第1章光辐射与发光源2

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1、第1章 光辐射与发光源,1.1 电磁波谱与光辐射 电磁波的性质与电磁波谱 光辐射 1.2 辐射度学与光度学基本知识 辐射量 光度量 1.3 热辐射基本定律 单色吸收比和单色反射比,基尔霍夫辐射定律 普朗克公式 端利-琼斯公式 维思公式 维恩位移定律 斯式藩玻尔兹曼定律 色温, 1.6 光频电磁波的基本理论与定律,【本节主要内容】,1.1 电磁波谱与光辐射,电磁波定义、电磁波的性质 光辐射定义、光波长和频率的关系，光的本质,1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱,1、电磁波定义,变化的电场和变化的磁场不断地交替产生由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。,【基本要求】,掌握：1）电磁波的性质；2

2、）光波的本质；3）光波长和频率,按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化磁场，而变化的磁场又要产生新的变化电场。这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。 【例如】：振荡电偶极子辐射。,补充：电磁波的产生和传播,振荡电偶极子电磁场分布,2、电磁波的性质,性质1：E和H及波的传播方向三者构成右手螺旋系 性质2：电磁波的偏振现象 性质3：空间各点E和H都同时作周期性变化 性质4： 且两者相位相同 性质5：在不同的介质中传播速度不同，不同的频率 传播速度不同，速度：,注1：能区分电磁波与机械波的区别,注2：能区分什么是纵波什么是横

3、波,电磁波波段划分及用途,光辐射仅占电磁波谱的一小部分,1.1.2 光辐射,以电磁波形式或粒子(光子)形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。,1、定义,2、分类,按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。,3 波长与频率的关系,4 可见光,可见光是波长在390770nm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。,注：掌握波长、频率和波速的关系, 光的波粒二象性,光是电磁波 光是粒子,电磁波的表现：干涉、衍射、偏

4、振以及散射等 光是粒子：光与物质的相互作用：光的吸收、发射等,（1）光的波动性,光是一种电磁波：麦克斯韦（Maxwell）方程组,平面光波的 波动表示式：,5 光的本质,（2）光是粒子,光子- photon ：光波的能量是不连续的，具有最小能量的单元就是光量子或称为光子。,光子的能量：,光的动量：,结论1 波长为 的光实际上是能量为 的光子的集合体 。 而通常人们所说的强光指的是光子数目多的光。,常用光源：,-热光源, （白炽灯、弧光灯等）。 -气体放电光源 （低压汞灯、高压汞灯） -激光光源-原理：受激辐射 -太阳-符合黑体辐射定律,度量长度用长度物理量米、厘米等 度量时间用时间物理量秒、分

5、、时 怎样对光辐射进行度量呢？,1-1 辐射的基本概念 光辐射的探测和计量有两套体系,辐射度学量,光度学量,基本量 辐射通量(又称辐射功率)或者辐射能 与辐射客体有关的量客观量。 基本单位是瓦特(W)或者焦耳(J)。 辐射度学适用于整个电磁波段。,基本量 发光强度不是光通量 视觉亮暗特性的光辐射计量主观量 基本单位是坎德拉(cd) 光度学只适用于可见光波段。,虽然辐射度学体系和光度学体系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。 辐射度物理量用角标“e”表示(emission) 光度物理量用角标“”表示（vision） 下面学习这两套光辐射单位体系物理量。,1.2 辐射度学与光度学基

6、本知识,1辐射能定义,1.2.1 辐射量,2辐射通量,又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量。,以辐射形式发射或传输的电磁波能量。 （ ）,辐射度量体系各物理量的定义、光度量体系各物理量的定义,单位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。,【本节主要内容】,3辐射出射度,辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即：,4辐射强度,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,例： 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e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度是多少？,单位：W/m2,单位：瓦特每球面度（W/sr）,5辐射亮度,辐射亮度定义为面辐射

7、源在 某一给定方向上的辐射通量。,是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。 单位：瓦特/球面度米2（W/srm2）。,结论2 一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。,6辐射照度,在辐射接收面上的辐射照度量定义为照射在面元上的辐射通量 与该面元的面积之比。即：,7单色辐射度量,对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量。,结论3 在辐射度量体系中，被选作基本单位的辐射通量,单位：（W/m2）,1.2.1光度量,1、定义,光度学以人的视觉为基础，对光辐射进行测量的科学。,在光频区域光度学的物理量 可以用与辐度学的基本物理量 对应的来表示，其定义完全一一对应,光

8、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）。,归一化,2、光谱光视效率,图3 光谱光视效率曲线,表1常用辐度量和光度量之间的对应关系,单位：,关于坎德拉： 规定：频率为 的单色辐射在给定方向上的辐射强度为 时，该方向上的发光强度为1cd，即： 时有：,结论4,结论3 在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。,表2 自然光源在地球表面形成的光照度,1.3热辐射基本定律,1. 单色吸收比和单色反射比,吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量

9、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,本节知识点：,黑体定义，维恩位移定理，斯忒藩-玻尔兹曼定理,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）。,2. 基尔霍夫辐射定律,在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即,式中 为黑体的单色辐射出射度,结论5 强的吸收

10、体必定是强的辐射体。黑体具有最强的辐射能力,基尔霍夫,3、普朗克公式,黑体处于温度T时，在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出：,其中： ，,普朗克,图4 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布,4.瑞利-琼斯公式,当 很大时， ，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式,5.维恩位移定理,单色辐射出射度最大值对应的波长 ：,6、斯忒藩-玻尔兹曼定律,其中：,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。,7 .色温,色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。 单位是：K,1.6 光频电磁波的基本理论与定

11、律,1.光波的电磁场理论 麦克斯韦方程组,麦克斯韦,各向同性介质的电磁波动方程：,物质方程,各向同性介质：,各向异性介质：,2 介质的折射率与光波的速度,3.光波场的能流密度,单位时间通过垂直于传播方向上单位面积的能量。,平面电磁波是在与传播方向正交的平面上各点电场或磁场具有相同值的波。,得： 行波表达式,4.波动方程的解几种特殊形式的波动,（1）简谐平面波,或,（2）球面波,振幅：,相位：,球面波的时间参量:,时间参量 的定义和性质与平面波的完全相同；,球面波的空间参量:,r 方向的空间频率：,波数：,（3）柱面波,线光源发出的是柱面波。,特点：等相位面为同轴柱面，振幅与 成反比。,（4）高

12、斯光束,1.6.2 光波的时域频率特性,1.单色光,2. 复色光,沿z正向传播的光：,实际光源发出的光波并不是在时间和空间上无限延续的简谐波，而是一些有限长度的衰减振动。是由被称为波列的光波组成的。 这是由于原子的剧烈运动，彼此间不断碰撞，辐射过程常常中断，因而原子发光是断断续续的。 原子每次发光的持续时间是原子两次碰撞的时间间隔，持续时间很短，大约 秒。,原子发出的光波由一段段有限长的称为波列的光波组成；每段波列，其振幅在持续时间内保持不变或缓慢变化，前后各段之间无固定的位相关系，甚至光矢量的振动方向也不同。,结论：严格的单色光是不存在的，所能得到的都是复色波,1.6.3 相速度与群速度,定

13、义：,群速度就是指电磁波的等振幅面的传播的速度。实际上就是电磁波能量前进的速度。,相速度就是电磁波相位传播的速度。通俗地讲，就是电磁波形状向前变化的速度。在波导中，相速度往往比群速度要大。,单色波：,1.6.4 光波的横波性质和偏振,1.平面光波的横波性质,平面光波的电场矢量和磁场分量均垂直于波矢方向，因此平面光波是横波。,2.平面光波的偏振特性,定义：光振动方向相对传播方向的不对称性质，称为光的偏振特性。,根据空间的一点光电场矢量E的末端在不同时刻的轨迹，可把光波的偏振态分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。,E可以表示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合：,其中：,消除以上两式中的t，

14、得到：,1.线偏振,和,二分量的相位差 时，椭圆退化为一条,直线，称为线偏振光。此时有：,当m为偶数时，光振动方向在一三象限内，当m为奇数时，光振动方向在二四象限内。,（2）圆偏振光,，相位差,椭圆方程退化为圆方程。,称为圆偏振光，用复数形式表示为：,正负号分别对应于右旋和左旋圆偏振光。通常规定逆着传播方向看，E顺时针方向旋转时，称为右旋圆偏振光，反之成为左旋圆偏振光。,（3）椭圆偏振光,光矢量在垂直于传播方向的平面内的大小和方向都在改变，其末端是由决定的椭圆，故称为椭圆偏振光。,椭圆的长、短半轴大小和取向与二分量 和 相位差 有关。其旋转方向取决于相位差：当,时，为右旋圆偏振光。,1.6.5

15、 光波在各向同性介质界面上的反射和折射,1.反射定律和折射定律,2.菲涅尔公式,其中s分量和p分量分别表示为：,则s分量和p分量的反射系数、透射系数分别定义为：,将振动矢量分解为垂直和平行与入射面的S分量和P分量，P 、S和k构成右手系， S沿y方向为正。图示为各个分量的正方向。,（2）反射率与透射率,设入射光的能量为：,入射到界面上单位面积的能量为：,同样，反射光与折射光的能量为：,可以得到反射率和透射率：,将菲涅尔公式带入，即可得到入射光中s分量和p分量的反射率和透射率：,（1）在小角度（正入射）和大角度（掠入射）情况下：,相应有：,（2）布儒斯特角：,（3）光波由光密介质向光疏介质入射时，存在临界角,当,发生全反射,（4）反射率的大小与界面两侧介质的折射率有关,见书p48：图1-37,3. 反射光和折射光的偏振特性,（1）光波偏振的分类和偏振度,自然光、部分偏振光、完全偏振光,对于完全非偏振特性，将任意光矢量视为两个正交分量（如s分量和p分量）的组合。,对于完全非偏振光， ；对于部分偏振光,对于完全偏振光： 或,为了表征光波的偏振特性，引入偏振度P。偏振度P为：在部分偏振光的总光强度中完全偏振光所占比例，即：,偏振度还可以表示为：,式中， 和 分别为两特殊（正交）方向上所对应的最大和最小光强。,