第1光辐射与光源

第一章光辐射与光源牛顿惠更斯背景知识麦克斯韦（1831-1879）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。普朗克（1858-1947）1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，将谐振子所发射或吸收的电磁辐射能量加以量子化，他称呼这种离散能量为量子。按爱因斯坦理论，光子能量式中，为普朗克常数，真空光速/hchsJh3410626.6smc/1099792458.28光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。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。§1.电磁波谱光学谱区整个电磁波谱，波长从10-10~1014μm，包括宇宙射线（10-10~10-8μm）、γ射线（~10-4μm）、x射线（~10-2μm）、紫外线（2×10-2~0.40μm）、可见光（~0.76μm）、红外光（~103μm）、微波（~106μm）、无线电波（~1011μm）、长波电振荡（~1014μm）。我们只研究光辐射波段（极远紫外（0.165~0.26）、远紫外（~0.30）、近紫外（~0.40）、紫（~0.455）、蓝（~0.492）、青（~0.535）、绿（~0.577）、黄（~0.597）、橙（~0.622）、红（~0.76）、近红外（~1.5）、中红外（~6）、远红外（~40）、极远红外（~103）。单位（μm）光学谱区辐射类型波长(m)波长近似尺度频率(Hz)针尖单细胞生物分子光辐射波段又分紫外、可见光、红外光区，把它们放在一起研究的原因是，它们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域都同时覆盖这三个波段。在实验技术上，为了接收这些辐射，并聚焦成象，都要使用光学透镜§2.光辐射的基本概念在光学中，用来定量的描述光辐射强度的量有两类：辐射度学量，是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；光度学量，是描述光辐射能为平均人眼接收所引起的视觉刺激大小的强度，即光度学量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到的辐射量的度量，它与人的生理学、心理学特性直接相关。辐射度参量一般用下脚标e表示，光度学参量则用下脚标v表示。还有一种与人的生理特性相联系的描述辐射量的量度系统，叫做色度学，它将电磁辐射与人的眼睛的颜色视觉特性相联系。一、辐射度的基本物理量1辐射能Qe一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J]2辐射通量Φe是辐射能的时间变化率，单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe。单位：瓦［Ｗ］3辐射强度Ie点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：［WSr-1］deddSSθdPΩΦIdd•立体角立体角是以圆锥体的顶点为球心半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的度量单位。单位为球面度（steradian或者Sr）•单位立体角：以O为球心、R为半径作球，若立体角Ω截出的球面部分的面积为R2，则此球面部分所对应的立体角称为一个单位立体角，或一球面度。•对于一个给定顶点O和一个随意方向的微小面积dS，它们对应的立体角为•其中θ为dS与投影面积dA的夹角，R为O到dS中心的距离。2cosRdSd[例]•1、球面所对应的立体角：根据定义•全球所对应的立体角•(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间.)•同理，半球所对应的立体角为2π空间。2RS4422RR用球坐标表示立体角•微小面积dS•则dS对应的立体角为•计算某一个立体角时，在一定范围内积分即可。ddrdSsin2dddsinddSdS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P，则该点辐射体在各个方向的辐射强度I是常量，有4PI4辐射照度Ee投射在单位面积上的辐射通量。单位：［Wm-2］5辐射出射度Me扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［Wm-2］6辐射亮度Le辐射表面给定方向上单位投影面积内发射的辐射强度。单位：［Wm-2Sr-1］cosdddcosdd2SΩSIL7光谱辐射量也称辐射量的光谱辐射密度。由于辐射源发出的光辐射由许多不同波长的单色辐射所组成，为了研究不同波长的辐射，需对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。光谱辐射量是辐射量随波长的变化率，是波长的函数。即单位波长间隔内的辐射物理量辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通量的总和。下图为某辐通量的连续分布曲线。光谱辐射通量ddee)(dee)(0光谱辐照度ddEEee)(光谱辐射出射度ddMMee)(光谱辐射亮度ddLLee)(一般的有dxxddxxeeee)(,)(0表1—1基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Qe焦耳J辐射通量，辐射功率Φe瓦特W辐射强度Ｉe瓦特／球面度Wsr-1辐射亮度Ｌe瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1辐射出射度Ｍe瓦特／平方米Wm-2辐射照度Ｅe瓦特／平方米Wm-2dtdQeddIeedsdEeedsdMeecos2dsddLee二光度学的基本物理量1、光谱光视效率V（）视神经对各种不同波长的光的感光灵敏度是不一样的。人眼对绿光感光最灵敏，对红光、蓝光灵敏度较低。人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称之为“标准光度观察者”的光谱光视效率，或称视见函数。人眼的感光细胞：杆状细胞和锥状细胞明视觉光谱光视效率亮度大于3cdm-2时的视觉主要由人眼视网膜上分布的锥体细胞的刺激所引起。V（λ）的最大值在555nm处。亮度小于0.001cdm-2时的暗视觉光谱光视效率，用表示，此时视觉主要由杆体细胞的刺激所引起，的最大值在507nm处。VV暗视觉光谱光视效率2、光度学的物理量光度量和辐射度量的定义、方程是一一对应的。所不同的只是光度量只适用于可见光区段（0.40~0.78μm），而光辐射度量在整个电磁波谱范围内都有意义。光度量与光辐射度量之间的关系由对应的光辐射度量乘以光谱光视效率表示。光谱光视效率V(λ)曲线明视觉emVkdVkem)()(78.038.0dVkem)()(78.038.0式中Km称明视觉最大光谱光视效能，它表示人眼对波长为555nm波长的光辐射产生的光感觉，其值为683lm/W，亦称光功当量。光度学中最基本的单位是发光强度的单位——坎德拉（cd）,它是国际单位制中七个基本单位之一，理论性定义，其定义是发出频率为540×1012Hz（波长为555nm）的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为（1/683）W/Sr时，在该方向上的发光强度为1cd。最早定义是1米烛光：将一磅鲸鱼油脂制成六支蜡烛，以每小时120格令的速度燃烧时，在水平方向的发光强度为1烛光。（此时在距蜡烛1米处的照度是1lx）,上述定义中的格令为质量单位．从这个定义可以看出，发光强度不仅与燃料有关，而且还与灯芯、火焰高度等因素有关，因此它的复现性和稳定性都不高。以后用标准灯来复现与保持发光强度单位，称“国际烛光”，但复现度不高。以后以铂凝固点黑体作为光度原始标准，规定其亮度为60熙提（1熙提=1烛光/厘米），这种发光强度单位称坎德拉（cd）操作性定义：在101325牛顿/平方米的压力下，处于铂凝固温度的绝对黑体（2024K）的1/600000平方米表面在垂直方向（法线）上的发光强度为1cd。1坎就是在单位立体角内发出1流明的光。名称符号单位符号光量Qv流明秒lm·s光通量Φv流明lm发光强度Ｉv坎德拉cd光亮度Ｌv坎每平方米cd·m-2光出射度Ｍv流每平方米lm·m-2光照度（光强度）Ｅv勒克司Lx表1—2常用光度学量的名称、符号与单位耗电量8W1.热辐射(heatradiation)：任何固体或液体，由于其分子中含有带电粒子，分子的热运动将导致该物体不断地向外发射电磁波。这种辐射因为与物体的温度有关，故称为热辐射。辐射能量按频率的分布随温度而变三、热辐射的基本物理量2.热辐射的基本性质任何物体(气、液、固)在任何温度下都有热辐射；热辐射是连续光谱各种频率都有，但强度不同；辐射总功率(单位时间辐射总能)和T有关T(辐射的能量)热辐射按频率(波长)的分布和T有关T短波长的电磁波的比例。红外辐射热象图炼钢的热辐射例如，加热铁块，随着温度的升高，由开始发光→暗红→橙色→兰白色。3.平衡热辐射物体除了具有发射电磁波的本领外，还具有吸收和反射电磁波的本领，物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，物体达到热平衡，这种热辐射就称为平衡热辐射。辐射达到平衡时，物体具有固定的温度。以下只讨论平衡热辐射。4.光谱辐射出射度Mλ也称单色辐射出射度。Mλ定义：单位时间内从物体单位表面发出的波长在附近单位波长间隔内的电磁波的辐射通量MλdMdλ=T单位面积（单位时间内）dM(λ+dλ)5.辐射本领(辐射出射度)M(T)在单位时间内从物体表面单位面积上所辐射的各种波长电磁波能量的总和，称为该物体的辐射出射度，简称辐出度。用M(T)表示，单位为W·m-2M(T)和T有关；和发射体材料及表面情况有关。在一定温度T时，物体的辐射出射度和单色辐出度的关系为0)d()(d)(λTMTMTMλ物体在温度T时，在到+d范围内的吸收和反射电磁波能量与相应波长的入射电磁波能量之比，称为该物体的单色吸收比和单色反射比，分别用(，T)和(,T)表示。6.吸收比和反射比(，T)+(,T)=17.发射率物体的辐射本领与绝对黑体的辐射本领之比T,TMe,TMeb,TMTMTebe,,,在任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1的物体称为绝对黑体。8.绝对黑体(blackbody)：对于绝对黑体0(，T)=10(，T)=0对于平衡热辐射，物体辐射的能量和吸收的能量相同，因此黑体也能辐射各种频率的电磁波它的辐射本领最大(和非黑体相比),且与组成黑体的材料无关研究热辐射规律，应利用Mλ与材料及表面状态无关的物体。实验表明：一个好的吸收体也是一个好的发射体室温下，反射光1100K，自身辐射光一个黑白花盘子的两张照片9.模拟黑体不透明材料空腔开一个小孔。小孔面积远小于空腔内表面积，射入的电磁波能量几乎全被吸收。小孔能完全吸收各种频率的入射电磁波而成为模拟黑体。O打开的窗子近似黑体10.黑体的光谱辐射出射度Mλ的实验曲线实验装置黑体热电偶测M(T)光栅光谱仪T实验曲线特点：1、是连续谱2、Mν和、T有关3、每条曲线有一极值频率m(极值波长m)Tmm4、曲线下面积即为M，随T单调增加。四.光辐射的基本定律1.余弦定律对理想漫射表面：在任意发射（漫射、透射）方向上辐射亮度不变。即对任意θ角Leθ为定值。通常把具有这种表面的物体叫朗伯辐射体。在朗伯辐射体表面上任取一面元ds，由辐亮度的定义，在法线方向上如其辐射强度为I0，则其辐亮度为dsILe0cosdsILe而沿与表面成θ角方向，则所以cos0II2.基尔霍夫定律在任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的光谱辐射发射本领和吸收率的比值与物质的性质无关，只是波长及温度的普适函数，且恒等于同温度下绝对黑体的辐射本领。T,TMeb,),(),()(),()(2211TITTMTTM)(),()(TMTTMo若用M0(T)表示温度T下的绝对黑体的单色辐出度,则上式可简记为任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比,等于同一温度绝对黑体的单色辐出度,即基尔霍夫定律。TTMTMeeb,,,TMTMTebe,,,TT,,