第1章光辐射基础和光源

0.001 1 200 300 380 760nm 1m 7m 1mm 1cm 1m 1km光辐射光辐射发出光辐射的物体辐射能辐射能Q Qe e辐射通量辐射通量e辐射强度辐射强度Ie 4 4辐射照度辐射照度Ee：投射在：投射在单位面积单位面积上的辐射通量，上的辐射通量，即即Ee ，单位为，单位为Wm2( (瓦每平方米瓦每平方米) )。dA是投射辐射通量是投射辐射通量的面积元。的面积元。辐射出射度辐射出射度MeEeEe辐射亮度辐射亮度Lecos),(2dSddLee单位为单位为Wm( (瓦每微米瓦每微米) )，或，或Wnm( (瓦每纳米瓦每纳米) )。ddee)( 0V V ()V V ()光谱光视效率光谱光视效率0.20.40.60.81.02 2、光度的基本物理量、光度的基本物理量光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为基础，受到了主观视觉的限制，基础，受到了主观视觉的限制，不是客观的物理不是客观的物理学描述方法学描述方法；只在可见光波段有意义；只在可见光波段有意义；用下脚标用下脚标“v v”表示，表示，辐射度学量和光度学量是辐射度学量和光度学量是一一一一对应对应的。的。辐射度量和光度量的对照表辐射度量和光度量的对照表辐射度量辐射度量 符号符号 单位单位 光度量光度量 符号符号 单位单位 辐射能辐射能 Qe J 光能光能 QV lms 辐射通量辐射通量e W光通量光通量 V lm 辐射照度辐射照度 Ee Wm-2 光照度光照度 EV lx=lmm-2 辐射出度辐射出度Me Wm-2 光出射度光出射度MV lx辐射强度辐射强度Ie Wsr-1 发光强度发光强度IV cd=lmsr-1 辐射亮度辐射亮度 Le Wm-2 sr-1 光亮度光亮度LVcdm-2 e与与v的函数关系：的函数关系：Km：光功当量：光功当量，明视觉的最大光谱光视效率系数，明视觉的最大光谱光视效率系数，它表示人眼对波长为它表示人眼对波长为555nm光辐射产生光感觉的光辐射产生光感觉的效能。效能。Km680 lm / W光度量与辐射量之间的统一函数关系光度量与辐射量之间的统一函数关系780 380 d)()(VXKXemV780 380 d)()(VK em V适用于红外波段适用于红外波段任何物体只要它的温度高于热力学温度（任何物体只要它的温度高于热力学温度（0K或摄氏或摄氏-273-273），它就一定不断地发射电磁），它就一定不断地发射电磁辐射（热辐射）。辐射（热辐射）。只要外界传递热量给物体以维持物体的温度只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变，物体就能不改变内能持续稳定地发射不变，物体就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。电磁波。)(d)(d),(eeT 2mm W/ddd),(ATMe),(),(),(TTMTMb),(T),(),(),(bTMTTM),(T),(T),(),(),(bTMTMT),(),(TT),(),(),(TMTMTb),(),(),(bTMTMT),(),(),(TMTTMb这与黑体的定义是完全一致的这与黑体的定义是完全一致的LcosNLL24 lE 22lRLE RlERl 22nLnL12LL 22nLnLm)(W/m 112),(2/52bTkhceehcTM)sW(10)000036. 0626176. 6(234h)KsW(10)000044. 0380662. 1 (123k)scm(10)000000012. 099792458. 2(110c式中式中 h普朗克常数普朗克常数本定律由德国物理学家威廉本定律由德国物理学家威廉维恩（维恩（Wilhelm Wien）于）于18931893年通过对实验数据的经验总结提出。年通过对实验数据的经验总结提出。威廉威廉维恩提出本定律的时间是在普朗克黑体辐射定律出维恩提出本定律的时间是在普朗克黑体辐射定律出现之前，且过程完全基于对实验数据的经验总结。后来证现之前，且过程完全基于对实验数据的经验总结。后来证明，本定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接明，本定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论。推论。六、维恩位移定律六、维恩位移定律描述黑体电磁辐射能流密度的描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长峰值波长与与自身温度自身温度之之间反比关系的定律间反比关系的定律 K)m( 8 .2897Tmm55)2898/(5,1128982TbTeCMcmebm黑体的光辐射出射度的峰值与绝对温度的黑体的光辐射出射度的峰值与绝对温度的五次方成正比五次方成正比维恩位移定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论维恩位移定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论)(10741832. 3424mcmWC)(102866. 151215KmcmWb维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有有2000-3000K2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是，因而显红色。太阳的表面温度是6000K6000K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm502nm，这，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律 04d),()(TTMTMebeb)KcmW(10)00071. 067032. 5(4212PPeee21d)(PVKPemVV760380d)()(0o0o30o60o90o-30o-60o-90o-120o120o150o180o-150o二、光源选择的基本要求二、光源选择的基本要求0021dWdSWAAmnnmEE512. 25. 5. 自然光源自然光源各自然辐射源的星等和地面的照度各自然辐射源的星等和地面的照度辐射源辐射源星等星等对地面的照度（对地面的照度（lx）太阳太阳-26.731.30105点光源（点光源（1cd距距1m处）处）-13.91.00满月满月-12.52.6710-1金星（最亮时）金星（最亮时）-4.31.3910-4天狼星天狼星-1.429.810-6零等星零等星02.6510-6一等星一等星11.0510-6六等星六等星61.0510-8太阳太阳(大气外测定大气外测定)1.9109低压汞灯低压汞灯23104碘钨灯碘钨灯5107太阳太阳(海平面测定海平面测定)1.6109钠光灯钠光灯12105碳弧灯碳弧灯1.8108月月 亮亮2.510350W钨丝灯钨丝灯4.08106超高压汞灯超高压汞灯108 109天空天空(夏天平均夏天平均)5103200W充气钨充气钨丝灯丝灯1.33107超高压氙灯超高压氙灯1010天空天空(秋天平均秋天平均)31032500K黑体黑体5.3106球形脉冲氙球形脉冲氙灯灯101111031.1210108104单位：单位：cd/m21-4 1-4 光电技术中常用光源简介光电技术中常用光源简介2 2白炽灯白炽灯白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。自光的电光源。自18791879年，美国的爱迪生制成了碳化纤维年，美国的爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。现代的钨丝白炽灯到现代的钨丝白炽灯到19081908年才由美国发明家库利奇试制成年才由美国发明家库利奇试制成功。发光体是用金属钨拉制的灯丝，这种材料最可贵的特功。发光体是用金属钨拉制的灯丝，这种材料最可贵的特点是其熔点很高，即在高温下仍能保持固态。一只点亮的点是其熔点很高，即在高温下仍能保持固态。一只点亮的白炽灯的灯丝温度高达白炽灯的灯丝温度高达30003000。正是由于炽热的灯丝产生。正是由于炽热的灯丝产生了光辐射，才使电灯发出了明亮的光芒。了光辐射，才使电灯发出了明亮的光芒。因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体，并在灯泡的玻璃因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体，并在灯泡的玻璃表面上沉积，使灯泡变黑，所以白炽灯都被造成表面上沉积，使灯泡变黑，所以白炽灯都被造成“大腹便大腹便便便”的外型，这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较的外型，这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较大的表面上弥散开。否则的话，灯泡在很短的时间内就会大的表面上弥散开。否则的话，灯泡在很短的时间内就会被熏黑了。由于灯丝在不断地被升华，所以会逐渐变细，被熏黑了。由于灯丝在不断地被升华，所以会逐渐变细，直至最后断开，这时一只灯泡的寿命也就结束了。直至最后断开，这时一只灯泡的寿命也就结束了。21H1-玻璃基板；玻璃基板；2透明导电透明导电膜；膜；3发光材料；发光材料；4反反射层；射层；5背电极；背电极；6防防潮树脂；潮树脂；7防潮盖板防潮盖板失落铜离失落铜离子的表面子的表面ZnSCu，MnCuxS涂层涂层阴极阴极透明阳极透明阳极。四、激光器四、激光器 泵浦源泵浦源全反镜全反镜工作物质工作物质半反镜半反镜半反镜半反镜高反镜高反镜激励光激励光激光激光染料染料nm5 .438102. 0)(1V3 . 0)( 1Vnm1 .5462975. 0)(2V56. 0)( 2V1-6热核爆炸中火球的瞬时温度达热核爆炸中火球的瞬时温度达107K，求：（，求：（1）辐射最强的波长；（辐射最强的波长；（2）这种波长的能量子）这种波长的能量子hv是多少？是多少？1-10一只白炽灯，假设各向均匀发光，悬挂在离地一只白炽灯，假设各向均匀发光，悬挂在离地面面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面上照度为的高处，用照度计测得正下方地面上照度为30lx，求出该白炽灯的光通量。，求出该白炽灯的光通量。