第1章__光辐射与发光源2

1、第第1章章 光辐射与发光源光辐射与发光源1.1 电磁波谱与光辐射电磁波谱与光辐射 电磁波的性质与电磁波谱电磁波的性质与电磁波谱 光辐射光辐射 1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 辐射量辐射量 光度量光度量 1.3 热辐射基本定律热辐射基本定律 单色吸收比和单色反射比单色吸收比和单色反射比 基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律 普朗克公式普朗克公式 端利端利-琼斯公式琼斯公式 维思公式维思公式 维恩位移定律维恩位移定律 斯式藩斯式藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 色温色温 1.6 光频电磁波的基本理论与定律光频电磁波的基本理论与定律【本节主要内容本节主要内容】1.1 电磁波谱与光辐射

2、电磁波谱与光辐射电磁波定义、电磁波的性质光辐射定义、光波长和频率的关系，光的本质1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱电磁波的性质与电磁波谱1、电磁波定义、电磁波定义变化的电场和变化的磁场不断地交替产生由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波电磁波。【基本要求基本要求】 掌握：1）电磁波的性质；2）光波的本质；3）光波长和频率 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化磁场，而变化的磁场又要产周围空间要产生变化磁场，而变化的磁场又要产生新的变化电场。这样，变化电场和变化磁场之生新的变化电场。这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖，相互激发，交替产

3、生，并以一定速间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间度由近及远地在空间传播出去。传播出去。【例如例如】：振荡电偶极子辐射。：振荡电偶极子辐射。.qq+.qq+.q+q.q+q补充：电磁波的产生和传播补充：电磁波的产生和传播HExyzpSEEHHS.aabb电场电场磁场磁场P振荡电偶极子振荡电偶极子电磁场分布电磁场分布2、电磁波的性质、电磁波的性质性质1：E和H及波的传播方向三者构成右手螺旋系性质2：电磁波的偏振现象性质3：空间各点E和H都同时作周期性变化性质4： 且两者相位相同 性质5：在不同的介质中传播速度不同，不同的频率 传播速度不同，速度：HE注注1：能区分电磁波与

4、机械波的区别：能区分电磁波与机械波的区别注注2：能区分什么是纵波什么是横波：能区分什么是纵波什么是横波2/1)/(1V1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01mX 射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微微 波波高频电视高频电视调频广播调频广播雷达雷达无线电射频无线电射频电力传输电力传输射线射线电磁波谱电磁波谱频率频率波长波长波段（nm）名称用途10 - 5 30射线金属探伤、研究核结构10 - 4 100X射线医用、探伤、分析晶体结构100 380紫外线紫外线医用、照相制版医用、

5、照相制版380 780可见光可见光780 10 6红外线红外线雷达、光纤通信、导航雷达、光纤通信、导航10 6 10 9微波电视、雷达、无线电导航10 9 10 10米波（分米波 厘米波）调频广播、电视、导航等10 10 510 10短波无线电广播、电报通讯510 10 210 11中短波电报通讯210 11 310 12中波无线电广播310 12 310 13长波越洋长距离通讯和导航电磁波波段划分及用途 光辐射仅占电磁波谱的一小部分光辐射仅占电磁波谱的一小部分1.1.2 光辐射光辐射 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

6、。1、定义、定义2、分类、分类 按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射紫外辐射、可见光可见光和红外辐射红外辐射。3 波长与频率的关系波长与频率的关系vV4 可见光可见光 可见光是波长在390770nm范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。注：掌握波长、频率和波速的关系注：掌握波长、频率和波速的关系 光的波粒二象性光的波粒二象性光是电磁波光是粒子电磁波的表现：干涉、衍射、偏振以及散射等光是粒子：光与物质的相互作用：光的吸收、发射等（1）光的波动性光的波动性光是一种电磁波

7、：麦克斯韦（Maxwell）方程组电场磁场平面光波的波动表示式：)cos(),(rkttr0 0E EE E)cos(),(0r rk kH Hr rH Htt5 光的本质光的本质（2）光是粒子光是粒子光子- photon ：光波的能量是不连续的，具有最小能量的单元就是光量子或称为光子。光子的能量： hvE光的动量：hchvp结论1波长为 的光实际上是能量为 的光子的集合体 。 而通常人们所说的强光指的是光子数目多的光。hv210626.634hSJh常用光源：常用光源：-热光源, （白炽灯、弧光灯等）。 -气体放电光源 （低压汞灯、高压汞灯）-激光光源-原理：受激辐射-太阳-符合黑体辐射定律

8、 n度量长度用长度物理量度量长度用长度物理量米、厘米等米、厘米等n度量时间用时间物理量度量时间用时间物理量秒、分、时秒、分、时n怎样对光辐射进行度量呢？怎样对光辐射进行度量呢？ 1-1 1-1 辐射的基本概念辐射的基本概念n光辐射的探测和计量有两套体系光辐射的探测和计量有两套体系辐射度学量辐射度学量光度学量光度学量基本量辐射通量辐射通量(又称辐射功率)或者辐射能辐射能与辐射客体有关的量客观量客观量。基本单位是瓦特(W)或者焦耳(J)。辐射度学适用于整个电磁波段。基本量发光强度发光强度不是光通量视觉亮暗特性视觉亮暗特性的光辐射计量主观量主观量基本单位是坎德拉坎德拉(cd)光度学只适用于可见光波段

9、。n虽然虽然辐射度学辐射度学体系和体系和光度学光度学体系的物理体系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。号一一对应。n辐射度物理量用角标辐射度物理量用角标“e”表示表示( (emission) )n光度物理量用角标光度物理量用角标“”表示（表示（vision）下面学习这两套光辐射单位体系物理量下面学习这两套光辐射单位体系物理量。1.2 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识1辐射能定义辐射能定义1.2.1 辐射量辐射量 2辐射通量辐射通量又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量。以辐射形式发射或传输的电磁波能量。 （ ）eQ 辐射

10、度量体系各物理量的定义、光度量体系各物理量的定义单位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。dtdQee【本节主要内容本节主要内容】 3辐射出射度辐射出射度辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即：4辐射强度辐射强度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例：例： 由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是 e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度是多少？则该点辐射体在各个方向的辐射强度是多少？dSdMee单位：W/m2 ddIee单位：瓦特每球面度（W/sr）

11、SddSd图2 辐射亮度示意图5辐射亮度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通量。 coscos2dSdddSdILeee 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/srm2）。结论2一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。 有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足： 式中 是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。式代入式得到余弦辐射体的辐射亮度为： 可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。 【问问】余弦辐射体的辐射出射度为多少？余弦辐射体的辐射出射度为多少？ cos0eedIdI 0edI00eeeLdSdIL

12、 6辐射照度辐射照度在辐射接收面上的辐射照度量定义为照射在面元上的辐射通量 与该面元的面积之比。即：7单色辐射度量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。结论3在辐射度量体系中，被选作基本单位的辐射通量辐射通量 dAdEee单位：（W/m2） 0,dXXee1.2.1光度量光度量1、定义、定义光度学以人的视觉为基础，对光辐射进行测量的科学。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eeeeeeELMIQ、vvvvvvELMIQ、)()()(evf光视效能。光视效能。光视效能描述某一波长的单色光辐

13、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evK单位：流明/瓦特（lm/W）。evmmKKKV1归一化2、光谱光视效率、光谱光视效率4005006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 长(nm)光视 效 率图3 光谱光视效率曲线表1常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeeMeIeLeEeedQe/dtMe=dedSIe=d e/d Le=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/

14、srW/m2srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=v dtv=Iv dMv=dv/dS基本量Lv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lxddIvv单位：srlmcd/11关于坎德拉坎德拉： 规定：频率为 的单色辐射在给定方向上的辐射强度为 时，该方向上的发光强度为1cd，即： 时有： Hz1210540srW /6831nm555srWsrlmcdIv/683111结论4 lmW6831结论3 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。 表表2 自然光源在地球表面形成的

15、光照度自然光源在地球表面形成的光照度 自然条件照度值（Lx）自然条件照度值（Lx）直射日光（11.3）105深黄昏1完全白天光（12）104满月10-1白天（阴）103弦月10-2很暗的白天102星光10-3黄昏（黎明）10星光（阴天）10-41.3热辐射基本定律热辐射基本定律1. 单色吸收比和单色反射比单色吸收比和单色反射比吸收比：吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用 表示。)(T反射比：反射比：反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用 表示。对于不透明的物体，单色吸收比

16、和单色反射比之和等于1，即)(T1)()(TT本节知识点：本节知识点：黑体定义，维恩位移定理，斯忒藩-玻尔兹曼定理 若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体黑体（简称黑体黑体）。关于黑体：黑体： 1） 2）透射比）透射比 3）反射比）反射比 4）在热平衡下：）在热平衡下： 1)(0)(t0)(r),(),(),(TLTTMebeb),(),(TLTMebeb2. 基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律 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。即)()()()()(2211TM

17、TTMTTMbvvvvv式中 为黑体的单色辐射出射度 bvM结论结论5 强的吸收体必定是强的辐射体。黑体具有最强的辐射能力基尔霍夫基尔霍夫3、普朗克公式、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由普朗克公式给出：) 1()(/512TcbvecTM其中： ，212 hcCBkhcC/2 2121cmW10)000020. 0741832. 3(CKm10)000045. 0438786. 1 (42C 第一辐射常数，第二辐射常数普朗克普朗克01234560102030401000K1200K1400K1600K1800K2000K (m)单色 辐射 出射 度 Mvb(W/cm2

18、m)图4 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布4.瑞利瑞利-琼斯公式琼斯公式 当 很大时， ，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式TTCeTC2/12421)(TCCTMbv5.维恩位移定理维恩位移定理kThcm5单色辐射出射度最大值对应的波长 ：6、斯忒藩、斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 4)(TTMvb)KsJ/m(10670. 5428其中： 斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。 7 .色温色温 色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。 单位是：K1.6 1.6 光频电磁波的基本理论

19、与定律光频电磁波的基本理论与定律n1.光波的电磁场理论光波的电磁场理论 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 麦克斯韦tDJHtBEBD00各向同性介质的电磁波动方程各向同性介质的电磁波动方程：010122222222tHvHtEvE物质方程物质方程EJHBED各向同性介质：各向异性介质：EJHBEDn2 介质的折射率与光波的速度介质的折射率与光波的速度smc/1099792.21800rrvcn3.光波场的能流密度光波场的能流密度HES单位时间通过垂直于传播方向上单位面积的能量。HE200EcnkS200200211EcnEcnSdtTSIT平面电磁波是在与传播方向正交的平面平面电磁波是在与传播方向

20、正交的平面上各点电场或磁场具有相同值的波。上各点电场或磁场具有相同值的波。 令令 且且 得：得： 行波表达式行波表达式4.波动方程的解波动方程的解几种特殊形式的波动几种特殊形式的波动（1）简谐平面波）简谐平面波0kxyzcos),(00rktAtrE)(00),(rktjeAtrE或（2）球面波）球面波000000( , )cos()( , )exp ():( )exp ()EE r tkrtrEE r tj krtrEE rj krr或复振幅 振幅：振幅：00:EEr波源的强度,振幅与传播的距离成反比,但在r相同的球面上振幅仍然均匀相等. 相位：相位：00;krt 为初始相位; 具有空间和时

21、间上的周期性 球面波的时间参量球面波的时间参量:时间参量的定义和性质与平面波的完全相同；时间参量的定义和性质与平面波的完全相同；, ,T 球面波的空间参量球面波的空间参量: r 方向的空间频率：方向的空间频率：1f2k波数：波数：（3）柱面波）柱面波)(),(krtierAtrE线光源发出的是柱面波。特点：等相位面为同轴柱面，振幅与 成反比。r（4）高斯光束）高斯光束1.6.2 光波的时域频率特性光波的时域频率特性1.单色光单色光zTtEvztEkztEE2coscos)cos(0002. 复色光复色光NiiiizktEE10)cos(沿z正向传播的光：实际光源发出的光波并不是在时间和空间上无

22、限延续的实际光源发出的光波并不是在时间和空间上无限延续的简谐波，而是一些简谐波，而是一些有限长度的衰减振动。有限长度的衰减振动。是由被称为是由被称为波波列列的光波组成的。的光波组成的。 这是由于原子的剧烈运动，彼此间不断碰撞，辐射这是由于原子的剧烈运动，彼此间不断碰撞，辐射过程常常中断，因而原子发光是断断续续的。过程常常中断，因而原子发光是断断续续的。 原子每次发光的持续时间是原子两次碰撞的时间间隔，原子每次发光的持续时间是原子两次碰撞的时间间隔，持续时间很短，大约持续时间很短，大约 秒。秒。981010 原子发出的光波由一段段有限长的称为波列的光波组成；每段波列，其振幅在持续时间内保持不变或

23、缓慢变化，前后各段之间无固定的位相关系，甚至光矢量的振动方向也不同。不相干不相干( (不同原子发的光不同原子发的光) )不相干不相干( (同一原子先后发的光同一原子先后发的光) )结论：严格的单色光是不存在的，所能得到的都是复色波结论：严格的单色光是不存在的，所能得到的都是复色波1.6.3 相速度与群速度相速度与群速度定义：群速度群速度就是指电磁波的等振幅面的传播的速度。实际上就是电磁波能量前进的速度。 相速度相速度就是电磁波相位传播的速度。通俗地讲，就是电磁波形状向前变化的速度。在波导中，相速度往往比群速度要大。 kv单色波：单色波：ddvg1.6.4 光波的横波性质和偏振光波的横波性质和偏

24、振1.平面光波的横波性质平面光波的横波性质平面光波的电场矢量和磁场分量均垂直于波矢方向，因此平面光波是横波。2.平面光波的偏振特性平面光波的偏振特性定义：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。根据空间的一点光电场矢量E的末端在不同时刻的轨迹，可把光波的偏振态分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。)cos(00kztEEyxjEiEEE可以表示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合：)cos()cos(00yyyxxxkztEEkztEE其中：消除以上两式中的t，得到：2002020sincos2yyxxyyxxEEEEEEEE1.线偏振线偏振xEyE和二分量的相位差 时，椭圆

25、退化为一条m直线，称为线偏振光。此时有：imyyxxeEEEE00当m为偶数时，光振动方向在一三象限内，当m为奇数时，光振动方向在二四象限内。（2）圆偏振光）圆偏振光yxEE ), 2, 1(2/mm，相位差椭圆方程退化为圆方程。2022EEEyx称为圆偏振光，用复数形式表示为：ieEEixy2正负号分别对应于右旋和左旋圆偏振光。通常规定逆着传播方向看，E顺时针方向旋转时，称为右旋圆偏振光，反之成为左旋圆偏振光。（3）椭圆偏振光）椭圆偏振光光矢量在垂直于传播方向的平面内的大小和方向都在改变，其末端是由决定的椭圆，故称为椭圆偏振光。椭圆的长、短半轴大小和取向与二分量 和 相位差 有关。其旋转方向

26、取决于相位差：当xEyE) 12(2mm时，为右旋圆偏振光。1.6.5 光波在各向同性介质界面上的反射和折射光波在各向同性介质界面上的反射和折射1.反射定律和折射定律反射定律和折射定律)(0rktilllleEEtril,0)(0)(rkkrkktiritrijyixrttiirriikkkksinsinsinsinttiirriinnnnsinsinsinsin2.菲涅尔公式菲涅尔公式)(0rktilllleEE其中s分量和p分量分别表示为：psmeEErktilmlmll,)(0则s分量和p分量的反射系数、透射系数分别定义为：imrmmEEr00imtmmEEt00将振动矢量分解为垂直和平

27、行与入射面的S分量和P分量，P 、S和k构成右手系， S沿y方向为正。图示为各个分量的正方向。 2121212100tantantantan)sin()sin(isrssEEr21212121002sin2sin2sin2sin)tan()tan(iprppEEr0120122cossinsin()tssisEtE012012122cossinsin()cos()tppipEtE（2）反射率与透射率）反射率与透射率设入射光的能量为：iI入射到界面上单位面积的能量为：2110101coscos2rrrWIE2110101coscos2iiiWIE同样，反射光与折射光的能量为：2110201coscos2tttWIE可以得到反射率和透射率：2rWWRir21122coscostnnWWTit将菲涅尔公式带入，即可得到入射光中s分量和p分量的反射率和透射率：)(sin)(sin2122122ssrR)(tan)(tan2122122pprR)(sin2sin2sincoscos2122121122sstnnT)(cos)(sin2sin2sincoscos2122122121122pptnnT