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辐射度学和光度学報告內容:1.光的本質2.辐射度学3.光度学06.07.16Author：Sunnytic.Sunradiometryandphotometry第一節辐射度学对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学物体以辐射的方式传递交换的能量。辐射的基本知识辐射及其特性辐射物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。辐射能特性波粒二象性波动性波动性粒子性粒子性λhVhfEL==其中其中hh＝＝6.6266.626××1010--3434JJ··ss，，称为称为普朗克常数普朗克常数。。z辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射z中華人民共和國國家標準GB3102.6-86光及有关电磁辐射的量和单位規定电磁辐射的量和单位如下:电磁辐射的度量和单位W/m2辐(射)照度6-14.1W/m2辐(射)出(射)度6-13.1W/(sr·m2)辐(射)亮度,辐射度6-12.1W/sr辐(射)强度6-11.1W辐(射)功率,辐(射能通量6-9.1J辐(射)能6-6.1m波长6-3.1c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）。d辐(射)功率,辐(射)能通量辐射通量Φe又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，单位：瓦特（W）或J/S焦耳/秒e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表示单位：瓦特•球面度-1（W•sr-1）球面上某部分与其球心所对应的空间,叫立体角(空间角)。立体角ω等于与ω立体角相对应的球面面积A与球半径r的平方的比值NiθidSiSjSjΩ立体角的計算立体角(SolidAngles)－sr球面度:它的定义为球面面积与半径平方的比值.一个顶点在球心，其所对的球面圆的面积等于边长为球的半径的矩形面积的立体角為1立體角球冠的面积公式s=2πRhf辐(射)亮度,辐射度辐射亮度。表示面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量。单位：瓦特/球面度•米2（W/sr•m2）。SθdΦdSdΩ辐射亮度示意图g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单位：W//m2dFdsh辐(射)照度在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。单位：（W/m2）。dFds第二節光的本質什麼是光？•Newton:光是微粒子流束。-光可以轉彎嗎？(1642-1727)•Huygens:光是一種波動。-可不經界質傳遞？(1629-1695)•Young:證實光的干涉現象存在。-粒子無法相減！(1773-1829)•Maxwell:光是一種電磁波。c=3X108m/s(1831-1879)•Hertz:證實光具有電磁波特性。-如何解釋光電效應？(1857-1894)•Planck:量子論探討微觀世界。-解釋黑體輻射、光電效應。(1858-1947)•Einstein:相對論解釋光電效應。E=hf(1879-1955)光的產生光源的最基本发光单元是分子、原子普通光源：自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.ν=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射独立(不同原子发的光)··独立(同一原子先后发的光)•发光的随机性•发光的间隙性波列波列长L=τc秒810−τ普通光源是一种非相干光源12EEh−=ν光的波粒二象性z光是一种波(電磁波)干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；z光是一种粒子光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；现代物理学认为：光具有波粒二象性。波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。電磁波論與量子論相輔相成電磁波特性量子特性註：Photon沒有質量。•電磁波理論：圓滿解釋光的傳遞與干涉現象。•量子理論：成功解釋光子(Photon)註如何激發電子的現象（光電效應）。光是电磁波，把电磁波按波长或频率的次序排列成谱，称为电磁波谱。可见光是一种波长很短的电磁波，其波长范围为400nm~760nm频率范围为7.5×1014Hz~3.9×1014Hz，它是能引起视觉的电磁波。在真空中，光的不同波长范围与人眼不同颜色感觉之间的对应关系如下光在不同媒质中传播时，频率不变，波长和传播速度变小。光是电磁波按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场会产生变化的磁场，这个变化的磁场又产生变化的电场，这样变化的电场和变化的磁场不断地相互激发并由近及远地传播形成电磁波。平面简谐电磁波)(cos),(0urtEtrE−=ω)(cos),(0urtHtrH−=ω折射率rrucnµε==nncu0,λλ==1、任一给定点上的E和H同时存在，同频率、同相位并以同一速度传播；2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．3、在空间任一点处HEµε=4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，为εµ1=u在真空中u=][10311800−⋅×≈=smcµε5、电磁波的能量2021,EIHES=×=可见光光是一种以电磁波形式存在的物质。电磁波的波长范围很宽，从3*10-3m到3*10-17m，包含了无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、宇宙射线等。其中，波长为380nm～780nm的电磁波能够引起人眼的视觉反应，因而称为可见光，它在整个电磁波谱中的位置如图所示电磁波谱。名称名称波长范围波长范围紫外线紫外线100100埃～埃～0.40.4微米微米可见光可见光0.40.4微米～微米～0.760.76微米微米红红外外线线近红外近红外0.760.76微米～微米～3.03.0微米微米中红外中红外3.03.0微米～微米～6.06.0微米微米远红外远红外6.06.0微米～微米～1515微米微米超远红外超远红外1515微米～微米～10001000微米微米微微波波毫米波毫米波11～～1010毫米毫米厘米波厘米波11～～1010厘米厘米分米波分米波1010厘米～厘米～11米米色彩名称色彩名称波长范围波长范围紫紫0.400.40～～0.430.43微米微米蓝蓝0.430.43～～0.470.47微米微米青青0.470.47～～0.500.50微米微米绿绿0.500.50～～0.560.56微米微米黄黄0.560.56～～0.590.59微米微米橙橙0.590.59～～0.620.62微米微米红红0.620.62～～0.760.76微米微米不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围可见光波长范围可见光频率范围光的颜色和光谱Hz.~.141410931077××可见光波长范围0A76003900~可见光颜色对照红紫~单色光——只含单一波长的光复色光——含多种波长的光。准单色光——光波中包含波长范围很窄的成分的光。O0I20Iλ2λ∆λ−2λ∆λ+λ∆可见光具有以下特性：（1）可见光波长范围有限，只占整个电磁波波谱的极小一部分。（2）不同波长的光呈现的颜色各不同，波长从长到短，分别呈现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。（3）单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光。单色光对应着光谱中一定的波长，所以又称为谱色光。含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光，复合光使人眼产生混合色。由于它不能作为单色光出现在光谱上，所以又称为非谱色光。例如，白光就是一种复合光，自然界中最大的白光光源是太阳，太阳光的光谱是连续分布的，包含有380nm～780nm范围内的所有波长成分。几种单色光混合在一起会形成复合光，如红、绿、蓝光按一定比例混合后会产生白光。同样，混合光也可以通过某种方式被分解成不同波长的单色光。可见光特性光电效应证明了光具有粒子性根据能量守恒定律,光电子的最大初动能、入射光子的能量hν、金属逸出功W之间有下面关系：光电效应有力地证明了光具有粒子性21hν=W+mvm2逸出功W=hν0爱因斯坦的光子说。光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率成正比：E=hν甲1、普通光源发光的特点2、相干光的条件每个分子或原子的发光具有间歇性及随机性，每次发出的波列有一定的长度，各个分子或原子的发光是各自独立的，各波列互不相干。两束光的振动频率相同振动方向相同位相相同或位相差恒定光的干涉5、半波损失:入射波在反射时发生相位突变的现象称为半波损失。光在被反射过程中,如果反射光在离开反射点时的振动方向对入射光到达入射点时的振动方向恰好相反,这种现象叫做半波损失。从波动理论知道,波的振动方向相反相当于波多走(或少走)了半个波长的光程。6、波的干涉3、相干光的获得分波阵面法分振幅法4、光程与光程差nrL=1122rnrn−=δ)(112222rnrn−==λπδλπϕ∆把由光源上同一点发出的光设法分成两部分，再叠加起来。利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。ABCD1n1n2neiγa1a2a在一均匀透明介质n1中放入上下表面平行,厚度为e的均匀介质n2(n1)，用扩展光源照射薄膜，其反射和透射光如图所示薄膜干涉光线a2与光线a1的光程差为：212/ADn)CBAC(nλ∆+−+=半波损失由折射定律和几何关系可得出：γtaneAB2=γcos/eCBAC==γsinnisinn21=isinABAD=21222λγγγ∆+−=)cossincos(en222λγ∆+=cosen2222122λ∆+⋅−=isinnneABCD1n1n2neiγa1a2a⎩⎨⎧=+==+⋅−=减弱（暗）加强（明）LL,,,k)k(,,kkisinnne210212212222122λλλ∆干涉条件薄膜aa1a2n1n2n3不论入射光的的入射角如何额外程差的确定满足n1n2n3(或n1n2n3)→产生额外程差满足n1n2n3(或n1n2n3)→不存在额外程差对同样的入射光来说，当反射方向干涉加强时，在透射方向就干涉减弱。恒定）厚度均匀（e对应等倾干涉增透膜和增反膜增透膜-----利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉条件来减少反射，从而使透射增强。增反膜-----利用薄膜上、下表面反射光的光程差满足相长干涉，因此反射光因干涉而加强。问：若反射光相消干涉的条件中取k=1，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？例已知用波长，照相机镜头n3=1.5，其上涂一层n2=1.38的氟化镁增透膜，光线垂直入射。nm550=λ21222/)(λ+=kdn解：因为，所以反射光经历两次半波损失。反射光相干相消的条件是：321nnn11=n5.13=n38.12=nd代入k和n2求得：mnd792109822381410550343−−×=×××==..λ此膜对反射光相干相长的条件：λkdn=22nmk85511==λnmk541222.==λnmk27533==λ可见光波长范围400~700nm波长412.5nm的可见光有增反。问：若反射光相消干涉的条件中取k=1，膜的厚度为多少？此增透膜在可见光范围内有没有增反？11=n5.13=n38.12=nd夹角很小的两个平面所构成的薄膜rad~101054−−：θθ空气劈尖棱边楔角平行单色光垂直照射空气劈尖上，上、下表面的反射光将产生干涉，厚度为e处，两相干光的光程差为22λ∆+=e劈尖干涉干涉条件⎩⎨⎧=+==+=暗条纹明条纹LL21021232122,,k)k(,,kkeλλλ∆劈尖上厚度相同的地方，两相干光的光程差相同，对应一定k值的明或暗条纹。——等厚干涉棱边处，e=0,∆=λ/2，出现暗条纹⇒有“半波损失”实心劈尖222λ∆+=en空气劈尖任意相邻明条纹对应的厚度差：21/eekkλ=−+θλθsinsine