第1章-光輻射與發(fā)光源2

第1章光輻射與發(fā)光源●1.1電磁波譜與光輻射

＊電磁波的性質(zhì)與電磁波譜＊光輻射

●1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識

＊輻射量＊光度量

●1.3熱輻射基本定律

＊單色吸收比和單色反射比

＊基爾霍夫輻射定律＊普朗克公式＊端利-瓊斯公式＊維思公式＊維恩位移定律＊斯式藩—玻爾茲曼定律

＊色溫

●1.6光頻電磁波的基本理論與定律【本節(jié)主要內(nèi)容】1.1電磁波譜與光輻射電磁波定義、電磁波的性質(zhì)光輻射定義、光波長和頻率的關(guān)系，光的本質(zhì)1.1.1電磁波的性質(zhì)與電磁波譜1、電磁波定義變化的電場和變化的磁場不斷地交替產(chǎn)生．由近及遠(yuǎn)以有限的速度在空間傳播，形成電磁波。【基本要求】

掌握：1）電磁波的性質(zhì)；2）光波的本質(zhì)；3）光波長和頻率

按照麥克斯韋電磁場理論，變化的電場在其周圍空間要產(chǎn)生變化磁場，而變化的磁場又要產(chǎn)生新的變化電場。這樣，變化電場和變化磁場之間相互依賴，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間傳播出去?！纠纭浚赫袷庪娕紭O子輻射。..qq+..qq+..q+q.q+q補充：電磁波的產(chǎn)生和傳播HExyzpSEEHHS....aabb電場磁場P振蕩電偶極子電磁場分布2、電磁波的性質(zhì)性質(zhì)1：E和H及波的傳播方向三者構(gòu)成右手螺旋系性質(zhì)2：電磁波的偏振現(xiàn)象性質(zhì)3：空間各點E和H都同時作周期性變化性質(zhì)4：且兩者相位相同性質(zhì)5：在不同的介質(zhì)中傳播速度不同，不同的頻率傳播速度不同，速度：注1：能區(qū)分電磁波與機械波的區(qū)別注2：能區(qū)分什么是縱波什么是橫波1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01μmX射線紫外線可見光紅外線微波高頻電視調(diào)頻廣播雷達(dá)無線電射頻電力傳輸射線γ電磁波譜頻率波長波段（nm）名稱用途10-5~30γ射線金屬探傷、研究核結(jié)構(gòu)10-4~100X射線醫(yī)用、探傷、分析晶體結(jié)構(gòu)100~380紫外線醫(yī)用、照相制版380~780可見光780~106紅外線雷達(dá)、光纖通信、導(dǎo)航106~109微波電視、雷達(dá)、無線電導(dǎo)航109~1010米波（分米波厘米波）調(diào)頻廣播、電視、導(dǎo)航等1010~5×1010短波無線電廣播、電報通訊5×1010~2×1011中短波電報通訊2×1011~3×1012中波無線電廣播3×1012~3×1013長波越洋長距離通訊和導(dǎo)航電磁波波段劃分及用途光輻射僅占電磁波譜的一小部分1.1.2光輻射

以電磁波形式或粒子(光子)形式傳播的能量，它們可以用光學(xué)元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為光輻射。1、定義2、分類

按輻射波長及人眼的生理視覺效應(yīng)將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見光和紅外輻射。3波長與頻率的關(guān)系4可見光

可見光是波長在390~770nm范圍的光輻射，也是人視覺能感受到“光亮”的電磁波。當(dāng)可見光進入人眼時，人眼的主觀感覺依波長從長到短表現(xiàn)為紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍(lán)色和紫色。注：掌握波長、頻率和波速的關(guān)系~光的波粒二象性光是電磁波光是粒子電磁波的表現(xiàn)：干涉、衍射、偏振以及散射等光是粒子：光與物質(zhì)的相互作用：光的吸收、發(fā)射等※（1）光的波動性光是一種電磁波：麥克斯韋（Maxwell）方程組電場Ｅ磁場Ｈ平面光波的波動表示式：5光的本質(zhì)※（2）光是粒子

光子----photon：光波的能量是不連續(xù)的，具有最小能量的單元就是光量子或稱為光子。光子的能量：光的動量：結(jié)論1波長為的光實際上是能量為的光子的集合體。而通常人們所說的強光指的是光子數(shù)目多的光。~常用光源：----熱光源,（白熾燈、弧光燈等）。----氣體放電光源

（低壓汞燈、高壓汞燈）----激光光源----原理：受激輻射-----太陽----符合黑體輻射定律

度量長度用長度物理量——米、厘米等度量時間用時間物理量——秒、分、時怎樣對光輻射進行度量呢？

§1-1輻射的基本概念光輻射的探測和計量有兩套體系輻射度學(xué)量光度學(xué)量基本量輻射通量(又稱輻射功率)或者輻射能與輻射客體有關(guān)的量——客觀量。基本單位是瓦特(W)或者焦耳(J)。輻射度學(xué)適用于整個電磁波段?；玖堪l(fā)光強度不是光通量視覺亮暗特性的光輻射計量——主觀量基本單位是坎德拉(cd)光度學(xué)只適用于可見光波段。雖然輻射度學(xué)體系和光度學(xué)體系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符號一一對應(yīng)。輻射度物理量用角標(biāo)“e”表示(emission)光度物理量用角標(biāo)“ν”表示（vision）下面學(xué)習(xí)這兩套光輻射單位體系物理量。1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識1．輻射能定義1.2.1輻射量2．輻射通量又稱為輻射功率，定義為單位時間內(nèi)流過的輻射能量。以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪芰?。（?/p>

輻射度量體系各物理量的定義、光度量體系各物理量的定義單位：瓦特（W）或焦耳

秒（Js）?！颈竟?jié)主要內(nèi)容】3．輻射出射度輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即：4．輻射強度點輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量☆例：

由輻射強度的定義可知，如果一個置于各向同性均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是

e，則該點輻射體在各個方向的輻射強度是多少？單位：W/m2

單位：瓦特每球面度（W/sr）S

d

dSd

圖2輻射亮度示意圖5．輻射亮度輻射亮度定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。

是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。單位：瓦特/球面度米2（W/srm2）。結(jié)論2

一般輻射體的輻射強度與空間方向有關(guān)。

有些輻射體的輻射強度在空間方向上的分布滿足：

式中

是面元dS沿其法線方向的輻射強度。符合上式規(guī)律的輻射體稱為余弦輻射體或朗伯體。式代入式得到余弦輻射體的輻射亮度為：

可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角

無關(guān)。

【問】余弦輻射體的輻射出射度為多少？

6．輻射照度在輻射接收面上的輻射照度量定義為照射在面元上的輻射通量與該面元的面積之比。即：7．單色輻射度量對于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內(nèi)對應(yīng)的輻射度量。結(jié)論3

在輻射度量體系中，被選作基本單位的輻射通量

單位：（W/m2）1.2.1光度量1、定義光度學(xué)以人的視覺為基礎(chǔ)，對光輻射進行測量的科學(xué)。在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用與輻度學(xué)的基本物理量對應(yīng)的來表示，其定義完全一一對應(yīng)光視效能。光視效能描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。即光視效能K

定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比之，即單位：流明/瓦特（lm/W）。歸一化2、光譜光視效率圖3光譜光視效率曲線表1常用輻度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系輻射度物理量對應(yīng)的光度量物理量名稱符號定義或定義式單位物理量名稱符號定義或定義式單位輻射能輻射通量輻射出射度輻射強度輻射亮度輻射照度Qe

eMeIeLeEe

e＝dQe/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos

)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2

srW/m2光量光通量光出射度發(fā)光強度(光)亮度(光)照度Qv

vMvIvLvEvQv=

vdt

v=IvdMv=dv/dS基本量Lv=dIv/(dScos

)Ev=dv/dAlm

slmlm/m2cdcd/m2lx單位：☆關(guān)于坎德拉：規(guī)定：頻率為的單色輻射在給定方向上的輻射強度為時，該方向上的發(fā)光強度為1cd，即：時有：結(jié)論4

結(jié)論3

在光度單位體系中，被選作基本單位的不是光量或光通量，而是發(fā)光強度，其單位是坎德拉。

表2自然光源在地球表面形成的光照度

自然條件照度值（Lx）自然條件照度值（Lx）直射日光（1～1.3）105深黃昏1完全白天光（1～2）104滿月10-1白天（陰）103弦月10-2很暗的白天102星光10-3黃昏（黎明）10星光（陰天）10-41.3熱輻射基本定律1.單色吸收比和單色反射比吸收比：被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比。在波長

到

+d

范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比，用表示。反射比：反射的能量與入射的能量之比稱為該物體的反射比。在波長

到

+d

范圍內(nèi)相應(yīng)的反射比稱為單色反射比，用表示。對于不透明的物體，單色吸收比和單色反射比之和等于1，即★本節(jié)知識點：黑體定義，維恩位移定理，斯忒藩-玻爾茲曼定理

若物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即，則稱該物體為絕對黑體（簡稱黑體）?！铌P(guān)于黑體：

1）

2）透射比

3）反射比

4）在熱平衡下：

2.基爾霍夫輻射定律

在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。即式中為黑體的單色輻射出射度結(jié)論5

強的吸收體必定是強的輻射體。黑體具有最強的輻射能力基爾霍夫3、普朗克公式

黑體處于溫度T時，在波長

處的單色輻射出射度由普朗克公式給出：其中：，

第一輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)普朗克圖4黑體輻射單色輻射出射度的波長分布4.瑞利-瓊斯公式

當(dāng)很大時，，可得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊斯公式5.維恩位移定理單色輻射出射度最大值對應(yīng)的波長：6、斯忒藩-玻爾茲曼定律

其中：

斯忒藩-玻爾茲曼定律表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無關(guān)。

7.色溫

色溫度是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。單位是：K1.6光頻電磁波的基本理論與定律1.光波的電磁場理論

麥克斯韋方程組

麥克斯韋各向同性介質(zhì)的電磁波動方程：物質(zhì)方程各向同性介質(zhì)：各向異性介質(zhì)：2介質(zhì)的折射率與光波的速度3.光波場的能流密度單位時間通過垂直于傳播方向上單位面積的能量。平面電磁波是在與傳播方向正交的平面上各點電場或磁場具有相同值的波。

令

且

得：

——行波表達(dá)式4.波動方程的解—幾種特殊形式的波動（1）簡諧平面波或（2）球面波振幅：相位：球面波的時間參量:時間參量的定義和性質(zhì)與平面波的完全相同；球面波的空間參量:r方向的空間頻率：波數(shù)：（3）柱面波線光源發(fā)出的是柱面波。特點：等相位面為同軸柱面，振幅與成反比。（4）高斯光束1.6.2光波的時域頻率特性1.單色光2.復(fù)色光沿z正向傳播的光：實際光源發(fā)出的光波并不是在時間和空間上無限延續(xù)的簡諧波，而是一些有限長度的衰減振動。是由被稱為波列的光波組成的。這是由于原子的劇烈運動，彼此間不斷碰撞，輻射過程常常中斷，因而原子發(fā)光是斷斷續(xù)續(xù)的。

原子每次發(fā)光的持續(xù)時間是原子兩次碰撞的時間間隔，持續(xù)時間很短，大約秒。

原子發(fā)出的光波由一段段有限長的稱為波列的光波組成；每段波列，其振幅在持續(xù)時間內(nèi)保持不變或緩慢變化，前后各段之間無固定的位相關(guān)系，甚至光矢量的振動方向也不同。不相干(不同原子發(fā)的光)不相干(同一原子先后發(fā)的光)∴∵結(jié)論：嚴(yán)格的單色光是不存在的，所能得到的都是復(fù)色波1.6.3相速度與群速度定義：群速度就是指電磁波的等振幅面的傳播的速度。實際上就是電磁波能量前進的速度。

相速度就是電磁波相位傳播的速度。通俗地講，就是電磁波形狀向前變化的速度。在波導(dǎo)中，相速度往往比群速度要大。

單色波：1.6.4光波的橫波性質(zhì)和偏振1.平面光波的橫波性質(zhì)平面光波的電場矢量和磁場分量均垂直于波矢方向，因此平面光波是橫波。2.平面光波的偏振特性定義：光振動方向相對傳播方向的不對稱性質(zhì)，稱為光的偏振特性。根據(jù)空間的一點光電場矢量E的末端在不同時刻的軌跡，可把光波的偏振態(tài)分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光。E可以表示為沿x、y方向振動的兩個獨立分量的線性組合：其中：消除以上兩式中的t，得到：1.線偏振和二分量的相位差時，橢圓退化為一條直線，稱為線偏振光。此時有：當(dāng)m為偶數(shù)時，光振動方向在一三象限內(nèi)，當(dāng)m為奇數(shù)時，光振動方向在二四象限內(nèi)。（2）圓偏振光，相位差橢圓方程退化為圓方程。稱為圓偏振光，用復(fù)數(shù)形式表示為：正負(fù)號分別對應(yīng)于右旋和左旋圓偏振光。通常規(guī)定逆著傳播方向看，E順時針方向旋轉(zhuǎn)時，稱為右旋圓偏振光，反之成為左旋圓偏振光。（3）橢圓偏振光光矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的大小和方向都在改變，其末端是由決定的橢圓，故稱為橢圓偏振光。橢圓的長、短半軸大小和取向與二分量和相位差有關(guān)。其旋轉(zhuǎn)方向取決于相位差：當(dāng)時，為右旋圓偏振光。1.6.5光波在各向同性介質(zhì)界面上的反射和折射1.反射定律和折射定律2.菲涅爾公式其中s分量和p分量分別表示為：則s分量和p分量的反射系數(shù)、透射系數(shù)分別定義為：將振動矢量分解為垂直和平行與入射面的S分量和P分量，P、S和k構(gòu)成右手系，S沿y方向為正。圖示為各個分量的正方向。

（2）反射率與透射率設(shè)入射光的能量為：入射到界面上單位面積的能量為：同樣，反射光與折射光的能量為：可以得到反射率和透射率：將菲涅爾公式帶入，即可得到入射光中s分量和p分量的反射率和透射率：（1）在小角度（正入射）和大角度（掠入射）情況下：相應(yīng)有：