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1、1,第三章 红外辐射源,信息科学与工程学院 冯传胜,2,原则上说，凡是温度高于绝对0度的物体都是红外辐射源。 可分为人工辐射源和自然辐射源；又可分为相干辐射源和非相干辐射源。 本章主要介绍红外辐射实验或红外技术研究中常用的辐射源。,3,本章目录,3.1 黑体 3.2 能斯特灯 3.3 硅碳棒 3.4 钨带灯 3.5 汞灯 3.6 发光二极管 3.7 红外激光器 3.8 太阳辐射,4,3.1 黑体,5,3.1.1 理想黑体 理想黑体： 黑体的吸收率=1 物体发射率定义为 光谱发射率定义为 根据基尔霍夫辐射定律 基尔霍夫辐射定律的另一描述形式： 任何物体的发射率等于它在相同温度和相同条件下的吸收率
2、。,M(T)：T温度下的辐射度; Mb(T)黑体在T温度下的辐射度。,6,3.1.2 实际黑体 一、实际黑体的发射率 吸收率接近于1。 用其作为标准来校正其它红外辐射源或红外系统。 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射。 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础，主要有古费（Gouff）理论、德法斯（Devos）理论等。 Gouff在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式：,其中是腔内表面的发射率；A是开孔面积；St是腔体内表面总面积(包括A)。F(x,)是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值。,7,常用的腔型有：球型腔、锥型腔、柱型腔。 设g=R/L1为腔的几何因子，则 锥
3、型腔： 柱型腔： 球型腔：,8,可见,L/R一定时,比较A/St: 球形腔最小,圆锥腔最大,而圆柱腔居中!,1/g,9,将F(x,)用A/S0表示,则实际黑体的发射率公式可以写成 其中,10,曲线表示了 与A/St的关系.,11,利用上面两图可计算实际黑体的发射率: (1)由黑体的L/R从图A中得到A/St的值; 如设为圆锥腔L/R=20,查图得A/St=0.05 (2)由图B查找相应的 设材料的发射率为0.5,则 =0.95 (3)由图A得到K的值 由于L/R1,则A/S0的值与球形腔的A/St的值相同,则K表达式中的(A/St-A/S0)的值则为图上两曲线的差值,对于本例约为0.047;
4、则 (4)计算黑体的有效发射率,A,B,12,二、实际黑体的结构及分类 实际黑体，俗称黑体炉。其结构如图：,结构组成： 黑体芯子 加热绕阻 测量与控制腔体温度的温度计和温度控制器,13,按其工作温度来分可分为三类： 低温黑体：小于100C 中温黑体：1001000C 高温黑体：1000C以上。 设计制作黑体时应考虑以下问题： 1腔形的选择 球型、锥型、柱型 2对腔芯材料的选择(好的热导率、高的抗氧化能力或氧化层不易脱落、高发射率) 低于600K可选用铜； 1400K以下可选用铬镍不锈钢； 高于1400K用石墨或陶瓷。 3腔体的等温加热 加热绕阻或热管 4腔体的温度控制和测量 5降低黑体前表面的
5、辐射 加限制光阑,14,三、等效辐射 设图中虚线为“光轴”，光阑孔面积为As，其法线与光轴的夹角为s；探测器接收辐射面面积为Ad，其法线与光轴的夹角为d，则,黑体辐射经光阑后的辐射强度：,黑体在探测器表面产生的辐照度：,探测器接收辐射功率(s = d =0)：,l,15,四、黑体的鉴定 对于实际的黑体，要根据有关热辐射理论，按各项技术指标，认真地进行鉴定，以确定它与理想黑体的偏离程度。 首先，从理论上，根据相关理论，由腔体的形状、尺寸及温场分布来计算它的发射率，以估计它与理想黑体的偏离程度。 其次，对其性能进行实际测试。 首先，检测黑体腔内温度的均匀程度(1K)。 其次，检测温度其稳定性(0.
6、5K/4h)。 第三，检测实际黑体与斯帝芬-玻尔兹曼定律的符合程度。 测量探测器信号与As的关系 测量探测器信号与l2的关系 测量探测器信号与T4的关系 性能较好的黑体应得到很好的线性关系(尤其2, 3)，通过测量其斜率可得到的实验值，可将其与斯帝芬-玻尔兹曼常数比较。,考虑到环境温度T0，则探测器上接收到的黑体的辐射功率为：,16,3.2 能斯特灯(Nernst Lamp),17,常用作红外分光光度计的光源。 能斯特灯是由氧化锆、氧化钍、氧化钇或氧化铍的混合物烧结成的一种很脆的空心圆柱体或圆棒，两端以铂丝作为电源的引出线，典型尺寸为长30mm，直径13mm。 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的
7、红外辐射源。它有寿命长，工作温度高，黑体特性好和不需要水冷等特性。主要缺点是机械强度低，稍受压，就会损坏。 恒流电源供电：工作电流0.30.6A。 工作温度：1700K1800K。,18,3.3 硅碳棒,19,用碳化硅(SiC)做成的圆棒。作为辐射测量的辐射源时，不能含有杂质。 作为红外辐射源用的硅棒： 典型尺寸为长510cm，直径为5mm。 工作电源为50V，工作电流为35A。 硅碳棒也是分光计和红外光谱仪中常用的光源之一。 由于直接工作于大气中，表面升华较大，需要给装有硅碳棒的护罩通以冷水，以冷却电极。制作工艺简单，价格也较低。,20,3.4 钨带灯,21,是广为使用为红外辐射源。常用于红
8、外辐射测量，作为3um以下的近红外辐射源使用。 与日常照明用的钨丝灯一样，钨带灯也是通电加热钨带而发光的。 钨带的典型尺寸为宽约2mm，厚约0.02mm，长约20mm。真空泡时可工作于1100C，充惰性气体(如氩气等)可工作于2700度。 工作电压一般为1020V，工作电流约20A。 由于玻璃罩的存在(不透大于4um辐射)，一般工作波长范围为0.53um(近红外)。,22,3.5 汞灯,23,是光学实验室中常用的一种辐射源。 相对于前面介绍的辐射源(能斯特灯、硅碳棒、钨带灯等)，汞灯是一种气体辐射源。是利用汞蒸气放电发光而制成的辐射源。 按灯内汞蒸气压的不同，可分为低压、高压和超高压三种。,汞
9、灯的红外辐射谱线波长,24,3.6 发光二极管,发光二极管是光电子技术领域中重要的发光器件之一。 这类辐射源是在半导体p-n结通以正向电流时，注入载流子，并利用注入载流子复合而发光的器件。属于非热辐射辐射源。 可工作于可见光波段，也可工作于红外波段。 砷化镓(GaAs)的禁带宽度为1.43eV，则电子和空穴复合时发光的峰值在900nm940nm的近红外波段。 特点是当谱带窄，在30nm50nm之间。时间响应短(1us)，体积小，体格便宜。 工作电压1.22V，电流20100mA。驱动方式有交流、直流和脉冲三种。,25,3.7 红外激光器,激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型光源。与普通光
10、源相比，激光具有方向性好、亮度高、单色性和相干性好等特性。激光器的出现从根本上突破了以往普通光源的种种局限性（如亮度低、方向性和单色性差等），赋予古老光学技术以新的生命力，产生了许多新的分支学科，如全息照相、光信息处理、非线性光学等。 红外波段的激光器，已成为红外技术中的重要辐射源，并在红外通讯、主动式红外雷达，测距，目标显示等红外系统中得到了广泛应用。,26,激光器的分类： 按工作物质分类： 气体激光器 液体激光器 固体激光器 半导体激光器 按工作方式分类： 连续激光器 脉冲激光器 气体激光器的增益介质是气态的，特点： 1、发射波长范围大，视不同介质，能输出110nm1.8mm波长的激光。
11、He-Ne激光器：0.63um CO2激光器：10.6um 2、时间相干性和空间相干性居各类激光器之首。,27,固体激光器是利用掺在晶体或玻璃中的少量离子作为增益介质。特点： 1、结构紧凑，牢固耐用，输出功率高。 红宝石(Al2O3)激光器：波长694.3nm，功率可达103W以上。 掺钕的钇铝石榴石(YAG)激光器，波长1.06um，功率可达MW量级。 2、单色性和指向性不如气体激光器。 染料激光器的增益介质是由能发射荧光的有机染料分子组成。特点： 染料分子的电子从基态跃迁到激发态的吸收光谱几乎是连续谱，宽度可达几十纳米。可调染料激光器是分光技术中的重要光源。,28,半导体激光器中光增益是通
12、过半导体的导带与价带之间的电子的受激跃迁实现的，其发发射波长因半导体材料的不同而不同。 GaAs激光器：波长0.85um，功率在mW量级。 特点：体积小，时间响应短。是光通讯中的重要光源。 激光器的三个重要组成部分： 工作物质： 用来在特定能级间实现粒子数反转并产生受激发射。 泵浦装置 用来激励工作物质，使其产生并维持特定能级间的粒子数反转和相应的受激发射。 光学谐振腔 其作用是保证受激发射光子在腔内产生持续的激光振荡，此外还对振荡光子的特征（频率、方向等）加以限制，以保证激光输出的高方向性和高单色性。,29,3.8 太阳辐射,太阳是G类星体，是人类研究最多、最早的辐射源。在红外辐射测量中，如
13、是不是研究太阳本身的辐射，则太阳辐射就属于背景干扰。 如图为太阳的辐射光谱。 太阳近一半的能量在红外波段，40%在可见波段，10%在紫外和X射线波段。 应注意，太阳在地球表面的照度约为0.09W/cm2，而许多红外系统设计用于探测10-10 W/cm2或更低照度的目标，所以，对太阳“偶而一瞥”，可能造成严重过载，甚至使系统遭受永久性损伤。,30,31,作业,1、实际黑体的结构、分类和发射率的计算公式(Gouffe公式)。 2、黑体等效辐射的推导：已知黑体的温度T和环境温度T0，探测器(光敏面积为Ad)与黑体光阑(面积为As)相距l(假设且共轴)，推导出探测器上接收的等效黑体辐射功率。 3、实际黑体如何鉴定？ 4、课后了解各种辐射源的特点(不用写到作业本上)。,32,