九章节光源和光探测器

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1、第九章第九章 光源和光探测器光源和光探测器1 辐射度量和光度量2 光源3 黑体辐射4 光量子 光的波粒二象性5 光的辐射过程6 激光器媳睬右辈嚎粒僧外邮辱阻卯倔拼膏菏矫瓦蓬狗整蚀扳裴蜒询红数索薄诛渍九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器 辐射度学：是一门量度电磁辐射能的科学技辐射度学：是一门量度电磁辐射能的科学技辐射度学：是一门量度电磁辐射能的科学技辐射度学：是一门量度电磁辐射能的科学技 术，它不受人眼主观视觉限制，术，它不受人眼主观视觉限制，术，它不受人眼主观视觉限制，术，它不受人眼主观视觉限制， 建立在物理测量基础上，辐射度建立在物理测量基础上，辐射度建立在物理测量基础上，辐射度建立在物

2、理测量基础上，辐射度 量适用于整个电磁波谱范围。量适用于整个电磁波谱范围。量适用于整个电磁波谱范围。量适用于整个电磁波谱范围。 光度量：以人眼对入射辐射刺激所产生的视光度量：以人眼对入射辐射刺激所产生的视光度量：以人眼对入射辐射刺激所产生的视光度量：以人眼对入射辐射刺激所产生的视 觉为基础，反映人眼视觉特性的光觉为基础，反映人眼视觉特性的光觉为基础，反映人眼视觉特性的光觉为基础，反映人眼视觉特性的光 辐射量，只适用于可见光部分。辐射量，只适用于可见光部分。辐射量，只适用于可见光部分。辐射量，只适用于可见光部分。1辐射度量和光度量辐射度量和光度量猖嘶捆锭改孝岛脆紧酷血兑嚏字隙华拽担胺魂鹃挣踪讶新

3、师陆嘻邪沁痴积九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器1.1辐射度量辐射度量 辐射度量的各个物理量定义如下辐射度量的各个物理量定义如下:（1）辐射通量）辐射通量(又称辐射功率又称辐射功率) 定义：单位时间内通过某一截面的辐射能。定义：单位时间内通过某一截面的辐射能。（2）辐射强度）辐射强度 I 描述点源辐射的量描述点源辐射的量 定义：点辐射源在给定方向上单位立体角内定义：点辐射源在给定方向上单位立体角内 的辐射通量。的辐射通量。充抱旦湿荣涧逗脓哉仙贫舌急革授穗铭泄汝讳苏榴轴性妊窝勿礼陈旺绎痢九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器单位：瓦单位：瓦 / 球面度球面度 W / sr （3）辐射亮度

4、）辐射亮度B 描述面源辐射的量描述面源辐射的量 定义：面辐射源在某方向上定义：面辐射源在某方向上单位投影面积单位投影面积单位立体角发出的辐射通量。单位立体角发出的辐射通量。I = d / dt佑谴录卢酣汀想誊窟腐也避批贩绷疡词稚池忱陛灌辞臣诗拼燃典您恃炊橱九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器一般一般: :辐射亮度的大小与辐射亮度的大小与源面上的位置及方向有关源面上的位置及方向有关。 单位：单位： W / sr .m2B = d / ddscos =I /dscos刽恿鸦抨囚吹章努音区宪诡环援照割瓶恋腻旅脐孺辐袭涝傻砂地失藏酒窑九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器（4）辐射出射度）辐射出

5、射度 R 描述面源辐射的量描述面源辐射的量 定义：辐射源单位面积上发出的辐射通量。定义：辐射源单位面积上发出的辐射通量。 单位：瓦单位：瓦 /米米2 W / m2 光谱辐出度光谱辐出度 r () 定义：单位间隔内的辐出度。定义：单位间隔内的辐出度。称为光谱辐出度，常用称为光谱辐出度，常用r表示，表示，r 一般与波长有关，记为一般与波长有关，记为r（ ） R = d / ds驶授跃犬恋峻跋陕玛棠轧菲否扑蓑鞍肇馋罕公招先席前菱底宋催澈力萎抡九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器（5）辐射照度）辐射照度 E 辐射照度辐射照度 E是描述受照物体的量是描述受照物体的量 它表示入射到单位面积上的辐射通量

6、的大小。它表示入射到单位面积上的辐射通量的大小。 如图所示，照射到受照面上某元面积如图所示，照射到受照面上某元面积ds的辐射的辐射通量为通量为d ，则面积则面积ds的辐照度定义为的辐照度定义为单位：瓦单位：瓦 /米米2 W / m2 R = d / ds赋采铃郴炮燎搁牵黄剥蜕檬缕小筒诫倍纲钞外锐报变驴是厦刺验疼郑渊怕九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器1.2 光度量光度量在可见光范围内，人眼的视觉细胞对不同在可见光范围内，人眼的视觉细胞对不同波长的辐射有不同的响应。有辐照度量描波长的辐射有不同的响应。有辐照度量描述可见光辐射不能反映人眼的亮暗感觉。述可见光辐射不能反映人眼的亮暗感觉。例如用

7、辐射亮度相同的蓝光和黄光照射人例如用辐射亮度相同的蓝光和黄光照射人眼，人会感觉到黄光要比蓝光亮得多。在眼，人会感觉到黄光要比蓝光亮得多。在白天，人眼对波长为白天，人眼对波长为555nm（频率为（频率为540*1012Hz）的绿光最敏感，也就是说，）的绿光最敏感，也就是说，在引起相同亮暗感觉的条件下，对在引起相同亮暗感觉的条件下，对555nm的光所需的辐射通量的光所需的辐射通量 （555nm）最小，）最小，而对其它波长的光所需的辐射通量而对其它波长的光所需的辐射通量 （ ）则较大。）则较大。圭嘿拷馁笆孩疡焙锹御淫灿奶乾戒符恢鹅燃獭垛姬路泵讨囤豌始隋戴团航九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器我

8、们定义光视效率我们定义光视效率V（ ）为：）为：光视效率光视效率V（ ）是用来表示人眼对各种波长）是用来表示人眼对各种波长光光 的相对灵敏度的物理量。的相对灵敏度的物理量。V（ ）= （555）/ （ ） 白天：白天：555nm 夜晚：夜晚：507nm V（ ）= 1光谱光视效率光谱光视效率很军掐窄士矿科跨瘴嚼例首郎犹枫弦坚星鞠吾棉天锄靠傅成痛栈珠片刺助九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器 V （ ）= Km V （ ） （ ）光视效能光视效能 K（ ）定义为波长为）定义为波长为的光通量的光通量 V （ ）与相应辐射通量与相应辐射通量 （ ）的比值：）的比值： K（ ）= V （ ）/ （

9、 ） 当当= 555nm， K（ ）有最大值：）有最大值： Km= 683 lm / W 为了客观描述辐射通量引起的视觉强度，引入为了客观描述辐射通量引起的视觉强度，引入一个新的物理量一个新的物理量光通量。光通量。设波长为设波长为的辐射通量为的辐射通量为 （ ），对应的光），对应的光通量为通量为 V （ ），则两者的关系为），则两者的关系为篷柒驱克剔溢惑盟闭果攘汐陀磷暂脾绥憾酷头熊酞匠癌猾吃庚匠呈芝彭浓九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器1 W = 683 V（ ）lm 光通量的光通量的SI单位为流明（单位为流明（lumen，记做，记做lm）。）。而辐射通量的单位则为而辐射通量的单位则为W

10、（瓦），二者的关系（瓦），二者的关系为：为：对于对于555nm的单色光，则有的单色光，则有1W=683lm即是说，其辐射通量为即是说，其辐射通量为1W时，其光通量时，其光通量为为638lm。壕秃朔驶审席叁彻恋黎谱钢玉大缝婚粒挟蔫侍泽烛昭算署眯盅袜嘲匡惦筹九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器3 黑体辐射黑体辐射 3.1 热辐射的基尔霍夫定律热辐射的基尔霍夫定律 实验表明：物体的单色辐出度和单色吸收率实验表明：物体的单色辐出度和单色吸收率之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。

11、在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它吸收的能量。吸收的能量。任何物体在热辐射的同时，也吸收从周围物任何物体在热辐射的同时，也吸收从周围物体发出的辐射能。被物体吸收的辐射通量与体发出的辐射能。被物体吸收的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比，称为吸收率。入射到该物体的辐射通量之比，称为吸收率。在单位波长间隔内的吸收率称为光谱吸收率，在单位波长间隔内的吸收率称为光谱吸收率，它与波长有关，记做它与波长有关，记做仇灿群猜小谍舍卧怕柬脾香捆爹歪恕窜靶低隆变痛崖破是牟匿摩绷粗惮僧九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器为了描述物体的辐射与吸收的关系，德国物理学家基尔

12、为了描述物体的辐射与吸收的关系，德国物理学家基尔霍夫与霍夫与1859年提出了下列定律：在热平衡状态下，任何年提出了下列定律：在热平衡状态下，任何辐射体的光谱辐出度辐射体的光谱辐出度 与光谱吸收率与光谱吸收率 的的比值只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质比值只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关，即无关，即其中其中恰拓辐芜批裔嚷赡菲噶奸绪划擦匡将袭击烯配愁症师叉宁叔奇捻讽激忧轰九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器3.3 斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律玻耳兹曼定律和维恩位移定律 1. 斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比。黑体的辐

13、出度与绝对温度的四次方成正比。2. 维恩位移定律维恩位移定律黑体的光谱辐出度的极大值所黑体的光谱辐出度的极大值所对应的波长与绝对黑体温度成正比。对应的波长与绝对黑体温度成正比。 辑摇使困咏物蛔姚逆嚎缎钠代玛锦吟池愉迷颓咨淮蔗翁莽才呀朱晌凿雄听九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器测定黑体辐出度的实验简图测定黑体辐出度的实验简图PL2B2AL1B1CA为黑体为黑体B B1 1PBPB2 2为分光系统为分光系统C C为热电偶为热电偶孺犹充迁有合徐旱部信囤钮忍忘舷燕鸥亏顿熟雷咬茫芭农终囚拧否眼鬃慌九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器黑体辐射谱实验曲线琉豌水曲膀间讣辽服换盐畴醛楚散敲途为乍卫锚魁

14、追抢蓖彭缴碟晰迟沧件九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器根据维恩位移定律计算根据维恩位移定律计算人体辐射的峰值波长为人体辐射的峰值波长为 9.4微米（微米（T=310K）太阳辐射的峰值波长为太阳辐射的峰值波长为0.48微米（微米（T=6000K）太阳辐射的能量太阳辐射的能量50%在可见和紫外区。在可见和紫外区。 人体辐射的能量几乎全部在红外区。人体辐射的能量几乎全部在红外区。胡遵牧矛耕湘穿忻苗直藐苯额浸装乎夏蹋会嗅着敲汕燕靛淳犬奈脏外跋单九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器3.4 黑体辐射的经典理论遇到困难黑体辐射的经典理论遇到困难1.维恩公式维恩公式 在波长较短，温度较低时与实验结果

15、相符。在波长较短，温度较低时与实验结果相符。2.瑞利瑞利-金斯公式金斯公式在波长很长，温度较高时与实验结果相符。在波长很长，温度较高时与实验结果相符。缩斟筷踌栈法丰疏总腋产晦曳促肢讼涸舒卢宦杉坷稚欢包塘婶宙然耶氏秧九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器3.5 热辐射的量子理论热辐射的量子理论-普朗克黑体辐射公普朗克黑体辐射公式式普朗克公式给出了黑体辐射的光谱分布公式普朗克公式给出了黑体辐射的光谱分布公式 黑体的光谱辐出度表达式黑体的光谱辐出度表达式 从普朗克公式可以得到斯特藩从普朗克公式可以得到斯特藩玻耳兹曼玻耳兹曼定律和维恩位移定律，且维恩公式、瑞利定律和维恩位移定律，且维恩公式、瑞利-金金斯公式是普朗克公式在特殊情况下的近似。斯公式是普朗克公式在特殊情况下的近似。型浸溉泻诵加句茨翁锐著关锻鲁券恢鸿届冶炉区撑朋营监焕腻后告焰舟室九章节光源和光探测器九章节光源和光探测器