电磁波谱与光辐射.ppt

本 章 概 述, 电磁波谱与光辐射 （1-1）掌握电磁波的性质和光辐射的特点, 辐射度学与光度学基本知识 （1-2）理解七个辐射量和光度量的概念, 热辐射基本定律 （1-3） 掌握三个定律和三个公式, 激光原理 （1-）掌握激光产生的物理机制, 典型激光器 （1-）了解几种常见激光器。,第一章 光辐射与发光源,1.1 电磁波谱和光辐射,电矢量,磁矢量,波的传播方向,1、,6、对人眼和感光仪器起作用的是 ，光波中的振动 矢量通常指,电磁波的性质：,2、 E 和 H 分别在各自平面内振动-偏振特性,3、空间各点 E和H 都作周期性变化，而且相位相同。,横波！,4、任一时刻在空间任一点， E 和H满足,5、电磁波在介质中的传播速度为,电磁波在介质中的传播速度,电磁波在真空中的传播速度，普适常数,1、在介质的界面上发生反射、折射现象,2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象, 电磁波：,3、由麦氏方程导出：,讨论：,结论：光是某一波段的电磁波,实验表明：若 为光在透明介质中的传播速度， 为透明介质的折射率，则,电磁波谱,频率与波长的关系:,-真空中的光速,光波,无线电波的应用,利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，用电子仪器对收到的信号进行处理，就可以知道被测物体的信息,红外线的应用,医疗或加热物体,紫外线的应用,小型伽玛射线探伤仪,肿瘤治疗,x射线的应用,射线的应用,以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。,光辐射,波长：10nm 1mm， 频率：31016Hz31011Hz,紫外辐射、可见光和红外辐射,辐射度学,用物理学中对电磁辐射测量的方法来描述光辐射。 研究波段包括红外、可见光、紫外线。 基本量：辐射通量（又称为辐射功率）或者辐射能，基本单位：瓦特（W）或者焦耳（J）。 辐射度学适用于整个电磁波段,1.2 辐射度学和光度学,光度学,以人的视觉为基础，对光辐射进行测量。 它只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为390770nm纳米。 基本量：发光强度，基本单位：坎德拉（cd ） 。 光度学只适用于可见光波段,立体角的定义： 一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角，用表示。,以锥体顶点为球心，任意r为半径作一球面，此锥体在球面上的截面为S，则立体角表示为,立体角单位：以锥顶为球心，以r为半径作一圆球，若锥面在原球上所截出的面积等于r2，则该立体角为一个“球面度”（sr）。 整个球面的面积为4r2, 对于整个空间有,即整个空间等于4 球面度,立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2角度覆盖整个单位圆。 在三维空间， 4的球面度立体角覆盖整个单位球面。,从一个球面上去处1球面度立体角的圆锥,计算微元立体角的几何关系,则dS对应的立体角为,微小面积,计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可, 辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内辐射体所辐射的总能量，即 单位：瓦特（W）或焦耳秒（J s）。, 辐射能：辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（J）。,1.2.1辐射度的基本物理量,表示一个辐射体辐射的强弱,（3）辐射强度：辐射体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 单位：瓦特球面度-1（W sr-1）。,辐射体在不同方向上的辐射特性用在给定方向上取立体角d，在d范围内的辐射通量为de。,表示单位立体角内发出的辐射通量,均匀点光源,（4） 辐射出射度：定义为辐射体单位面积内发出的辐射通量，假定dS微面辐射出的辐射通量为de，则A点的辐（射）出射度为 表示辐射体表面上任意一点A处的辐射强弱 辐射强度不能表示辐射体表面不同位置的辐射特性 单位：W/m2。,（5）辐射照度：如果某一物体表面被其它辐射体照射 在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即 单位：（W/m2）。,表示A点被照射的强弱,（6） 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强度除以该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。如图2所示。 式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。 单位：瓦特/球面度米2（W/sr m2）。,表示辐射体表面不同位置和不同方向上的辐射特性,单色辐射度量：对于单色光辐射，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来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足,由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。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1所示。 与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。,1.2.2 光度的基本物理量,表1：常用辐度量和光度量之间的对应关系,光视效能：光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。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 (1.2-11) 单位：流明/瓦特（lm/W）。 通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率5401012Hz（波长555nm）处，K有最大值，其数值为Km=683lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，其定义为 (1.2-12),不同光谱辐射产生的光通量,1黑体辐射,对于外来的辐射，物体有反射和吸收作用。 如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为黑体。一个开有小孔的封闭空腔可看作是黑体。,黑体辐射问题所研究的是辐射（电磁波）与周围物体处于平衡状态时能量按波长（频率）的分布。,1.3 热辐射基本定律,黑体,黑体辐射实验事实：,在 频率之间的辐射能量密度 只与空腔的温度T有关，而与空腔的形状及其组成物质无关。实验曲线：,黑体辐射,（1）维恩（Wein德国物理学家）的解释,结论: 在短波（高频）部分与实验符合得很好，但长波（低频）部分与实验不符。, 1896年, 维恩根据经典热力学得出：,短波吻合好,长波段差,获得1911年诺贝尔物理学奖,（2）瑞利金斯（Raileigh-Jeans英国物理学家）的解释,结论: 在长波（低频）部分与实验符合，短波部分不符合。此外存在“紫外光的灾难”, 1900年, 瑞利和琼斯用能量均分定理 和电磁理论(驻波法) 得出：,长波吻合好,短波段差,（3）普朗克解释（1900年）,Planck assumption:,黑体可看作一组连续振动的带电谐振子，这些谐振子的能量应取分立值，这些分立值都是最小能量的整数倍，这些分立的能量称为谐振子的能级。,Planck-德国物理学家，,可见：黑体与辐射场交换能量只能以为单位进行，亦即黑体吸收或发射电磁辐射能量的方式是不连续的，只能“量子”式地进行，每个“能量子”的能量为:,基于能量子假设，Planck利用统计物理推