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第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 自由电子激光武器 葡萄牙建世界上最大太阳能发电厂 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 对于光辐射的探测和计量 存在辐射度单位和光度单位两套不同的体系 辐射量 特点 只与辐射客体有关基本量 辐射通量 辐射能 单位 W或J s J适应范围 整个电磁波段 光度量 特点 与人眼的视觉特性有关基本量 发光强度单位 Cd适应范围 可见光 波长范围为380 780nm纳米 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 1 辐射能 Qe 以辐射形式发射或传输的电磁波能量 单位是焦耳 J 下标e表示辐射度物理量下标 表示光度物理量 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 1 辐射能 Qe 以辐射形式发射或传输的电磁波能量 单位 焦耳 J 2 辐射通量 e 单位时间内流过的辐射能量 又称辐射功率 单位 瓦特 W 焦耳 秒 J s 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 3 辐射出射度 Me 辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量 反映物体的辐射能力 单位 瓦特 米2 W m2 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 3 辐射出射度 Me 辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量 反映物体的辐射能力 单位 瓦特 米2 W m2 4 辐射强度 Ie 点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量 单位 瓦特 球面度 1 W sr 1 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 3 辐射出射度 Me 辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量 反映物体的辐射能力 单位 瓦特 米2 W m2 4 辐射强度 Ie 点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量 单位 瓦特 球面度 1 W sr 1 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 5 辐射亮度 Le 辐射亮度是描述扩展源最重要 最常用的物理量 其定义为 扩展源在某一方向的辐射亮度 就是扩展源在该方向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量 单位 瓦特 球面度 1 米2 W sr m2 可见辐射亮度是均匀的 余弦辐射体 余弦辐射体的亮度 一般辐射体的辐射强度与空间方向有关 若辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足dIe dIe0cos Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度 则称为余弦辐射体 第1章光电技术基础1 1光辐射的度量 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 6 辐射照度 Ee 照射在接收面元上的辐射通量d e与该面元的面积dA之比 单位 瓦特 米2 W m2 均匀点光源在空间中任一点的辐射照度与辐射强度成正比 与距离平方成反比 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 1辐射量 7 单色辐射度量 光谱辐射分布 辐射量在波长 处的单位波长间隔内的大小 又叫辐射量的光谱密度 是辐射量随波长的变化率 如 单色辐射通量 如 单色辐射出射度 1 辐射能 Qe 以辐射形式发射或传输的电磁波能量 单位 焦耳 J 2 辐射通量 e 单位时间内流过的辐射能量 又称辐射功率 单位 瓦特 W 焦耳 秒 J s 3 辐射出射度 Me 辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量 反映物体的辐射能力 单位 瓦特 米2 W m2 4 辐射强度 Ie 点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量 单位 瓦特 球面度 1 W sr 1 5 辐射亮度 Le 扩展源在某一方向的辐射亮度 就是扩展源在该方向上的单位投影面积向单位立体角发射的辐射通量 单位 W sr m2 6 辐射照度 Ee 照射在接收面元上的辐射通量d e与该面元的面积dA之比 单位 瓦特 米2 W m2 7 单色辐射度量 单位波长间隔内对应的辐射度量 1 2 1辐射量 1 2 2光度量 1 人眼的视觉特性 1 人眼能在相当大的视场亮度范围内适应 2 人眼的视细胞有椎状细胞和杆状细胞两种 3 人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度 4 人眼具有有限的分辨力 并且与视角有关 第1章光辐射与发光源1 2辐射度学与光度学基本知识 1 2 2光度量 2 光度量单位体系光度量单位体系是一套反映视觉亮暗特性的辐射计量单位 对应辐射度学的基本单位 光度学中分别如下单位描述 辐射能 Qe 辐射通量 e 辐射出射度 Me 辐射强度 Ie 辐射亮度 Le 辐射照度 Ee 光量 Q 光通量 光出射度 M 发光强度 I 光 亮度 L 光 照度 E 光度量的所有单位是由光强度的基本单位推导出来的 CIPM规定 光强度的单位是坎德拉 Cd 其定义是 一个光源发出频率为540 1012Hz的单色辐射 若在一定方向上的辐射强度为1 683W sr 1 则该光源在该方向上的光强度为1Cd 3 辐射度量与光度量之间的关系 单色光视效能 K 同一波长下测得的光度量与辐射度量之比 单位 流明 瓦 1 单色光视效率 V 又称相对光谱光视效率 光视效率 K 因此 下节课内容基础知识 原教材 热辐射基本定律光频电磁波的基本理论和定律 第1章光辐射与发光源1 3热辐射基本定律 热辐射 物体因温度而辐射能量的现象 热辐射是自然界中普遍存在的现象 辐射能是由原子 分子的热运动能量转变而来的 热辐射光源 使发光物体升温到足够高而发光的光源 在辐射过程中不改变自身的原子 分子的内部状态 辐射光谱是连续光谱 第1章光辐射与发光源1 3热辐射基本定律 1 3 1单色吸收比和单色反射比1 吸收比 反射比 透射比t单色吸收比 单色反射比 单色透射比无透射时 2 黑体 对任何波长的辐射能的吸收比都等于1 第1章光辐射与发光源1 3热辐射基本定律 1 3 2基尔霍夫辐射定律在同样的温度下 各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等 并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度 第1章光辐射与发光源1 3热辐射基本定律 黑体特征 强吸收体强热辐射能力黑体的辐射随温度和波长变化 遵从普朗克公式 第1章光辐射与发光源1 3热辐射基本定律 黑体特征 强吸收体强热辐射能力黑体的辐射随温度和波长变化 遵从普朗克公式 黑体是一种理想热辐射源 h 6 626196 10 23瓦 秒2 为普朗克常数 c 2 997925 1010厘米 秒 1 为真空中光速 k 1 380622 10 23瓦 秒 K 1 为玻尔兹曼常数 为波长 c1 2 hc2 3 741844 10 12瓦 厘米2 为第一辐射常数 c2 ch k 1 438833厘米 K 为第二辐射常数 1 3 3普朗克公式黑体处于温度T时 在波长 处的单色辐射出射度为 MeB T 随 连续变化 曲线只有一个极大值 T愈高 MeB T 也愈大 不同温度的曲线永不相交 曲线下的面积是 T4 随着温度T的升高 辐射极大值所在位置 m移向短波方向 波长小于 m部分的能量占25 波长大于 m部分的能量占75 瑞利 琼斯公式 波长很大时 维恩公式 波长很小时 维恩位移定律 单色辐射出射度最大值对应的波长 m由确定 由 得 式中T为物体温度 单位为K max为与物体辐射能量密度最大峰值对应的波长 显然 随着物体温度的升高 峰值波长将变短 通常我们接触的物体 如人体 地球大气 冰等的峰值波长在8 12 m之间 100 时 m 7 76 m 400 时 m 4 30 m 600 时 m 3 32 m 1000 时 m 2 10 m 1600 时 m 1 54 m 思考 6000 时 酒精灯的颜色 人体的辐射 斯特藩 玻尔兹曼定律 黑体的辐射出射度为 式中 斯蒂芬 玻尔兹曼定律指出 物体辐射的能量密度与其自身的热力学温度 T 的四次方成正比 因此温度升高时 辐射出射度迅速增加 为玻尔兹曼常数 黑体的温度决定了它的辐射光谱分布 以黑体作为标准光源 其他热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色最为相近 则黑体的这一温度称为该热辐射光源的色温 色温与相关色温 黑体 选择体 灰体 结构 小孔空腔结构 有绝热层 测温传感器和控温装置 用途 常用作标准光源 黑体 1 人体皮肤的温度约为35 C 试求人体皮肤辐射最强的波长 2 用辐射高温计测得炉壁小孔的幅出度为22 8W cm2 试求炉内温度 1 人体皮肤的温度约为35 C 试求人体皮肤辐射最强的波长 2 用辐射高温计测得炉壁小孔的幅出度为22 8W cm2 试求炉内温度 第1章光辐射与发光源1 6光频电磁波的基本理论和定律 光波的电磁场理论相速度和群速度光波在各向同性介质表面上的反射与折射 麦克斯韦电磁理论 积分形式 微分形式 1 6 1光波的电磁场理论 麦克斯韦电磁理论 积分形式 微分形式 电磁波在介质分界面上传播的时候 由上方程组可推出界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系 即边界条件 1 6 1光波的电磁场理论 麦克斯韦电磁理论 积分形式 微分形式 如果考虑远离辐射源 不存在自由电荷和传导电流的区域 波动方程 1 6 1光波的电磁场理论 在光电子技术中 一般只考虑电磁场中的E矢量 因为引起生理视觉效应 光化学效应 光电效应的主要是E矢量 1 6 1光波的电磁场理论 波动方程的解 几种特殊形式的光波 平面波解 波动方程 球面波解 柱面波解 高斯光束 1 6 1光波的电磁场理论 光波速度和介质的折射率 平面波解 波动方程 光速 折射率 1 6 1光波的电磁场理论 能流密度 坡因廷矢量 若场强E E0sin t 1 6 1光波的电磁场理论 1 6 2光波场的时域频率特性 1 单色光 指数形式 1 6 2光波场的时域频率特性 2 复色光 实际光源发出的复色光波可近似看做时间有限的等幅振荡或衰减振荡 时间有限的等幅振荡 衰减振荡 1 6 2光波场的时域频率特性 3 准单色光 以下情况可以认为是准单色光 对于中心频率为 0的振荡 若振幅随时间的变化比振荡缓慢得多 持续时间较长的等幅振荡 值小的衰减振荡 对单色平面波 波速 相速 波阵面传播的速度 即单色波的等相位面传播的速度 波矢 圆频率 1 6 3相速度与群速度 相速度 假设复色光由两列单色光波组成 其振幅均为E0 频率分别为 1 0 d 2 0 d 波矢分别为 k1 k0 dk k2 k0 dk 两列波均向z方向传播 则这两列波分别为 1 6 3相速度与群速度 合成波 余弦项起调制因子的作用 即形成波包形式 图中实线表示合成波 称为波包 虚线表示合成波的振幅变化 波包上等振幅面向前推进的速度 它代表着波包具有的能量传播速度 称为群速度 1 6 3相速度与群速度 合成波 余弦项起调制因子的作用 即形成波包形式 图中实线表示合成波 称为波包 虚线表示合成波的振幅变化 波包上等振幅面向前推进的速度 它代表着波包具有的能量传播速度 称为群速度 1 6 3相速度与群速度 合成波 振幅恒定的条件为 群速度为 相速为 所以 瑞利群速公式 1 6 3相速度与群速度 瑞利群速公式的分析 1 6 3相速度与群速度 瑞利群速公式的分析 相速表征一个无穷的正弦波 其频率 振幅处处相同 这样的波是无法传递信号的 要实现信号传递 必须对波进行调制 振幅或频率的调制 不论采用哪种方式 都涉及到不止一种频率的波 任何一个实际信号总是由不止一个频率的波所组成的群波 所以群速就表示信号的传播速度 也是能量传播速度 1 6 3相速度与群速度 下节课内容光频电磁波的基本理论和定律相速度 群速度光波的横波性质和偏振态光波在各向同性介质界面上的反射和折射 1 6 4光波的横波性质和偏振态 1 平面光波的横波性质 平面光波是横波 1 6 4光波的横波性质和偏振态 1 平面光波的横波性质 因此平面光波是横电磁波 1 6 4光波的横波性质和偏振态 2 平面光波的偏振性质 光振动方向相对传播方向的不对称性质 称为光的偏振特性 完全非偏振光部分偏振光完全偏振光 光波偏振的分类和偏振度 偏振度 1 6 4光波的横波性质和偏振态 2 平面光波的偏振性质 椭圆偏振光 光振动方向相对传播方向的不对称性质 称为光的偏振特性 1 6 4光波的横波性质和偏振态 2 平面光波的偏振性质 椭圆偏振光 1 线偏振光 1 6 4光波的横波性质和偏振态 2 平面光波的偏振性质 椭圆偏振光 2 圆偏振光 右旋圆偏振光 左旋圆偏振光 1 6 4光波的横波性质和偏振态 2 平面光波的偏振性质 椭圆偏振光 3 椭圆偏振光 一般情况下 长短半轴大小取决于二分量的振幅和相位差 旋转方向只取决于相位差 右旋椭圆偏振光 左旋椭圆偏振光 1 反射和折射定律设介质1 介质2的分界面为无穷大平面 单色平面光波由1入射到2 入射波 反射波 折射波的波矢量分别为k1 k1 k2 角频率分别为 三个波分别表示为 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 1 反射和折射定律 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 2 菲涅耳公式 菲涅耳公式是用来表示反射光 折射光与入射光振幅和位相关系的一组表达式 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 由边界条件 反射定律 折射定律 可以推出如下菲涅尔公式 1 菲涅耳公式 单位时间内 入射 反射 折射光在界面处单位面积上的能量为 2 反射率和透射率 入射光中s分量和p分量的反射率和透射率分别为 2 反射率和透射率 入射光中s分量和p分量的反射率和透射率分别为 小角度 正入射 和大角度 掠入射 情况布儒斯特角全反射反射率 透射率随入射角的变化关系 反射率的大小的影响因素 2 反射率和透射率 入射光中s分量和p分量的反射率和透射率分别为 小角度 正入射 和大角度 掠入射 情况 正入射时 掠入射时 2 反射率和透射率 入射光中s分量和p分量的反射率和透射率分别为 布儒斯特角当光波以某一特定角度入射时Rp 0 即反射光中不存在p分量 2 反射率和透射率 入射光中s分量和p分量的反射率和透射率分别为 全反射n1 n2时 若入射角大于临界角 c 将发生全反射 且 反射率 透射率随入射角的变化关系 反射率大小的影响因素 3 反射光和折射光的偏振特性 完全非偏振光部分偏振光完全偏振光 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 1 光波偏振的分类和偏振度 偏振度 3 反射光和折射光的偏振特性 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 2 自然光的反射和折射特性 偏振度 反射光的偏振度 折射光的偏振度 3 反射光和折射光的偏振特性 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 2 自然光的反射和折射特性 偏振度 反射光的偏振度 折射光的偏振度 在小角度 正入射 和大角度 掠入射 情况下 Rs Rp Ts Tp 反射光和折射光仍为自然光 3 反射光和折射光的偏振特性 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 2 自然光的反射和折射特性 偏振度 反射光的偏振度 折射光的偏振度 在布儒斯特角时 反射光为完全偏振光 但折射光仍为部分偏振光 3 反射光和折射光的偏振特性 1 6 5光波在介质界面上的反射与折射 2 自然光的反射和折射特性 偏振度 反射光的偏振度 折射光的偏振度 自然光斜入射时 一般反射光和折射光都变成部分偏振光 一般反射光的偏振度大于折射光的偏振度 例1 6 1垂直入射时的反射 内反射和外反射 折射率为1 5的玻璃介质和折射率为1的空气形成一个边界 考虑光束垂直入射到此边界上所形成的反射 a 若光束由空气进入玻璃 反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少 b 若光束由玻璃进入空气 反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少 c 在上面a问的外反射中 偏振角是多少 基于这个偏振角如何制作一个使光束偏振的偏振元件 解a 由于外反射 在空气中传播的光束在玻璃表面被部分反射 则n1 1 n2 1 5 那么 这是个负数 说明产生了180o相移 则给出部分反射功率的反射比 R 为 例1 6 1垂直入射时的反射 内反射和外反射 折射率为1 5的玻璃介质和折射率为1的空气形成一个边界 考虑光束垂直入射到此边界上所形成的反射 a 若光束由空气进入玻璃 反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少 b 若光束由玻璃进入空气 反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少 c 在上面a问的外反射中 偏振角是多少 基于这个偏振角如何制作一个使光束偏振的偏振元件 解b 由于内反射 在玻璃中传播的光束在玻璃 空气边界处被部分反射 则n1 1 5 n2 1 那么 没有任何相移 反射比仍为0 04或4 在 a b 两种情况下 反射光分量相同 例1 6 1垂直入射时的反射 内反射和外反射 折射率为1 5的玻璃介质和折射率为1的空气形成一个边界 考虑光束垂直入射到此边界上所形成的反射 a 若光束由空气进入玻璃 反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少 b 若光束由玻璃进入空气 反射系数以及反射光相对于入射光的光强是分别是多少 c 在上面a问的外反射中 偏振角是多少 基于这个偏振角如何制作一个使光束偏振的偏振元件 解c 在空气中传播的光束以偏振角入射到玻璃表面 这里n1 1 n2 1 5 并且 所以 如果要使光束被玻璃板反射 保持入射角56 3o不变 那么反射光将被偏振化 它的电场分量垂直于入射面 折射光在入射面的电场更大 即它也被部分偏振化 通过使用多个玻璃板可以提高折射光的偏振效果 例1 6 2太阳能电池上的抗反