红外技术第三章红外辐射源分解

• 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。
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，如是不是研究太阳本身的辐射， 则太阳辐射就属于背景干扰。
• 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(<0.5K/4h)。
• 第三，检测实际黑体与斯帝芬-玻尔兹曼定律的符合程度。
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：
– (4)计算黑体的有效发射率
0 '0 ( 1 K ) 0 .9 5 1 .0 2 3 5 0 .9 7 2 3 2 5
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
• 按其工作温度来分可分为三类：
– 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900nm~940nm的近红外波段。
– 特点是当谱带窄，在30nm~50nm之间。时间响应短 (<1us)，体积小，体格便宜。
– 工作电压1.2~2V，电流20~100mA。驱动方式有交 流、直流和脉冲三种。
– 自然界中，大地、空间背景、人体（皮肤）、无动力 空间飞行器、喷气式飞机尾喷管等辐射体都可看作灰 体。
• 选择性辐射体
– 发射率不是常数，与波长有关，是波长的函数。
• 三者发射率的比较（如图）
• 3.1.2 实际黑体
一、实际黑体的发射率
• 吸收率α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。
– 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1~3mm。
– 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐 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。
– 月球表面的反射系数随波长的延伸而增大， 因而光谱辐射度曲线的最大值向长波段移动 。在月球自身辐射和对太阳辐射反射综合作 用下，月球表面辐射度的最大值出现在 0.54um处，其辐亮度小于500W.m-2.sr-1。
A St
A S0
1
SAt
A St
'0(1K)
• 其中
K
(1)
A St
A S0
'0
1
A St
A St
曲线表示了 ' 0 与A/St的关系.
• 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
– 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1100ºC，充 惰性气体(如氩气等)可工作于2700度。
– 工作电压一般为10~20V，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0.5~3um(近红外)。
3.5 汞灯
– 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
3.1 黑体 (Black Body)
• 3.1.1 理想黑体
– 理想黑体：
• 黑体的吸收率α=1
– 物体发射率定义为 光谱发射率定义为
(T ) M (T )
M b (T )
(T )
M (T ) Mb (T )
M(T)：T温度下的 辐射度;
Mb(T)黑体在T温度 下的辐射度。
– 根据基尔霍夫辐射定律
– 半导体激光器中光增益是通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。
F ( x , ) 1 c o s d 1 0 2 d 0 0 c o ss i n d s i n 2 0 R 2 / ( L 2 R 2 ) • 常用的腔型有：球型腔、锥型腔、柱型腔。 • 设g=R/L<<1为腔的几何因子，则 F(x,)g2(11g2)g2
A
1
– 锥型腔：
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。
汞灯的红外辐射谱线波长
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。
– 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。
– 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：
I L A sc o ss M bA sc o ss0T 4A sc o ss
黑体在探测器表面产生的辐照度：
探测器接收辐射功率(θs = θd =0)：
EIco l2 sd0 lT 24A scosscosd PEAd 0lT2 4 AsAd
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。
g(
)g(1g)
St g 1g2
– 柱型腔： A1g( 1 )1g(1g) St 2 1g 2
– 球型腔： SAt g2(112g2)g2
1/g
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!
• 将F(x,Ω)用A/S0表示,则实际黑体的发射率公式可以写成
0
1(1)
– 如图为太阳的辐射光谱（太阳的温度约为6000K， 峰值辐射出现在0.48um处）。
– 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。
– 低温黑体：小于100ºC – 中温黑体：100~1000ºC – 高温黑体：1000ºC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。
(,T)M (T)M (T)(,T)
M b(T) E (T)
• 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。
灰体？
– 灰体的发射率ε也是与温度和波长无关的常 数，只不过ε＜1。
– 辐射体分为三类
• 黑体 • 灰体（实际黑体可看作发射率接近于1的灰体）
太阳的辐射在经过大气时，由于大气中各成分的吸收和散射，能到达 地面的辐射大都在0.3~3um波段。
另外太阳在地面产生的辐照度随季节、地理区域、云量和大气状况的 不同，在很大范围内变化。
3.9 月球
– 月球的辐射为自身辐射与对太阳辐射的反射 所组成。
– 月球可以看成一个温度为400K的绝对黑体 ，其自身辐射的峰值波长为7.2um。
– 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。
3.4 钨带灯
– 是广为使用为红外辐射源。常用于红外辐射 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。
– 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。
– 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．降低黑体前表面的辐射
» 加限制光阑
三、等效辐射
黑体
探测器等
l 光阑
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θs；探测器接收辐射面面积为 Ad，其法线与光轴的夹角为θd，则
黑体辐射经光阑后的辐射强度：
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。