光源和光探测器

1、第九章第九章 光源和光探测器光源和光探测器1 辐射度量和光度量2 光源3 黑体辐射4 光量子 光的波粒二象性5 光的辐射过程6 激光器1辐射度量和光度量辐射度量和光度量1.1辐射度量辐射度量 辐射度量的各个物理量定义如下辐射度量的各个物理量定义如下: （1）辐射通量）辐射通量(又称辐射功率又称辐射功率) 定义：单位时间内通过某一截面的辐射能。定义：单位时间内通过某一截面的辐射能。（2）辐射强度）辐射强度 I 描述点源辐射的量描述点源辐射的量 定义：点辐射源在给定方向上单位立体角内定义：点辐射源在给定方向上单位立体角内 的辐射通量。的辐射通量。单位：瓦单位：瓦 / 球面度球面度 W / sr （

2、3）辐射亮度）辐射亮度B 描述面源辐射的量描述面源辐射的量 定义：面辐射源在某方向上单位投影面积定义：面辐射源在某方向上单位投影面积单位立体角发出的辐射通量。单位立体角发出的辐射通量。I = d / dt一般一般: :辐射亮度的大小与辐射亮度的大小与源面上的位置及方向有关源面上的位置及方向有关。 单位：单位： W / sr .m2B = d / ddscos =I /dscos（4）辐射出射度）辐射出射度 R 描述面源辐射的量描述面源辐射的量 定义：辐射源单位面积上发出的辐射通量。定义：辐射源单位面积上发出的辐射通量。 单位：瓦单位：瓦 /米米2 W / m2 光谱辐出度光谱辐出度 r ()

3、定义：单位间隔内的辐出度。定义：单位间隔内的辐出度。称为光谱辐出度，常用称为光谱辐出度，常用r表示，表示，r 一般与波长有关，记为一般与波长有关，记为r（ ） R = d / ds（5）辐射照度）辐射照度 E 辐射照度辐射照度 E是描述受照物体的量是描述受照物体的量 它表示入射到单位面积上的辐射通量的大小。它表示入射到单位面积上的辐射通量的大小。 如图所示，照射到受照面上某元面积如图所示，照射到受照面上某元面积ds的辐射的辐射通量为通量为d ，则面积则面积ds的辐照度定义为的辐照度定义为单位：瓦单位：瓦 /米米2 W / m2 R = d / ds1.2 光度量光度量在可见光范围内，人眼的视觉

4、细胞对不同在可见光范围内，人眼的视觉细胞对不同波长的辐射有不同的响应。有辐照度量描波长的辐射有不同的响应。有辐照度量描述可见光辐射不能反映人眼的亮暗感觉。述可见光辐射不能反映人眼的亮暗感觉。例如用辐射亮度相同的蓝光和黄光照射人例如用辐射亮度相同的蓝光和黄光照射人眼，人会感觉到黄光要比蓝光亮得多。在眼，人会感觉到黄光要比蓝光亮得多。在白天，人眼对波长为白天，人眼对波长为555nm（频率为（频率为540*1012Hz）的绿光最敏感，也就是说，）的绿光最敏感，也就是说，在引起相同亮暗感觉的条件下，对在引起相同亮暗感觉的条件下，对555nm的光所需的辐射通量的光所需的辐射通量 （555nm）最小，）最

5、小，而对其它波长的光所需的辐射通量而对其它波长的光所需的辐射通量 （ ）则较大。则较大。我们定义光视效率我们定义光视效率V（ ）为：）为：光视效率光视效率V（ ）是用来表示人眼对各种波长）是用来表示人眼对各种波长光光 的相对灵敏度的物理量。的相对灵敏度的物理量。V（ ）= （555）/ （ ） 白天：白天：555nm 夜晚：夜晚：507nm V（ ）= 1光谱光视效率光谱光视效率 V （ ）= Km V （ ） （ ）光视效能光视效能 K（ ）定义为波长为）定义为波长为的光通量的光通量 V （ ）与相应辐射通量与相应辐射通量 （ ）的比值：）的比值： K（ ）= V （ ）/ （ ） 当当=

6、555nm， K（ ）有最大值：）有最大值： Km= 683 lm / W 为了客观描述辐射通量引起的视觉强度，引入为了客观描述辐射通量引起的视觉强度，引入一个新的物理量一个新的物理量光通量。光通量。设波长为设波长为的辐射通量为的辐射通量为 （ ），对应的光），对应的光通量为通量为 V （ ），则两者的关系为），则两者的关系为1 W = 683 V（ ）lm 光通量的光通量的SI单位为流明（单位为流明（lumen，记做，记做lm）。）。而辐射通量的单位则为而辐射通量的单位则为W（瓦），二者的关系（瓦），二者的关系为：为：对于对于555nm的单色光，则有的单色光，则有1W=683lm即是说，其辐

7、射通量为即是说，其辐射通量为1W时，其光通量时，其光通量为为638lm。3 黑体辐射黑体辐射 3.1 热辐射的基尔霍夫定律热辐射的基尔霍夫定律 实验表明：物体的单色辐出度和单色吸收率实验表明：物体的单色辐出度和单色吸收率之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。 在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它吸收的能量。吸收的能量。任何物体在热辐射的同时，也吸收从周围物任何物体在热辐射的同时，也吸收从周围物体发出的辐射能。被物体吸收的辐射通量与体发出的

8、辐射能。被物体吸收的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比，称为吸收率。入射到该物体的辐射通量之比，称为吸收率。在单位波长间隔内的吸收率称为光谱吸收率，在单位波长间隔内的吸收率称为光谱吸收率，它与波长有关，记做它与波长有关，记做( )a为了描述物体的辐射与吸收的关系，德国物理学家基尔为了描述物体的辐射与吸收的关系，德国物理学家基尔霍夫与霍夫与1859年提出了下列定律：在热平衡状态下，任何年提出了下列定律：在热平衡状态下，任何辐射体的光谱辐出度辐射体的光谱辐出度 与光谱吸收率与光谱吸收率 的的比值只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质比值只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关，即无

9、关，即( , )rT),(),(),(TfTTr ( , )aT与与物物质质无无关关的的普普适适函函数数光光谱谱吸吸收收率率光光谱谱辐辐出出度度 ),(),(),(r TfTT 其中其中3.3 斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律玻耳兹曼定律和维恩位移定律 1. 斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比。黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比。2. 维恩位移定律维恩位移定律黑体的光谱辐出度的极大值所黑体的光谱辐出度的极大值所对应的波长与绝对黑体温度成正比。对应的波长与绝对黑体温度成正比。 4TR bTm 测定黑体辐出度的实验简图测定黑体辐出度的实验简图PL2B

10、2AL1B1CA为黑体为黑体B B1 1PBPB2 2为分光系统为分光系统C C为热电偶为热电偶4TR bTm 黑体辐射谱实验曲线根据维恩位移定律计算根据维恩位移定律计算人体辐射的峰值波长为人体辐射的峰值波长为 9.4微米（微米（T=310K）太阳辐射的峰值波长为太阳辐射的峰值波长为0.48微米（微米（T=6000K）太阳辐射的能量太阳辐射的能量50%在可见和紫外区。在可见和紫外区。 人体辐射的能量几乎全部在红外区。人体辐射的能量几乎全部在红外区。3.4 黑体辐射的经典理论遇到困难黑体辐射的经典理论遇到困难1.维恩公式维恩公式 )/(5102),(TCeCTr 在波长较短，温度较低时与实验结果相符。在波长较短，温度较低时与实验结果相符。2.瑞利瑞利-金斯公式金斯公式kTcTr402),( 在波长很长，温度较高时与实验结果相符。在波长很长，温度较高时与实验结果相符。3.5 热辐射的量子理论热辐射的量子理论-普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式11.2),(/520 kThcehcTr 普朗克公式给出