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1、2.1 2.1 光的本性光的本性 2.2 2.2 电磁波谱与光辐射电磁波谱与光辐射2.3 2.3 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识2.4 2.4 热辐射基本定律热辐射基本定律2.5 2.5 激光原理激光原理2.6 2.6 典型激光器典型激光器2.7 2.7 光频电磁波的基本理论和定律光频电磁波的基本理论和定律第第 2 章章 光光 辐辐 射射 与与 发发 光光 源源1教学目的教学目的：掌握电磁波的特性和辐射度学基本物 理量的意义和单位，了解光度学基 本知识和热辐射基本规律。重点重点：电磁波的特性和辐射强度的意义。热辐射基本定律。难点难点：辐射度学基本知识。22.2 2.2 电磁波
2、谱与光辐射电磁波谱与光辐射 2.2.1电磁波的性质与电磁波谱光是电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化的磁场（或变化电场），这种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。2.1 2.1 光的本性光的本性 31 1、电磁波具有以下性质：、电磁波具有以下性质：电磁波的电场 和磁场 都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。和传播方向构成右手螺旋系。 沿给定方向传播的电磁波， 和 分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。 空间各点 和 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。
3、 任一时刻，在空间任一点， 和 在量值上的关系为 。 电磁波在真空中传播的速度为 ，介质中的传播速度为。4电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到 射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。 2 2、电磁波谱、电磁波谱5101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/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/nm11064104
4、61031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光图1电磁辐射波谱62.2.2 2.2.2 光辐射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。一般认为其波长在10nm1mm，或频率在31016Hz31011Hz范围内。一般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。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。波数的单位习惯用cm-1。可见光可见光：通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390770nm范围
5、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。7紫紫外外辐辐射射：紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1390nm。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。红红外外辐辐射射：波长在0.771000m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。82.3 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐
6、射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。光度单位体系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，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。在辐射度单位体系中在辐射度单位体系中，辐通通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。9以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体辐射度单
7、位体系系中的物理量。光度单位体系光度单位体系中的物理量可对比理解。辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即(1-1)单位：瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。1. 基本辐射量基本辐射量辐射能：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，其单位是焦耳（J）。10辐射出射度：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(1-2)单位：W/m2。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(1-3)单位：瓦特球面度-1（Ws
8、r-1）。11辐射亮度：辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图2所示。(1-5)式中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）。SddSd图2辐射亮度示意图12一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射度为(1-9)13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
9、量与该面元的面积之比。即(1-10)单位：（W/m2）。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，并且对所有辐射量X来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足(1-11)142. 2. 基本光度学量基本光度学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，其关系如表1-4所示。与辐射度量体系不同，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
10、强度，其单位是坎德拉。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。153、光度量与辐射度量之间的关系、光度量与辐射度量之间的关系光光视视效效能能：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值，即(1-12)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。单单色色光光视视效效率率是K用Km归一化的结果，其定义为(1-13)16172.4 2.4 热辐射基本定律热辐射基本定律任何0K
11、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。本节介绍热辐射的一些基本定律。18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(1.3-1)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，即 ，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。1. 单色吸收比和单色反射比单色吸收比和单色反射比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
12、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）。吸收比吸收比：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。反射比反射比：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。19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(1.3-2)式中为黑体的单色辐射出射度。2. 基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律20黑体处于温度T时，在波长处的单色辐射出射度由普朗
13、克公式给出(1.3-3)式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。3. 普朗克公式普朗克公式211)当很大时，可得到适合于长波长区的瑞利瑞利-琼斯公式琼斯公式(1.3-5)2)当很小时，可得到适合于短波长区的维恩公式维恩公式(1.3-6)22图1-4黑体辐射单色辐射出射度的波长分布23单色辐射出射度最大值对应的波长(1.3-7)(1.3-8)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。5.斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律4.维恩位移定律维恩位移定律24为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度
14、这个量，单位为K。 色温度色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的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。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。色温度并非热辐射光源本身的温度。由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比较的，所以色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的波长不同，色温度往往也不相同。至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。6.色温色温25色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法，是色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法，是1
15、9世纪世纪末由英国物理学家洛德末由英国物理学家洛德开尔文所创立的，他制定出了一整套色开尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体确定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来温计算法，而其具体确定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。的波长。 开尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸开尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光光”的的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如，当黑体受到
16、的热力相当于例如，当黑体受到的热力相当于500550摄氏度时，就会变成暗摄氏度时，就会变成暗红色，达到红色，达到1050一一1150摄氏度时，就变成黄色摄氏度时，就变成黄色因而，光源的因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用开尔文开尔文(K)色温单位来表示，而不是用摄氏温度单位。打铁过程色温单位来表示，而不是用摄氏温度单位。打铁过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时，子。当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时，它就变成白色，通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。它就变成白色，通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。色温计算法就是根据以上原理，用色温计算法就是根据以上原理，用K来表示受热钨丝所放射出光来表示受热钨丝所放射出光线的色温。根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散线的色温。根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的发出同样颜色时所受到的“温度温度”。26
