第一章红外物理基础

红外与微光技术张艳电子科技大学光电信息学院课程特点知识面广红外物理﹑工程光学﹑半导体物理﹑图像处理，检测技术等。应用广泛军事领域民用领域科学研究军事领域搜索﹑跟踪﹑测距导弹制导，导航和飞行控制，目标探测，入侵检测，飞机碰撞预警等辐射测量地形分析，毒气的探测，目标和背景的特性等热成像侦察和监视，热测绘，潜艇探测，导弹的地下发射阱、人员、车辆、武器野营吹火以及战地营房的探测等反射通量测量夜间驾驶，冲锋枪的射击，入侵检测，伪装探测，基地保卫，停泊和着陆等合作光源地面通讯，红外系统对抗，无人驾驶飞机的指令联络民用领域工业森林火灾探测，铁路车辆过热轴颈箱的探测，工艺控制，探测晴空大气湍流，空气污染分析，环境检测，非破坏性实验，车速探测等医学皮肤温度测量，癌症早期探查，远距离生物传感器，初期脑溢血的早期诊断，测定静脉堵塞的部位，研究动物的夜间习性，监视愈合过程等科学研究卫星探测天体温度测量气象情况的遥测植物中热交换的研究地球和星星大气成分的测定其他行星上的植被或生命的探测研究火山，侦察海面浮冰，石油勘探，伪造品的探测，宝石鉴定，探测患病的农作物学习本课程的意义拓宽知识面将理论知识用于实践，融会贯通，提高解决实际问题的能力了解红外与微光技术实际应用水平和最新发展动态为以后的工作和科研提供参考主要参考书目吴宗凡等，《红外与微光技术》，国防工业出版社，1998年张建奇等，《红外物理》，西安电子科技大学出版社，2004年陈永甫编著，《红外辐射、红外器件与典型应用》，电子工业出版社，2004年张敬贤等，《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版社，1995年A.R.杰哈著，《红外技术应用》，化工出版社，2004年其他：–《红外探测器》–《红外电子学》–《红外光学系统》–《红外光谱》–《红外技术实验与方法》–《红外系统》•Elementsofinfraredtechnology,generation,transmission,anddetection,PaulW.Kruse,etal.JohnWiley&Sons,1962•Infraredoptoelectronics,deviceandapplications,WilliamNunley,etal.,MarcelDekker,1987•Semiconductorquantumwellsandsuperlatticesforlong-wavelengthinfrareddetectors,M.O.Marasreh,Artechhouse,1993.•Intrsubbandinfraredphotodetectors,V.Ryzhii,WorldScientific,2003•Commansenseapproachtothermalimaging,GeraldC.Holst,JCD,SPIE,2000.•Maldague,XavierP.V.,Theoryandpracticeofinfraredtechnologyfornondestructivetesting,JohnWliley&Sons,2001•IrvingJ.Spiro,MonroeSchlessinger,Infraredtechnologyfundamentals,MARCELDEKKER,INC.,1989•A.R.JHA,InfraredTechnology,ApplicationstoElectrooptics,PhotonicDevices,andSensors，2000SPIE“INFRAREDTECHNOLOGYANDAPPLICATIONS”国际会议主要内容第一章红外物理基础第二章红外探测器第三章红外探测器的参数测试第四章微光探测技术第五章制冷技术第六章红外与微光技术应用第一章红外物理基础1.1红外线的发现与本质1.2电磁波谱1.3红外辐射源1.3.1基本定律1.3.2红外辐射源的分类1.3.3自然源1.3.4标准源1.3.5人造源1.4红外系统1.1红外线的发现与本质1.1800年，英国天文学家Herschel用棱镜将太阳光色散，并利用灵敏的温度计进行探测，发现在红光外测温度计温度比红光区域高。证明了红外线的存在。2.红外线的本质一切温度高于绝对零度的物体（有生命和无生命）的物体时时刻刻都在不停的辐射红外线红外线无处不在3.红外线的主要效应红外线的热效应红外线的生物效应医疗保健：消炎﹑促进再生﹑免疫调节不利影响：波长0.8～1.2微米的短波红外，造成“红外线白内障”光电效应等1.2电磁波谱1.电磁波的分类•Gamma射线：•X射线：•紫外线：•可见光:0.38～0.75微米•红外线：0.75～1000微米•微波：•射频：2.红外辐射的光谱划分•根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分：名称英文缩写波长范围（微米）近红外/短波红外NIR/SWIR0.75～3中红外/中波红外MIR/MWIR3～6远红外/长波红外/热红外FIR/LWIR/TIR6～15极远红外15～1000XIR红外大气窗口：大气对红外辐射基本是透明的1～3微米﹑3～5微米﹑8～15微米红外大气窗口3.根据红外辐射产生的机理进行划分：近红外区：0.75～2.5微米，对应于原子能级之间的跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带中红外区：2.5～25微米，对应分子转动能级和振动能级之间的跃迁远红外区：25～1000微米，对应分子转动能级之间的跃迁4.红外辐射的特点•电磁波，具有与可见光相似的特性，如反射﹑折射﹑干涉﹑衍射和偏振•人眼对红外辐射不敏感，需用红外探测器才能探测到；•红外辐射的热效应比可见光要强很多；•红外辐射更容易被物质吸收，但对薄雾来说，长波红外辐射更容易通过。红外技术：研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学主要内容：•红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。•红外元件、部件的研制，包括辐射源、红外探测器、微型制冷器、红外窗口材料和滤光片等。•把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。•红外技术在军事上和国民经济中的应用。红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。1.3红外辐射源1.3.1热辐射的基本定律1.基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaw)EMAT热平衡时，必有：ME其中，M是物体A的辐出度；α是物体A的吸收率；E是物体A上的辐照度（1-1）表述：在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收率的比值等于空腔中的辐射照度，这与物体的性质无关。•结论：1.好的吸收体必是好的发射体（）；2.对于不透明物体（透过率），好的发射体必是弱的反射体（）；3.如果反射率和透射率均为零，则吸收率等于110ME黑体黑体（blackbody）：任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体一个理想化的概念是一个比较标准黑体模型在一个密闭的空腔上开一个小孔，腔孔的辐射就相当于一个面积等于腔孔面积的黑体辐射1bbbb2.普朗克公式—黑体辐射理论最基本的公式描述了黑体辐射的光谱分布：112/52kTchehcM11/512TcecM（1-2）又可表示为：•意义：不同温度下黑体辐射出射度随波长的变化黑体辐射的特征：1）光谱辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值。2）曲线随黑体温度的升高而整体提高。在任意指定波长处，与较高温度对应的光谱辐射出射度也较大。3）每条曲线彼此不相交，故温度越高，所有波长的光谱辐射出射度也越大。4）温度升高，峰值波长减小，黑体辐射中包含的短波成分所占比例增加。5）黑体的辐射只与黑体的绝对温度有关。3.维恩位移定律(Wiendisplacementformula)黑体光谱辐射出射度的峰值波长m与绝对温度T的关系：bTm（1-3）式中，λm是光谱辐射出射度的峰值波长；b是维恩位移常数，b=(2897.8±0.4)(μm·K)；T是绝对温度（K）。（可由普朗克公式（1-2）对波长求导，然后再令导数等于零求得）物理意义：温度上升，辐射峰值总是朝着较短波长方向位移。解释现象：当物体温度升高时，它的颜色将跟着变化。估算μm9.4μm3102898Tbm（1）人体（T=310K）μm48.0μm60002898Tbm（2）太阳（T=6000K）思考：有何实际意义？4.斯蒂芬-波耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw)斯蒂芬和波尔兹曼先后于1879年和1884年分别从实验测量和热力学推导中得出结论：黑体辐射的总能量与它的绝对温度的四次方成正比。4432450152TThckdMMb（1-4）（在从零到无穷大的波长范围内,对普朗克公式（1-2）积分）式中σ:斯蒂芬-波耳兹曼常数,5.6697×10-12（）42KcmW意义：红外辐射测温的理论基础TTMb344bMT•辐出度与绝对温度的四次方成正比。•相当小的温度变化，就会引起辐射功率很大的变化。容易探测5.发射率（比辐射率）•发射率ε：辐射源的辐出度与具有同一温度的黑体的辐出度之比)()(TMTMbb（1-5）式中，M（T）是实际物体在温度T的全辐射度，Mbb(T)是黑体在相同温度下的全辐出度)()()()(TMTMTMTMbbbbbb由基尔霍夫定律式（1-1），得•根据光谱发射率，可将辐射体分为三类：1）黑体或普朗克辐射体，其；2）灰体，其＝常数，但小于1；3）选择性辐射体，随波长而变。1*同一种材料在不同波段的比辐射率的差异很大•金属材料的发射率均较低,但随温度而增加,并且当表面形成氧化层后,发射率成十倍或更大倍数增加。•非金属的发射率要高些，一般大于0.8,并随温度的增高而减小。•金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,发射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆对发射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起发射率测量值的变化。•发射率是有方向性的。1.3.2红外辐射源的分类blackbody1.3.3自然（红外）源1.太阳280.m975PTT≈5600K太阳、地球表面、天空、外层空间和星体等都是自然辐射源太阳辐射的光谱分布可以用5600K的黑体的辐射来近似表示•曲线1：温度为6000K的黑体；•曲线2：太阳在大气层外的辐出度光谱分布•曲线3：太阳在海平面上的辐出度光谱分布太阳辐射很接近于黑体辐射2.月亮10.5mPReflectedSunlight（太阳反射）ThermalEmission（自身辐射）7mP400TK3.云层•与对太阳和地球的反射和散射有关3m10.5mP(Day,sunlight)4m29.6mP(Night,terrainradiation)•辐射特性：Lowersurface≈0ºCBlackBodyuppersurface≈–40ºCBlackBody4.地球表面•白天：由反射和散射太阳光线以及地球本身热辐射组成•夜间：其光谱分布相当于地球环境温度的灰体的光谱分布白天观察典型地物的光谱辐射亮度1.物质之间的差别不明显，每一种分布都有两个峰值，在3到4微米处有一个最小值。2.把其中每根曲线都与35℃的黑体作比较，表明这些物质的辐射与比辐射率0.9以上的灰体相当。1.水面的辐射的温度取决于它的温度和表面状态。2.无波浪时反射良好而辐射甚差，只有当出现波浪时，海面才能成为良好的辐射体。3.浪花的辐射如同黑体。5.天空晴朗夜空的光谱辐射亮度和随仰角的变化天空的辐射亮度曲线大体上与地面相类似，可分为两个区，即3微米以下的太阳散射区和4微米以上的大气热辐射区。1.3.4标准（红外辐射）源1.黑体概念*理想/绝对黑体：*实际黑体：11