红外辐射源精品课件

1、红外辐射源第1页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二3.1 黑体型辐射源一. 黑体型辐射源的用途及理论用途：作为标准辐射源，广泛地用作红 外设备的绝对标准。理论研究： 空腔小孔的有效发射率与1的 近似程度。空腔小孔近似为黑体辐射源发射率略小于1第2页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二Gouffe理论的结论1. 腔孔的有效发射率o总是大于腔壁材料 的发射率2. 在腔长与口径之比（l/R）的值相同的情 况下， o3. 在值相同的情况下， l/R的值 o4. 对同一个l/R值，空腔内表面积 o5. 若足够大，l/R足够大，o将与波长无关 且o1，可视为黑体源。第

2、3页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二l2R圆锥型腔l2R圆柱型腔l球型腔2R第4页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二二. 黑体辐射源的构造1. 构造主要组成部分：腔体、加热线圈、保温 层、温度计和温控部分P92第5页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二2. 分类（1）按辐射腔口的口径分类大型：100 mm中型：36 mm 小型：10 mm（2）按工作温度的范围来分类高温：30002000K中温：900 500K低温：400 200K第6页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二3. 设计考虑（1）腔型的选择腔 体对给定的

3、l/R，o值加工制作均匀加热圆柱型介于最大与最小之间较易较易球 型最大难不易圆锥型最小较易较易 大多数取l/R 6，l/R o，但l/R太大均匀加热难。第7页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（2）腔芯高导热率，以减少腔壁的温度梯度。在使用温度范围内（尤其高温时），有好的抗氧化能力和氧化层不易脱落的性能。材料表面的发射率要高。材料要求 能满足上述所有要求的材料不多，实际中采取一些折中的办法。第8页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二对1400K以上，常采用石墨或陶瓷。对1400K以下，常采用金属，铬镍不锈钢 （热导率好）对低于600K，用铜制做，热导率较高

4、。为增加腔的：对表面粗糙加工涂上某种高的涂料层（温度不太高时）第9页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（3）腔体的等温加热 为使辐射源更接近于理想黑体，要求腔体要等温加热。l2R圆锥型腔开口处温度低恒温区越长越好 但太长难以制作 一般1/32/3的恒 温区就可以满足 实验室的要求。第10页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二等温加热的方法： 改变腔芯外形，使任一点上腔芯的横断 面积相等，以保证每一加热线圈所加热 的腔芯体积相等。 在开口处附近，增加线圈匝数，补其热 损失。第11页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（4）腔体的温控和测量辐

5、出度M的相对变化可见：腔体温度变化对辐出度变化的影 响较大。第12页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二例： 若要求供给红外设备标准用的黑体 源变化小于10%，则要求温度变化不 超过 2.5% 。温控和测量直接影响黑体的性能好坏通常提出控温精度和温度稳定性的要求第13页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二测温点的选择（因为黑体内的温度不可能是完全恒温的）一般规定圆柱型腔：取腔底部圆锥型腔：取锥顶点处球 形 腔：开口的对称中心位置温度计：一般用热电偶、铂电阻温度计控温方法：人工控制输入电压 自动电子控温器第14页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，

6、星期二（5）光阑光阑的使用：1. 降低了黑体前表面的辐射；2. 规定了黑体有一定的使用视场。l2R圆柱型腔第15页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二三. 指标要求有效发射率 o； 温度范围；孔径尺寸；加热时间；控温精度；温度稳定性；视场；恒温区；重量；尺寸。第16页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二3.2实用红外辐射源一.能斯脱灯结构：由锆、钇、钍和其它氧化物混合 体烧结而成的空心圆柱体。 L 2 5cm；cm2. 工作特性室温下：非导体经加热400c成导体工作前需预热。第17页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二能斯脱灯有负的电阻温度

7、系数。（T 800 c时，电阻大大减小 ）使用时电路中需加镇流器。工作温度：17001800K有效光谱范围： 215 m发射率：m时， 有所下降。 215 m范围， 的平均值0.66。第18页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二优点：发出的光强度高。缺点：机械强度低； 空气流动易引起光源温度的变化。第19页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二二. 发光硅碳棒结构：由碳化硅做成的实心圆棒。 L 5 10cm；5cm第20页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二工作温度：12001400K有效光谱范围： 215 m； 辐射最大值： 8 9 m。

8、发射率：215 m范围，的平均值0.8。2. 工作特性室温下：是导体，不需预热。输入电压、电流：50v、5A 需镇流器第21页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二三. 白炽灯 光谱范围 0.4 3 m辐射能 可见光谱区 612% 近红外辐射 70% 泡内气体、外壳吸收20%缺点：发光效率与寿命矛盾、机械强度差优点：价廉、可得到大的光通量第22页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二四. 卤钨灯白炽灯：发光效率必有灯丝温度T 钨丝蒸发 灯丝变细灯壳变黑亮度寿命。卤钨灯：灯点亮后灯丝17002800 c第23页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二

9、从灯丝蒸发的钨分子 卤钨灯管壁附近（T=2501200 c ）与卤族元素化合成挥发性的卤化钨分子扩散到温度高的灯丝附近分解成钨分子和卤素分子钨分子沉积在灯丝上灯丝不因蒸发而变细。卤素分子扩散到泡壁附近再继续与从灯丝蒸发出的钨分子化合。卤钨灯：第24页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二卤钨灯有效地消除了泡壁上钨的沉积，延长了灯丝的寿命，提高了发光效率。优点：发光效率，是白炽灯的23倍。体积小，是同功率白炽灯的0.53% 。光通量稳定。缺点：价格贵、管壁温度高。第25页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二五.气体放电光源气体放电：电流通过气体媒质时的放电现 象

10、称为气体放电。气体放电灯：利用气体放电而发光的原理 制成的灯。 光谱：与气体或金属蒸汽的种类及放电 条件有关，光谱不连续。第26页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二六. 激光器第27页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二1. 激光器的基本结构激光器通常由三部分组成工作物质、激励源、谐振腔工作物质激励源谐振腔第28页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二(1) 工作物质工作物质：发射激光的材料固体、气体、液体、半导体钕玻璃脉冲激光器，掺钕的钇铝石榴石固体激光器HeNe混合气体、氩离子（A+r）离子气体激光器二氧化碳气体激光器有机染料激光器砷化

11、镓（GaAs）半导体激光器第29页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（1） 光学性质均匀、透明性好且性能稳定；（2）有能级寿命较长的能级亚稳态能级 ；（3）有比较高的量子效率。 从激光输出性能，如能量转换率、激光束的相干性、激光能量高低、激光器使用寿命、激光能量稳定性等方面考虑工作物质的作用及对其的基本要求：第30页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二光子与原子系统的相互作用1） 原子能级及粒子数正常分布能级：原子（分子或离子）具有一系列不 同的运动状态，每一种运动状态都 有其确定的能量值。这些不同状态的能量值是分立的，称为能级。EE1E2excited

12、stateground state第31页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二基态：原子处于最低的能级状态激发态：能量高于基态的其它能级状态简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目原子能级示意图E0基态E1E2En激发态原子能级、简并度电子的能级，依次用E0，E1，E2， En表示第32页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二玻尔兹曼分布 原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布。设：原子体系的热平衡温度为T，则在能级 En上的原子数Nn为：NnEnE1E2第33页，共98页，2022年，5月20日

13、，9点48分，星期二可见：能级越高，粒子数越少。 室温下，绝大部分粒子处于基态。第34页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二辐射跃迁：原子由于发射或吸收光子而从一 个能级改变到另一个能级。发射或吸收光子的频率满足选择定则无辐射跃迁：原子只是通过与外界碰撞或其 它交换能量的过程，而从一个 能级改变到另一个能级。 （即不吸收也不发射光子）第35页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二2）光的自发辐射、受激辐射、受激吸收普朗克黑体辐射公式第36页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二 黑体普朗克公式表示的黑体辐射，实际上是辐射场和构成黑体的物质、原子

14、相互作用的结果。 这种相互作用应包含原子的自发辐射、受激辐射、受激吸收三种过程。在实际系统中三种过程总是同时出现的，只是各自所占的比重不同。为简化问题，只考虑原子的两个能级E1、E2 单位体积处于两能级的原子数分别为N1、 N2第37页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（a）自发辐射自发辐射：在没有外来光子的情况下， 原子自发跃迁发出的光子。N2N1E2E1两能级满足跃迁选择定则N2N1E2E1自发地、各自独立地、彼此无关地、无规律地第38页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二特点：是个随机过程，各波列间没有固定位 相关系，可以有不同的偏振方向、传 播方向

15、、相互间不相干，自发辐射的 能量平均地分配到腔内所有模式上。所以：自发辐射的光源，方向性、相干性、 单色性差。第39页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二自发辐射跃迁几率A21：A21 单位时间内，N个高能级原子中发生 自发辐射跃迁的原子数与N的比值。单位时间、单位体积内自发辐射的光子数每种原子中的两个能级就有一个确定的A21值第40页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二例： A21=0.5108/秒意味着：在10-8/秒内E2上的原子将有一半 通过自发辐射回到低能级E1上。即：E2能级上的每个粒子发生自发辐射的 几率是1/2。通常：原子系统中符合辐射跃迁定

16、则的两个 能级间的A21约为107 108/秒的量级。 自发辐射跃迁几率A21只与原子本身性质有关，与辐射场无关。第41页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二(b)受激辐射 E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用，而跃迁到能级E1上，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。N2N1E2E1两能级满足跃迁选择定则=h=E2-E1外来光子第42页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二受激辐射跃迁几率W21：单位时间、单位体积受激辐射的光子数。B21受激辐射系数，原子能级系统的特征参量u() 外来光子的单色辐射能量密度W21 = B21 u()受激辐射与外来光有关第

17、43页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二W21 单位时间内，在能量密度为u()的光 照射下，由于受激辐射跃迁从能级E2 跃迁到能级E1的粒子数在E2能级总粒 子数中所占的比例。 受激辐射跃迁与自发辐射跃迁是本质不同的物理过程。第44页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二受激辐射的特点 必须有外来光子，其能量=h=E2-E1 才能发生。 受激辐射的光子与外来光子同属一个光 子态（特性完全相同）。 可使外来光得到放大。第45页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二(c) 受激吸收N2N1E2E1两能级满足跃迁选择定则=h=E2-E1光的受激吸收

18、是同受激辐射相反的过程。原子受外来光作用，完全吸收外来光子，并跃迁到E2能级。* 必须有外来光子第46页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二受激吸收跃迁几率W12：B12受激吸收系数，原子能级系统的特征参量u() 外来光子的单色辐射能量密度W12 = B12 u()受激辐射与外来光有关第47页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二3)爱因斯坦公式当 g1 = g2 时， 有 B12 = B21、W12 = W21当 g1=g2时受激辐射跃迁几率等于受激吸收几率第48页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二自发辐射与受激辐射强度之比自发辐射的光功

19、率 I自=N2A21h受激辐射的光功率 I受=N2B21u()h在热平衡情况下对光波总是自发辐射占优势第49页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二例如： 在T=1500K，=0.5m的热平衡空腔中第50页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二4)光的吸收和增益 外来光子激励时，受激辐射和受激吸收两个过程同时发生（当外来光足够强时，自发辐射可以忽略）。受激辐射 受激吸收 入射光宏观上表现为光放大第51页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二光放大的条件设：dt时间、单位体积内受激辐射光子数dN21 dt时间、单位体积内受激吸收光子数dN12第52

20、页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二(1) N2 N1，受激辐射 N1，受激辐射 受激吸收，光放大粒子数反转分布,与热平衡时玻尔兹曼分布相反N2 N1产生光放大的必要条件第53页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二激活介质：能够实现粒子数反转的介质。增益系数：描述激活介质对光的放大能力第54页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二(2) 泵浦源（激励源）泵浦源：向工作物质供给能量，把原子、分 子从基态激发到高能态，并形成粒 子数反转分布的能源。E2E1外来光子=h=E2-E0E0脉冲氙灯激光器第55页，共98页，2022年，5月20日，9点

21、48分，星期二常用的泵浦源有：光学泵浦：利用光源的光辐射把原子泵浦 到高能态。（固体、染料） 光 源：高亮度氙灯、氪灯、激光器气体放电泵浦：利用气体放电中形成的电子 或离子与工作物质的原子或 分子作非弹性碰撞，把其激 发到高能态。（气体、金属蒸汽）第56页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二粒子数泵浦：向工作物质注入高能电子或离子，让他们与工作物质的原子或分子作非弹性碰撞，把其激 发到高能态。（高压气体、半导体）化学泵浦：利用工作物质本身化学反映时产 生的能量把原子、分子激发到高 能态。（化学） 第57页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二 (3) 谐振腔的

22、作用作用：创造条件，使谐振腔内的受激 辐射能够多次通过激活介质。谐振腔决定着输出激光的基本特性即：方向性、相干性和输出功率第58页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二开式谐振腔：被非反射侧壁封闭的谐振腔光学谐振腔：两面相隔一定距离的反射镜 就组成了一个光学谐振腔特点：开放式的腔；腔的尺寸波长第59页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二 a. 定向、选频作用 得到高度平行 的单色性好的激光对于稳定腔，只有与轴线平行的光束，才能在腔内来回反射连锁放大。第60页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二b. 光来回反射相当于经镜面多次衍射，形 成一稳定

23、的场分布例如：平行平面腔讨论：在经相当多次衍射后，波具有什么特性，即光场是怎样的，其振幅和位相如何？ 波传播时，每次都要在谐振腔的边界上被衍射，我们可将其看成是一连串衍射孔的作用。第61页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二c. 选频得到单色性好的激光开腔的作用：限制激光在几个模式或一个 模式上振荡。第62页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二d. 为激光振荡提供正反馈，以增强光同 介质的相互作用。 激活介质的长度L和增益是有限的，多次反射增大了实际的L，可得到高强度的激光。第63页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二1. 激活介质处于粒子

24、数反转分布状态 要实现粒子数反转必须外有激励能源（光、电、热泵浦）内有亚稳态（三能级、四能级系统） 实现粒子数反转能使光吸收转化为光放大 描述光放大的物理量是增益系数G（） 产生激光必须满足的条件激光振荡的阈值条件G0 2. 满足光振荡的阈值条件第64页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二2. 激光光束的基本特点第65页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二高斯光束共焦腔：光场不仅在镜面上是高斯分布，在 整个谐振腔内及输出腔外的分布也 是高斯函数的形式。第66页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二振幅分布位相分布其中：第67页，共98页，20

25、22年，5月20日，9点48分，星期二高斯光束：振幅随着离开腔轴的距离r的变 化呈高斯型分布的行波光束。 振幅分布位相分布第68页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二高斯光束的特征近似为：非均匀的，曲率中心不断变化的球面波。（1）光束半径（z）随Z变化。Z=0 处称为光腰第69页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二光束半径（z）随Z变化是双曲线函数0 (z)os振幅降到轴上的1/e第70页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二(2) 波面曲率半径R（z） R(z) z，且曲率中心不同。第71页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星

26、期二（3）远场发散角00 为双曲线的两根渐近线间的夹角 对一般气体激光器来说，、L各异，但其0的数量级大都在毫弧度上。第72页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二小 结 共焦腔中的光束是一种叫做“高斯光束”的特殊光束，它具有近似球形的波阵面，但在以下几个方面却与球面波有原则差别。（1）振幅：振幅分布呈高斯分布（2）位相：不同波阵面球心不同（3）发散角：波面仅局限在微小的发散角内 第73页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二激光的基本特性高相干性和高单色亮度（1）高相干性时间相干、空间相干时间相干性好单色性好空间相干性好方向性好第74页，共98页，2022年，

27、5月20日，9点48分，星期二（2）高亮度、高单色亮度光源的辐亮度在其它条件不变的情况下L， tL。第75页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二光源的光谱亮度高因为激光的单色性好（小）所以激光能量在频谱上也是高度集中的单色亮度 成了区别激光与普通光源的更 有代表的特性。第76页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二3. 常用红外激光器第77页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（1）钕玻璃激光器在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质 = 1.06 m由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可制成大型器件，获得高能量和功率的激光，现已制成输出功率10

28、14W激光器。第78页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（2）掺钕钇铝石榴石（ Nd ：YAG）输出波长： = 1.06 m工作方式：连续、高重复率脉冲 工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦源的器件体积更小。第79页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（3）氦-氖激光器工作物质：氦氖混合气体激光由氖原子发射，氦气体起改善气体放电条件，提高激光器输出功率的作用。输出波长：常用的为 =632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、红光、黄光、绿光

29、。（=3.39m ；=1.15m）第80页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二（4）CO2 激光器工作物质： CO2 、He、N2、Xe的混合气体 激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命。输出波长： =10.6m； =9.6m是输出功率最高的气体激光器，有连续输出50kW；脉冲输出1012W的激光器。第81页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二(5)半导体激光器 半导体激光器是各类激光器中体积最小、重量最轻的激光器，使用寿命长，有效使用时间超过10万小时。输出波长主要在900nm附近输出功率在90mW100m

30、W之间。由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的激光器。第82页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二3.3自然辐射源目标和背景辐射源（目标和背景是相对的）一. 辐射模型1.粗糙表面的朗伯近似 有些天然表面、军事目标可视为漫反射 L=M /2.平滑表面的镜面近似 无波纹的液面、海面可形成部分镜面反射 L= L3.堆叠平面模型 一种漫反射材料上堆另一种漫反射材料4.平面混合模型：两种或多种辐射源放在一平面上第83页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二二. 几种目标和背景的辐射1.人体的辐射 人体皮肤的很高 4m， 的平均值为0.99 2m以上完全和黑的一样

31、。人体肤温与环境血液循环，新陈代谢有关室温为21 时，脸、手肤温大约为32。第84页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二计算人体辐射：第85页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二2.太阳的辐射 太阳表面的辐射大体上接近黑体粗略估算时可视为T=5900K的黑体。太阳常数：在日地平均距离上，在地球大 气层外测得的太阳的照度。地球表面的照度2/3 太阳常数 0.09W/cm2太阳常数0.1353W/cm2第86页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二 3.5红外辐射在大气中的传输一.大气的组成大气是由多种气体分子和悬浮微粒（固态、液态） 组成的混合

32、体。多种气体按混合比例可分为不变和可变成分不变成分：它们的相对比例在直到80公里的高度上 几乎不变。可变成分：它们的含量随温度、高度和位置而变化第87页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二80公里以下干燥洁净大气中各种气体的含量（不变成份）组份 体积百分比 2m15 m间吸收氮 78.084氧 20.946氩 0.934二氧化碳 0.032 有强烈吸收氖氦甲烷 含量少 有一氧化二氮含量少 有p127第88页，共98页，2022年，5月20日，9点48分，星期二可变成分主要是：水蒸气、臭氧水蒸气：是大气中主要的红外吸收成分 在空气中随高度增加含量减少。12公里以上可忽略。臭氧：低空中难以观测，随高度增加含量 增加。悬浮微粒：云、雾、雨、雪、尘埃等。第89页，共98页，2022年，5月20日