zhuǎn)和旋光性旋轉(zhuǎn)加以區(qū)別，所指旋光性旋轉(zhuǎn)，是指入射線偏振光的電場(chǎng)振動(dòng)面在旋光材料中連接地旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的一個(gè)特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)方身與傳播方向有關(guān)，當(dāng)光線正反兩次通過(guò)一個(gè)旋光性物質(zhì)時(shí)，總旋轉(zhuǎn)角度為零，而法拉弟旋轉(zhuǎn)是與光傳播方向無(wú)關(guān)的，正反兩次通過(guò)法拉弟材料后，總的旋轉(zhuǎn)角度為。法拉弟旋轉(zhuǎn)和旋光性旋轉(zhuǎn)之區(qū)別第三十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日這樣，為了獲得更大的法拉弟效應(yīng)，可以將放在磁場(chǎng)中的法拉弟材料做成平行六面體，使通光面對(duì)光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍成反射膜，只留入口和出口，這樣，若光束在其間反射次后出射，則有效旋光厚度為，則偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將提高倍。高反射膜第三十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日§3相位調(diào)制

一、

概

述利用光相位調(diào)制來(lái)測(cè)量某些物理量的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已有一百多年的歷史，不過(guò)一般以空間作為干涉光路的干涉儀體積大，環(huán)境條件要求嚴(yán)格，調(diào)整也困難，因此限制了在工業(yè)中的應(yīng)用。光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)為光學(xué)干涉儀開(kāi)辟了廣闊的天地，因?yàn)橛霉饫w代替自由空間作為干涉光路有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是減少了干涉儀安裝和校準(zhǔn)的固有困難，可使儀器小型化，塊體化。二是可以用加長(zhǎng)光纖的方法使干涉光路對(duì)環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。第三十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日相位調(diào)制是光纖傳感器中最基本的調(diào)制技術(shù)，它的靈敏度極高，據(jù)報(bào)導(dǎo)，可探測(cè)光程差引起的相位變化（對(duì)于光波），這相當(dāng)于一個(gè)原子核直徑的大小。相位調(diào)制經(jīng)常與干涉測(cè)量機(jī)并用，構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器。光纖干涉?zhèn)鞲衅鞅徽J(rèn)為是潛在開(kāi)發(fā)靈敏度最高的儀表。

概

述第三十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

二、調(diào)制原理光纖中傳導(dǎo)的光，其相位變化取決于外界物理量產(chǎn)生的光纖波導(dǎo)的下面三個(gè)參數(shù)的變化。①光纖物理長(zhǎng)度的變化（軸向應(yīng)變伸長(zhǎng)、熱膨脹引起的伸長(zhǎng)、泊松比變化引起長(zhǎng)度伸長(zhǎng)）②光纖折射系數(shù)及分布的變化（溫度引起、光彈效應(yīng)）③光纖橫截面幾何尺寸的變化（壓力、熱膨脹）第四十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日為簡(jiǎn)化分析，假定分析折射率沿其截面分布不變化，則光相位調(diào)制則只由光纖長(zhǎng)度、折射率大小和橫截面尺寸產(chǎn)生。光纖中傳播光相位變化可以表示為

―軸向長(zhǎng)度變化產(chǎn)生的相位移―折射率變化產(chǎn)生的相位移―光纖直徑變化產(chǎn)生的相位移第四十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日其中

此三個(gè)因素中產(chǎn)生的相移表達(dá)式比較復(fù)雜，與有關(guān)，其大小取決于光纖的結(jié)構(gòu)。

（為光纖軸向應(yīng)變）第四十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日外施參量與光相位的關(guān)系可由被測(cè)量產(chǎn)生的光纖參量變化來(lái)求得，下面以溫度來(lái)說(shuō)明。外施溫度對(duì)光纖的熱影響是最簡(jiǎn)單的情況。此時(shí)可只考慮溫度對(duì)長(zhǎng)度和折射率變化而忽略溫度引起的直徑變化。則第四十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

對(duì)純硅材料，熱脹溫度系數(shù)，折射率溫度系數(shù)，因此每束光纖升溫一開(kāi)的光相位移為第四十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、相位調(diào)制實(shí)用技術(shù)

1、邁克爾遜干涉儀單色光經(jīng)分束器分為光強(qiáng)相等的兩束光：一束射向固定反射鏡，然后反射到分束器，被其透射部分，由探測(cè)器接收；另一束入射到可移動(dòng)反射鏡上，然后反射回分束器，經(jīng)分束器反射的部分也傳到探測(cè)器；當(dāng)光程差小于激光器的相干長(zhǎng)度時(shí)，傳到探測(cè)器的兩束光則產(chǎn)生干涉。

第四十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日邁克爾遜干涉儀示意圖激光器固定反射鏡探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡調(diào)制器back第四十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日兩相干光的位相差為

式中為空氣中的光傳播常數(shù)，為兩相干光的光程差。第四十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

可見(jiàn)，可移動(dòng)反射鏡每移動(dòng)長(zhǎng)度，光探測(cè)器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，變化一個(gè)周期。如果使用激光，它能檢測(cè)的位移大致為，即的位移。第四十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

2.馬赫－澤德干涉儀示意圖固定反射鏡光源探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡傳感器第四十九頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

與邁克爾遜干涉儀之區(qū)別1.它沒(méi)有光返回到激光器，利于激光器減少不穩(wěn)定噪聲；2.從分束器向上也可以獲得兩束光，一為參考光的反射，一為信號(hào)光的透射，若需要，可利用這兩束光獲得第二個(gè)輸出信號(hào)。邁克圖第五十頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日固定反射鏡光源探測(cè)器可移動(dòng)反射鏡傳感器第五十一頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

3.塞格納克干涉儀

光源探測(cè)器第五十二頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日塞格納克干涉儀的特點(diǎn)

這種干涉儀的特點(diǎn)是，激光束分為反射和透射兩束沿相反方向傳播，最后匯合到分束器回到探測(cè)器。在這種干涉儀中，任何一塊反射鏡在垂直表面的方向上移動(dòng)，兩束光的光源變化皆相等，因此不會(huì)在探測(cè)器上探測(cè)到光強(qiáng)之變化。但是，當(dāng)將此裝置置于一個(gè)可繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上時(shí)，由于塞格納克效應(yīng)，兩束傳播方向相反的光就會(huì)有不同的延遲。第五十三頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日若平臺(tái)順時(shí)針?lè)较蛞运俣绒D(zhuǎn)動(dòng)，則在順時(shí)針?lè)较騻鞑サ墓廨^反時(shí)針?lè)较蜓舆t大，此相位延遲是可表為

式中―旋轉(zhuǎn)角速度，―光路圍成的面積，―光速，真空光波長(zhǎng)。這樣，通過(guò)檢測(cè)光器變化，可知旋轉(zhuǎn)速度，這種技術(shù)是設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)中環(huán)形光纖陀螺的基礎(chǔ)。第五十四頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

4.法布里—珀羅干涉儀光源傳感器探測(cè)器第五十五頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日法布里一珀羅干涉儀的特點(diǎn)

它由兩塊半透半反的平行放置的反射鏡組成，通常反射率達(dá)95％以上。激光入射干涉儀沒(méi)在兩個(gè)反鏡間做多次往返反射，透射出來(lái)的平行光束由探測(cè)器接收。它與前三種的主要區(qū)別在于前面都是雙光束干涉，此為多光束干涉，此時(shí)在探測(cè)器上觀察到的干涉光路的變化為

式中為反射率為相鄰光束間的位相差第五十六頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日可見(jiàn)，當(dāng)一定時(shí)，干涉光強(qiáng)隨而變，當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值，當(dāng)時(shí)，干涉光強(qiáng)有最小值。透射的干涉光強(qiáng)最大與最小之比為。可見(jiàn)，越大，干涉光強(qiáng)變化愈顯著，分辨率愈高，這是此技術(shù)的最大特點(diǎn)，它是最靈敏的位移測(cè)量裝置。第五十七頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日§4波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)主要是利用傳感探頭的光譜特性隨外界物理量變化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此類傳感器多為非功能型傳感器。在波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制探頭中，光纖只是簡(jiǎn)單地作為導(dǎo)光用，即把入射光送往測(cè)量區(qū)，而將返回的調(diào)制光送往分析器。第五十八頁(yè)，共六十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日能夠完全吸收投射其表面的輻射的物體稱為黑體。實(shí)驗(yàn)情況中可用空腔代替之。黑體輻射