光学测试技术

1、热辐射：组成物质的诸微观粒子在热运动时都要使物体辐射电磁波，产生辐射场。这种与温度有关的辐射现象，称为热辐射。特点：(1）物质在任何温度下都有热辐射。(2）温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。单色辐射度M(T)单位时间内从物体单位表面发出的波长在附近单位波长间隔内的电磁波的能量M （T ）称单色辐射本领。(或单色辐射度)单色辐射度反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。不同的物体，不同的表面（如光滑程度）其单色辐射度是大不相同的。吸收比：物体吸收的能量和入射总能量的比值，（，T）基尔霍夫定律基尔霍夫在1860 年从理论上推得物体单色辐射度与单色吸收比之间的关系:所有物体的单色辐

2、射度M(T) 与该物体的单色吸收比的比值为一恒量。这个恒量与物体的性质无关，而只与物体的温度和辐射能的波长有关。说明单色吸收比大的物体，其单色辐出度也大。（例如黑色物体，吸热能力强，其辐出本领也大）若物体不能发射某一波长的辐射能，那么该物体也就不能吸收这一波长的辐射能。黑体:能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体。它的M (T）最大且只和温度有关。绝对黑体就是吸收系数(,T)1的物体。任何物体的单色辐射本领和单色吸收比等于一个恒量，而这个恒量就是同温度下绝对黑体的单色辐射本领。若知道了绝对黑体的单色辐射本领，就可了解所有物体的辐射规律，因此，研究绝对黑体的辐射规律就对研究热辐射极为重要。绝

3、对黑体单色辐射本领按波长分布曲线MB(T) 只和温度有关维恩假设：从经典热力学的思想出发，黑体的辐射可看成是由许多具有带电的简谐振子（分子，原子的振动）所发射，辐射能按频率（波长）分布的规律类似于麦克斯韦分子速度分布律，于1896 年得出绝对黑体的单色辐出度与波长、温度关系的一个半经验公式。因为辐射是电磁波，而大家已经都知道，电磁波是一种波动，用经典粒子的方法去分析，有一种南辕北辙的味道。按照这个函数绘制出的曲线,其在高频(短波) 部份与实验曲线能很好地相符,但在低频(长波) 部份与实验曲线相差较远。瑞利金斯公式他们把分子物理中的能量按自由度均分原理运用到电磁辐射上，并认为在黑体空腔中辐射的电

4、磁波是谐振子所发射的驻波，这样得到的公式为在低频段，瑞-金线与实验曲线符合得很好；在高频段，瑞-金线与实验曲线有明显的偏离其短波极限为无限大(0，E)“紫外灾难”。普朗克假定（1900 年）(1)黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。(2)这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是最小能量的整数倍普朗克假设的意义当时普朗克提出能量子的假设并没有很深刻的道理，仅仅是为了从理论上推导出一个和实验相符的公式。这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量子假设是对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生。能量子概念在提出5年后没人理会，首先是爱因

5、斯坦认识到其深远的意义，并成功地解释了和“光电效应”。普朗克本入一开始也没能认识到这一点。13年后才接受了他自己提出的这个概念（1918年，获诺贝尔奖）。光电效应金属及其化合物在光波的照射下发射电子的现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。饱和光电流强度Im与入射光强成正比（不变）。（打出的电子数与光强有关）光电子的最大初动能随入射光的频率增大而增大,与入射光强无关。(打出的电子动能与光的频率相关)只有当入射光频率大于一定的红限频率0时，才会产生光电效应。（是否打出电子有一个光子频率的阈值）光电效应是瞬时发生的。（无延迟性）逸出功，初动能与光强、频率的关系按照经典的物理理论，金属中的自由电子

6、是处在晶格上正电荷所产生的“势阱”之中。这就好象在井底中的动物，如果没有足够的能量是跳不上去的。当光波的电场作用于电子，电子将从光波中吸取能量，克服逸出功，从低能的束缚态，跳过势垒而达到高能的自由态，并具有一定的初动能。与经典物理学矛盾的地方按照经典的波动理论，光波的能量应与光强有关。因此，按经典理论，光电子的初动能应随入射光强度的增加而增加。但实验表明，光电子的初动能与光强无关，而只与入射光的频率呈线性增加存在光电效应的频率红限。光波的能量分布在波面上，电子积累能量需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生。普朗克的假定是不协调的h=2. 爱因斯坦光量子假设（1905 ）h 为普朗克常数h=6.6

7、26176 ×10-34J ·s(1)电磁辐射是由以光速c 运动，并局限于空间某一小范围的光量子(光子) 组成，每一个光量子的能量与辐射频率的关系为(2)光量子具有“整体性”，一个光子只能整个地被电子吸收或放出。普朗克假定物体只是在发射或吸收电磁辐射时才以“量子”的方式进行，并未涉及辐射在空间的传播。相反，他认为电磁辐射在空间的传播还是波动的。爱因斯坦光量子假设（1905 ）h 为普朗克常数h=6.626176 ×10-34J ·s(1)电磁辐射是由以光速c 运动，并局限于空间某一小范围的光量子(光子) 组成，每一个光量子的能量与辐射频率的关系为光量子具

8、有“整体性”，一个光子只能整个地被电子吸收或放出。一束光就是一束以光速运动的粒子流，单色光的能流密度，等于单位时间内通过单位面积的光子数与每个光子能量之积n表示单位时间内通过单位面积的光子数。这也说明，在能量密度一定时，每个光子的能量越大（即频率越高）光子数n 就越小。可以很好地解释光电效应康普顿效应X 射线被较轻物质( 石墨,石蜡等) 散射后X 光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原入射X 波长相同的成分外，还有波长较长的成分，这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应康普顿散射实验的意义有力地支持了“光量子”概念，也证实了普朗克假设=h。首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设。证

9、实了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。光电效应与康普顿效应的区别：光电效应是处于原子内部束缚态的电子与光子的作用，这时束缚态的电子吸收了光子的全部能量而逸出金属表面；康普顿效应则是光子与准自由电子的弹性碰撞，光子只是将一部分能量传给电子，故散射光子的能量（因而频率）低于入射光子的能量波粒二象性:在传播过程中显示它的波动性(如干涉，衍射等)在光与实物粒子相互作用时，又显示它的粒子特性。可用玻尔的“互补原理”解释光谱是电磁辐射的波长成份和强度分布的一种记录。氢原子理论的三大假设(1)稳定态假设(2)量子化跃迁频率假设(3)角动量量子化假设原子系统的能量是不连续的，量子化的。这

10、种量子化的能量值称为原子的能级。激光三部分：基态和激发态当n=1 时，能量最小，电子也离核最近；由能量最低原理知,这时原子系统最稳定。原子处于能量最低的状态称为基态当n 2 ，3 ，4 时，即原子处于高能态时是不稳定的，它终会释放多余的能量而跃迁到低能态,故称高能态为激发态。当n 时，E=0 ，这时电子已脱离原子成为自由电子。基态和各激发态中电子都没脱离原子，统称束缚态。在通常情况下，原子总是处于基态，只有当它受到外界的作用，从外界获得足够的能量，才会从基态跃迁到激发态,这说明原子通常是稳定的。同一线系的光谱线:就是从几个不同的高能级跃迁到同一低能级所发射的谱线。玻尔的氢原子理论: 解释氢光谱

11、规律；提出了能量量子化和角动量量子化概念；提出了定态和能级跃迁假设。但其也有局限，玻尔理论只能计算光谱频率，而对光谱强度、宽度、偏振问题无法解决；复杂原子系统不能计算；对波粒二象性的理解:(1)粒子性：“原子性”或“整体性”，具有能量和动量。不是经典的粒子！抛弃了“轨道”的概念！ (2)波动性：“可叠加性”，“干涉”，“衍射”，“偏振”。具有频率和波矢。不是经典的波。概率波的干涉结果实验说明电子的干涉图样是大量电子的一种统计运动的结果。对于单个电子，在某一时刻，它到底是通过哪一个缝,过缝后落在屏上哪一点是随机的，无规律的；对于大量电子(或一个电子的多次行为) 来说，它们到达光屏上的位置则是遵从

12、某种统计规律的激光工作物质、激励(能源)装置和光学谐振腔光与物质相互作用受激吸收 自发辐射 受激辐射激光物质是三能级或四能级结构激光形成的基本条件要有适当的激光工作物质(2) 要有外界激励源(3) 要有激光谐振腔（必考）激光工作原理总结如下(1) 工作物质在激励能源激励下实现粒子数反转(2) 由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光子在工作物质中引起受激辐射(3) 光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内往返振荡，不断得到放大(4) 满足阈值条件下形成激光激光器的组成谐振腔，作用(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线)(2) 增强光放大作用( 延长了工作物质)(3) 使激光具有极好的单色性( 选频)工

13、作物质激励系统激光的特性方向性好-激光的发散角小亮度高、能量集中单色性好相干性好定容燃烧系统：一般用于基础研究主要用于喷雾和燃烧特性的研究优点：可排除复杂因素的干扰，即固定参数，对某些问题进行精细的研究缺点：与实际发动机的运行状况相差较大快速压缩-膨胀系统目的：一般用于基础研究，主要用于喷雾和燃烧特性的研究结构：有运动件，实现单次的快速压缩-膨胀优缺点：具有光学发动机和定容燃烧系统两者的优缺点内窥镜定容燃烧系统对发动机改动最小最为接近真实的发动机工作状态但图象有失真，不容易做定量的标定分子光谱散射的种类瑞利散射自发喇曼散射激光诱导荧光分子光谱散射的本质：涉及到分子和光子之间的能量交换问题米氏散

14、射Mie Scattering产生物质微粒，并不涉及分子和光子之间的能量交换瑞利散射现象当采用一束单色光，例如激光束作为光源时，发生与入射光波长几乎完全一致的散射光，这时发生的散射现象，即称为瑞利散射波长较长的波散射较小，而波长较短的蓝、绿光，受到空气散射较强，天空中的蓝色正是这些散射光的颜色，因此天空会呈现蓝色。英国科学家J.W.S.瑞利在19世纪末研究天空颜绝时提出的。因最初用于解释大气分子对可见光的散射瑞利散射现象物理解释解释一(粒子解释)瑞利散射可以用光的量子理论解释。即光子与物质分子发生了完全的弹性碰撞，能量并未改变，而是仅改变了光子的运动方向解释二(波动解释)频率为Vo的单色光辐射

15、入射到分子中产生频率为Vo的感应振荡偶极子然后这些振荡偶极子向四周辐射出与入射光波相同频率的次波喇曼散射现象当采用一束单色光，例如激光束作为光源时，发生大于或小入射光波长，波长分布不连续，且散射光强度很小的散射现象，即称为喇曼散射频率低于入射光的频率的散射，称为Stokes散射，频率高于入射光频率的散射，称为anti-Stokes散射喇曼散射光信号光强大大低于瑞利散射的光信号光强1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。(1) 解释一(粒子解释)喇曼散射可以用光的量子理论解释。即光子与物质分

16、子发生了不完全的弹性碰撞，相互之间能量有交换，不仅改变了光子的运动方向，而且从造成了散射光波长的变化(2) 解释一(波动解释)当频率为Vo的单色光辐射入射到分子中产生频率为Vo的感应振荡偶极子，然后这些振荡偶极子再被频率为VR的分子振动调制形成V=Vo+/-VR的新的振荡偶极子，喇曼散射就是由这些频率为Vo+/-VR的感应振荡偶极子引起的。激光诱导荧光散射现象当采用一束单色光，例如激光束作为诱导光源时，含有荧光物质的气体分子发生大于入射光波长的荧光,且散射光强度较大的散射现象，即称为激光诱导荧光光的吸收过程大约10-8-10-9s，发出的荧光约持续10-6s量级。一旦照射光停止，荧光也几乎立即

17、停止荧光光强主要受入射激光光强和荧光物质浓度的影响。、激光诱导荧光散射现象的物理解释入射激光光子能量被物质分子吸收，分子在吸收了光子能量之后跃迁至较高能级成为激发分子，处于较高能级的激发分子不能稳定于高能级，在很短时间内从所处的能级下降至第一电子激发态的最低振动能级，然后再由这一能级下降至基态的任何振动能级，在这一过程中，激发分子以光的形式放出它们所吸收的能量，所发出的光便是荧光。、激光诱导荧光实际所应满足的条件必须了解分子的吸收和发射光谱分子的吸收光谱必须和激光光源的波长匹配必须了解受激分子的辐射衰减率由于碰撞、分解等各种原因导致的激发态能量损失(特别是在多组分、高压环境下)、激光诱导荧光技

18、术应用要点用途：LIF可以测量燃烧体系密度、温度、速度、压力和混合物的分子数关键：选择合适的物质与特定波长的激光光源相匹配，产生足够强度的荧光信号激光诱导荧光技术应用要点用途：LIF可以测量燃烧体系密度、温度、速度、压力和混合物的分子数关键：选择合适的物质与特定波长的激光光源相匹配，产生足够强度的荧光信号瑞利散射瑞利散射是入射激光与气体分子之间弹性碰撞的散射光。由于散射光的强度与气体分子的摩尔浓度成正比，瑞利散射光能用来测量气体的浓度。瑞利散射结合压力测量，根据状态方程可以计算气体温度。瑞利散射的优点是其散射光很强，适合测量气体密度很低的场合。与喇曼散射相比，瑞利散射的散射截面是喇曼散射散射截

19、面的上千倍。利用瑞利散射测量，其系统非常简单，而且所得数据处理起来比较简单。由于瑞利散射是弹性散射，它不能用来测量多种物质混合物中的成分。而且由于瑞利散射光与入射激光的波长相等，它受大粒子的Mie散射光的干扰很大而且容易受到来自壁面的射光的影响。由于Mie散射的光强是瑞利散射光强的几十倍，为了保证能检测到瑞利散射，测量环境必须非常干净，保证空气中没有灰尘、液滴等颗粒。喇曼散射自发喇曼散射是入射光与分子之间非弹性碰撞的散射光，光子与散射分子之间有能量交换。因此，光子会从散射分子那里得到能量或失去一些能量给散射分子，喇曼散射光的波长与入射光的波长不同。对喇曼光谱的测量可以区分不同的物质种类。喇曼散

20、射光的强度取决于由热作用的特殊的转振子能级的分子数量。由于喇曼光的峰值与入射光能很好区分出来，杂乱的散射光能被辨别出来。喇曼散射具有碰撞时间短的优点（10-9s），因此不会有熄灭发生。喇曼散射在任何波长的入射激光的激发下都会发生，它可以同时进行多种物质的测量，由于自发喇曼散射不进行电子能级之间的跃迁，它能够测定稳定物质的浓度，比如N2、O2、CO2等。（这一点普通的激光诱导荧光法无法做到，因为它需要远紫外光作为光源。）喇曼散射光非常弱，并且需要进行仔细的信噪比考虑；来自没有波长改变的散射光的背景噪声是喇曼散射的一个问题。激光多普勒测速的基本原理激光多普勒测速的基本原理是依据激光多普勒效应，利用

21、运动例子散射光的频移来测量速度，因为散射光的频移中包含有运动例子的信息利用了流场中粒子的Mie散射效应激光多普勒测速的过程包含着静止的光源、运动的微粒和静止的光检测器这三者之间的传播关系、LDA技术的优缺点(1)优点非接触式方向性高时空分辨率多维测量(2)缺点不能实现流场全场测量不适于非透明流体和光线不可及的流动区域的测量；操作较复杂粒子图像测速技术的基本原理PIV是一种在流场中同时多点（如数千点）测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。通常在流场的“平面薄片”中进行测量精度和空间分辨率可与LDV及HWA比较粒子图像测速技术的系统组成激光光源和成像光路CCD示踪粒子图像处理部分喷雾的粒径测量技术

22、夫琅和费衍射粒径测量技术相位多普勒粒径测量激光全息粒径测量夫琅和费衍射现象夫琅和费衍射现象产生的条件平行光单色光粒子尺度远大于光波长夫琅和费衍射现象产生的特征衍射条纹成明暗相间环状分布。中间环又亮又宽，其余环从中间向周边亮度减小。衍射条纹与入射光波长、粒子尺度有关。相位多普勒测粒径原理相位多普勒粒子分析是利用多普勒效应来测量运动粒子的相关特性。它是由激光多普勒测速发展而来的，至今已有近二十年的历史。PDA所依据的基本光学原理是Mie散射理论。如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普勒效应。在PPA中，通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小。激光全息技术普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在振幅上），丢掉了位像信息，得到的是一个二维平面图像，毫无立体感。全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于所谓参考光波与原物光波的相互作用，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹这种干涉条纹不仅保存了物光波（从物体反射的光波）的振幅信息，同时还保存了物光波的位相信息记录了干涉条纹的全息照片可以看做是个复杂的衍射光栅，当用与原参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后原物的位