红外技术-第三章-红外辐射源分解.ppt

1、1，第3章红外辐射源，冯传胜，信息科学与工程学院，电子邮箱：下载：Http:/fcs-，2。原则上，所有温度高于绝对零度的物体都是红外辐射源。它可分为人工辐射源和自然辐射源；它可以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，本章内容，3.1黑体3.2能斯特灯3.3硅碳棒3.4钨条灯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5，3.1.1理想黑体理想黑体：黑体吸收率=1物体发射率定义为光谱发射率定义为基尔霍夫辐射定律的另一种描述形式根据基尔霍夫辐射定律：发射率，m(t):t温度下的发射度；黑

2、体在测试温度下发射率。灰色的身体？灰体的发射率也是一个常数，与温度和波长无关，只有1。辐射体可分为三种类型：黑体灰体(实际黑体可视为辐射率接近1的灰体)。在自然界中，辐射体如地球、空间背景、人体(皮肤)、无动力宇宙飞船和喷气嘴可视为灰色物体。选择性辐射体的发射率不是常数，而是波长的函数。三者发射率的比较(如图所示)，8，3.1.2实际黑体1。实际黑体的发射率和吸收率接近1。将其作为校准其他红外辐射源或红外系统的标准。基尔霍夫定律证明封闭空腔中的辐射是黑体辐射。空腔辐射理论是制作黑体源的基础，包括高斯理论、德文斯理论等。Gouff在1954年提出了一个计算开放空腔有效发射率的表达式：其中是空腔内

3、表面的发射率；a是开放区域；St是空腔内表面的总面积(包括a)。F(x)是与开口相对于腔底部的立体角相关的值。9。常用的腔体有球形腔体、锥形腔体和圆柱形腔体。设g=R/L1为腔的几何因子，则锥腔：柱腔：球腔：0.10。可以看出，与A/St:相比，当L/R不变时，球形腔最小，锥形腔最大，圆柱形腔为中心。1/g，11，如果F(x)用A/S0表示，那么实际黑体的发射率公式可以写成，12，曲线表示与A/St的关系，13，实际黑体的发射率可以用上述两个图3360计算(1)A/St的值可以由黑体的L/R从图A得到；(2)如果相应材料的发射率为0.5，则为0.95 (3)从图A中得到的K值与球形腔的A/St

4、的A/S0值相同，因为有L/R1，那么在K表达式中(A/ST-)然后，(4)计算黑体的有效发射率，A，B，14。二、实际黑体的结构和分类，俗称黑体炉。其结构如下：温度计和温度控制器，用于测量黑体核心的加热绕组和控制腔体温度；15.根据其工作温度，可分为三类：低温黑体：低于100C的中温黑体：1001000C高温黑体：1000以上。设计和制造黑体时应考虑以下问题：1 .腔体形状的选择：球形、圆锥形和圆柱形；2.腔芯材料的选择(导热性好、抗氧化性高或氧化层不易脱落、高发射率)低于600K铬镍不锈钢可用于1400千伏以下；1400K以上的石墨或陶瓷。3空腔的等温加热和缠绕或热管的温度控制和测量4空腔

5、；5减少黑体前表面的辐射，限制光阑；16.3.等效辐射图中的虚线为“光轴”，光阑的孔径面积为As，其法线与光轴的夹角为S；探测器的辐射接收面面积为Ad，其法线与光轴的夹角为D，则黑体辐射通过光阑后的辐射强度为：辐照度为首先，从理论上，根据相关理论，从腔体的形状、大小和温度场分布计算腔体的发射率，从而估计其与理想黑体的偏差。其次，对其性能进行了实际测试。首先，检测黑色体腔内的温度均匀性(1K)。其次，测试温度稳定性(0.5K/4h)。第三，检测实际黑体和斯蒂芬玻尔兹曼定律的符合程度。测量探测器信号和As之间的关系测量探测器信号和l2之间的关系测量探测器信号和T4之间的关系性能良好的黑体应该得到良

6、好的线性关系(尤其是2，3)，通过测量其斜率得到的实验值可以与斯蒂芬-玻尔兹曼常数进行比较。考虑到环境温度T0，探测器接收到的黑体辐射功率为：18，3.2能斯特灯(Nernst Lamp)，19，通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、氧化钇或氧化铍混合物烧结而成的易碎空心圆柱或圆杆。铂丝用作两端电源的引出线。典型的尺寸是长30毫米，直径13毫米。能斯特灯是红外分光光度计中常用的红外辐射源。它具有使用寿命长、工作温度高、黑体特性好、无需水冷等特点。主要的缺点是机械强度低，如果稍微挤压就会损坏。恒流电源：工作电流0 . 30 . 6安，工作温度1700-1800千。20，3.3

7、 Globar)，21，由碳化硅(SiC)制成的圆棒。作为辐射测量的辐射源，它不得含有杂质。用作红外辐射源的硅棒：典型尺寸为510厘米长，5毫米直径。工作电源为50V，工作电流为35A。硅碳棒也是光谱仪和红外光谱仪中常用的光源之一。由于直接在大气中工作，表面会大大升华，因此有必要用硅碳棒将冷水引入屏蔽层，以冷却电极。制造工艺简单，价格低廉。22，3.4钨波段灯23被广泛用作红外辐射源。常用于红外辐射测量，用作3微米以下的近红外辐射源。像用于日常照明的钨灯一样，钨条灯通电加热钨条并发光。钨带的典型尺寸约为2毫米宽，0.02毫米厚，20毫米长。它可以在1100的真空泡中工作，在2700的惰性气体(

8、如氩气)中工作。工作电压一般为1020伏，工作电流约为20安。由于玻璃罩的存在(对大于4微米的辐射不透明)，一般工作波长范围为0.53微米(近红外)。24、3.5汞灯25是光学实验室中常用的辐射源。与辐射源(能斯特灯、硅碳棒、钨丝灯等)相比。)，汞灯是一种气体辐射源。它是一种辐射源，利用汞蒸汽放电发光。根据灯内汞蒸气压的不同，可分为三种类型：低压、高压和超高压。26、3.6发光二极管，是光电子技术领域的重要发光器件之一。这种辐射源是一种当半导体p-n结被正向电流通电时注入载流子，并利用注入的载流子复合发光的器件。属于非热辐射源。它可以在可见光和红外波段工作。砷化镓(GaAs)的带隙为1.43电

9、子伏，因此电子和空穴复合时的发光峰值在900纳米和940纳米的近红外波段。其特点是当光谱带较窄时，在30纳米至50纳米之间。响应时间短(1us)，体积小，体格便宜。工作电压为1.22伏，电流为2010毫安。有三种驱动模式：交流、DC和脉冲。27，3.7红外激光器，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、单色性和相干性好的特点。激光的出现从根本上突破了过去普通光源的局限性(如亮度低、方向性和单色性差等)。)，给古老的光学技术注入了新的活力，产生了许多新的分支，如全息术、光学信息处理、非线性光学等。激光激光器分类：按工作物质分类：气体激光器、液体激光器、

10、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为气体，其特点如下：1 .发射波长范围宽，根据不同介质，可输出110纳米和1.8毫米波长的激光。氦-氖激光器：0.63um CO2激光器：10.6um 2，时间相干性和空间相干性居所有激光器之首。固态激光器使用少量掺杂在晶体或玻璃中的离子作为增益介质。特点：1 .结构紧凑，耐用性强，输出功率高。红宝石(Al2O3)激光器：波长694.3纳米，功率可达103瓦以上.掺钕钇铝石榴石激光器的波长为1.06微米，功率为200毫瓦。2.单色性和方向性不如气体激光器。染料激光器的增益介质由能发射荧光的有机染料分子组成。特

11、点：染料分子从基态到激发态的吸收光谱几乎是连续的，宽度可达几十纳米。可调谐染料激光器是光谱技术中的一种重要光源。30.半导体激光器中的光增益是由半导体导带和价带之间的电子激发态跃迁实现的，其发射波长随半导体材料的不同而不同。GaAs激光：波长为0.85微米，功率为100毫瓦。特点：体积小，响应时间短。它是光通信中的一个重要光源。激光的三个重要组成部分：工作物质，用于在特定能级之间反转粒子数量并产生受激辐射。泵送装置用于激发工作物质，以产生和维持粒子数反转以及特定能级之间的相应受激发射。光学谐振腔的功能是保证激发光子在腔内产生连续的激光振荡，并限制其特性(频率、方向等)。)以确保激光输出的高方向

12、性和高单色性。31，3.8太阳辐射。太阳是一个类星体，是人类研究最多、最早的辐射源。在红外辐射测量中，如果不研究太阳本身的辐射，太阳辐射属于背景干扰。该图显示了太阳的辐射光谱(太阳的温度约为6000千，峰值辐射出现在0.48微米处)。太阳能量的近一半在红外波段，40%在可见光波段，10%在紫外线和x光波段。应当注意的是，太阳在地球表面的照度约为0.09瓦/平方厘米，许多红外系统被设计成探测照度为10-10瓦/平方厘米或更低的目标。因此，“偶尔看一眼”太阳可能会导致严重的过载，甚至对系统造成永久性损害。当太阳辐射穿过大气层时，由于大气层中各种成分的吸收和散射，大部分能够到达地面的辐射在0.33微

13、米波段。此外，太阳在地面上产生的辐照度因季节、地理区域、云层和大气条件的不同而在很大范围内变化。3.9月球的辐射由自身辐射和太阳辐射的反射组成。月球可以被视为一个绝对黑体，温度为40万度，其自身辐射的峰值波长为7.2微米.月球表面的反射系数随着波长的延长而增加，因此光谱辐射曲线的最大值向长波段移动。在月球自身辐射和太阳辐射反射的共同作用下，月球表面的最大辐射亮度出现在0.54um，其辐射亮度小于500 wm-2Sr-1。3.10地球，地球的辐射与灰体在280千的辐射相似，其自发辐射的峰值波长约为10微米。地球上的温度分布随季节、地理位置、天气等而变化。大约在20万到30万之间。白天，地球的辐射

14、包括反射或散射太阳的辐射和自身的辐射。在34微米波段，包含水蒸气、CO2、臭氧等的大气的自发辐射。几乎和太阳散射的辐射一样。这样，地球表面的光谱分布有两个峰值。短波峰值(约0.5um)是由太阳光散射引起的，而长波峰值(约10um)是由地球热辐射引起的，最小辐射出现在两个峰值之间的34um波段。天黑后或夜间，无法观察到来自远处表面的反射辐射。黎明时分日落后，辐射迅速减少，此时的光谱分布相当于地球环境温度下灰体的光谱分布。3.11人体是一个绝对温度为310千的散热器。峰值波长约为9.3um，属于中红外波段。人体皮肤的发射率非常高，在4um波长以上约为0.99。在正常室温(21C)下，裸露皮肤的温度约为32。在皮肤温度32 C下，裸露男性的平均发射强度约为93.5瓦锶-1。忽略大气衰减，辐照度在304米的距离约为10-3wm-2。其中，约32%的能量在813um波段。穿上衣服后，辐射能降低，人体的发射能力与种族和肤色无关。热释电红外探测和控制可以利用人体皮肤辐射红外能量的特性来实现，这种特性大大优于军用或民用产品或设备。如红外夜视、红外摄像机、运动目标检测装置、自动门