第1章光信息源及其特性、光輻射的度量

1、第1章 光信息源及其特性、光輻射的度量?jī)?nèi)容提要：光是電磁波波譜中波長(zhǎng)范圍為1 nm1 mm或者頻率在3×1017Hz3×1011Hz范圍的電磁輻射，是能量與信息的載體，可見(jiàn)光是波長(zhǎng)為380 nm780 nm的電磁輻射，可見(jiàn)光刺激人眼產(chǎn)生人眼的視覺(jué)效應(yīng)，同時(shí)光也產(chǎn)生熱效應(yīng)，可以用主觀和客觀兩種度量體制即輻射度學(xué)和光度學(xué)來(lái)度量光；光具有波動(dòng)性和粒子性，利用光的波動(dòng)性可以研究光在介質(zhì)和自由空間以及光電系統(tǒng)中的傳播規(guī)律；光的粒子性和材料的光電特性是光電信息轉(zhuǎn)換器件的物理基礎(chǔ)。本章主要介紹光的特性、光的度量、常見(jiàn)的光源及其特性和光傳播的幾個(gè)基本定理，為后續(xù)章節(jié)奠定基礎(chǔ)。1.1 光的特

2、性1.1.1 光的波動(dòng)性在圖1.1所示，從無(wú)線電波到射線的整個(gè)電磁波譜中，光輻射只是波長(zhǎng)從1 nm1 mm(頻率為3×1017Hz3×1011Hz)范圍的電磁輻射，它包括真空紫外輻射、紫外輻射、可見(jiàn)輻射和紅外輻射等部分?？梢?jiàn)光是波長(zhǎng)為380 nm780 nm 的光輻射，這一波段范圍的電磁波能被人眼所感知。圖1.1 光在電磁波譜中的分布麥克斯韋方程組給出了電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H、電位移D、磁通密度B、電流密度J以及電荷密度之間的關(guān)系，其微分形式是： (1.1a) (1.2a) (1.3a) (1.4a)積分形式是： (1.1b) (1.2b) (1.3b) (1.4b)表達(dá)式(1.1

3、a)、(1.1b)為法拉第電磁感應(yīng)定律，式(1.2a)、(1.2b)為安培環(huán)路定律，式(1.3a)、(1.3b) 和(1.4a)、(1.4b)為高斯電磁定律。為介質(zhì)磁導(dǎo)率，為介質(zhì)電導(dǎo)率，在真空中m0=1.256×10-6 Ns2，e0=8.85×10-12 C2N-2m-2。當(dāng)電磁波在真空中或電介質(zhì)(絕緣體)中傳播，電導(dǎo)率s =0，電流密度J=0。同時(shí)在非磁性體中磁導(dǎo)率近似等于真空中的磁導(dǎo)率 m=m0，根據(jù)上述條件，式(1.1a)、式(1.4a)可改寫(xiě)成 (1.5) (1.6) (1.7) (1.8)應(yīng)用公式 (1.9)可以導(dǎo)出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波動(dòng)方程： (1.10) (1.1

4、1)在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件下對(duì)上述波動(dòng)方程求通解，便可得到各種各樣的傳播波。其中，的關(guān)系可用圖1.2所示。圖1.2 光的傳播比較波動(dòng)方程的普遍形式 (1.12)相比較，其中，為波傳播速度，可得到光在自由空間的傳播速度為光在介質(zhì)中的傳播速度，介質(zhì)的折射率。平面波和球面波均是波動(dòng)方程的解。由于對(duì)人眼睛起作用的是電場(chǎng)矢量，因此本書(shū)主要研究電場(chǎng)強(qiáng)度，將空間傳播的單色平面波的表達(dá)式其中，是波矢量，其方向?yàn)椴ǖ膫鞑シ较?，模是傳播參?shù)，即波數(shù))代入波動(dòng)方程式 (1.10) 可以得到： (1.13) 這就是波在電容率(介電參數(shù))為的均勻介質(zhì)中傳播的平面波的傳播常數(shù)。由于真空中電容率為，所以平面波在真空中的傳播常數(shù)為

5、 (1.14)介質(zhì)中與真空中的波長(zhǎng)、波矢量的關(guān)系為，。1.1.2 光的粒子性光的波動(dòng)性可以解釋光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，但涉及光與物質(zhì)的相互作用問(wèn)題，如光的發(fā)射和吸收，光電探測(cè)器的原理，光的波動(dòng)理論就出了問(wèn)題，光的粒子性的一面便凸顯出來(lái)。在歷史上，這個(gè)問(wèn)題是20世紀(jì)初從黑體輻射和光電效應(yīng)的實(shí)際事實(shí)與經(jīng)典理論無(wú)法調(diào)和的矛盾中提出的。1900年普朗克(M. Planck)提出量子假說(shuō)，認(rèn)為各種頻率的電磁波(包括光)，只能像微粒似的以一定最小份額的能量(稱為能量子)發(fā)生，粒子說(shuō)解釋了黑體輻射的頻譜分布，這是光的發(fā)射問(wèn)題。光照射在金屬表面上可使電子逸出，逸出電子的能量與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但與光的頻率有關(guān)

6、，這是光的吸收問(wèn)題。1905年愛(ài)因斯坦(A. Einstein)發(fā)展了光的量子理論，成功地解釋了光電效應(yīng)。光的量子理論認(rèn)為，光與物質(zhì)(原子)發(fā)生作用時(shí)，它以一定份額的能量E被發(fā)射和吸收，該能量正比于光的頻率： (1.15)式中，h稱為普朗克常量，其數(shù)值為h=6.6260755×10-34 J·s，是物理學(xué)中最基本的常量之一。這份能量的攜帶者表現(xiàn)得像一個(gè)靜質(zhì)量為零的粒子，稱為光子。光電發(fā)射效應(yīng)是光的粒子性的有力證明，其數(shù)學(xué)表示為 (1.16)從光電發(fā)射效應(yīng)可以得到如下結(jié)論：第一， 光束傳輸給每個(gè)電子的能量正比于光的頻率；第二， 每個(gè)電子必須克服被稱為逸出功W的最小能量的約束，

7、才能從金屬表面逸出；第三， 光電子的最大動(dòng)能與光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)度和光的照射時(shí)間無(wú)關(guān)。1.1.3 平面光波的能量與能流密度矢量由電磁場(chǎng)理論可知，能流密度矢量S為 (1.17)單位為W/m2。在電磁場(chǎng)中單位體積所存儲(chǔ)的電磁能量為S的模 (1.18)能流密度矢量S的模 S為單位時(shí)間流過(guò)單位面積的能量，其方向?yàn)楣獾膫鞑シ较颉Ｏ旅嫖覀儠?huì)看到其大小即是輻射照度。定義強(qiáng)度為s在一個(gè)周期的平均照度，即 (1.19)由于光的振蕩頻率極高，而所有光電探測(cè)器對(duì)光頻的響應(yīng)速率比光波的頻率低得多，因此探測(cè)器響應(yīng)的是平均照度，即光波的電振動(dòng)的模。1.1.4 光的波粒二象性從光的衍射、干涉等現(xiàn)象可以看出光具有波動(dòng)

8、性，但為了解釋光的吸收、光與物質(zhì)的相互作用如光電效應(yīng)等現(xiàn)象又必須將光看作具有離散能量包的粒子，因此光具有波動(dòng)和粒子兩重性，具體表現(xiàn)在：第一，光是由離散能量包的粒子即光子組成，一束光就是一束光子流；第二，每個(gè)光子是具有有限長(zhǎng)度的電磁波，大量的光子構(gòu)成的光束的宏觀效果可用波動(dòng)方程來(lái)描述。在涉及能量交換時(shí)，如光的發(fā)射和光在材料中的吸收以及光電探測(cè)器的原理時(shí)，僅需考慮光的粒子性；然而，當(dāng)相互作用沒(méi)有發(fā)生能量交換時(shí)，如光的干涉、衍射、反射、折射，只有能量重新分配時(shí)，只需考慮光的波動(dòng)性。由上面的討論可知： 光是橫波，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量相互垂直，它們的方向與傳播方向符合右手螺旋； 光波僅僅是全部電磁波譜的一部

9、分； 光具有波動(dòng)性和粒子性。1.2 光輻射的度量在光電信息技術(shù)中，研究光的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、探測(cè)和處理都涉及光的計(jì)量，因此有必要了解與光的計(jì)量科學(xué)有關(guān)的量的定義以及量之間的關(guān)系。一方面，光是電磁輻射，因此描述電磁輻射的輻射度學(xué)的有關(guān)量可以全部用來(lái)計(jì)量光；可見(jiàn)光能引起人眼的視覺(jué)效應(yīng)，因此在可見(jiàn)光波的范圍，也可以用光度學(xué)計(jì)量光。輻射度學(xué)是研究電磁輻射能定量評(píng)價(jià)的一門(mén)科學(xué)，它用能量客觀描述電磁輻射；輻射作用于人眼所引起的“光”感覺(jué)，是一種生理效應(yīng)，它與輻射的組成、強(qiáng)弱及人的視覺(jué)器官的生理特性和人的心理活動(dòng)都有關(guān)系。光度學(xué)是根據(jù)人類視覺(jué)器官的生理特性和某些約定的規(guī)范來(lái)評(píng)價(jià)可見(jiàn)光輻射所產(chǎn)生的視覺(jué)效應(yīng)，具

10、有主、客觀性。1.2.1 光譜光視效率由于光度測(cè)量依賴于人眼的生理特性，對(duì)同樣的光輻射，不同人具有不同的亮度感覺(jué)；在不同的環(huán)境亮度下，同一個(gè)人眼對(duì)相同的光輻射也有不同的亮度感覺(jué)。為了統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)分別在1924年和1951公布了在明視覺(jué)(亮度大于3cd/m2)和暗視覺(jué)(亮度小于0.001cd/m2)下，人眼的平均相對(duì)光譜光視效率值V(l)和V(l)，即視見(jiàn)函數(shù)，見(jiàn)圖1.3。這兩個(gè)歸一化函數(shù)的最大值分別位于555nm和507nm處。 圖1.3 相對(duì)光譜光視效率曲線V(l)(明視) V(l)(暗視)1979年第16屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義坎德拉：坎德拉是發(fā)出頻率為540×

11、;1012 Hz輻射的光源在給定方向的發(fā)光強(qiáng)度，若光源在該方向的輻射強(qiáng)度為(1/683)瓦每球面度，則定義其為一個(gè)坎德拉。1.2.2 常用的光度量和輻射度量在光度學(xué)和輻射度學(xué)中，測(cè)量對(duì)象都是光學(xué)輻射，僅僅是所依據(jù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同。常用的光度量和輻射度量如表1.1所示。光度量和輻射度量之間的關(guān)系可以表示為： (1.20a) (1.20b)式中，XV 和 分別為與Xe,l 相對(duì)應(yīng)的明視覺(jué)和暗視覺(jué)光度量，Km=683 lm/W，=1700 lm/W分別為明視覺(jué)和暗視覺(jué)的最大光譜光視效率。表1.1 常用的光度量和輻射度量輻 射 度 量光 度 量名 稱符 號(hào)定 義單 位名 稱符 號(hào)定 義單 位輻射功率輻射

12、通量以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的功率瓦光通量根據(jù)輻射作用于人眼所產(chǎn)生的視覺(jué)效應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)的輻射功率流明輻射強(qiáng)度(點(diǎn)輻射源在給定方向的)單位立體角內(nèi)的輻射通量為包含的立體角瓦/球面度發(fā)光強(qiáng)度(點(diǎn)光源在給定方向的)為包含的元立體角坎德拉輻射亮度(面輻射源表面一點(diǎn)在給定方向的)為發(fā)出輻射的面元瓦/球面度/米2光亮度(面光源表面一點(diǎn)在給定方向的)為發(fā)光面元，為面元法線與給定方向間的夾角坎德拉/米2輻射出射度，為離開(kāi)處的面元瓦/米2光出射度dS為離開(kāi)處的面元流明/米2輻射照度為所照射的面元瓦/米2光照度, 為所照射的面元流明/米2勒克斯由于輻射源發(fā)出光的多色性，需要研究各種波長(zhǎng)的輻射量，因此存在一組描述單

13、一波長(zhǎng)光的輻射量，即光譜輻射量，它是輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長(zhǎng)的變化率，與輻射量之間的關(guān)系是積分和微分關(guān)系： (1-21a) (1-21b)圖1.4清晰地表示了各量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。輻射功率(通量) W(radiant power)光功率 （通量) lm(luminous power)Q輻射強(qiáng)度(radiant intensity) W/sr發(fā)光強(qiáng)度(luminous intensity) cd (lm/sr)I輻照度(irradiance) W/m2光照度 (illuminance) lx ( lm/m2)EM輻射亮度 W/sr·m2(radiance)光亮度 cd/m2(lu

14、minance)輻射能 J(radiant energy)光量 lm·s(luminous energy) Ls4sin2(/2)為圓錐面的半頂角圖1.4 光度量或輻射度量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系1.3 輻射傳播的幾個(gè)基本定律光電信息技術(shù)研究以光為傳輸信息的載體的有關(guān)內(nèi)容，因此有必要了解光輻射傳輸?shù)囊?guī)律。光度學(xué)和輻射度學(xué)的研究對(duì)象是非相干光學(xué)輻射，并且認(rèn)為輻射的傳播服從幾何光學(xué)的定律。1.3.1 照度的余弦定律和朗伯表面輻射強(qiáng)度的余弦定律余弦定律又稱朗伯余弦定律，它描述光輻射在半球空間內(nèi)照度的變化規(guī)律。具體描述為：任意表面上的照度隨該表面法線與輻射能傳播方向之間的夾角余弦變化。如圖1.5所示，

15、點(diǎn)光源O發(fā)出的光在立體角W 向外輻射光通量，在面積A上的照度為E，而與A夾角為q 的面元上的照度為，由于在該立體角內(nèi)點(diǎn)光源發(fā)出的光通量不隨傳輸距離而變化，因而面元A與上有相同的光能量F，即圖1.5 照度余弦定律示意圖又因?yàn)?，因而?(1.22a)對(duì)于表面是理想漫反射表面(朗伯輻射表面)，在任意方向上的輻亮度不變化，如圖1.6所示，圖1.6 朗伯表面輻射強(qiáng)度余弦定律則 式中，是理想漫反射表面法線方向上的輻射強(qiáng)度；是與法線方向夾角為方向的輻射強(qiáng)度，因此 (1.22b)即朗伯輻射表面在某方向輻射強(qiáng)度隨該方向和表面法線之間夾角余弦而變化，如圖1.6所示。若以法線方向上的光強(qiáng)值為直徑畫(huà)一個(gè)圓球與表面dA

16、相切，那么由dA中心向某角方向作的到球面交點(diǎn)的矢量長(zhǎng)度就代表該方向的光強(qiáng)?？梢宰C明：朗伯輻射源的輻亮度與輻出度、法線輻射強(qiáng)度、總輻射功率的關(guān)系為，  (1.23a)處于輻射場(chǎng)中的理想漫反射體也可以視作朗伯輻射源，因?yàn)樗褵o(wú)論從任何方向入射的全部輻射功率均毫無(wú)吸收和無(wú)透射地按朗伯余弦定律反射出去，就是說(shuō)，理想漫反射體的輻出度等于它表面上的輻照度，即M=E， 因此 (1.23b)即理想漫反射體的輻亮度等于它的輻照度除以。由下面關(guān)于黑體的論述，可以知道，黑體的各種發(fā)射率均為1，即與方向無(wú)關(guān)，所以黑體是朗伯余弦體。 1.3.2 亮度守恒定律定律的描述：光在同一種介質(zhì)中傳播時(shí)，若傳輸過(guò)程中無(wú)能

17、量損失，則光能傳輸經(jīng)過(guò)的任一表面亮度相等，即亮度守恒；光在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，在無(wú)能量損耗情況下其基本輻亮度是守恒的。基本輻亮度為亮度與折射率平方的比值L/n2。如圖1.7所示，當(dāng)光束在同一種介質(zhì)中傳輸時(shí)，沿其傳輸路徑任取二個(gè)面元和，并使通過(guò)面元的光束也都通過(guò)面元，它們之間的距離是，兩面元法線與光傳輸方向夾角分別為和。圖1.7 亮度守恒定律則面元的輻射亮度 (1.24)、分別為對(duì)和對(duì)展開(kāi)的立體角元。面元的輻射亮度 (1.25)而，將和分別代入式(1.24)和式(1.25)，可得。若光從一種介質(zhì)傳輸?shù)搅硪环N介質(zhì)，和分別是兩種介質(zhì)折射率，所取兩個(gè)面元分別處于不同介質(zhì)中，并認(rèn)為光在介質(zhì)表面無(wú)反射和吸收

18、損失，如圖1.8所示，二階輻射通量微元可表示為 (1.26)圖1.8 在不同介質(zhì)中傳輸光的亮度守恒關(guān)系應(yīng)用折射定律， (1.27)和立體角與平面角的關(guān)系， (1.28)則有 (1.29)若光傳輸過(guò)程中有光學(xué)系統(tǒng)，則光學(xué)系統(tǒng)會(huì)使光匯聚或發(fā)散，若光學(xué)系統(tǒng)的透射比為，物面亮度為，像面亮度是，那么有 (1.30)式中，和分別為物空間和像空間的折射率。一般成像系統(tǒng)的，而，因而，所以像的輻射亮度不可能大于物的輻射亮度，即光學(xué)系統(tǒng)無(wú)助于亮度的增加。1.3.3 照度的距離平方反比定律定律描述：在無(wú)能量損失的情況下，均勻點(diǎn)光源向空間發(fā)射球面波，該點(diǎn)光源在傳輸方向上某點(diǎn)的照度與該點(diǎn)與點(diǎn)光源距離平方成反比。設(shè)在傳輸

19、路徑上光束無(wú)分束，也無(wú)能量損失，那么由點(diǎn)光源向空間任一立體角內(nèi)輻射通量是不變的，而由球心點(diǎn)光源發(fā)出的光所張的立體角所截的表面積與球的半徑平方成正比。研究如圖1.9所示的點(diǎn)光源所輻射的光對(duì)表面積的照度。由于點(diǎn)光源發(fā)出的是球面波，所以表面到點(diǎn)光源的距離是該球面波的半徑，若對(duì)點(diǎn)光源所張的立體角是，那么，因而上的照度 (1.31)即照度與距離成反比。圖1.9 點(diǎn)光源的照度實(shí)際的光源總有一定的幾何尺寸，根據(jù)光能疊加原理，所求表面的照度實(shí)際上是該光源上各點(diǎn)貢獻(xiàn)照度之和，若光源面積為，而，則照度可寫(xiě)成 (1.32)式中，為光源的發(fā)光亮度。1.4 光信息源及其特性在光電信息技術(shù)中，光是信息的載體，光的光譜輻射

20、能量(或強(qiáng)度)、頻率和振幅均可攜帶和傳輸各種信息。因此，了解常用光源的基本特性和參數(shù)，是光電信息技術(shù)工作中解決具體問(wèn)題的關(guān)鍵。發(fā)光是由于自發(fā)輻射或受激輻射導(dǎo)致的。凡是能輻射光波的物體均為光源，按照光源的性質(zhì)，光源可分為自然光源和人造光源，相干光源和非相干光源等。自然光源是自然界中存在的，如太陽(yáng)、恒星等；人造光源是人為地將各種形式的能量，如熱能、電能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源，如激光器等。本節(jié)首先介紹光源的基本特性參數(shù)。1.4.1 光源的基本特性參數(shù)1. 輻射效率和發(fā)光效率在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源在單位電功率的作用下產(chǎn)生的輻射通量，稱為該光源在規(guī)定光譜

21、范圍內(nèi)的輻射效率，用表示，于是 (1.33)式中，為光源的光譜輻射通量；為所需的電功率；為光源的輻射效率；在光電信息系統(tǒng)中，應(yīng)盡可能選用較高的光源。相應(yīng)地，對(duì)于可見(jiàn)光范圍，某一光源在單位電功率的作用下產(chǎn)生的光通量，稱為該光源的發(fā)光效率，用表示即 (1.34)式中，為可見(jiàn)光光譜通量；為明視覺(jué)光譜光視效率；為明視覺(jué)最大光譜光視效率；的單位為lm/W(流明每瓦)。表1.2 為常用光源的發(fā)光效率。表1.2 常用光源的發(fā)光效率光源種類發(fā)光效率/(lm·W)光源種類發(fā)光效率/(lm·W)普通鎢絲燈818高壓汞燈3040鹵鎢燈1430高壓鈉燈90100普通熒光燈3560球形氙燈3040三

22、基色熒光燈5590金屬鹵化物燈60802. 光譜功率分布自然光源和人造光源大都是復(fù)色光源。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來(lái)描述。將光譜功率分布用其最大值歸一化，得到相對(duì)光譜功率分布。光源的光譜功率分布通?？煞殖?種類型，如圖1.10所示。圖1.10(a)為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成，如低壓汞燈；圖1.10(b)為帶狀光譜，它由一些分開(kāi)的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細(xì)譜線，如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布；圖1.10(c)為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜；圖1.10(d)為混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分

23、布。圖1.10 四種典型的光譜功率分布在選擇光源時(shí)，它的光譜功率分布應(yīng)由測(cè)量對(duì)象的要求來(lái)決定。在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見(jiàn)光譜輻射比較豐富的光源。對(duì)于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氘燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源。在光纖技術(shù)中，通常使用發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等光源。3. 空間光強(qiáng)分布對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同。若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點(diǎn)連接起來(lái)，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。圖1.11是超高壓球形氙

24、燈的光強(qiáng)分布。圖1.11 超高壓球形氙燈光強(qiáng)分布4. 光源的色溫黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫、相關(guān)色溫和光源的顏色表示。(1) 分布溫度如果輻射源在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜功率分布與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為 (1.35)式中，為分布溫度；為發(fā)射率，它是一個(gè)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的常數(shù)，這類輻射體又稱灰體。關(guān)于發(fā)射率的定義在下面介紹。(2) 色溫若輻射源發(fā)出光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。由于這一顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以

25、色溫相同的光源，它們的相對(duì)光譜功率分布不一定相同。(3) 相關(guān)色溫對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示。在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度為該光源的相關(guān)色溫。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)1931年制定了一個(gè)色度圖，用組成某一顏色的三基色比例來(lái)規(guī)定這一顏色，即用三種基色相加的比例來(lái)表示某一顏色。CIE1931色度圖如圖1.12所示。色度圖中的弧形曲線上的各點(diǎn)是光譜上的各種顏色即光譜軌跡，是光譜各種顏色的色度坐標(biāo)。紅色波段在圖的右下部，綠色波段在左上角，藍(lán)紫色波段在圖的左下部。圖1.12 CIE193

26、1 色度圖5. 光源的顏色光源的顏色包含色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色為光源的色表。例如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。當(dāng)用這種光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色(也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺(jué))與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。1.4.2 熱輻射與黑體輻射定律任何物體當(dāng)其溫度大于熱力學(xué)溫度零度時(shí)均能轉(zhuǎn)換本身的熱能而自發(fā)地向外輻射能量，這種輻射叫熱輻射，該物體稱為熱輻射體。熱輻射體所發(fā)出的電磁波譜是連續(xù)波譜。1. 基爾霍夫定律熱輻射是一種能量交換的熱平衡過(guò)程。任何熱輻射體既能輻射能量，也能吸收輻射能量。物體對(duì)輻射的吸收比：溫度為T(mén)

27、的物體吸收入射輻射功率的比率，稱為物體對(duì)輻射的吸收比，在熱平衡狀態(tài)下，物體發(fā)射的輻射功率等于吸收的輻照功率。亦即 (1.36)式中，M是物體在溫度T的輻出度；是它的吸收比；E是物體表面接受的輻射照度。M和都是物體輻射波長(zhǎng)和物體溫度T的函數(shù)，而E與被照物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。由式(1.36)可直接寫(xiě)出 (1.37)該式就是基爾霍夫定律，該定律表明：在熱平衡條件下，任何物體的輻出度與其吸收比的比值等于輻射源在它上面的輻照度，該比值與物體的溫度和物體被照射的輻射波長(zhǎng)有關(guān)，與物體本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)，是物體波長(zhǎng)和溫度的普適函數(shù)，式(1.37)表明，吸收比越大的物體，輻出度也越大，所以良好的輻射吸收體必然也是良好的輻

28、射發(fā)射體。能夠完全吸收并發(fā)射全部入射輻射功率的物體稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體，絕對(duì)黑體是理想的物體，自然界中并不存在。絕對(duì)黑體的吸收比為1。2. 黑體、灰體和選擇輻射體物體發(fā)射率的定義：實(shí)際物體的輻出度與同溫度黑體的輻出度之比，稱為該物體的發(fā)射率，或發(fā)射本領(lǐng)，發(fā)射率不隨波長(zhǎng)變化且小于1的物體叫灰體；發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的物體稱為選擇輻射體。發(fā)射率定義為 (1.38)表1.3 不同物體的發(fā)射率材料發(fā)射率()材料發(fā)射率()普通紅磚0.93(20)人皮膚0.98(32)混凝土0.92(20)木材0.90(20)拋光玻璃板0.94(20)石墨0.98(20)白漆0.92(100)干土壤0.92(20)退光黑漆

29、0.97(100)含飽和水土壤0.95(20)水0.96(20)雪0.85(-19)對(duì)于絕對(duì)黑體()，強(qiáng)吸收體必為強(qiáng)發(fā)射體。物體的發(fā)射率與材料的性質(zhì)及其表面態(tài)有關(guān)(如表1.3)，隨物體本身的溫度和輻射波長(zhǎng)而改變，并隨觀測(cè)的方向而有不同。自然界中很多物體都可看作為灰體，在特定光譜波段，選擇輻射體也可近似看作灰體。3. 黑體的輻射特性為了弄清一定溫度下物體輻射功率隨輻射波長(zhǎng)變化的關(guān)系，普朗克(Planck)利用量子化模型和量子統(tǒng)計(jì)原理，導(dǎo)出了完全符合實(shí)際規(guī)律的普朗克公式，揭示了輻射與物質(zhì)相互作用過(guò)程中輻出度與溫度以及輻射波長(zhǎng)間的依賴關(guān)系，奠定了黑體熱輻射的理論基礎(chǔ)。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，可計(jì)算任

30、何溫度及波長(zhǎng)范圍內(nèi)的黑體輻射量。(1) 普朗克黑體輻射定律絕對(duì)黑體的光譜輻出度1900年普朗克根據(jù)光的量子理論，推導(dǎo)出描述黑體光譜輻出度與波長(zhǎng)、熱力學(xué)溫度之間關(guān)系的著名公式 (1.39)式中，Meb(T,l)為黑體的光譜輻出度，W/(m2·m)；為波長(zhǎng)，m；T為絕對(duì)黑體的溫度，K；h為普朗克常數(shù)，h=6.6260755×10-34J·S；k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38054×10-23W·s/K；c1為第一輻射常數(shù)，c1=2hc2=3.74151×108W/m2；c2為第二輻射常數(shù)，c2=hc/k=1.438 ×104m&#

31、183;K；c為真空中的光速，c=2.99792520×108m/s。圖1.13 黑體輻出度Meb(T, l)T, l 曲線圖1.13是普朗克公式所描述的不同溫度下黑體輻出度Meb(T, l)T, l 關(guān)系曲線，由圖及公式(1.39)可知： 光譜輻出度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)極大值； 不同溫度的各條曲線彼此不相交。在任一波長(zhǎng)上，溫度T越高，光譜輻出度越大，反之亦然，每一曲線下面的面積等于； 隨著溫度T的升高，曲線峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(峰值波長(zhǎng))向短波方向移動(dòng)，這表明黑體輻射中短波部分所占比例增大； 波長(zhǎng)小于部分的能量約占25%，波長(zhǎng)大于部分的能量約占75%。將普朗克公式從零到無(wú)窮

32、大的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行積分，就得到斯忒藩-玻耳茲曼定律，而對(duì)普朗克公式進(jìn)行微分，求出極大值，可得到維恩位移定律。(2) 斯忒藩-玻耳曼定律絕對(duì)黑體全波段積分輻出度由普朗克絕對(duì)黑體光譜輻出度公式(1.39)，對(duì)波長(zhǎng)從積分可得到絕對(duì)黑體全波積分輻出度的表達(dá)式，此即斯忒藩-玻耳茲曼定律 (1.40)式中， 為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，=5.6687×10-12 W/(cm2K4)。該定律表明：黑體的全波輻出度與其溫度的四次方成正比。因此，當(dāng)黑體溫度有很小的變化時(shí)，就會(huì)引起輻出度的很大變化。當(dāng)T=300K，則Meb=460W/m2；當(dāng)T=6000K，則Meb=7.36 ×107W/m2。(3

33、) 維恩位移定律黑體輻射譜的移動(dòng)將普朗克公式(1.39)對(duì)波長(zhǎng)求導(dǎo)數(shù)并求極值，即有 (1.41)此即維恩位移定律， 該定律表明，黑體光譜輻出度峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與黑體的勢(shì)力學(xué)溫度成反比。一些常見(jiàn)物體的輻射峰值波長(zhǎng)如表1.4所示。表1.4 一些常見(jiàn)物體的輻射峰值波長(zhǎng)物體名稱溫度/K峰值波長(zhǎng)/m物體名稱溫度/K峰值波長(zhǎng)/m太陽(yáng)60000.48冰27310.61熔鐵18031.61液氧9032.19熔鋼11732.47液氮77.237.53噴氣飛機(jī)尾噴管7004.14液氦4.4658.41人體3109.35一般強(qiáng)輻射體有50%以上的輻射能集中在峰值波長(zhǎng)附近，因此，2000K以上的灼熱金屬，其輻射能大部分

34、集中在3m以下的近紅外區(qū)或可見(jiàn)光區(qū)。人體皮膚的輻射波長(zhǎng)范圍主要在2.5m 15m，其峰值波長(zhǎng)在9.5m處，其中8m 14m波段的輻射能占人體總輻射能的46%，而溫度低于300K的室溫物體，有75%的輻射能集中在10m以內(nèi)的紅外區(qū)。朗伯輻射源是在各方向上的輻亮度相等的輻射源。1.4.3 自然輻射源太陽(yáng)、天空自然光源主要包括太陽(yáng)、月亮、恒星和天空等。太陽(yáng)是直徑約為1.392×109m的光球，它到地球的年平均距離是1.496×1011m。因此從地球上觀看太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的張角只有0.533°，太陽(yáng)光譜能量分布相當(dāng)于5900 K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01×

35、;107 W·m-2·sr-1，平均亮度為1.95×109 cd/m2；太陽(yáng)常數(shù)(在地球太陽(yáng)的年平均距離，在垂直太陽(yáng)的入射方向上，大氣層外太陽(yáng)對(duì)地球的輻照度), 即為13677W/m2。在大氣層外，太陽(yáng)對(duì)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) (<0.38m) 6.46%；可見(jiàn)區(qū)(0.38m 0.78m) 46.25%；紅外區(qū)(>0.78m) 47.29% ；輻射到地球上的太陽(yáng)光，要穿過(guò)一層厚厚的大氣層，因而在光譜、空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等方面都發(fā)生了變化。大氣中的氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳

36、(CO)和其他碳?xì)浠衔?如CH4) 等，都在不同程度上吸收太陽(yáng)輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)。在標(biāo)準(zhǔn)海平面上太陽(yáng)的光譜輻射照度曲線，如圖1.14所示，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶。圖 1.14 太陽(yáng)的光譜能量分布曲線為了解各種自然光照在不同條件下的大致數(shù)量范圍，表1.5給出了近地天空的亮度。表1.5 近地天空的亮度天空情況亮度(cd/m2)天空情況亮度(cd/m2)晴天104晴天(日落后半小時(shí))10-1陰天103明亮月光10-2陰沉天102無(wú)月晴空10-3陰天(日落時(shí))10無(wú)月陰空10-4晴天(日落后一刻鐘)11.4.4 激光光源及其特點(diǎn)激光(Laser)是受激輻射的光放大，是

37、典型的人造光源。1. 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1.15所示。它由工作介質(zhì)(或工作物質(zhì))、泵浦源(激勵(lì)源)、諧振腔三大要素構(gòu)成。此外，還可添加光控因子。產(chǎn)生激光必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。圖1.15 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光形成的過(guò)程是：激光工作介質(zhì)受到泵浦源的激勵(lì)被激活，介質(zhì)中的粒子將躍遷至高能級(jí)，隨后又自發(fā)躍遷至低能級(jí)，產(chǎn)生自發(fā)輻射；這些自發(fā)輻射光子向四面八方傳播，只有沿諧振腔軸線方向傳播的光才能被反射鏡反射；當(dāng)高能級(jí)上的粒子與反射光子具有同頻率和相位時(shí)，產(chǎn)生受激輻射，形成同波長(zhǎng)、同相位的光波，即駐波，它的一部分作為激光從輸出鏡(部分反射鏡)一端輸出。諧振腔的作用是形成駐波，通常由相對(duì)平行

38、放置的兩面鏡子構(gòu)成。為了使一部分激光輸出，諧振腔一端的鏡子不是反射全部的光，即反射率小于100%。根據(jù)使用目的，可以對(duì)輸出激光或光學(xué)諧振腔進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)改變、收集光向，或改變強(qiáng)度、偏轉(zhuǎn)方向使輸出功率在空間保持恒定。有時(shí)也通過(guò)抑制發(fā)射譜線的線寬，獲得單一波長(zhǎng)的光。為此，通常在諧振腔內(nèi)部或外部使用光控因子。根據(jù)工作物質(zhì)的不同，激光器分為固體激光器(其工作物質(zhì)為固體，如紅寶石、釹釔鋁石榴石、鈦寶石等)、氣體激光器(工作物質(zhì)為He-Ne, CO2，Ar等)和半導(dǎo)體激光器(工作物質(zhì)為GaAs，GaSe，GaS，PbS等)。激勵(lì)系統(tǒng)有光激勵(lì)、電激勵(lì)、核激勵(lì)和化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等。光學(xué)諧振腔用來(lái)提供光的反饋，以實(shí)

39、現(xiàn)光的自激振蕩，對(duì)弱光進(jìn)行放大，并對(duì)振蕩光束方向和頻率進(jìn)行選擇，保證光的單色性和方向性。固體激光器一般用光泵激勵(lì)形成受激輻射，輻射能量大，比氣體激光器高出三個(gè)量級(jí)，輸出激光的波長(zhǎng)范圍寬，從紫外到紅外都可得到穩(wěn)定的激光輸出，可以輸出脈沖光、重復(fù)脈沖光和連續(xù)光，常用于打孔、焊接、測(cè)距、雷達(dá)等。氣體激光器中的CO2激光器輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出波長(zhǎng)為10.6 m的紅外光。它廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信和軍事上。半導(dǎo)體激光器體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、攜帶與使用方便，尤其是可以直接進(jìn)行電流調(diào)制，廣泛用于光電測(cè)量、激光打印、光存儲(chǔ)、光通信、光雷達(dá)等。2. 激光的特點(diǎn)了解激光的特點(diǎn)，對(duì)光電信息技術(shù)

40、是十分重要的。(1) 激光的單色性好激光的帶寬很窄。帶寬由原子固有能級(jí)的受激躍遷和光學(xué)諧振腔的波長(zhǎng)選擇所決定，因而激光輻射的譜寬度與光學(xué)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，常由下式計(jì)算 (1.42)式中，為輻射在激光物質(zhì)中通過(guò)一次并從腔玻璃反射的損失；V為光在激光物質(zhì)中的傳播速度；l為光學(xué)反射腔的腔長(zhǎng)。一個(gè)好的激光器，其帶寬在106Hz以下，激光譜線寬度很窄，即波長(zhǎng)變化范圍很小，單色性很好。如He-Ne激光器發(fā)出一波長(zhǎng)為632.8 nm的紅光，光頻為4.74×1014Hz，而高精度穩(wěn)頻后的譜線寬度，即頻率變化范圍只有2 Hz。普通光源的He-Ne氣體放電管發(fā)出同樣頻率的光，其譜線寬度為1.52&#

41、215;109Hz，可見(jiàn)He-Ne激光比He-Ne普通光的單色性高倍。(2) 激光具有高方向性光輻射的方向性常以光束發(fā)散角的數(shù)值來(lái)表征。若波長(zhǎng)為，輻射光束的光斑直徑是d，則由衍射現(xiàn)象限定的最小發(fā)散角 (1.43)以l=0.63 mm、d=2 mm的氦氖激光為例，由此計(jì)算出的發(fā)散角不大于3.8×10-4 rad。由于激光束是向空間傳播的，因此還應(yīng)當(dāng)引入立體角W，如果激光束的發(fā)散角是q ，它所對(duì)應(yīng)的立體角為。量級(jí)為10-4 rad的發(fā)散角所對(duì)應(yīng)的發(fā)散立體角即為10-8量級(jí)。 半導(dǎo)體激光器縱向發(fā)散角約，其方向性較差。高方向性使得激光可以用來(lái)測(cè)量距離和目標(biāo)指示以及激光打孔。(3) 激光具有高

42、亮度和高功率輻射密度激光束方向性很好，在空間傳播是一個(gè)立體角很小的圓錐光束。激光發(fā)散角很小，若角為rad，那么。由亮度定義可知，激光的亮度是極高的。如果普通光源與某激光光源有相同的輻射通量，而其發(fā)光立體角比激光大數(shù)百萬(wàn)倍，因此激光的亮度比普通光源高上百萬(wàn)倍。如氣體激光器亮度可達(dá)104108W/(sr·cm)，固體激光器發(fā)光亮度約為1071011W/(sr·cm)，而太陽(yáng)表面亮度為2×103W/(sr·cm)，可見(jiàn)激光亮度比太陽(yáng)表面亮度高出幾個(gè)到十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。激光的高亮度使光電測(cè)量距離更遠(yuǎn)，信噪比更高，尤其適合于遙測(cè)和遙控。(4) 激光具有優(yōu)越的相干性激光

43、輻射是相干輻射，其相干性包括空間相干性和時(shí)間相干性。激光束的空間相干性是指在同一時(shí)刻，兩個(gè)不同空間點(diǎn)上光波場(chǎng)之間的相干性，它決定于光源的面積，如果在空間體積Vc內(nèi)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則把Vc稱為相干體積，Vc表示為垂直于光束傳播方向的截面上的相干面積Ac與傳播方向的相干長(zhǎng)度Lc的乘積 (1.44)激光束的空間相干性與激光的模式結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。單橫模結(jié)構(gòu)具有良好的光波場(chǎng)空間相干性和好的方向性。反之，多模結(jié)構(gòu)則因不同模式的光波場(chǎng)非相干性而使激光的空間相干程度降低。激光束的時(shí)間相干性是指在同一空間點(diǎn)上兩個(gè)不同時(shí)刻t1和t2的光波場(chǎng)之間的相干性，并把光波場(chǎng)具有明顯相干的時(shí)間間隔tc=t2-t1稱

44、為相干時(shí)間，顯然，相干時(shí)間與空間相干長(zhǎng)度Lc具有如下簡(jiǎn)單關(guān)系： (1.45)式中，c是光的傳播速度。激光束的時(shí)間相干性與激光的單色性有關(guān)，相干時(shí)間tc與單色性(即帶寬)間存在如下的簡(jiǎn)單關(guān)系： (1.46)可見(jiàn)，單色性越高，激光的相干時(shí)間越長(zhǎng)。由于激光的單色性很好，所以它的時(shí)間相干性也非常好，它是目前發(fā)現(xiàn)的各種光源中相干性最好的光源，如He-Ne激光的時(shí)間相干長(zhǎng)度達(dá)到幾百公里。3. 常見(jiàn)激光器及其特性激光器可有以下不同的分類： 按激光工作物質(zhì)分： 有固體激光器(包括晶體和玻璃激光器，)，氣體激光器(包括原子、離子、分子、準(zhǔn)分子激光器)，液體激光器(包括聚合物、無(wú)機(jī)液體和有機(jī)染料激光器)，半導(dǎo)體激

45、光器。 按光學(xué)諧振腔的設(shè)置分：有非穩(wěn)定腔、共焦腔、平面腔以及配有調(diào)Q裝置或鎖模裝置的激光器。 按泵浦源分：有電泵浦、熱泵浦、光泵浦、化學(xué)泵浦、核泵浦、太陽(yáng)泵浦等。此外，按激光輸出的特性分又有單橫模、多橫模、單縱模、多縱模等；還可分為波長(zhǎng)可調(diào)諧與不可調(diào)諧，輸出光輻射在時(shí)間上是連續(xù)方式還是脈沖方式等等。已有的激光器系統(tǒng)種類十分繁多，根據(jù)不同的用途，同類系統(tǒng)又有差別極大的品種型號(hào)，并隨著對(duì)激光理論和應(yīng)用研究的深入，各類新型的激光器系統(tǒng)還在不斷出現(xiàn)，激光器的發(fā)展，對(duì)激光技術(shù)的研究和應(yīng)用起著十分重要的推進(jìn)作用。(1) 固體激光器固體激光器以摻雜離子型絕緣晶體或玻璃體作為工作物質(zhì)。最常見(jiàn)的有紅寶石、釹玻璃

46、、摻釹釔鋁石榴石等三種。按其工作方式又有單脈沖式、重復(fù)脈沖式、連續(xù)方式、調(diào)Q脈沖方式和鎖模脈沖方式五類。以紅寶石激光器為例，其基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要性能如下：圖1.16是紅寶石激光器的構(gòu)成示意圖。激光物質(zhì)紅寶石棒和泵浦激勵(lì)脈沖氙燈放在聚光腔的中心，由高壓電源使電容器充電，在觸發(fā)器作用下，脈沖氙燈發(fā)出的強(qiáng)光被聚光器聚光并照射到紅寶石棒上以獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，相互平行的全反射鏡和半反射鏡構(gòu)成的光學(xué)諧振腔使受激躍遷形成的受激輻射在光學(xué)諧振腔的多次往返反射中形成振蕩而最后導(dǎo)致激光的輸出。紅寶石由加有少量(萬(wàn)分之五)氧化鉻的氧化鋁晶體組成，它產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是由于鉻離子的存在。圖1.17是它的能級(jí)圖。

47、圖1.16 紅寶石激光器的構(gòu)成示意圖 圖1.17 紅寶石激光器能級(jí)圖在泵浦氙燈光的激勵(lì)下，能量相當(dāng)于吸收帶4F2和4F1的光子被吸收使鉻離子轉(zhuǎn)移到這些能級(jí)，然后以平均時(shí)間50×10-8s衰變到能級(jí)2E。2E能級(jí)由兩個(gè)分開(kāi)的能級(jí)2A和E組成， 較低的能級(jí)E即激光高能級(jí)， 低能級(jí)是基態(tài)A2， 原子在高能級(jí)E的壽命是3×10-3 s，從E到基態(tài)A2的躍遷輻射即形成0.6943mm光輸出。由圖1.17可以看出，紅寶石激光器是一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)。(2) 氣體激光器氣體激光器是目前應(yīng)用最廣泛的一類激光器，它們大多數(shù)能夠連續(xù)工作，輸出的激光波長(zhǎng)有數(shù)千種，分布在光譜波長(zhǎng)從0.2mm真空紫外至4

48、mm遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)。氣體激光器的特點(diǎn)是單色好，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，使用操作方便。常見(jiàn)的氣體激光器有氦氖激光器、氬離子激光器、CO2分子激光器等。 氦氖激光器圖1.18是常用的氦氖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖, 激光物質(zhì)采用He-Ne氣體，它充滿整個(gè)激光器內(nèi)，但工作區(qū)僅限于毛細(xì)管內(nèi)，泵浦源采用電激勵(lì)的方式，它由管內(nèi)鉬筒與電極間的高壓放電而使He-Ne氣體產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，激勵(lì)電壓除直流方式外，有時(shí)也用交流或射頻電源。反射鏡和玻璃管密封在一起，構(gòu)成光學(xué)諧振腔，通常將這種結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)腔式。有的氦氖激光器采用外附光學(xué)腔，稱為外腔式。圖1.18 氦氖激光器結(jié)構(gòu)圖1.19是氦氖激光系統(tǒng)的能級(jí)圖。管內(nèi)

49、He-Ne氣體放電時(shí)，He原子首先被電子碰撞激發(fā)到21S和23S能級(jí)，這兩個(gè)能級(jí)是亞穩(wěn)態(tài)，從它們到基態(tài)的輻射躍遷是被禁止的，處在這兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的He原子與Ne基態(tài)的Ne原子碰撞，將Ne原子激發(fā)，而He原子無(wú)輻射地回到基態(tài)，這就是共振轉(zhuǎn)移。當(dāng)Ne原子的3S、2S能級(jí)上的粒子被激發(fā)到足夠多時(shí)，3S、2S能級(jí)與3P、2P能級(jí)之間就會(huì)出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在2P與3P能級(jí)上的Ne原子通過(guò)自發(fā)躍遷很快落到1S能級(jí)，再通過(guò)和管壁碰撞，將能量交換給管壁而回到基態(tài)。氦氖激光器產(chǎn)生的激光譜線有三條，它們是：3S2P 0.6328m2S2P 1.15m3S3P 3.39m 二氧化碳激光器二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工

50、作物質(zhì)的氣體激光器。它的突出優(yōu)點(diǎn)是可獲得大激光功率和較高的能量轉(zhuǎn)換效率，并有豐富的激光譜線，甚至可做到9mm11mm波長(zhǎng)間連續(xù)可調(diào)諧的光輻射輸出。CO2激光器輸出的光束光學(xué)質(zhì)量好，線寬窄，相干性好，工作穩(wěn)定。因此二氧化碳激光器廣泛用于材料加工、通信、雷達(dá)以及激光武器等許多方面。二氧化碳激光器是分子激光器的代表，與其有關(guān)的能級(jí)涉及到分子振動(dòng)和組成分子的原子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，圖1.20是二氧化碳分子激光器的能級(jí)圖。 圖1.19 氦氖激光器的能級(jí)系統(tǒng) 圖1.20 二氧化碳激光器的能級(jí)圖二氧化碳激光器中除了二氧化碳?xì)怏w外，還加有適量的N2和He(即輔助氣體)。在激光放電管中，氮分子由于放電電流中電子撞擊被

51、激發(fā)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的氮分子又通過(guò)和二氧化碳分子的碰撞，把能量傳遞給二氧化碳分子，使二氧化碳分子處于高能態(tài)的001能級(jí)上(001是兩個(gè)氧原子沿分子軸向相同方向振動(dòng)，而碳原子向相反方向振動(dòng)的一組非對(duì)稱振動(dòng)的能級(jí))。當(dāng)大多數(shù)二氧化碳分子被激發(fā)到001能級(jí)上時(shí)，在001能級(jí)與100(兩氧原子沿分子軸對(duì)稱振動(dòng)的能級(jí))、010與020(形變振動(dòng)能級(jí))之間形成分子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。從001能級(jí)躍遷到020能級(jí)，則發(fā)射出9.6mm的激光。不過(guò)兩種躍遷中，10.6mm躍遷的幾率大，因此，二氧化碳激光器輸出的激光輻射主要是10.6mm的激光束。 氬離子激光器氬離子激光器是利用氣體放電過(guò)程中使氬原子電離并被激

52、發(fā),從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光的。它發(fā)射的激光譜線十分豐富,分布在綠光區(qū),其中以0.5145mm和0.4880mm譜線最強(qiáng)。氬離子激光器輸出的連續(xù)功率可達(dá)500W，也可以在脈沖方式下工作。(3) 染料激光器染料激光器是液體物質(zhì)作為激光介質(zhì)的一種液體激光器。它的突出優(yōu)點(diǎn)是輸出激光波長(zhǎng)可以調(diào)諧，其次是具有均勻良好的光學(xué)質(zhì)量。作為激光介質(zhì)使用的染料分子由許多原子組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，常見(jiàn)的有若丹明，花菁類中的二乙基噻化菁以及香豆素中的7-羥基香豆素等。染料激光器輸出激光波長(zhǎng)可以調(diào)諧是由于染料分子中的自吸收現(xiàn)象可以使熒光光譜峰值發(fā)生位移，從而發(fā)生在熒光光譜峰值的激光波長(zhǎng)也就有相應(yīng)變化。通過(guò)改變?nèi)玖先芤旱臐舛?、溫度或光程等因素?lái)改變?nèi)玖戏肿游諑c熒光帶間的重迭程度，吸收帶長(zhǎng)波部分對(duì)熒