第九章 光源和光探测器.ppt

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 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辐射度量和光度量 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 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 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 I d dt 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 B d d dscos I dscos 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 单位 瓦 米2 W m2 光谱辐出度r 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 R d ds 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d 则面积ds的辐照度定义为 单位 瓦 米2 W m2 R d ds 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 555nm 最小 而对其它波长的光所需的辐射通量 则较大 我们定义光视效率V 为 光视效率V 是用来表示人眼对各种波长光的相对灵敏度的物理量 V 555 白天 555nm夜晚 507nmV 1 光谱光视效率 V KmV 光视效能K 定义为波长为 的光通量 V 与相应辐射通量 的比值 K V 当 555nm K 有最大值 Km 683lm W 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 的辐射通量为 对应的光通量为 V 则两者的关系为 1W 683V lm 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 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 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与光谱吸收率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 其中 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 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 测定黑体辐出度的实验简图 A为黑体 B1PB2为分光系统 C为热电偶 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 在波长较短 温度较低时与实验结果相符 2 瑞利 金斯公式 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