光辐射物理基础一

光辐射物理基础一第一页，共七十七页，2022年，8月28日台湾地区的奇美电子、冠捷科技等光电企业巨头的陆续入驻，一个世界级的光电产业基地逐渐在宁波保税区显现。宁波已经把打造世界级的光电产业基地作为未来发展的重点。宁波市市长毛光烈表示：“奇美、冠捷进来将引来更多的相关配套企业。”

宁波出口加工区和保税区内落户的台资配套企业已近20家，其中包括全球著名的背光模组生产厂商中强光电、大亿科技等。据宁波市有关部门透露，目前已经或有意跟进的台资上下游企业多达数十家。第二页，共七十七页，2022年，8月28日1宁波奇美电子有限公司：产值300亿(主导产品液晶电视和显示器、台商独资企业，投资1.7亿美元)。

2宁波波导股份有限公司：产值200亿(主导产品手机3500万部，拟与国外大公司战略合作)。

3宁波奥克斯集团公司：产值100亿(主导产品手机1500万部，今年新核准生产许可证)。

4宁波广博集团公司：产值33亿(主导产品数码相机、纳米材料)。

5宁波屹东电子股份有限公司：产值30亿(主导产品手机、智能家电、LED、香港上市公司)。

6宁波太阳能电源有限公司：产值30亿(主导产品太阳能电池100MW)。第三页，共七十七页，2022年，8月28日重点项目

①液晶电视和显示器生产：宁波华屋电子有限公司投资1.7亿美元在保税区建立液晶电视和显示器生产厂，一、二期产能将达600万台，并在周边形成较为完善配套产业链体系。“十一•五”期间如液晶电视国内市场高速增长，台商将会考虑将液晶显示屏转移至宁波生产，那将是一次重大产业战略转移。

②2G、2.5G、3G手机扩产：宁波波导股份有限公司为了推进与国外大公司战略合作，拟在现有2000万部生产能力基础上再新投资3亿人民币增加2000万部生产能力，使之年产能达到4000万部，位列全球第4，以增强其国内外市场竞争力。

③手机生产扩产：宁波奥克斯集团有限公司2005年上半年刚获得国家核准手机生产许可证。公司拟扩建手机生产线，使其年产能达到2000万部。

④数码相机扩产：宁波广博集团有限公司拟投资10亿元建10条数码相机生产线，使之年产能达到300万部。另拟投资1亿元建数码打印机和电子相框生产等项目。

第四页，共七十七页，2022年，8月28日⑥太阳能电池扩产：宁波太阳能电源有限公司拟投资1亿元将太阳能电池年生产能力从25MW提高到100MW，为顺利扩产公司已在科技园区征地造新厂房。

⑦大尺寸液晶背光模组生产：宁波大亿科技有限公司拟投资2.5亿元在保税区为华屋电子有限公司建配套大尺寸液晶背光模组生产线，其年产能将达到1800万片。

第五页，共七十七页，2022年，8月28日光辐射物理基础在所有这些领域中，都涉及到将光辐射信息转换为电信息检测的问题。了解光辐射的度量、光辐射的产生及其传输的基本规律，介绍典型的光辐射源、常用光学材料的性质以及光辐射调制的原理与方法。第六页，共七十七页，2022年，8月28日主要内容：1

光辐射的度量2

温度辐射源及其辐射特性3

受激辐射与激光器4

辐射在媒质中传输的衰减5光辐射的调制第七页，共七十七页，2022年，8月28日§1-1

光辐射的度量1.1.1基本光辐射度量1.1.2光谱辐射度量和光子辐射度量1.1.3基本光度量1.1.4朗伯余弦定律与小面源辐射特性§1-1

光辐射的度量

第八页，共七十七页，2022年，8月28日光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论。1905年,爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射。爱因斯坦（1879-1955）什么是光？

第九页，共七十七页，2022年，8月28日光子能量公式：E=hν光子动量公式：p=hν/c=h/λh：普郎克常数

上面两公式等号左边表示光为微粒性质（光子能量与动量），等号右边表示光为波动性质（电磁波频率和波长）。

光电转换一般使用固体材料，利用其量子效应。从固体能级来说，具有从0.1ev到几个ev能量的转换比较容易，即比较容易在十几微米的红外到0.2微米左右的紫外范围内进行高效率的能量转换。第十页，共七十七页，2022年，8月28日光辐射是电磁波辐射。电磁波谱分为长波区、光学区、射线区。光电检测技术只涉及光学谱区。在光学谱区内，具有相同的辐射与吸收机理，许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域。使用光学透镜来接收辐射或聚焦成象。第十一页，共七十七页，2022年，8月28日电磁波谱及光谱图101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡无线电波毫米波红外光紫外光X射线射线宇宙射线/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光电磁辐射波谱第十二页，共七十七页，2022年，8月28日电磁波谱及光谱图

第十三页，共七十七页，2022年，8月28日光学区：1.可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在0.4~0.8m范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。2.紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是0.1~0.4m。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段、B波段和C波段。第十四页，共七十七页，2022年，8月28日3.红外辐射。波长在0.8~1000m的是红外辐射。通常分为近红外（0.8~3m）、中红外（3~6m），远红外（6~20m）和极远红外（20~1000m）四部分。第十五页，共七十七页，2022年，8月28日

1.辐射度学(Radiometry)与光度学(Photometry)

光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。一、基本光辐射度量第十六页，共七十七页，2022年，8月28日

辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于X光、紫外光、红外光,可见光以及其他非可见的电磁辐射。光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。以人的视觉习惯为基础建立。

光度学是辐射度学的一部分或特例。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。为了区别这两种量，有的用下标e和v区分。第十七页，共七十七页，2022年，8月28日⑴辐射能Q

辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示。

单位：焦耳（J）。

⑵辐射功率P

辐射功率Pe又称为辐射通量，定义为单位时间内流过的辐射能量，即

单位：瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）2.辐射量（1）第十八页，共七十七页，2022年，8月28日⑶辐出度M辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即单位：W/m2。辐射量（2）⑷辐射强度。辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，即单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。第十九页，共七十七页，2022年，8月28日由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是Pe，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有

第二十页，共七十七页，2022年，8月28日⑸辐射亮度。辐射亮度定义为单位面辐射源在某一给定方向上的辐通量。如图1所示。

（1-5）

SddSd图1辐射亮度示意图辐射量（3）第二十一页，共七十七页，2022年，8月28日显然，一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足(1-6)

式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。(1-6)式代入(1-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为(1-7)

可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射体的辐射出度为(1-8）

第二十二页，共七十七页，2022年，8月28日（6）辐射照度在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即

单位：（W/m2）。辐射量（4）第二十三页，共七十七页，2022年，8月28日2.光度量由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可用与辐度学的物理量

对应的来表示，其定义完全一一对应，其关系如表所示。第二十四页，共七十七页，2022年，8月28日

常用辐射量和光度量参数一览表（一）名称符号

定义单位

辐射能光能QeQv以辐射形式发射、传播或接收的能量。光通量对时间的积分。焦[耳](J)流[明]秒(lm·s)辐射通量光通量PePv

以辐射形式发射、传播或接收的功率。发光强度为Ιv的光源，在立体角元dΩ内的辐通量，dΦv=Ιv·dΩ。瓦[特](W)流[明](lm)

辐出度光出度Μe

Μv离开表面一点处面元的辐通量除以该面元面积。离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。瓦每平方米(W·m-2)流[明]每平方米(lm·m-2)

第二十五页，共七十七页，2022年，8月28日常用辐射量和光度量参数一览表（二）

辐射照度

光照度Εe

Εv照射到表面一点处面元上的辐通量除以该面元的面积。照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。瓦每平方米(W·m-2)勒[克斯](lx)辐射强度光强度

ΙeΙv

在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源或辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为540×1012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射强度Ιe=1/683W·sr-1时，规定为1cd。瓦每球面度(W·sr-1)坎[德拉](cd)

第二十六页，共七十七页，2022年，8月28日辐射亮度光亮度LeLv表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。瓦每球面度平方米(W·sr-1·m-2)坎[德拉]每平方米(cd·m-2)曝光量H光照度对时间的积分。勒[克斯]秒(lx·s)常用辐射量和光度量参数一览表（三）第二十七页，共七十七页，2022年，8月28日光度单位体系中，被选作基本单位的不是光通量或光出射度而是发光强度I，其单位是坎德拉（cd）。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。定义是：一个光源发出频率为540*1012Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683W/sr，则该光源在该方向上的发光强度为1cd。第二十八页，共七十七页，2022年，8月28日另两个与辐射度学单位不同的物理量：

光通量即单位时间内发射传输或接收的光能量，单位是流明（lm）。

光照度即入射到单位接收表面上的光通量，单位是勒克斯（lx）。第二十九页，共七十七页，2022年，8月28日3.点光源与扩展源点光源：辐射源的最大尺寸小于观察者与光测距离的1/10以内时，此时的辐射源被称为点光源。扩展源：当使用光学系统时，充满光学系统视场的辐射源作扩展源处理，未充满视场的则算作点源。第三十页，共七十七页，2022年，8月28日4.立体角半径为R的球面部分的边缘各点对球心连线所包围的空间叫立体角Ω。

Ω=ΔA/R2单位：球面度（1sr）整个球面空间立体角为4πsr第三十一页，共七十七页，2022年，8月28日作业：问题1：辐射通量P、辐射出度M、辐射强度I，辐射亮度L的定义是怎样的？问题2：M，I，L三者之间的关系是什么？

第三十二页，共七十七页，2022年，8月28日

二、光谱辐射度量与光子辐射度量全波辐射量：波长范围从0~∞全部光辐射的度量称为全波辐射量。光谱辐射量：对指定波长附近单位波长间隔内的辐射量称为光谱辐射度量。第三十三页，共七十七页，2022年，8月28日全波辐射量和光谱辐射量的换算光谱辐射功率为则光谱辐出度第三十四页，共七十七页，2022年，8月28日对于单色光辐射普朗克常数h=6.626*10-34J*s全波长光子辐出度第三十五页，共七十七页，2022年，8月28日辐射度量参数与光度量参数的转换将可见光的能量特性与辐射能量实现互换，遵循其中：F(λ)为可见光光通量，P(λ)为光谱辐射功率，K(λ)为眼睛的光视效能，最大灵敏度时定义为Km(λ)。V(λ)为光效函数，定义为第三十六页，共七十七页，2022年，8月28日光视效能光视效能：描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即

单位：流明/瓦特（lm/W）

通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率5401012Hz（波长555nm）处，K有最大值，其数值为Km=683lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，其定

第三十七页，共七十七页，2022年，8月28日人眼的光谱光视效能明视效能

λ=555nm时，具有最大灵敏度Km应用：出租车绿色的空载灯暗视效能

λ=507nm时，具有最大灵敏度K’m单位：lm/W教材P4表1-4第三十八页，共七十七页，2022年，8月28日V(λ)又称为视见函数。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的平均相对灵敏度。光谱光视效率V(λ)曲线图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉V(λ)曲线λm=555nm；虚线为在视场较暗时测得的，称为暗视觉V′(λ)曲线。对于暗视觉，λm′=507nm，Km′=683lm·W-1。所有光度计量均以明视觉的K(λ)为基础。第三十九页，共七十七页，2022年，8月28日图2光谱光视效率曲线第四十页，共七十七页，2022年，8月28日朗伯余弦定律与小面源的辐射特性四、朗伯余弦定律与小面源的辐射特性1.朗伯余弦体若一个置于各项同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量为P，则该点辐射体在各方向的辐射强度I是常量。规定在某一给定方向上的辐射通量为辐射亮度LSddSd辐射亮度示意图第四十一页，共七十七页，2022年，8月28日1.朗伯余弦定律若某方向单位立体角发射的功率其中：B为与方向无关的常数。满足上式朗伯余弦定律的辐射表面称为朗伯面。满足朗伯余弦定律的辐射源称为郎伯辐射源。第四十二页，共七十七页，2022年，8月28日2.朗伯辐射源的辐射特性朗伯辐射源的辐射亮度郎伯辐射体的辐射亮度L与辐出度M的关系第四十三页，共七十七页，2022年，8月28日3.小面源的I,L,M的相互关系将小面源上各点的亮度近似看成朗伯余弦体。求小面源的辐射功率辐射强度第四十四页，共七十七页，2022年，8月28日由于对于朗伯体满足因此辐出度第四十五页，共七十七页，2022年，8月28日点光源产生的辐射照度E小面源产生的辐射照度E第四十六页，共七十七页，2022年，8月28日§1.2温度辐射与黑体辐射定律一、温度辐射与黑体辐射定律温度辐射（热辐射）：任何具有一定温度的物体都能转换本身的热能而自发地向外辐射能量。发出：连续电磁波，波长连续波谱。

蚊子对辐射敏感任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。第四十七页，共七十七页，2022年，8月28日物体辐射的两种形式：热辐射，发光任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。第四十八页，共七十七页，2022年，8月28日吸收比。被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用表示。反射比。反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用表示。对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即

第四十九页，共七十七页，2022年，8月28日基尔霍夫定律

（一）基尔霍夫定律对温度为T的物体，辐出度满足基尔霍夫定律：意义：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。与该物体的温度和入射的辐射波长有关，与物体本身的性质无关。第五十页，共七十七页，2022年，8月28日（二）黑体若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。不能完全吸收入射辐射的功率称为非黑体。发射率非黑体与黑体的辐出度之比发射率不随波长变化且小于1的物体称为灰体。P7常见物体的发射率第五十一页，共七十七页，2022年，8月28日（三）黑体的辐射特性1.普朗克黑体辐射定律绝对黑体的光谱辐出度其中：为光谱辐出度，T为绝对温度（K），h为普朗克常数h=6.626*10-34W*S，KB为波尔兹曼常数KB=1.38054*10-23W*S/K，c为光速c=2.99792520*108m/s第五十二页，共七十七页，2022年，8月28日化简后C1,C2为第一辐射常数，第二辐射常数。第五十三页，共七十七页，2022年，8月28日普朗克公式描述了不同温度下黑体辐出度与波长之间的关系。黑体辐射单色辐射出射度的波长分布第五十四页，共七十七页，2022年，8月28日上图为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。可见：⑴对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）⑵单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。。黑体辐射单色辐射出射度的波长分布第五十五页，共七十七页，2022年，8月28日⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。2.维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长

3.斯忒藩-玻尔兹曼定律

其中为斯忒藩-玻尔兹曼常数。斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。第五十六页，共七十七页，2022年，8月28日由斯忒藩-玻尔兹曼定律很容易算出已知温度黑体的总辐出度。例：310K人体2856K的标准钨丝白炽灯第五十七页，共七十七页，2022年，8月28日(四)朗伯余弦定律与朗伯余弦体1.朗伯余弦定律

设某一发射表面在法线方向上的辐射强度为与法线成角方向上的辐射强度为，则有此即朗伯余弦定律。朗伯余弦定律含义：表明各个方向上辐亮度相等的发射表面，其辐射强度按余弦定律变化。

凡是辐射曲线服从余弦定律的光源称为朗伯光源。第五十八页，共七十七页，2022年，8月28日朗伯辐射源的辐射特性1.各个方向上的辐射亮度满足即各个方向上的辐亮度相等的辐射源。

2.朗伯辐射源的辐出度与辐亮度之间的关系第五十九页，共七十七页，2022年，8月28日3.朗伯辐射源的辐亮度与辐射强度间的关系朗伯辐射源在发现上的辐射强度等于辐亮度乘以源面积。4.朗伯源的辐射强度与辐射功率之间的关系朗伯源的总辐射功率等于辐射源法线方向上的辐射强度的π倍。

第六十页，共七十七页，2022年，8月28日5.理想漫反射体亮度与辐照度之间的关系将处于反射场的理想漫反射体视作朗伯辐射源，将从各方向上入射的全部辐射功率均毫无吸收和毫无透射地按朗伯余弦辐射定律反射出去。即理想漫反射体的辐亮度等于它的辐照度除以π。第六十一页，共七十七页，2022年，8月28日当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，因面上凹凸不平，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。这种反射的光称为漫射光。很多物体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑，但用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方向。隐形衣的研制第六十二页，共七十七页，2022年，8月28日黑体的各发射率均为1，与方向无关，是朗伯余弦体。除磨光的金属，其它辐射源某种程度上近似为朗伯辐射体。二、人工辐射源及目标、背景的辐射特性

1.人工黑体自然界没有绝对黑体近似理想黑体：密闭空腔中的辐射，使发射率非常接近1。第六十三页，共七十七页，2022年，8月28日黑体辐射源的用途标定各种红外辐射源的辐射强度，标定各类红外探测器的响应率，测定红外光学系统的透射比研究各种物质表面的辐射特性研究大气和其他物质对辐射的吸收透射特性黑体的分类高温黑体>1273K近红外波段中温黑体373K~1273K中红外波段近室温黑体223K~373K远红外波段低温黑体<223K第六十四页，共七十七页，2022年，8月28日光源（辐射源）是光电检测系统的一个组成部分，大多数光电检测系统都离不开光源。光电检测系统对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。第六十五页，共七十七页，2022年，8月28日红外辐射源光源的分类：钨丝灯气体放电灯半导体发光二极管激光光源第六十六页，共七十七页，2022年，8月28日2.通用红外辐射源（发射波长位于红外）能斯脱（Nernst)灯2000K是红外辐射技术中的常用光源硅碳棒1000K~1800K钨丝灯2000K~3100K3um以下，是最接近黑体的辐射源常用作光谱分布的标准光源

气体放电辐射源利用辉光放电现象水银灯利用水银蒸汽放电现象氙灯利用惰性气体的放电现象照相机闪光灯碳弧开放式放电第六十七页，共七十七页，2022年，8月28日光源的分类光源可分为自然光源和电光源。常用的电光源以发光原理可分为四大类：热辐射光源气体放电光源激光器电致发光器件第六十八页，共七十七页，2022年，8月28日热辐射光源

热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。

白炽灯就是一种典型的热辐射光源。钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者保持真空，钨丝被电加热到白炽状态而发光。白炽灯的寿命取决于很多因素，包括供电电压等，在经济成本下寿命可以达到几千小时。第六十九页，共七十七页，2022年，8月28日白炽灯：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1~1.5mm，因此可用作近红外光源。对于更远的红外区域，可选用其他热辐射光源，例如硅碳棒或者能斯脱灯等，它们工作在较低的温度下，峰值波长更长。热辐射光源输出功率大，但对电源的响应速度慢，调制频率一般低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。第七十页，共七十七页，2022年，8月28日钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐