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1、第四章 红 外 辐 射 源1红红外外辐辐射射源源人造辐射源人造辐射源（“源源”）自然辐射源自然辐射源 (“ (“背景背景”）标准辐射源标准辐射源工程用辐射源工程用辐射源天体、地面景物、大气等天体、地面景物、大气等舰船、飞行器、工业目标等舰船、飞行器、工业目标等红外系统探测的对象红外系统探测的对象目标源目标源24.1 4.1 腔体辐射的腔体辐射的GouffGouff理论理论基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体辐射。基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体辐射。腔体辐射理论是制作黑体源的理论基础。腔体辐射理论是制作黑体源的理论基础。 Gouff和和Devos在在1954年分别提出了各自计算开年
2、分别提出了各自计算开 孔空腔有效发射率的理论。孔空腔有效发射率的理论。3一.一.腔孔的有效发射率腔孔的有效发射率 处于热平衡的空腔腔壁不透明处于热平衡的空腔腔壁不透明,腔壁腔壁:内表面吸收率为内表面吸收率为 , 内表面吸收率：内表面吸收率：如果开孔的面积为如果开孔的面积为 A,腔孔的有效发射率是多少腔孔的有效发射率是多少? 根据基尔霍夫定律根据基尔霍夫定律,腔孔的有效发射率应该等于腔腔孔的有效发射率应该等于腔孔的有效吸收率孔的有效吸收率. 设想有一束辐射设想有一束辐射P0从腔孔入射到腔体内，入射辐从腔孔入射到腔体内，入射辐射在腔体内经历若干次反射，每经一次反射都有一部射在腔体内经历若干次反射，
3、每经一次反射都有一部分辐射功率从腔孔逸出。如逸出的总辐射功率为分辐射功率从腔孔逸出。如逸出的总辐射功率为P，那么腔孔的有效反射率：那么腔孔的有效反射率：4腔壁反射的辐射功率腔壁反射的辐射功率:x点的辐射出射度点的辐射出射度:腔孔的有效吸收率：腔孔的有效吸收率：腔孔的有效发射率：腔孔的有效发射率： 腔孔的有效发射率的计算就归结腔孔的有效发射率的计算就归结为从腔孔逸出的总辐射功率的计算。为从腔孔逸出的总辐射功率的计算。 设一开孔空腔如图所示。设一开孔空腔如图所示。 P0在在x处产生的辐射照度：处产生的辐射照度：5第一次反射从腔孔中逸出的辐射功率第一次反射从腔孔中逸出的辐射功率:经第一次反射后经第一
4、次反射后,留在腔内的辐射功率为留在腔内的辐射功率为:6留在腔内的辐射功率被腔壁第二次反射留在腔内的辐射功率被腔壁第二次反射,反射的功率反射的功率:假设假设 均匀地辐照在空腔内壁均匀地辐照在空腔内壁,那么第二次从小孔逸那么第二次从小孔逸出的功率出的功率:第二次反射部分第二次反射部分,留在腔内的辐射功率留在腔内的辐射功率:第三次反射后第三次反射后,从小孔逸出的功率从小孔逸出的功率:7第三次反射后第三次反射后,留在腔内的辐射功率留在腔内的辐射功率:第第n次反射后次反射后,从腔孔逸出的辐射功率从腔孔逸出的辐射功率:若干次反射后若干次反射后,从腔孔逸出的总的辐射功率从腔孔逸出的总的辐射功率:第四次反射逸
5、出的辐射功率第四次反射逸出的辐射功率:8其中其中:9腔孔的有效反射率为腔孔的有效反射率为:腔孔的有效发射率为腔孔的有效发射率为:10二二. .角度因子角度因子11三三. .三种典型腔体的三种典型腔体的A/St 圆孔圆锥形腔圆孔圆锥形腔对圆形腔孔对圆形腔孔12 圆孔圆柱形腔圆孔圆柱形腔 圆孔球形腔圆孔球形腔把球形腔的面积记为把球形腔的面积记为S013四四. .简化公式简化公式对腔壁材料对腔壁材料:令令:对球形腔对球形腔: :腔孔的有效发射率只和材料的发射率以及腔孔的有效发射率只和材料的发射率以及 有关有关. .14五五. .根据数图简易计算腔孔的发射率根据数图简易计算腔孔的发射率15圆锥腔体圆锥
6、腔体: :球形腔体球形腔体: :例例1.1.已知已知l/R=6,=0.9l/R=6,=0.9的圆锥腔体的圆锥腔体, ,用数图近似用数图近似计算其腔孔的有效发射率计算其腔孔的有效发射率. .16例例2：l/R=6,材料的发射率为材料的发射率为0.6, 腔体为圆孔圆柱形腔体为圆孔圆柱形.腔孔的有效发射率是多少腔孔的有效发射率是多少?球形腔体球形腔体: :圆柱形腔圆柱形腔:17六六. .讨论讨论 腔体效应腔体效应: :腔孔的有效发射率大于材料的发射率腔孔的有效发射率大于材料的发射率; ; 材料材料: :材料的发射率越大材料的发射率越大, ,腔孔的发射率越大腔孔的发射率越大; ; 腔体深度腔体深度:l
7、/R:l/R越大越大, ,腔孔的发射率越大腔孔的发射率越大; ; 腔体形状腔体形状: :腔体内表面积越大腔体内表面积越大, ,腔孔的发射率越大腔孔的发射率越大. . 在其它条件相同的情况下在其它条件相同的情况下, ,球形腔球形腔 圆柱圆柱 圆锥圆锥. .18七七. .改进改进: :限制开孔面积限制开孔面积扩大腔内表面面积扩大腔内表面面积194.2 4.2 黑体型辐射源黑体型辐射源 黑体型辐射源作为标准辐射源，广泛地用做红外黑体型辐射源作为标准辐射源，广泛地用做红外设备的绝对标准。然而，黑体是一种理想化的概念，设备的绝对标准。然而，黑体是一种理想化的概念，在自然界并不存在绝对的黑体。在自然界并不
8、存在绝对的黑体。 开有小孔的空腔很接近黑体，开有小孔的空腔很接近黑体，所以通常就把开有小孔的空腔叫做所以通常就把开有小孔的空腔叫做黑体辐射源（或标准黑体辐射源）。黑体辐射源（或标准黑体辐射源）。它可以作为一种标准来校正其他辐它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统。射源或红外系统。20一一. .黑体辐射源的分类黑体辐射源的分类按辐射腔口的口径尺寸来分类按辐射腔口的口径尺寸来分类:大型：大型：100mm；中型：中型：30 mm；小型：小型：10 mm。按工作温度的范围来分类按工作温度的范围来分类高温：高温：20003000K；中温：中温：500900K；低温：低温：200400K。21二二.
9、 .黑体型辐射源的结构黑体型辐射源的结构22HFY-100HFY-100型主要技术指标型主要技术指标 : : 测温范围：测温范围： 180-320K 180-320K （F22F22热管）热管） 黑体开口：黑体开口： 50mm 50mm 传感器：传感器： Pt100, Pt1000 Pt100, Pt1000 控温测温精度：控温测温精度： 0.1K 0.1K 温度稳定性：温度稳定性： 0.05K/h 0.05K/h 空腔轴向温度均匀性：空腔轴向温度均匀性： 0.1K(L 0.1K(L在在2/32/3腔长内）腔长内） 黑体空腔有效发射率：黑体空腔有效发射率： 0.999 0.999 用交流隔离变
10、压器降压、分压用交流隔离变压器降压、分压, ,加热功率加热功率300W300W左右左右 尺寸尺寸(mm)(mm)重量重量(kg)(kg)： 129*400 / 4 129*400 / 4主要用途主要用途 ： 模拟空间冷背景、高真空的环境中，航天、星载模拟空间冷背景、高真空的环境中，航天、星载红外遥感仪器的定标。红外遥感仪器的定标。低温黑体辐射源低温黑体辐射源23技术参数技术参数 1 1）温度范围：）温度范围： +1001000 +1001000连续可调连续可调2 2）黑体空腔开口：）黑体空腔开口： 50mm 50mm3 3）温度分辨率：）温度分辨率： 0.1 0.14) 4) 温度稳定性温度稳
11、定性: 0.5/20: 0.5/20分钟分钟5)5)温度精度温度精度: 0.15%(: 0.15%(满量程满量程) )6)6)冷却方式冷却方式: : 风冷风冷7)7)空腔有效分辨率空腔有效分辨率: 0.99: 0.998)8)电源电源: 220V(10%),50HZ: 220V(10%),50HZ9)9)加热电流加热电流: 6-7A: 6-7A10)10)使用环境温度使用环境温度: 0-45: 0-4511)11)相对湿度相对湿度: 85%: 85%12)12)外形尺寸外形尺寸: 350400450mmW: 350400450mmW13)13)重量重量: : 约约1818公斤公斤中温黑体辐射源
12、中温黑体辐射源24腔式黑体：腔式黑体： 温度范围：温度范围：-40-1400-40-1400度度 辐射系数：辐射系数：0.97-0.9999 0.97-0.9999 稳定度：稳定度： 0.1-0.25 0.1-0.25度度 口径：口径：0.25-20.25-2英寸英寸 面源黑体面源黑体: : 温度范围：温度范围：50-80050-800度度 稳定度：稳定度：0.1-0.250.1-0.25度度 辐射系数：辐射系数：0.9+0.05/-0.010.9+0.05/-0.01辐射面尺寸：辐射面尺寸：2-142-14英寸英寸 美国光电工业公司美国光电工业公司 Electro Optical Indus
13、tries, Inc.Electro Optical Industries, Inc.25三三.设计黑体型辐射源的几个问题设计黑体型辐射源的几个问题1. 腔形的选择腔形的选择球形腔发射率最大球形腔发射率最大,但是难以加工但是难以加工,也不容易均匀加热也不容易均匀加热.圆柱和圆锥形腔相对易于加工和均匀加热圆柱和圆锥形腔相对易于加工和均匀加热.一般取一般取 l/R6, 但是太大也不易均匀加热但是太大也不易均匀加热.2. 腔芯材料的选择腔芯材料的选择一般要求一般要求: 具有高的热导率具有高的热导率,以减小温度梯度以减小温度梯度; 具有稳定的表面性质具有稳定的表面性质; 具有较高的发射率具有较高的发射
14、率.26高温黑体辐射源高温黑体辐射源: 腔芯材料一般选择耐高温的非金属材料腔芯材料一般选择耐高温的非金属材料,如石墨如石墨或陶瓷或陶瓷.中低温黑体辐射源中低温黑体辐射源: 腔芯材料一般选择金属材料腔芯材料一般选择金属材料,金属材料一般有好的金属材料一般有好的导热性导热性,表面加以处理以提高发射率表面加以处理以提高发射率.3. 腔体的加热与温度控制腔体的加热与温度控制根据斯蒂芬根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律:27 黑体温度的控制直接影响到黑体的性能黑体温度的控制直接影响到黑体的性能,因此黑体因此黑体对温度控制的精度要求很高对温度控制的精度要求很高,整个黑体是恒温的整个黑体是恒温的,恒温区恒
15、温区域越长越好域越长越好.实现黑体恒温的方法实现黑体恒温的方法:电热丝加热电热丝加热改变腔芯外形改变腔芯外形4.降低黑体前表面的辐射降低黑体前表面的辐射 为了减少腔孔附近的热损耗为了减少腔孔附近的热损耗,或者根据需要选择源的或者根据需要选择源的辐射面积辐射面积,常在腔孔处加有光阑盘常在腔孔处加有光阑盘. 如果加有限制光阑如果加有限制光阑,计算辐射必须以光阑面积为辐射计算辐射必须以光阑面积为辐射面积面积,距离应该从光阑处开始计算距离应该从光阑处开始计算.28四四.黑体辐射源的低频调制黑体辐射源的低频调制 探测器一般测量的是辐射源产生的辐射照度探测器一般测量的是辐射源产生的辐射照度,直接直接测量得
16、到的是直流信号测量得到的是直流信号. 如果需要如果需要,可以通过在黑体辐射源的出口处加斩波可以通过在黑体辐射源的出口处加斩波器器,对信号加以调制对信号加以调制,可以得到交变信号可以得到交变信号.294.3 实用红外辐射源实用红外辐射源一一.电热固体辐射源电热固体辐射源 理想的红外辐射源应该满足两个基本条件：理想的红外辐射源应该满足两个基本条件： 良好的光谱分布。在整个测定波长领域，要有均良好的光谱分布。在整个测定波长领域，要有均一且平滑的连续的分布，即在各波长都能发射出同等强一且平滑的连续的分布，即在各波长都能发射出同等强度的光且不随时间而改变。度的光且不随时间而改变。 实际使用的红外辐射源通
17、常在某一较宽的光谱区接实际使用的红外辐射源通常在某一较宽的光谱区接近于上述条件，而电热固体辐射源是在红外光谱区较为近于上述条件，而电热固体辐射源是在红外光谱区较为实用的辐射源。实用的辐射源。 一定的辐射功率。红外辐射源发出的辐射经过一定的辐射功率。红外辐射源发出的辐射经过媒介的吸收、散射和光学系统的色散后，到达探测器媒介的吸收、散射和光学系统的色散后，到达探测器的能量要求不致太弱，能被检出。的能量要求不致太弱，能被检出。301.能斯特灯能斯特灯 氧化锆（氧化锆（ZrOZrO2 2）氧化钇（）氧化钇（Y Y2 2O O3 3）和氧化钍（）和氧化钍（ThOThO2 2）等烧结制成的中空或实心圆棒。
18、直径一般在等烧结制成的中空或实心圆棒。直径一般在1-3 mm1-3 mm左左右，长约右，长约20-50mm20-50mm；材料和形状：材料和形状：常温下是非导体，使用前预热到常温下是非导体，使用前预热到800 800 C C；工作状况：工作状况：工作温度在工作温度在130013002100 2100 C C工作电流：工作电流：0.05-1.2 A0.05-1.2 A优点：优点：发光强度大；寿命长发光强度大；寿命长( (可达可达20002000小时小时) )；特别适；特别适 用于用作红外分光光度计的辐射源。用于用作红外分光光度计的辐射源。缺点：材料机械强度低，需要预热。缺点：材料机械强度低，需要
19、预热。31能斯特灯的光谱特性能斯特灯的光谱特性 能斯特灯的光谱在能斯特灯的光谱在16m波段类似于选择性辐波段类似于选择性辐射体，光谱发射率较低；在射体，光谱发射率较低；在715 m波段接近于黑波段接近于黑体，平均光谱发射率体，平均光谱发射率0.85。322. 硅碳棒 硅碳棒是用碳化硅（硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圆棒。一般硅）做成的圆棒。一般硅碳棒的直径为碳棒的直径为650 mm，长度为，长度为5100cm。两端度。两端度铝作为电极。铝作为电极。材料和形状：材料和形状：33工作状况：工作状况：工作温度一般在工作温度一般在12001500K寿命：寿命：250h 1000h 大功率的硅碳棒作光
20、源，其两端需要用水冷却电大功率的硅碳棒作光源，其两端需要用水冷却电极接触点。极接触点。 最高工作温度较低；由于碳化硅材料的升华会使材最高工作温度较低；由于碳化硅材料的升华会使材料粉末沉积在光学仪器表面上；工作时需要水冷装置，料粉末沉积在光学仪器表面上；工作时需要水冷装置，耗电量较大。耗电量较大。缺点：缺点： 硅碳棒在长波辐射效率高于能斯特灯，因而使用波硅碳棒在长波辐射效率高于能斯特灯，因而使用波长范围较能斯特灯宽。桂碳棒发光面积大，价格便宜，长范围较能斯特灯宽。桂碳棒发光面积大，价格便宜，操作方便。操作方便。优点：优点：34硅碳棒的光谱特性硅碳棒的光谱特性在在215 m波段接近于黑体，平均光谱
21、发射率波段接近于黑体，平均光谱发射率0.8。353.3.钨灯钨灯 钨丝灯钨丝灯 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但由于玻钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但由于玻璃泡透过区域的限制，这种灯的辐射波长通常在璃泡透过区域的限制，这种灯的辐射波长通常在3m以下。以下。36 钨带灯钨带灯 钨带灯是将钨带通电加热而使其发光的光源。钨钨带灯是将钨带通电加热而使其发光的光源。钨带常做成狭长的条形，宽约为带常做成狭长的条形，宽约为2mm，厚度约为，厚度约为0.05mm左右。左右。 钨管灯钨管灯 钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热的钨管钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热的钨管做成的。真空灯的温度可达做成的
22、。真空灯的温度可达1100，充氩灯的温度可，充氩灯的温度可达达2700。374.乳白石英加热管乳白石英加热管 乳白石英加热管是以天然水晶为原料，在以石墨乳白石英加热管是以天然水晶为原料，在以石墨电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融（电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融（17401740）拉）拉制而成的。制而成的。辐射特性辐射特性: :48m 、1122m两个波段光谱发射率高两个波段光谱发射率高达达0.9238二二. .气体放电辐射源气体放电辐射源 电流通过气体媒质电流通过气体媒质时，会产生放电现象，时，会产生放电现象，利用这种放电现象可制利用这种放电现象可制作辐射源。作辐射源。391.水银灯水银灯
23、 水银灯属于气体放电水银灯属于气体放电光源，有低压，高压和超光源，有低压，高压和超高压之分。管内除水银蒸高压之分。管内除水银蒸汽外还充有氖、氩等气体，汽外还充有氖、氩等气体，以利点燃气体放电。以利点燃气体放电。 大多大多用在可见光或紫外。用在可见光或紫外。402.氙灯氙灯 氙灯是利用氙气放电发光氙灯是利用氙气放电发光的气体放电灯，灯的光谱能量的气体放电灯，灯的光谱能量分布接近于太阳光，是最接近分布接近于太阳光，是最接近日光的人造光源。在红外区也日光的人造光源。在红外区也有明显的线状光谱。有明显的线状光谱。41脉冲氙灯脉冲氙灯长弧氙灯长弧氙灯 423.碳弧碳弧开放式碳弧，可见光区，发射率达开放式
24、碳弧，可见光区，发射率达0.99， 近红外区近红外区发射率也可达到发射率也可达到0.96，光谱分布接近，光谱分布接近3800K黑体。黑体。43三三. .红外激光器红外激光器1 1激光的方向性好激光的方向性好2 2激光光束具有高亮度激光光束具有高亮度3 3单色性和相干性好单色性和相干性好激光与普通光源相比，有如下三个特点：激光与普通光源相比，有如下三个特点：441. CO2激光器激光器CO2激光器是气体激光器中少有的红外激光器之一激光器是气体激光器中少有的红外激光器之一452. 固体激光器固体激光器 和气体激光器不同，大多数固体激光器的工作和气体激光器不同，大多数固体激光器的工作波长都是在红外区
25、域。波长都是在红外区域。PHOTONICS公司：公司：1064nm波长的连续或调波长的连续或调Q脉冲输脉冲输出的红外激光器。出的红外激光器。 YAG激光器激光器工作物质：掺钕钇铝石榴石工作物质：掺钕钇铝石榴石 （NdNd3 3：YAGYAG） 钕玻璃激光器钕玻璃激光器工作物质：钕玻璃工作物质：钕玻璃输出波长输出波长:1.06m:1.06m输出波长输出波长:1.06m:1.06m46 可调谐晶体激光器可调谐晶体激光器CoCo2 2：MgF MgF 掺钴氟化镁掺钴氟化镁 调谐范围调谐范围(1.6(1.62.3m)2.3m)、NiNi2 2：MgF MgF 掺镍氟化镁掺镍氟化镁 调谐范围调谐范围(1
26、.6-1.8m(1.6-1.8m）V V2 2 ：MgF MgF 掺钒氟化镁掺钒氟化镁 调谐范围调谐范围(1.05-1.3 m)(1.05-1.3 m)、CrCr3+3+：BeAlBeAl2 20 04 4 金绿宝石金绿宝石 调谐范围调谐范围(0.7-0.818 m)(0.7-0.818 m)TiTi3+3+：A1A12 20 03 3 掺钛蓝宝石掺钛蓝宝石 调谐范围调谐范围(0.7-1m )(0.7-1m )，Cr3Cr3：MgMg2 2SiOSiO4 4 镁橄榄石镁橄榄石 调谐范围调谐范围(0.85-1.4 m)(0.85-1.4 m)。473.3.半导体激光器半导体激光器波波 长：长：780nm780nm、808nm808nm、850nm850nm、980nm980nm。出瞳功率：出瞳功率：1mW1mW3W3W。工作电压：工作电压：DC 3VDC 3V、4.5V4.5V、 5V 5V、9V9V、12V12V 各种半导体激光器输出波长几乎可以覆盖各主各种半导体激光器输出波长几乎可以覆盖各主要红外波段。而可调谐半导体激光器是半导体激光要红外波段。而可调谐半导体激光器是半导体激光器中重要的一种。器中重要的一种。48
