红外技术-第三章-红外辐射源分解

1 第三章红外辐射源 信息科学与工程学院冯传胜Email fcs 下载 Http fcs 2 原则上说 凡是温度高于绝对0度的物体都是红外辐射源 可分为人工辐射源和自然辐射源 又可分为相干辐射源和非相干辐射源 本章主要介绍红外辐射实验或红外技术研究中常用的辐射源 3 本章目录 3 1黑体3 2能斯特灯3 3硅碳棒3 4钨带灯3 5汞灯3 6发光二极管3 7红外激光器3 8太阳辐射3 9月球3 10地球3 11人体 4 3 1黑体 BlackBody 5 3 1 1理想黑体理想黑体 黑体的吸收率 1物体发射率定义为光谱发射率定义为根据基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律的另一描述形式 任何物体的发射率等于它在相同温度和相同条件下的吸收率 M T T温度下的辐射度 Mb T 黑体在T温度下的辐射度 灰体 灰体的发射率 也是与温度和波长无关的常数 只不过 1 辐射体分为三类黑体灰体 实际黑体可看作发射率接近于1的灰体 自然界中 大地 空间背景 人体 皮肤 无动力空间飞行器 喷气式飞机尾喷管等辐射体都可看作灰体 选择性辐射体发射率不是常数 与波长有关 是波长的函数 三者发射率的比较 如图 8 3 1 2实际黑体一 实际黑体的发射率吸收率 接近于1 用其作为标准来校正其它红外辐射源或红外系统 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础 主要有古费 Gouff 理论 德法斯 Devos 理论等 Gouff 在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式 其中 是腔内表面的发射率 A是开孔面积 St是腔体内表面总面积 包括A F x 是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值 9 常用的腔型有 球型腔 锥型腔 柱型腔 设g R L 1为腔的几何因子 则锥型腔 柱型腔 球型腔 10 可见 L R一定时 比较A St 球形腔最小 圆锥腔最大 而圆柱腔居中 1 g 11 将F x 用A S0表示 则实际黑体的发射率公式可以写成其中 12 曲线表示了与A St的关系 13 利用上面两图可计算实际黑体的发射率 1 由黑体的L R从图A中得到A St的值 如设为圆锥腔L R 20 查图得A St 0 05 2 由图B查找相应的设材料的发射率为0 5 则 0 95 3 由图A得到K的值由于L R 1 则A S0的值与球形腔的A St的值相同 则K表达式中的 A St A S0 的值则为图上两曲线的差值 对于本例约为0 047 则 4 计算黑体的有效发射率 A B 14 二 实际黑体的结构及分类实际黑体 俗称黑体炉 其结构如图 结构组成 黑体芯子加热绕阻测量与控制腔体温度的温度计和温度控制器 15 按其工作温度来分可分为三类 低温黑体 小于100 C中温黑体 100 1000 C高温黑体 1000 C以上 设计制作黑体时应考虑以下问题 1 腔形的选择球型 锥型 柱型2 对腔芯材料的选择 好的热导率 高的抗氧化能力或氧化层不易脱落 高发射率 低于600K可选用铜 1400K以下可选用铬镍不锈钢 高于1400K用石墨或陶瓷 3 腔体的等温加热加热绕阻或热管4 腔体的温度控制和测量5 降低黑体前表面的辐射加限制光阑 16 三 等效辐射设图中虚线为 光轴 光阑孔面积为As 其法线与光轴的夹角为 s 探测器接收辐射面面积为Ad 其法线与光轴的夹角为 d 则 黑体辐射经光阑后的辐射强度 黑体在探测器表面产生的辐照度 探测器接收辐射功率 s d 0 l 17 四 黑体的鉴定对于实际的黑体 要根据有关热辐射理论 按各项技术指标 认真地进行鉴定 以确定它与理想黑体的偏离程度 首先 从理论上 根据相关理论 由腔体的形状 尺寸及温场分布来计算它的发射率 以估计它与理想黑体的偏离程度 其次 对其性能进行实际测试 首先 检测黑体腔内温度的均匀程度 1K 其次 检测温度其稳定性 0 5K 4h 第三 检测实际黑体与斯帝芬 玻尔兹曼定律的符合程度 测量探测器信号与As的关系测量探测器信号与l2的关系测量探测器信号与T4的关系性能较好的黑体应得到很好的线性关系 尤其2 3 通过测量其斜率可得到 的实验值 可将其与斯帝芬 玻尔兹曼常数比较 考虑到环境温度T0 则探测器上接收到的黑体的辐射功率为 18 3 2能斯特灯 NernstLamp 19 常用作红外分光光度计的光源 能斯特灯是由氧化锆 氧化钍 氧化钇或氧化铍的混合物烧结成的一种很脆的空心圆柱体或圆棒 两端以铂丝作为电源的引出线 典型尺寸为长30mm 直径1 3mm 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐射源 它有寿命长 工作温度高 黑体特性好和不需要水冷等特性 主要缺点是机械强度低 稍受压 就会损坏 恒流电源供电 工作电流0 3 0 6A 工作温度 1700K 1800K 20 3 3硅碳棒 Globar 21 用碳化硅 SiC 做成的圆棒 作为辐射测量的辐射源时 不能含有杂质 作为红外辐射源用的硅棒 典型尺寸为长5 10cm 直径为5mm 工作电源为50V 工作电流为3 5A 硅碳棒也是分光计和红外光谱仪中常用的光源之一 由于直接工作于大气中 表面升华较大 需要给装有硅碳棒的护罩通以冷水 以冷却电极 制作工艺简单 价格也较低 22 3 4钨带灯 23 是广为使用为红外辐射源 常用于红外辐射测量 作为3um以下的近红外辐射源使用 与日常照明用的钨丝灯一样 钨带灯也是通电加热钨带而发光的 钨带的典型尺寸为宽约2mm 厚约0 02mm 长约20mm 真空泡时可工作于1100 C 充惰性气体 如氩气等 可工作于2700度 工作电压一般为10 20V 工作电流约20A 由于玻璃罩的存在 不透大于4um辐射 一般工作波长范围为0 5 3um 近红外 24 3 5汞灯 25 是光学实验室中常用的一种辐射源 相对于前面介绍的辐射源 能斯特灯 硅碳棒 钨带灯等 汞灯是一种气体辐射源 是利用汞蒸气放电发光而制成的辐射源 按灯内汞蒸气压的不同 可分为低压 高压和超高压三种 汞灯的红外辐射谱线波长 26 3 6发光二极管 发光二极管是光电子技术领域中重要的发光器件之一 这类辐射源是在半导体p n结通以正向电流时 注入载流子 并利用注入载流子复合而发光的器件 属于非热辐射辐射源 可工作于可见光波段 也可工作于红外波段 砷化镓 GaAs 的禁带宽度为1 43eV 则电子和空穴复合时发光的峰值在900nm 940nm的近红外波段 特点是当谱带窄 在30nm 50nm之间 时间响应短 1us 体积小 体格便宜 工作电压1 2 2V 电流20 100mA 驱动方式有交流 直流和脉冲三种 27 3 7红外激光器 激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型光源 与普通光源相比 激光具有方向性好 亮度高 单色性和相干性好等特性 激光器的出现从根本上突破了以往普通光源的种种局限性 如亮度低 方向性和单色性差等 赋予古老光学技术以新的生命力 产生了许多新的分支学科 如全息照相 光信息处理 非线性光学等 红外波段的激光器 已成为红外技术中的重要辐射源 并在红外通讯 主动式红外雷达 测距 目标显示等红外系统中得到了广泛应用 28 激光器的分类 按工作物质分类 气体激光器液体激光器固体激光器半导体激光器按工作方式分类 连续激光器脉冲激光器气体激光器的增益介质是气态的 特点 1 发射波长范围大 视不同介质 能输出110nm 1 8mm波长的激光 He Ne激光器 0 63umCO2激光器 10 6um2 时间相干性和空间相干性居各类激光器之首 29 固体激光器是利用掺在晶体或玻璃中的少量离子作为增益介质 特点 1 结构紧凑 牢固耐用 输出功率高 红宝石 Al2O3 激光器 波长694 3nm 功率可达103W以上 掺钕的钇铝石榴石 YAG 激光器 波长1 06um 功率可达MW量级 2 单色性和指向性不如气体激光器 染料激光器的增益介质是由能发射荧光的有机染料分子组成 特点 染料分子的电子从基态跃迁到激发态的吸收光谱几乎是连续谱 宽度可达几十纳米 可调染料激光器是分光技术中的重要光源 30 半导体激光器中光增益是通过半导体的导带与价带之间的电子的受激跃迁实现的 其发发射波长因半导体材料的不同而不同 GaAs激光器 波长0 85um 功率在mW量级 特点 体积小 时间响应短 是光通讯中的重要光源 激光器的三个重要组成部分 工作物质 用来在特定能级间实现粒子数反转并产生受激发射 泵浦装置用来激励工作物质 使其产生并维持特定能级间的粒子数反转和相应的受激发射 光学谐振腔其作用是保证受激发射光子在腔内产生持续的激光振荡 此外还对振荡光子的特征 频率 方向等 加以限制 以保证激光输出的高方向性和高单色性 31 3 8太阳辐射 太阳是G类星体 是人类研究最多 最早的辐射源 在红外辐射测量中 如是不是研究太阳本身的辐射 则太阳辐射就属于背景干扰 如图为太阳的辐射光谱 太阳的温度约为6000K 峰值辐射出现在0 48um处 太阳近一半的能量在红外波段 40 在可见波段 10 在紫外和X射线波段 应注意 太阳在地球表面的照度约为0 09W cm2 而许多红外系统设计用于探测10 10W cm2或更低照度的目标 所以 对太阳 偶而一瞥 可能造成严重过载 甚至使系统遭受永久性损伤 32 太阳的辐射在经过大气时 由于大气中各成分的吸收和散射 能到达地面的辐射大都在0 3 3um波段 另外太阳在地面产生的辐照度随季节 地理区域 云量和大气状况的不同 在很大范围内变化 3 9月球 月球的辐射为自身辐射与对太阳辐射的反射所组成 月球可以看成一个温度为400K的绝对黑体 其自身辐射的峰值波长为7 2um 月球表面的反射系数随波长的延伸而增大 因而光谱辐射度曲线的最大值向长波段移动 在月球自身辐射和对太阳辐射反射综合作用下 月球表面辐射度的最大值出现在0 54um处 其辐亮度小于500W m 2 sr 1 3 10地球 地球的辐射与280K的灰体类似 其自发辐射峰值波长大约为10um 地球上温度分布随季节 地理位置 气象等的不同而不同 大致在200K 300K之间 白天 地球的辐射包含反射或散射太阳的辐射和自身的辐射 在3 4um波段 含有水汽 CO2 臭氧等的大气的自发辐射与对太阳的散射的辐亮度几乎相同 这样 地球表面的光谱分布存在两个峰值 短波峰值 约为0 5um 是由于对太阳光的散射产生的 长波峰值 约10um 是地球的热辐射所致 而辐射的最小值出现在两峰值之间的3 4um波段 天黑后或夜间 远处地表面的反射辐射就观察不到 天将亮时 辐射增强 而当太阳光射线方向与观察方向重合时 辐射达到最大值 日落后 辐射便迅速减弱 此时的光谱分布相当于地球环境温度的灰体的光谱分布 3 11人体 人体是一个绝对温度为310K的辐射体 峰值波长大约在9 3um 属于中红外波段 人体皮肤的发射率很高 在波长4um以上约为0 99 在正常室温下 21 C 下 裸露皮肤的温度约为32 C 在皮肤32 C下 裸露男子的平均发射强度约为93 5W sr 1 忽略大气衰减的情况下 在304米外 产生的辐照度约为10 3W m 2 其中 约32 的能量在8 13um波段 穿上衣服后辐射能有所下降 人体的发射本领与人种与肤色无关 利用人体皮肤辐射红外能本领的特点 可进行热释电红外探测和控制 被广泛胜于军事或民用等产品或装备上