2011红外技术3解析

第三章红外辐射源任何放射红外波段电磁波的物体均称为红外辐射源。标准辐射源（黑体）实用辐射源自然辐射源一般分为§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确定标准。理论探讨：空腔小孔的有效放射率与1的近似程度。空腔小孔近似为黑体辐射源放射率略小于1Gouffe’理论的结论1.腔孔的有效放射率εo总是大于腔壁材料的放射率ε2.在腔长与口径之比（l/R）的值相同的情况下，ε↗→

εo↗3.在ε值相同的状况下，l/R的值↗→εo↗4.对同一个l/R值，空腔内表面积↗→εo↗5.若ε足够大，l/R足够大，εo将与波长无关且εo→1，可视为黑体源。l2R圆锥型腔l2R圆柱型腔l球型腔2R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P922.分类（1）按辐射腔口的口径分类大型：Φ≥100

mm中型：Φ≈36

mm

小型：Φ≤10mm（2）按工作温度的范围来分类高温：3000~2000K中温：900~500K低温：400~200K3.设计考虑（1）腔型的选择腔体对给定的l/R，εo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↗→εo↗，但l/R太大匀整加热难。（2）腔芯①高导热率，以削减腔壁的温度梯度。②在运用温度范围内（尤其高温时），有好的抗氧化实力和氧化层不易脱落的性能。③材料表面的放射率要高。材料要求能满足上述全部要求的材料不多，实际中实行一些折中的方法。对1400K以上，常接受石墨或陶瓷。对1400K以下，常接受金属，铬镍不锈钢（热导率好）对低于600K，用铜制做，热导率较高。为增加腔的ε：①对表面粗糙加工②涂上某种ε高的涂料层（温度不太高时）（3）腔体的等温加热为使辐射源更接近于志向黑体，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1/3~2/3的恒温区就可以满足试验室的要求。等温加热的方法：①变更腔芯外形，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。②在开口处旁边，增加线圈匝数，补其热损失。（4）腔体的温控和测量辐出度M的相对变更可见：腔体温度变更对辐出度变更的影响较大。例：若要求供应红外设备标准用的黑体源变更小于10%，则要求温度变更不超过2.5%。∵温控和测量干脆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测温点的选择（因为黑体内的温度不行能是完全恒温的）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：人工限制输入电压自动电子控温器（5）光阑光阑的运用：1.降低了黑体前表面的辐射；2.规定了黑体有确定的运用视场。l2R圆柱型腔三.指标要求有效放射率εo；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。§3.2好用红外辐射源一.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；Φ≈１～３cm2.工作特性室温下：非导体→经加热400c°→成导体工作前需预热。能斯脱灯有负的电阻温度系数。（T→800c°时，电阻大大减小）运用时电路中需加镇流器。工作温度：1700—1800K有效光谱范围：2—15μm放射率：＞１５μm时，ε有所下降。2~15μm范围，ε的平均值0.66。优点：发出的光强度高。缺点：机械强度低；空气流淌易引起光源温度的变更。二.发光硅碳棒结构：由碳化硅做成的实心圆棒。

L≈5～

10cm；Φ～5cm工作温度：1200—1400K有效光谱范围：2—15μm；辐射最大值：8~9μm。放射率：2~15μm范围，ε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需镇流器三.白炽灯

光谱范围0.4~3μm辐射能可见光谱区6~12%近红外辐射~70%泡内气体、外壳吸取~20%缺点：发光效率与寿命冲突、机械强度差优点：价廉、可得到大的光通量四.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1700~2800c°从灯丝蒸发的钨分子→卤钨灯管壁旁边（T=250~1200c°）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旁边→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→扩散到泡壁旁边再接着与从灯丝蒸发出的钨分子化合。卤钨灯：卤钨灯有效地消退了泡壁上钨的沉积，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2~3倍。体积小，是同功率白炽灯的0.5~3%。光通量稳定。缺点：价格贵、管壁温度高。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。六.激光器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(1)工作物质工作物质：放射激光的材料固体、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He—Ne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镓（GaAs）半导体激光器（1）光学性质匀整、透亮性好且性能稳定；（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、激光能量凹凸、激光器运用寿命、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：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。EE1E2excitedstategroundstate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表示玻尔兹曼分布原子体系在热平衡时，各能级上的粒子数听从玻尔兹曼分布。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可见：能级越高，粒子数越少。室温下，绝大部分粒子处于基态。辐射跃迁：原子由于放射或吸取光子而从一个能级变更到另一个能级。放射或吸取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，而从一个能级变更到另一个能级。（即不吸取也不放射光子）2）光的自发辐射、受激辐射、受激吸取普朗克黑体辐射公式黑体普朗克公式表示的黑体辐射，事实上是辐射场和构成黑体的物质、原子相互作用的结果。这种相互作用应包含原子的自发辐射、受激辐射、受激吸取三种过程。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（a）自发辐射自发辐射：在没有外来光子的状况下，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、相互间不相干，自发辐射的能量平均地支配到腔内全部模式上。所以：自发辐射的光源，方向性、相干性、单色性差。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值例：A21=0.5×108/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。(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，同时放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ε=hν=E2-E1外来光子受激辐射跃迁几率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(ν)—外来光子的单色辐射能量密度W21=B21u(ν)受激辐射与外来光有关W21—单位时间内，在能量密度为u(ν)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。受激辐射的特点⑴必需有外来光子，其能量ε=hν=E2-E1才能发生。⑵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）。⑶可使外来光得到放大。(c)受激吸取N2N1E2E1两能级满足跃迁选择定则ε=hν=E2-E1光的受激吸取是同受激辐射相反的过程。原子受外来光作用，完全吸取外来光子，并跃迁到E2能级。*必需有外来光子受激吸取跃迁几率W12：B12—受激吸取系数，原子能级系统的特征参量u(ν)—外来光子的单色辐射能量密度W12=B12u(ν)受激辐射与外来光有关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取几率自发辐射与受激辐射强度之比自发辐射的光功率I自=N2A21hν受激辐射的光功率I受=N2B21u(ν)hν在热平衡状况下对光波总是自发辐射占优势例如：

在T=1500K，λ=0.5μm的热平衡空腔中4)光的吸取和增益外来光子激励时，受激辐射和受激吸取两个过程同时发生（当外来光足够强时，自发辐射可以忽视）。受激辐射<受激吸取入射光宏观上表现为光吸取受激辐射>受激吸取入射光宏观上表现为光放大光放大的条件设：dt时间、单位体积内受激辐射光子数dN21dt时间、单位体积内受激吸取光子数dN12(1)N2<N1，受激辐射<受激吸取，光吸取(2)N2>N1，受激辐射>受激吸取，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实力(2)泵浦源（激励源）泵浦源：向工作物质供应能量，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ε=hν=E2-E0E0脉冲氙灯激光器常用的泵浦源有：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）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）

(3)谐振腔的作用作用：创建条件，使谐振腔内的受激辐射能够多次通过激活介质。谐振腔确定着输出激光的基本特性即：方向性、相干性和输出功率开式谐振腔：被非反射侧壁封闭的谐振腔光学谐振腔：两面相隔确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。b.光来回反射相当于经镜面多次衍射，形成一稳定的场分布例如：平行平面腔探讨：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。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。d.为激光振荡供应正反馈，以增加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。1.激活介质处于粒子数反转分布状态☻要实现粒子数反转必需外有激励能源（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取转化为光放大☻描述光放大的物理量是增益系数G（ν）产生激光必需满足的条件激光振荡的阈值条件G0>α2.满足光振荡的阈值条件2.激光光束的基本特点高斯光束共焦腔：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。振幅分布位相分布其中：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。振幅分布位相分布高斯光束的特征近似为：非匀整的，曲率中心不断变更的球面波。（1）光束半径ω（z）随Z变更。Z=0处称为光腰光束半径ω（z）随Z变更是双曲线函数ω0ω(z)ωos振幅降到轴上的1/e(2)波面曲率半径R（z）R(z)>z，且曲率中心不同。（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。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（2）高亮度、高单色亮度光源的辐亮度在其它条件不变的状况下ΔΩ↙→L↗，Δt↙→L↗。光源的光谱亮度高因为激光的单色性好（Δ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分激光与一般光源的更有代表的特性。3.常用红外激光器（1）钕玻璃激光器在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质=1.06μm由于可获得大体积匀整性良好的钕玻璃，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1014W激光器。（2）掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）输出波长：=1.06μm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供应较高的激光功率，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。（3）氦-氖激光器工作物质：氦氖混合气体激光由氖原子放射，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依据选择的工作条件激光器可以输出近红外、红光、黄光、绿光。（=3.39μm；=1.15μm）（4）CO2激光器工作物质：CO2、He、N2、Xe的混合气体激光由CO2分子放射，其它气体帮助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和运用寿命。输出波长：=10.6μm；=9.6μm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。(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，运用寿命长，有效运用时间超过10万小时。输出波长主要在900nm旁边输出功率在90mW~100mW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。§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自然表面、军事目标可视为漫反射Lλ=Mλ/π2.平滑表面的镜面近似无水纹的液面、海面可形成部分镜面反射Lλ’=ρλLλ3.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二.几种目标和背景的辐射1.人体的辐射人体皮肤的ε很高

λ>4μm，ε的平均值为0.99λ>2μm以上完全和黑的一样。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℃。计算人体辐射：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§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、高度和位置而变更80公里以下干燥干净大气中各种气体的含量（不变成份）组份体积百分比2µm~15µm间吸取氮78.084氧20.946氩0.934二氧化碳0.032有猛烈吸取氖氦甲烷含量少有一氧化二氮含量少有p127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取成分

在空气中随高度增加含量削减。12公里以上可忽视。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。二.大气吸取、散射导致的辐射衰减辐射通过大气，因受到大气的影响而