第1节光信息源及其特性、光辐射的度量

1、第1章 光信息源及其特性、光辐射的度量内容提要：光是电磁波波谱中波长范围为1 nm1 mm或者频率在3×1017Hz3×1011Hz范围的电磁辐射，是能量与信息的载体，可见光是波长为380 nm780 nm的电磁辐射，可见光刺激人眼产生人眼的视觉效应，同时光也产生热效应，可以用主观和客观两种度量体制即辐射度学和光度学来度量光；光具有波动性和粒子性，利用光的波动性可以研究光在介质和自由空间以及光电系统中的传播规律；光的粒子性和材料的光电特性是光电信息转换器件的物理基础。本章主要介绍光的特性、光的度量、常见的光源及其特性和光传播的几个基本定理，为后续章节奠定基础。1.1 光的特

2、性1.1.1 光的波动性在图1.1所示，从无线电波到射线的整个电磁波谱中，光辐射只是波长从1 nm1 mm(频率为3×1017Hz3×1011Hz)范围的电磁辐射，它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。可见光是波长为380 nm780 nm 的光辐射，这一波段范围的电磁波能被人眼所感知。图1.1 光在电磁波谱中的分布麦克斯韦方程组给出了电场E、磁场H、电位移D、磁通密度B、电流密度J以及电荷密度之间的关系，其微分形式是： (1.1a) (1.2a) (1.3a) (1.4a)积分形式是： (1.1b) (1.2b) (1.3b) (1.4b)表达式(1.1

3、a)、(1.1b)为法拉第电磁感应定律，式(1.2a)、(1.2b)为安培环路定律，式(1.3a)、(1.3b) 和(1.4a)、(1.4b)为高斯电磁定律。为介质磁导率，为介质电导率，在真空中m0=1.256×10-6 Ns2，e0=8.85×10-12 C2N-2m-2。当电磁波在真空中或电介质(绝缘体)中传播，电导率s =0，电流密度J=0。同时在非磁性体中磁导率近似等于真空中的磁导率 m=m0，根据上述条件，式(1.1a)、式(1.4a)可改写成 (1.5) (1.6) (1.7) (1.8)应用公式 (1.9)可以导出电场和磁场的波动方程： (1.10) (1.1

4、1)在适当的边界条件下对上述波动方程求通解，便可得到各种各样的传播波。其中，的关系可用图1.2所示。图1.2 光的传播比较波动方程的普遍形式 (1.12)相比较，其中，为波传播速度，可得到光在自由空间的传播速度为光在介质中的传播速度，介质的折射率。平面波和球面波均是波动方程的解。由于对人眼睛起作用的是电场矢量，因此本书主要研究电场强度，将空间传播的单色平面波的表达式其中，是波矢量，其方向为波的传播方向，模是传播参数，即波数)代入波动方程式 (1.10) 可以得到： (1.13) 这就是波在电容率(介电参数)为的均匀介质中传播的平面波的传播常数。由于真空中电容率为，所以平面波在真空中的传播常数为

5、 (1.14)介质中与真空中的波长、波矢量的关系为，。1.1.2 光的粒子性光的波动性可以解释光的干涉、衍射、偏振等现象，但涉及光与物质的相互作用问题，如光的发射和吸收，光电探测器的原理，光的波动理论就出了问题，光的粒子性的一面便凸显出来。在历史上，这个问题是20世纪初从黑体辐射和光电效应的实际事实与经典理论无法调和的矛盾中提出的。1900年普朗克(M. Planck)提出量子假说，认为各种频率的电磁波(包括光)，只能像微粒似的以一定最小份额的能量(称为能量子)发生，粒子说解释了黑体辐射的频谱分布，这是光的发射问题。光照射在金属表面上可使电子逸出，逸出电子的能量与光的强度无关，但与光的频率有关

6、，这是光的吸收问题。1905年爱因斯坦(A. Einstein)发展了光的量子理论，成功地解释了光电效应。光的量子理论认为，光与物质(原子)发生作用时，它以一定份额的能量E被发射和吸收，该能量正比于光的频率： (1.15)式中，h称为普朗克常量，其数值为h=6.6260755×10-34 J·s，是物理学中最基本的常量之一。这份能量的携带者表现得像一个静质量为零的粒子，称为光子。光电发射效应是光的粒子性的有力证明，其数学表示为 (1.16)从光电发射效应可以得到如下结论：第一， 光束传输给每个电子的能量正比于光的频率；第二， 每个电子必须克服被称为逸出功W的最小能量的约束，

7、才能从金属表面逸出；第三， 光电子的最大动能与光的频率成线性关系，与光强度和光的照射时间无关。1.1.3 平面光波的能量与能流密度矢量由电磁场理论可知，能流密度矢量S为 (1.17)单位为W/m2。在电磁场中单位体积所存储的电磁能量为S的模 (1.18)能流密度矢量S的模 S为单位时间流过单位面积的能量，其方向为光的传播方向。下面我们会看到其大小即是辐射照度。定义强度为s在一个周期的平均照度，即 (1.19)由于光的振荡频率极高，而所有光电探测器对光频的响应速率比光波的频率低得多，因此探测器响应的是平均照度，即光波的电振动的模。1.1.4 光的波粒二象性从光的衍射、干涉等现象可以看出光具有波动

8、性，但为了解释光的吸收、光与物质的相互作用如光电效应等现象又必须将光看作具有离散能量包的粒子，因此光具有波动和粒子两重性，具体表现在：第一，光是由离散能量包的粒子即光子组成，一束光就是一束光子流；第二，每个光子是具有有限长度的电磁波，大量的光子构成的光束的宏观效果可用波动方程来描述。在涉及能量交换时，如光的发射和光在材料中的吸收以及光电探测器的原理时，仅需考虑光的粒子性；然而，当相互作用没有发生能量交换时，如光的干涉、衍射、反射、折射，只有能量重新分配时，只需考虑光的波动性。由上面的讨论可知： 光是横波，其电场和磁场矢量相互垂直，它们的方向与传播方向符合右手螺旋； 光波仅仅是全部电磁波谱的一部

9、分； 光具有波动性和粒子性。1.2 光辐射的度量在光电信息技术中，研究光的产生、传输、转换、探测和处理都涉及光的计量，因此有必要了解与光的计量科学有关的量的定义以及量之间的关系。一方面，光是电磁辐射，因此描述电磁辐射的辐射度学的有关量可以全部用来计量光；可见光能引起人眼的视觉效应，因此在可见光波的范围，也可以用光度学计量光。辐射度学是研究电磁辐射能定量评价的一门科学，它用能量客观描述电磁辐射；辐射作用于人眼所引起的“光”感觉，是一种生理效应，它与辐射的组成、强弱及人的视觉器官的生理特性和人的心理活动都有关系。光度学是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价可见光辐射所产生的视觉效应，具

10、有主、客观性。1.2.1 光谱光视效率由于光度测量依赖于人眼的生理特性，对同样的光辐射，不同人具有不同的亮度感觉；在不同的环境亮度下，同一个人眼对相同的光辐射也有不同的亮度感觉。为了统一评价标准，国际照明委员会(CIE)分别在1924年和1951公布了在明视觉(亮度大于3cd/m2)和暗视觉(亮度小于0.001cd/m2)下，人眼的平均相对光谱光视效率值V(l)和V(l)，即视见函数，见图1.3。这两个归一化函数的最大值分别位于555nm和507nm处。 图1.3 相对光谱光视效率曲线V(l)(明视) V(l)(暗视)1979年第16届国际计量大会定义坎德拉：坎德拉是发出频率为540×

11、;1012 Hz辐射的光源在给定方向的发光强度，若光源在该方向的辐射强度为(1/683)瓦每球面度，则定义其为一个坎德拉。1.2.2 常用的光度量和辐射度量在光度学和辐射度学中，测量对象都是光学辐射，仅仅是所依据的评价标准不同。常用的光度量和辐射度量如表1.1所示。光度量和辐射度量之间的关系可以表示为： (1.20a) (1.20b)式中，XV 和 分别为与Xe,l 相对应的明视觉和暗视觉光度量，Km=683 lm/W，=1700 lm/W分别为明视觉和暗视觉的最大光谱光视效率。表1.1 常用的光度量和辐射度量辐 射 度 量光 度 量名 称符 号定 义单 位名 称符 号定 义单 位辐射功率辐射

12、通量以辐射的形式发射、传播或接收的功率瓦光通量根据辐射作用于人眼所产生的视觉效应来评价的辐射功率流明辐射强度(点辐射源在给定方向的)单位立体角内的辐射通量为包含的立体角瓦/球面度发光强度(点光源在给定方向的)为包含的元立体角坎德拉辐射亮度(面辐射源表面一点在给定方向的)为发出辐射的面元瓦/球面度/米2光亮度(面光源表面一点在给定方向的)为发光面元，为面元法线与给定方向间的夹角坎德拉/米2辐射出射度，为离开处的面元瓦/米2光出射度dS为离开处的面元流明/米2辐射照度为所照射的面元瓦/米2光照度, 为所照射的面元流明/米2勒克斯由于辐射源发出光的多色性，需要研究各种波长的辐射量，因此存在一组描述单

13、一波长光的辐射量，即光谱辐射量，它是辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率，与辐射量之间的关系是积分和微分关系： (1-21a) (1-21b)图1.4清晰地表示了各量之间的转换关系。辐射功率(通量) W(radiant power)光功率 （通量) lm(luminous power)Q辐射强度(radiant intensity) W/sr发光强度(luminous intensity) cd (lm/sr)I辐照度(irradiance) W/m2光照度 (illuminance) lx ( lm/m2)EM辐射亮度 W/sr·m2(radiance)光亮度 cd/m2(lu

14、minance)辐射能 J(radiant energy)光量 lm·s(luminous energy) Ls4sin2(/2)为圆锥面的半顶角图1.4 光度量或辐射度量之间的转换关系1.3 辐射传播的几个基本定律光电信息技术研究以光为传输信息的载体的有关内容，因此有必要了解光辐射传输的规律。光度学和辐射度学的研究对象是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学的定律。1.3.1 照度的余弦定律和朗伯表面辐射强度的余弦定律余弦定律又称朗伯余弦定律，它描述光辐射在半球空间内照度的变化规律。具体描述为：任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。如图1.5所示，

15、点光源O发出的光在立体角W 向外辐射光通量，在面积A上的照度为E，而与A夹角为q 的面元上的照度为，由于在该立体角内点光源发出的光通量不随传输距离而变化，因而面元A与上有相同的光能量F，即图1.5 照度余弦定律示意图又因为，因而有 (1.22a)对于表面是理想漫反射表面(朗伯辐射表面)，在任意方向上的辐亮度不变化，如图1.6所示，图1.6 朗伯表面辐射强度余弦定律则 式中，是理想漫反射表面法线方向上的辐射强度；是与法线方向夹角为方向的辐射强度，因此 (1.22b)即朗伯辐射表面在某方向辐射强度随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化，如图1.6所示。若以法线方向上的光强值为直径画一个圆球与表面dA

16、相切，那么由dA中心向某角方向作的到球面交点的矢量长度就代表该方向的光强。可以证明：朗伯辐射源的辐亮度与辐出度、法线辐射强度、总辐射功率的关系为，  (1.23a)处于辐射场中的理想漫反射体也可以视作朗伯辐射源，因为它把无论从任何方向入射的全部辐射功率均毫无吸收和无透射地按朗伯余弦定律反射出去，就是说，理想漫反射体的辐出度等于它表面上的辐照度，即M=E， 因此 (1.23b)即理想漫反射体的辐亮度等于它的辐照度除以。由下面关于黑体的论述，可以知道，黑体的各种发射率均为1，即与方向无关，所以黑体是朗伯余弦体。 1.3.2 亮度守恒定律定律的描述：光在同一种介质中传播时，若传输过程中无能

17、量损失，则光能传输经过的任一表面亮度相等，即亮度守恒；光在不同介质中传播时，在无能量损耗情况下其基本辐亮度是守恒的。基本辐亮度为亮度与折射率平方的比值L/n2。如图1.7所示，当光束在同一种介质中传输时，沿其传输路径任取二个面元和，并使通过面元的光束也都通过面元，它们之间的距离是，两面元法线与光传输方向夹角分别为和。图1.7 亮度守恒定律则面元的辐射亮度 (1.24)、分别为对和对展开的立体角元。面元的辐射亮度 (1.25)而，将和分别代入式(1.24)和式(1.25)，可得。若光从一种介质传输到另一种介质，和分别是两种介质折射率，所取两个面元分别处于不同介质中，并认为光在介质表面无反射和吸收

18、损失，如图1.8所示，二阶辐射通量微元可表示为 (1.26)图1.8 在不同介质中传输光的亮度守恒关系应用折射定律， (1.27)和立体角与平面角的关系， (1.28)则有 (1.29)若光传输过程中有光学系统，则光学系统会使光汇聚或发散，若光学系统的透射比为，物面亮度为，像面亮度是，那么有 (1.30)式中，和分别为物空间和像空间的折射率。一般成像系统的，而，因而，所以像的辐射亮度不可能大于物的辐射亮度，即光学系统无助于亮度的增加。1.3.3 照度的距离平方反比定律定律描述：在无能量损失的情况下，均匀点光源向空间发射球面波，该点光源在传输方向上某点的照度与该点与点光源距离平方成反比。设在传输

19、路径上光束无分束，也无能量损失，那么由点光源向空间任一立体角内辐射通量是不变的，而由球心点光源发出的光所张的立体角所截的表面积与球的半径平方成正比。研究如图1.9所示的点光源所辐射的光对表面积的照度。由于点光源发出的是球面波，所以表面到点光源的距离是该球面波的半径，若对点光源所张的立体角是，那么，因而上的照度 (1.31)即照度与距离成反比。图1.9 点光源的照度实际的光源总有一定的几何尺寸，根据光能叠加原理，所求表面的照度实际上是该光源上各点贡献照度之和，若光源面积为，而，则照度可写成 (1.32)式中，为光源的发光亮度。1.4 光信息源及其特性在光电信息技术中，光是信息的载体，光的光谱辐射

20、能量(或强度)、频率和振幅均可携带和传输各种信息。因此，了解常用光源的基本特性和参数，是光电信息技术工作中解决具体问题的关键。发光是由于自发辐射或受激辐射导致的。凡是能辐射光波的物体均为光源，按照光源的性质，光源可分为自然光源和人造光源，相干光源和非相干光源等。自然光源是自然界中存在的，如太阳、恒星等；人造光源是人为地将各种形式的能量，如热能、电能、化学能转化成光辐射能的器件，其中利用电能产生光辐射的器件称为电光源，如激光器等。本节首先介绍光源的基本特性参数。1.4.1 光源的基本特性参数1. 辐射效率和发光效率在给定波长范围内，某一光源在单位电功率的作用下产生的辐射通量，称为该光源在规定光谱

21、范围内的辐射效率，用表示，于是 (1.33)式中，为光源的光谱辐射通量；为所需的电功率；为光源的辐射效率；在光电信息系统中，应尽可能选用较高的光源。相应地，对于可见光范围，某一光源在单位电功率的作用下产生的光通量，称为该光源的发光效率，用表示即 (1.34)式中，为可见光光谱通量；为明视觉光谱光视效率；为明视觉最大光谱光视效率；的单位为lm/W(流明每瓦)。表1.2 为常用光源的发光效率。表1.2 常用光源的发光效率光源种类发光效率/(lm·W)光源种类发光效率/(lm·W)普通钨丝灯818高压汞灯3040卤钨灯1430高压钠灯90100普通荧光灯3560球形氙灯3040三

22、基色荧光灯5590金属卤化物灯60802. 光谱功率分布自然光源和人造光源大都是复色光源。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。将光谱功率分布用其最大值归一化，得到相对光谱功率分布。光源的光谱功率分布通常可分成4种类型，如图1.10所示。图1.10(a)为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯；图1.10(b)为带状光谱，它由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线，如高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布；图1.10(c)为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱；图1.10(d)为混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般荧光灯的光谱就属于这种分

23、布。图1.10 四种典型的光谱功率分布在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、紫外汞氙灯等紫外辐射较强的光源。在光纤技术中，通常使用发光二极管和半导体激光器等光源。3. 空间光强分布对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不相同。若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连接起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。图1.11是超高压球形氙

24、灯的光强分布。图1.11 超高压球形氙灯光强分布4. 光源的色温黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般光源，经常用分布温度、色温、相关色温和光源的颜色表示。(1) 分布温度如果辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐亮度可表示为 (1.35)式中，为分布温度；为发射率，它是一个与波长无关的常数，这类辐射体又称灰体。关于发射率的定义在下面介绍。(2) 色温若辐射源发出光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。由于这一颜色可以由多种光谱分布产生，所以

25、色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。(3) 相关色温对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度为该光源的相关色温。国际照明委员会(CIE)1931年制定了一个色度图，用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色，即用三种基色相加的比例来表示某一颜色。CIE1931色度图如图1.12所示。色度图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色即光谱轨迹，是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在图的右下部，绿色波段在左上角，蓝紫色波段在图的左下部。图1.12 CIE193

26、1 色度图5. 光源的颜色光源的颜色包含色表和显色性。用眼睛直接观察光源时所看到的颜色为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色(也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。1.4.2 热辐射与黑体辐射定律任何物体当其温度大于热力学温度零度时均能转换本身的热能而自发地向外辐射能量，这种辐射叫热辐射，该物体称为热辐射体。热辐射体所发出的电磁波谱是连续波谱。1. 基尔霍夫定律热辐射是一种能量交换的热平衡过程。任何热辐射体既能辐射能量，也能吸收辐射能量。物体对辐射的吸收比：温度为T

27、的物体吸收入射辐射功率的比率，称为物体对辐射的吸收比，在热平衡状态下，物体发射的辐射功率等于吸收的辐照功率。亦即 (1.36)式中，M是物体在温度T的辐出度；是它的吸收比；E是物体表面接受的辐射照度。M和都是物体辐射波长和物体温度T的函数，而E与被照物体的性质无关。由式(1.36)可直接写出 (1.37)该式就是基尔霍夫定律，该定律表明：在热平衡条件下，任何物体的辐出度与其吸收比的比值等于辐射源在它上面的辐照度，该比值与物体的温度和物体被照射的辐射波长有关，与物体本身的性质无关，是物体波长和温度的普适函数，式(1.37)表明，吸收比越大的物体，辐出度也越大，所以良好的辐射吸收体必然也是良好的辐

28、射发射体。能够完全吸收并发射全部入射辐射功率的物体称为绝对黑体，简称黑体，绝对黑体是理想的物体，自然界中并不存在。绝对黑体的吸收比为1。2. 黑体、灰体和选择辐射体物体发射率的定义：实际物体的辐出度与同温度黑体的辐出度之比，称为该物体的发射率，或发射本领，发射率不随波长变化且小于1的物体叫灰体；发射率随波长变化的物体称为选择辐射体。发射率定义为 (1.38)表1.3 不同物体的发射率材料发射率()材料发射率()普通红砖0.93(20)人皮肤0.98(32)混凝土0.92(20)木材0.90(20)抛光玻璃板0.94(20)石墨0.98(20)白漆0.92(100)干土壤0.92(20)退光黑漆

29、0.97(100)含饱和水土壤0.95(20)水0.96(20)雪0.85(-19)对于绝对黑体()，强吸收体必为强发射体。物体的发射率与材料的性质及其表面态有关(如表1.3)，随物体本身的温度和辐射波长而改变，并随观测的方向而有不同。自然界中很多物体都可看作为灰体，在特定光谱波段，选择辐射体也可近似看作灰体。3. 黑体的辐射特性为了弄清一定温度下物体辐射功率随辐射波长变化的关系，普朗克(Planck)利用量子化模型和量子统计原理，导出了完全符合实际规律的普朗克公式，揭示了辐射与物质相互作用过程中辐出度与温度以及辐射波长间的依赖关系，奠定了黑体热辐射的理论基础。根据普朗克黑体辐射定律，可计算任

30、何温度及波长范围内的黑体辐射量。(1) 普朗克黑体辐射定律绝对黑体的光谱辐出度1900年普朗克根据光的量子理论，推导出描述黑体光谱辐出度与波长、热力学温度之间关系的著名公式 (1.39)式中，Meb(T,l)为黑体的光谱辐出度，W/(m2·m)；为波长，m；T为绝对黑体的温度，K；h为普朗克常数，h=6.6260755×10-34J·S；k为玻耳兹曼常数，k=1.38054×10-23W·s/K；c1为第一辐射常数，c1=2hc2=3.74151×108W/m2；c2为第二辐射常数，c2=hc/k=1.438 ×104m&#

31、183;K；c为真空中的光速，c=2.99792520×108m/s。图1.13 黑体辐出度Meb(T, l)T, l 曲线图1.13是普朗克公式所描述的不同温度下黑体辐出度Meb(T, l)T, l 关系曲线，由图及公式(1.39)可知： 光谱辐出度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值； 不同温度的各条曲线彼此不相交。在任一波长上，温度T越高，光谱辐出度越大，反之亦然，每一曲线下面的面积等于； 随着温度T的升高，曲线峰值所对应的波长(峰值波长)向短波方向移动，这表明黑体辐射中短波部分所占比例增大； 波长小于部分的能量约占25%，波长大于部分的能量约占75%。将普朗克公式从零到无穷

32、大的波长范围进行积分，就得到斯忒藩-玻耳兹曼定律，而对普朗克公式进行微分，求出极大值，可得到维恩位移定律。(2) 斯忒藩-玻耳曼定律绝对黑体全波段积分辐出度由普朗克绝对黑体光谱辐出度公式(1.39)，对波长从积分可得到绝对黑体全波积分辐出度的表达式，此即斯忒藩-玻耳兹曼定律 (1.40)式中， 为斯忒藩-玻耳兹曼常数，=5.6687×10-12 W/(cm2K4)。该定律表明：黑体的全波辐出度与其温度的四次方成正比。因此，当黑体温度有很小的变化时，就会引起辐出度的很大变化。当T=300K，则Meb=460W/m2；当T=6000K，则Meb=7.36 ×107W/m2。(3

33、) 维恩位移定律黑体辐射谱的移动将普朗克公式(1.39)对波长求导数并求极值，即有 (1.41)此即维恩位移定律， 该定律表明，黑体光谱辐出度峰值对应的波长与黑体的势力学温度成反比。一些常见物体的辐射峰值波长如表1.4所示。表1.4 一些常见物体的辐射峰值波长物体名称温度/K峰值波长/m物体名称温度/K峰值波长/m太阳60000.48冰27310.61熔铁18031.61液氧9032.19熔钢11732.47液氮77.237.53喷气飞机尾喷管7004.14液氦4.4658.41人体3109.35一般强辐射体有50%以上的辐射能集中在峰值波长附近，因此，2000K以上的灼热金属，其辐射能大部分

34、集中在3m以下的近红外区或可见光区。人体皮肤的辐射波长范围主要在2.5m 15m，其峰值波长在9.5m处，其中8m 14m波段的辐射能占人体总辐射能的46%，而温度低于300K的室温物体，有75%的辐射能集中在10m以内的红外区。朗伯辐射源是在各方向上的辐亮度相等的辐射源。1.4.3 自然辐射源太阳、天空自然光源主要包括太阳、月亮、恒星和天空等。太阳是直径约为1.392×109m的光球，它到地球的年平均距离是1.496×1011m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533°，太阳光谱能量分布相当于5900 K左右的黑体辐射。其平均辐亮度为2.01×

35、;107 W·m-2·sr-1，平均亮度为1.95×109 cd/m2；太阳常数(在地球太阳的年平均距离，在垂直太阳的入射方向上，大气层外太阳对地球的辐照度), 即为13677W/m2。在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为：紫外区 (<0.38m) 6.46%；可见区(0.38m 0.78m) 46.25%；红外区(>0.78m) 47.29% ；辐射到地球上的太阳光，要穿过一层厚厚的大气层，因而在光谱、空间分布、能量大小、偏振状态等方面都发生了变化。大气中的氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳

36、(CO)和其他碳氢化合物(如CH4) 等，都在不同程度上吸收太阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质。在标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，如图1.14所示，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带。图 1.14 太阳的光谱能量分布曲线为了解各种自然光照在不同条件下的大致数量范围，表1.5给出了近地天空的亮度。表1.5 近地天空的亮度天空情况亮度(cd/m2)天空情况亮度(cd/m2)晴天104晴天(日落后半小时)10-1阴天103明亮月光10-2阴沉天102无月晴空10-3阴天(日落时)10无月阴空10-4晴天(日落后一刻钟)11.4.4 激光光源及其特点激光(Laser)是受激辐射的光放大，是

37、典型的人造光源。1. 激光器的基本结构激光器的基本结构如图1.15所示。它由工作介质(或工作物质)、泵浦源(激励源)、谐振腔三大要素构成。此外，还可添加光控因子。产生激光必须实现粒子数的反转。图1.15 激光器的基本结构激光形成的过程是：激光工作介质受到泵浦源的激励被激活，介质中的粒子将跃迁至高能级，随后又自发跃迁至低能级，产生自发辐射；这些自发辐射光子向四面八方传播，只有沿谐振腔轴线方向传播的光才能被反射镜反射；当高能级上的粒子与反射光子具有同频率和相位时，产生受激辐射，形成同波长、同相位的光波，即驻波，它的一部分作为激光从输出镜(部分反射镜)一端输出。谐振腔的作用是形成驻波，通常由相对平行

38、放置的两面镜子构成。为了使一部分激光输出，谐振腔一端的镜子不是反射全部的光，即反射率小于100%。根据使用目的，可以对输出激光或光学谐振腔进行调节。通过改变、收集光向，或改变强度、偏转方向使输出功率在空间保持恒定。有时也通过抑制发射谱线的线宽，获得单一波长的光。为此，通常在谐振腔内部或外部使用光控因子。根据工作物质的不同，激光器分为固体激光器(其工作物质为固体，如红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等)、气体激光器(工作物质为He-Ne, CO2，Ar等)和半导体激光器(工作物质为GaAs，GaSe，GaS，PbS等)。激励系统有光激励、电激励、核激励和化学反应激励等。光学谐振腔用来提供光的反馈，以实

39、现光的自激振荡，对弱光进行放大，并对振荡光束方向和频率进行选择，保证光的单色性和方向性。固体激光器一般用光泵激励形成受激辐射，辐射能量大，比气体激光器高出三个量级，输出激光的波长范围宽，从紫外到红外都可得到稳定的激光输出，可以输出脉冲光、重复脉冲光和连续光，常用于打孔、焊接、测距、雷达等。气体激光器中的CO2激光器输出功率大，能量转换效率高，输出波长为10.6 m的红外光。它广泛用于激光加工、医疗、大气通信和军事上。半导体激光器体积小、效率高、寿命长、携带与使用方便，尤其是可以直接进行电流调制，广泛用于光电测量、激光打印、光存储、光通信、光雷达等。2. 激光的特点了解激光的特点，对光电信息技术

40、是十分重要的。(1) 激光的单色性好激光的带宽很窄。带宽由原子固有能级的受激跃迁和光学谐振腔的波长选择所决定，因而激光辐射的谱宽度与光学谐振腔的品质因数有关，常由下式计算 (1.42)式中，为辐射在激光物质中通过一次并从腔玻璃反射的损失；V为光在激光物质中的传播速度；l为光学反射腔的腔长。一个好的激光器，其带宽在106Hz以下，激光谱线宽度很窄，即波长变化范围很小，单色性很好。如He-Ne激光器发出一波长为632.8 nm的红光，光频为4.74×1014Hz，而高精度稳频后的谱线宽度，即频率变化范围只有2 Hz。普通光源的He-Ne气体放电管发出同样频率的光，其谱线宽度为1.52&#

41、215;109Hz，可见He-Ne激光比He-Ne普通光的单色性高倍。(2) 激光具有高方向性光辐射的方向性常以光束发散角的数值来表征。若波长为，辐射光束的光斑直径是d，则由衍射现象限定的最小发散角 (1.43)以l=0.63 mm、d=2 mm的氦氖激光为例，由此计算出的发散角不大于3.8×10-4 rad。由于激光束是向空间传播的，因此还应当引入立体角W，如果激光束的发散角是q ，它所对应的立体角为。量级为10-4 rad的发散角所对应的发散立体角即为10-8量级。 半导体激光器纵向发散角约，其方向性较差。高方向性使得激光可以用来测量距离和目标指示以及激光打孔。(3) 激光具有高

42、亮度和高功率辐射密度激光束方向性很好，在空间传播是一个立体角很小的圆锥光束。激光发散角很小，若角为rad，那么。由亮度定义可知，激光的亮度是极高的。如果普通光源与某激光光源有相同的辐射通量，而其发光立体角比激光大数百万倍，因此激光的亮度比普通光源高上百万倍。如气体激光器亮度可达104108W/(sr·cm)，固体激光器发光亮度约为1071011W/(sr·cm)，而太阳表面亮度为2×103W/(sr·cm)，可见激光亮度比太阳表面亮度高出几个到十几个数量级。激光的高亮度使光电测量距离更远，信噪比更高，尤其适合于遥测和遥控。(4) 激光具有优越的相干性激光

43、辐射是相干辐射，其相干性包括空间相干性和时间相干性。激光束的空间相干性是指在同一时刻，两个不同空间点上光波场之间的相干性，它决定于光源的面积，如果在空间体积Vc内的光波场都具有明显的相干性，则把Vc称为相干体积，Vc表示为垂直于光束传播方向的截面上的相干面积Ac与传播方向的相干长度Lc的乘积 (1.44)激光束的空间相干性与激光的模式结构紧密相关。单横模结构具有良好的光波场空间相干性和好的方向性。反之，多模结构则因不同模式的光波场非相干性而使激光的空间相干程度降低。激光束的时间相干性是指在同一空间点上两个不同时刻t1和t2的光波场之间的相干性，并把光波场具有明显相干的时间间隔tc=t2-t1称

44、为相干时间，显然，相干时间与空间相干长度Lc具有如下简单关系： (1.45)式中，c是光的传播速度。激光束的时间相干性与激光的单色性有关，相干时间tc与单色性(即带宽)间存在如下的简单关系： (1.46)可见，单色性越高，激光的相干时间越长。由于激光的单色性很好，所以它的时间相干性也非常好，它是目前发现的各种光源中相干性最好的光源，如He-Ne激光的时间相干长度达到几百公里。3. 常见激光器及其特性激光器可有以下不同的分类： 按激光工作物质分： 有固体激光器(包括晶体和玻璃激光器，)，气体激光器(包括原子、离子、分子、准分子激光器)，液体激光器(包括聚合物、无机液体和有机染料激光器)，半导体激

45、光器。 按光学谐振腔的设置分：有非稳定腔、共焦腔、平面腔以及配有调Q装置或锁模装置的激光器。 按泵浦源分：有电泵浦、热泵浦、光泵浦、化学泵浦、核泵浦、太阳泵浦等。此外，按激光输出的特性分又有单横模、多横模、单纵模、多纵模等；还可分为波长可调谐与不可调谐，输出光辐射在时间上是连续方式还是脉冲方式等等。已有的激光器系统种类十分繁多，根据不同的用途，同类系统又有差别极大的品种型号，并随着对激光理论和应用研究的深入，各类新型的激光器系统还在不断出现，激光器的发展，对激光技术的研究和应用起着十分重要的推进作用。(1) 固体激光器固体激光器以掺杂离子型绝缘晶体或玻璃体作为工作物质。最常见的有红宝石、钕玻璃

46、、掺钕钇铝石榴石等三种。按其工作方式又有单脉冲式、重复脉冲式、连续方式、调Q脉冲方式和锁模脉冲方式五类。以红宝石激光器为例，其基本结构、工作原理和主要性能如下：图1.16是红宝石激光器的构成示意图。激光物质红宝石棒和泵浦激励脉冲氙灯放在聚光腔的中心，由高压电源使电容器充电，在触发器作用下，脉冲氙灯发出的强光被聚光器聚光并照射到红宝石棒上以获得粒子数反转，相互平行的全反射镜和半反射镜构成的光学谐振腔使受激跃迁形成的受激辐射在光学谐振腔的多次往返反射中形成振荡而最后导致激光的输出。红宝石由加有少量(万分之五)氧化铬的氧化铝晶体组成，它产生粒子数反转分布是由于铬离子的存在。图1.17是它的能级图。

47、图1.16 红宝石激光器的构成示意图 图1.17 红宝石激光器能级图在泵浦氙灯光的激励下，能量相当于吸收带4F2和4F1的光子被吸收使铬离子转移到这些能级，然后以平均时间50×10-8s衰变到能级2E。2E能级由两个分开的能级2A和E组成， 较低的能级E即激光高能级， 低能级是基态A2， 原子在高能级E的寿命是3×10-3 s，从E到基态A2的跃迁辐射即形成0.6943mm光输出。由图1.17可以看出，红宝石激光器是一个三能级系统。(2) 气体激光器气体激光器是目前应用最广泛的一类激光器，它们大多数能够连续工作，输出的激光波长有数千种，分布在光谱波长从0.2mm真空紫外至4

48、mm远红外波段内。气体激光器的特点是单色好，可长时间稳定工作，并且结构简单，造价低廉，使用操作方便。常见的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器、CO2分子激光器等。 氦氖激光器图1.18是常用的氦氖激光器的结构示意图, 激光物质采用He-Ne气体，它充满整个激光器内，但工作区仅限于毛细管内，泵浦源采用电激励的方式，它由管内钼筒与电极间的高压放电而使He-Ne气体产生粒子数反转，激励电压除直流方式外，有时也用交流或射频电源。反射镜和玻璃管密封在一起，构成光学谐振腔，通常将这种结构称为内腔式。有的氦氖激光器采用外附光学腔，称为外腔式。图1.18 氦氖激光器结构图1.19是氦氖激光系统的能级图。管内

49、He-Ne气体放电时，He原子首先被电子碰撞激发到21S和23S能级，这两个能级是亚稳态，从它们到基态的辐射跃迁是被禁止的，处在这两个亚稳态的He原子与Ne基态的Ne原子碰撞，将Ne原子激发，而He原子无辐射地回到基态，这就是共振转移。当Ne原子的3S、2S能级上的粒子被激发到足够多时，3S、2S能级与3P、2P能级之间就会出现粒子数反转。在2P与3P能级上的Ne原子通过自发跃迁很快落到1S能级，再通过和管壁碰撞，将能量交换给管壁而回到基态。氦氖激光器产生的激光谱线有三条，它们是：3S2P 0.6328m2S2P 1.15m3S3P 3.39m 二氧化碳激光器二氧化碳激光器是以CO2气体作为工

50、作物质的气体激光器。它的突出优点是可获得大激光功率和较高的能量转换效率，并有丰富的激光谱线，甚至可做到9mm11mm波长间连续可调谐的光辐射输出。CO2激光器输出的光束光学质量好，线宽窄，相干性好，工作稳定。因此二氧化碳激光器广泛用于材料加工、通信、雷达以及激光武器等许多方面。二氧化碳激光器是分子激光器的代表，与其有关的能级涉及到分子振动和组成分子的原子间的相对运动，图1.20是二氧化碳分子激光器的能级图。 图1.19 氦氖激光器的能级系统 图1.20 二氧化碳激光器的能级图二氧化碳激光器中除了二氧化碳气体外，还加有适量的N2和He(即辅助气体)。在激光放电管中，氮分子由于放电电流中电子撞击被

51、激发到激发态，处于激发态的氮分子又通过和二氧化碳分子的碰撞，把能量传递给二氧化碳分子，使二氧化碳分子处于高能态的001能级上(001是两个氧原子沿分子轴向相同方向振动，而碳原子向相反方向振动的一组非对称振动的能级)。当大多数二氧化碳分子被激发到001能级上时，在001能级与100(两氧原子沿分子轴对称振动的能级)、010与020(形变振动能级)之间形成分子数的反转分布状态。从001能级跃迁到020能级，则发射出9.6mm的激光。不过两种跃迁中，10.6mm跃迁的几率大，因此，二氧化碳激光器输出的激光辐射主要是10.6mm的激光束。 氩离子激光器氩离子激光器是利用气体放电过程中使氩原子电离并被激

52、发,从而实现粒子数反转而产生激光的。它发射的激光谱线十分丰富,分布在绿光区,其中以0.5145mm和0.4880mm谱线最强。氩离子激光器输出的连续功率可达500W，也可以在脉冲方式下工作。(3) 染料激光器染料激光器是液体物质作为激光介质的一种液体激光器。它的突出优点是输出激光波长可以调谐，其次是具有均匀良好的光学质量。作为激光介质使用的染料分子由许多原子组成，结构比较复杂，常见的有若丹明，花菁类中的二乙基噻化菁以及香豆素中的7-羟基香豆素等。染料激光器输出激光波长可以调谐是由于染料分子中的自吸收现象可以使荧光光谱峰值发生位移，从而发生在荧光光谱峰值的激光波长也就有相应变化。通过改变染料溶液的浓度、温度或光程等因素来改变染料分子吸收带与荧光带间的重迭程度，吸收带长波部分对荧