22熱輻射源23氣體放電光源課件

第2章光電檢測中的常用光源第2章光電檢測中的常用光源1第2章光電檢測中的常用光源§2.1光源的特性參數(shù)§2.2熱輻射源§2.3氣體放電光源§2.4固體發(fā)光光源§2.5激光器第2章光電檢測中的常用光源§2.1光源的特性參數(shù)2一、太陽二、黑體模擬器三、白熾燈§2.2熱輻射源一、太陽二、黑體模擬器三、白熾燈§2.2熱輻射源3太陽直徑約為1.392×109m。它到地球的年平均距離是1.496×1011m。從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有0.533o。太陽光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01×107Wm-2sr-l

平均亮度為1.95×109cdm-2。輻射到地球上的陽光，穿過大氣層，在光譜空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等方面發(fā)生變化。大氣在不同程度上吸收太陽輻射,見下圖。在大氣層外，太陽對地球的輻照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為紫外區(qū)(<0.38μm)6.46可見區(qū)(0.38～0.78μm)46.25紅外區(qū)(>0.78μm)47.29一、太陽太陽直徑約為1.392×109m。它到地球的年平均距離是1.4太陽的光譜能量分布曲線太陽的光譜能量分布曲線5二、黑體模擬器1、絕對黑體：吸收比等于1、能發(fā)射所有波長的輻射源叫絕對黑體，絕對黑體是一種理想輻射源。2、黑體模擬器：溫度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性，這種輻射源常稱為黑體模擬器，也稱基準(zhǔn)輻射源，其溫度可以很精確地控制在設(shè)定值上。如圖所示二、黑體模擬器63、黑體模擬器的結(jié)構(gòu)：如下圖所示實際應(yīng)用中，基準(zhǔn)輻射源稱為黑體爐，由石墨制成，外壁包上較厚一層可長時間承受工作高溫的熱絕緣材料，以利用保溫。采用電加熱線圈加熱，其線圈繞制、排列保證均勻加熱。此外，腔體內(nèi)置有高精度的熱電偶或熱電阻，用其檢測輻射器空腔內(nèi)的溫度目前的黑體模擬器最高工作溫度3000k，實際應(yīng)用2000k3、黑體模擬器的結(jié)構(gòu)：如下圖所示7下圖給出了幾種工程黑體的典型結(jié)構(gòu)。由下圖可見，工程黑體的內(nèi)腔呈簡單的幾何形狀——球形、錐形、圓柱形，或者是這些形狀的組合。為了使溫度均勻穩(wěn)定，全輻射器空腔的幾何尺寸中l(wèi)/d＞1.5。內(nèi)腔的長度為L,出口直徑為d。

下圖給出了幾種工程黑體的典型結(jié)構(gòu)。由下圖可見，工程黑體的內(nèi)腔81、白熾燈：光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、壽命長和量值復(fù)現(xiàn)方便，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。（1）真空鎢絲燈：2300-2800k，發(fā)光效率10lm/w。鎢熔點3680k，進一步增加白熾燈的工作溫度會導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)率急劇上升從而使壽命驟減。（2）充氣鎢絲燈：氬、氮等惰性氣體。鎢蒸發(fā)原子，惰性原子與鎢原子碰撞，返回一些鎢原子，提高工作溫度2700-3000k，發(fā)光效率17lm/w。三、白熾燈1、白熾燈：光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光9（3）鹵鎢燈：充入鹵鎢劑。鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物，擴散到溫度較高的鎢絲邊，分解成鹵素和鎢，鎢又沉積在燈絲上，而鹵素擴散到溫度較低的燈泡壁區(qū)域再繼續(xù)與鎢化和。提高效率，色溫達到3200k，發(fā)光效率30lm/w。（3）鹵鎢燈：充入鹵鎢劑。鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物101、定義:也稱氣體燈，利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。2、氣體放電原理：在泡殼內(nèi)的氣體在電場的作用下激勵出電子和離子，電子和離子從電場中獲得能量分別向陰極和陽極運動，它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子。這一過程中會引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出輻射。2.3氣體放電光源1、定義:也稱氣體燈，利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電113、氣體放電光源的優(yōu)點（1）發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2～10倍。（2）由于不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊耐震、抗沖擊。（3）壽命長。一般比白熾燈壽命長2～10倍。（4）光色適應(yīng)性強，可在較大范圍內(nèi)選擇。由于上述特點，氣體放電光源具有很強的競爭力，在光電測量和照明中得到廣泛使用。氣體放電燈不足之處：冷態(tài)阻抗大，起動后阻抗又急劇變小的特點，其特性類似于電弧特性。啟動后內(nèi)阻太小，不得不采用限流措施，即所謂用鎮(zhèn)流器來限制電流，使得燈具的接線較白熾燈麻煩得多。3、氣體放電光源的優(yōu)點12一、脈沖燈(弧光放電）二、原子光譜燈(輝光放電）三、汞燈幾種典型的氣體放電光源一、脈沖燈(弧光放電）幾種典型的氣體放電光源13脈沖燈2、脈沖燈的結(jié)構(gòu)和工作電路原理如圖所示，脈沖燈的燈管外繞有觸發(fā)絲。工作時在觸發(fā)絲上施加高的脈沖電壓，使燈管內(nèi)產(chǎn)生電離火花線，火花線大大減小了燈的內(nèi)阻，使燈“著火”。電容C中儲存著大量能量可在極短的時間內(nèi)通過脈沖燈，產(chǎn)生極強的閃光。1、脈沖燈的特點在極短的時間內(nèi)發(fā)出很強的光輻射。亮度高為1010~1011cd/m2,閃光時間為ms~ns，除激光外，脈沖燈是最亮的光源。脈沖燈2、脈沖燈的結(jié)構(gòu)和工作電路原理1、脈沖燈的特點14氙燈是由充有惰性氣體---氙的石英泡殼內(nèi)兩個鎢電極之間的高溫電弧放電而發(fā)出強光的光源。特點：（1）氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近(見右下圖)，（2）色溫約6000K左右，顯色指數(shù)90以上，因此有“小太陽”之稱。氙燈分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。長弧氙燈的發(fā)光效率為25～30lm／W3、脈沖氙燈氙燈是由充有惰性氣體---氙的石英泡殼內(nèi)兩個鎢電極之間的高溫154、脈沖氘燈——氘燈是一種熱陰極弧光放電燈氘燈的外形及其紫外光譜分布圖。氘燈的紫外線輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長，因此常用作各種紫外分光光度計的連續(xù)紫外光源。5、脈沖燈的應(yīng)用由于高亮度，可以廣泛用作(高速)攝影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源，目標(biāo)顯示及測速。4、脈沖氘燈——氘燈是一種熱陰極弧光放電燈5、脈沖燈的應(yīng)用16原子光譜燈1、結(jié)構(gòu)原子光譜燈又稱空心陰極燈，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。陽極和圓筒形陰極封在玻殼內(nèi)，玻殼上部有—透明石英窗。工作時窗口透射出放電輝光，其中主要是陰極金屬的原子光譜。原子光譜燈1、結(jié)構(gòu)172、特點是屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈空心陰極放電的電流密度比正常輝光高出100倍以上，電流大，溫度不高，因此發(fā)光譜線強度大，波長寬度小。金屬鈣的原子光譜波長為42267nm，帶寬33nm左右，輸出的光穩(wěn)定。3、原子光譜燈的應(yīng)用是引出標(biāo)準(zhǔn)譜線的光束，確定標(biāo)準(zhǔn)譜線的分光位置，以及確定吸收光譜中的特征波長等。用于元素，特別是微量元素光譜分析的裝置中。2、特點18三、汞燈1、汞燈的分類：汞燈分低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈三類2、汞燈的光譜能量分布（1）低壓汞燈:汞蒸氣壓小于0.8Pa，放電時主要輻射線為：185.0nm和253.7nm,主要是汞元素原子的特征譜線

三、汞燈1、汞燈的分類：汞燈分低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈19（2）高壓汞燈:燈內(nèi)的汞蒸氣壓約為1~5Pa，由于在高氣壓時相鄰原子接近，原子之間的相互作用增強，產(chǎn)生了譜線的壓力加寬和多普勒加寬，輻射的光譜中有很強的連續(xù)成份，紫外輻射明顯減弱，而可見輻射增加（2）高壓汞燈:燈內(nèi)的汞蒸氣壓約為1~5Pa，由于在高氣壓20（3）超高壓汞燈:燈內(nèi)的汞蒸氣體大于10~200Pa22熱輻射源23氣體放電光源課件21第2章光電檢測中的常用光源第2章光電檢測中的常用光源22第2章光電檢測中的常用光源§2.1光源的特性參數(shù)§2.2熱輻射源§2.3氣體放電光源§2.4固體發(fā)光光源§2.5激光器第2章光電檢測中的常用光源§2.1光源的特性參數(shù)23一、太陽二、黑體模擬器三、白熾燈§2.2熱輻射源一、太陽二、黑體模擬器三、白熾燈§2.2熱輻射源24太陽直徑約為1.392×109m。它到地球的年平均距離是1.496×1011m。從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有0.533o。太陽光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01×107Wm-2sr-l

平均亮度為1.95×109cdm-2。輻射到地球上的陽光，穿過大氣層，在光譜空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等方面發(fā)生變化。大氣在不同程度上吸收太陽輻射,見下圖。在大氣層外，太陽對地球的輻照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為紫外區(qū)(<0.38μm)6.46可見區(qū)(0.38～0.78μm)46.25紅外區(qū)(>0.78μm)47.29一、太陽太陽直徑約為1.392×109m。它到地球的年平均距離是1.25太陽的光譜能量分布曲線太陽的光譜能量分布曲線26二、黑體模擬器1、絕對黑體：吸收比等于1、能發(fā)射所有波長的輻射源叫絕對黑體，絕對黑體是一種理想輻射源。2、黑體模擬器：溫度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性，這種輻射源常稱為黑體模擬器，也稱基準(zhǔn)輻射源，其溫度可以很精確地控制在設(shè)定值上。如圖所示二、黑體模擬器273、黑體模擬器的結(jié)構(gòu)：如下圖所示實際應(yīng)用中，基準(zhǔn)輻射源稱為黑體爐，由石墨制成，外壁包上較厚一層可長時間承受工作高溫的熱絕緣材料，以利用保溫。采用電加熱線圈加熱，其線圈繞制、排列保證均勻加熱。此外，腔體內(nèi)置有高精度的熱電偶或熱電阻，用其檢測輻射器空腔內(nèi)的溫度目前的黑體模擬器最高工作溫度3000k，實際應(yīng)用2000k3、黑體模擬器的結(jié)構(gòu)：如下圖所示28下圖給出了幾種工程黑體的典型結(jié)構(gòu)。由下圖可見，工程黑體的內(nèi)腔呈簡單的幾何形狀——球形、錐形、圓柱形，或者是這些形狀的組合。為了使溫度均勻穩(wěn)定，全輻射器空腔的幾何尺寸中l(wèi)/d＞1.5。內(nèi)腔的長度為L,出口直徑為d。

下圖給出了幾種工程黑體的典型結(jié)構(gòu)。由下圖可見，工程黑體的內(nèi)腔291、白熾燈：光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、壽命長和量值復(fù)現(xiàn)方便，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。（1）真空鎢絲燈：2300-2800k，發(fā)光效率10lm/w。鎢熔點3680k，進一步增加白熾燈的工作溫度會導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)率急劇上升從而使壽命驟減。（2）充氣鎢絲燈：氬、氮等惰性氣體。鎢蒸發(fā)原子，惰性原子與鎢原子碰撞，返回一些鎢原子，提高工作溫度2700-3000k，發(fā)光效率17lm/w。三、白熾燈1、白熾燈：光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光30（3）鹵鎢燈：充入鹵鎢劑。鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物，擴散到溫度較高的鎢絲邊，分解成鹵素和鎢，鎢又沉積在燈絲上，而鹵素擴散到溫度較低的燈泡壁區(qū)域再繼續(xù)與鎢化和。提高效率，色溫達到3200k，發(fā)光效率30lm/w。（3）鹵鎢燈：充入鹵鎢劑。鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物311、定義:也稱氣體燈，利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。2、氣體放電原理：在泡殼內(nèi)的氣體在電場的作用下激勵出電子和離子，電子和離子從電場中獲得能量分別向陰極和陽極運動，它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子。這一過程中會引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出輻射。2.3氣體放電光源1、定義:也稱氣體燈，利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電323、氣體放電光源的優(yōu)點（1）發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2～10倍。（2）由于不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊耐震、抗沖擊。（3）壽命長。一般比白熾燈壽命長2～10倍。（4）光色適應(yīng)性強，可在較大范圍內(nèi)選擇。由于上述特點，氣體放電光源具有很強的競爭力，在光電測量和照明中得到廣泛使用。氣體放電燈不足之處：冷態(tài)阻抗大，起動后阻抗又急劇變小的特點，其特性類似于電弧特性。啟動后內(nèi)阻太小，不得不采用限流措施，即所謂用鎮(zhèn)流器來限制電流，使得燈具的接線較白熾燈麻煩得多。3、氣體放電光源的優(yōu)點33一、脈沖燈(弧光放電）二、原子光譜燈(輝光放電）三、汞燈幾種典型的氣體放電光源一、脈沖燈(弧光放電）幾種典型的氣體放電光源34脈沖燈2、脈沖燈的結(jié)構(gòu)和工作電路原理如圖所示，脈沖燈的燈管外繞有觸發(fā)絲。工作時在觸發(fā)絲上施加高的脈沖電壓，使燈管內(nèi)產(chǎn)生電離火花線，火花線大大減小了燈的內(nèi)阻，使燈“著火”。電容C中儲存著大量能量可在極短的時間內(nèi)通過脈沖燈，產(chǎn)生極強的閃光。1、脈沖燈的特點在極短的時間內(nèi)發(fā)出很強的光輻射。亮度高為1010~1011cd/m2,閃光時間為ms~ns，除激光外，脈沖燈是最亮的光源。脈沖燈2、脈沖燈的結(jié)構(gòu)和工作電路原理1、脈沖燈的特點35氙燈是由充有惰性氣體---氙的石英泡殼內(nèi)兩個鎢電極之間的高溫電弧放電而發(fā)出強光的光源。特點：（1）氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近(見右下圖)，（2）色溫約6000K左右，顯色指數(shù)90以上，因此有“小太陽”之稱。氙燈分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。長弧氙燈的發(fā)光效率為25～30lm／W3、脈沖氙燈氙燈是由充有惰性氣體---氙的石英泡殼內(nèi)兩個鎢電極之間的高溫364、脈沖氘燈——氘燈是一種熱陰極弧光放電燈氘燈的外形及其紫外光譜分布圖。氘燈的紫外線輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長，因此常用作各種紫外分光光度計的連續(xù)紫外光源。5、脈沖燈的應(yīng)用由于高亮度，可以廣泛用作(高速)攝影光源、激光器的光泵和印