第1章__光輻射及發(fā)光源2

1、第第1章章 光輻射與發(fā)光源光輻射與發(fā)光源1.1 電磁波譜與光輻射電磁波譜與光輻射 電磁波的性質(zhì)與電磁波譜電磁波的性質(zhì)與電磁波譜 光輻射光輻射 1.2 輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識 輻射量輻射量 光度量光度量 1.3 熱輻射基本定律熱輻射基本定律 單色吸收比和單色反射比單色吸收比和單色反射比 基爾霍夫輻射定律基爾霍夫輻射定律 普朗克公式普朗克公式 端利端利-瓊斯公式瓊斯公式 維思公式維思公式 維恩位移定律維恩位移定律 斯式藩斯式藩玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 色溫色溫 1.6 光頻電磁波的基本理論與定律光頻電磁波的基本理論與定律【本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容】1.1 電磁波譜與光輻射

2、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)與電磁波譜電磁波的性質(zhì)與電磁波譜1、電磁波定義、電磁波定義變化的電場和變化的磁場不斷地交替產(chǎn)生由近及遠以有限的速度在空間傳播，形成電磁波電磁波?！净疽蠡疽蟆?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)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)

3、生，并以一定速間相互依賴，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠地在空間度由近及遠地在空間傳播出去。傳播出去。【例如例如】：振蕩電偶極子輻射。：振蕩電偶極子輻射。.qq+.qq+.q+q.q+q補充：電磁波的產(chǎn)生和傳播補充：電磁波的產(chǎn)生和傳播HExyzpSEEHHS.aabb電場電場磁場磁場P振蕩電偶極子振蕩電偶極子電磁場分布電磁場分布2、電磁波的性質(zhì)、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：HE注注1：能區(qū)分電磁波與

4、機械波的區(qū)別：能區(qū)分電磁波與機械波的區(qū)別注注2：能區(qū)分什么是縱波什么是橫波：能區(qū)分什么是縱波什么是橫波2/1)/(1V1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01mX 射線射線紫外線紫外線可見光可見光紅外線紅外線微微 波波高頻電視高頻電視調(diào)頻廣播調(diào)頻廣播雷達雷達無線電射頻無線電射頻電力傳輸電力傳輸射線射線電磁波譜電磁波譜頻率頻率波長波長波段（nm）名稱用途10 - 5 30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紫外線紫外線醫(yī)用、照相制版醫(yī)用、

5、照相制版380 780可見光可見光780 10 6紅外線紅外線雷達、光纖通信、導(dǎo)航雷達、光纖通信、導(dǎo)航10 6 10 9微波電視、雷達、無線電導(dǎo)航10 9 10 10米波（分米波 厘米波）調(diào)頻廣播、電視、導(dǎo)航等10 10 510 10短波無線電廣播、電報通訊510 10 210 11中短波電報通訊210 11 310 12中波無線電廣播310 12 310 13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光輻射僅占電磁波譜的一小部分1.1.2 光輻射光輻射 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

6、。1、定義、定義2、分類、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：紫外輻射紫外輻射、可見光可見光和紅外輻射紅外輻射。3 波長與頻率的關(guān)系波長與頻率的關(guān)系vV4 可見光可見光 可見光是波長在390770nm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、藍色和紫色。注：掌握波長、頻率和波速的關(guān)系注：掌握波長、頻率和波速的關(guān)系 光的波粒二象性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）光的波動性光的波動性光是一種電磁波

7、：麥克斯韋（Maxwell）方程組電場磁場平面光波的波動表示式：)cos(),(rkttr0 0E EE E)cos(),(0r rk kH Hr rH Htt5 光的本質(zhì)光的本質(zhì)（2）光是粒子光是粒子光子- 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： hvE光的動量：hchvp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。hv210626.634hSJh常用光源：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

8、 n度量長度用長度物理量度量長度用長度物理量米、厘米等米、厘米等n度量時間用時間物理量度量時間用時間物理量秒、分、時秒、分、時n怎樣對光輻射進行度量呢？怎樣對光輻射進行度量呢？ 1-1 1-1 輻射的基本概念輻射的基本概念n光輻射的探測和計量有兩套體系光輻射的探測和計量有兩套體系輻射度學(xué)量輻射度學(xué)量光度學(xué)量光度學(xué)量基本量輻射通量輻射通量(又稱輻射功率)或者輻射能輻射能與輻射客體有關(guān)的量客觀量客觀量?；締挝皇峭咛?W)或者焦耳(J)。輻射度學(xué)適用于整個電磁波段?；玖堪l(fā)光強度發(fā)光強度不是光通量視覺亮暗特性視覺亮暗特性的光輻射計量主觀量主觀量基本單位是坎德拉坎德拉(cd)光度學(xué)只適用于可見光波段

9、。n雖然雖然輻射度學(xué)輻射度學(xué)體系和體系和光度學(xué)光度學(xué)體系的物理體系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符量在物理概念上不同，但所用的物理符號一一對應(yīng)。號一一對應(yīng)。n輻射度物理量用角標(biāo)輻射度物理量用角標(biāo)“e”表示表示( (emission) )n光度物理量用角標(biāo)光度物理量用角標(biāo)“”表示（表示（vision）下面學(xué)習(xí)這兩套光輻射單位體系物理量下面學(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)基本知識輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識1輻射能定義輻射能定義1.2.1 輻射量輻射量 2輻射通量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芰俊?（ ）eQ 輻射

10、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）。dtdQee【本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容】 3輻射出射度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：例： 由輻射強度的定義可知，如果一個置于各向同性均勻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？則該點輻射體在各個方向的輻射強度是多少？dSdMee單位：W/m2 ddIee單位：瓦特每球面度（W/sr）

11、SddSd圖2 輻射亮度示意圖5輻射亮度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。 coscos2dSdddSdILeee 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)。 【問問】余弦輻射體的輻射出射度為多少？余弦輻射體的輻射出射度為多少？ cos0eedIdI 0edI00eeeLdSdIL

12、 6輻射照度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輻射通量 dAdEee單位：（W/m2） 0,dXXee1.2.1光度量光度量1、定義、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)eeeeeeELMIQ、vvvvvvELMIQ、)()()(evf光視效能。光視效能。光視效能描述某一波長的單色光輻

13、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evK單位：流明/瓦特（lm/W）。evmmKKKV1歸一化2、光譜光視效率、光譜光視效率4005006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 長(nm)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QeeMeIeLeEeedQe/dtMe=dedSIe=d e/d Le=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/

14、srW/m2srW/m2光量光通量光出射度發(fā)光強度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=v dtv=Iv dMv=dv/dS基本量Lv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lxddIvv單位：srlmcd/11關(guān)于坎德拉坎德拉： 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： Hz1210540srW /6831nm555srWsrlmcdIv/683111結(jié)論4 lmW6831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。 表表2 自然光源在地球表面形成的

15、光照度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（11.3）105深黃昏1完全白天光（12）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熱輻射基本定律熱輻射基本定律1. 單色吸收比和單色反射比單色吸收比和單色反射比吸收比：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。)(T反射比：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

16、和單色反射比之和等于1，即)(T1)()(TT本節(jié)知識點：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黑體（簡稱黑體黑體）。關(guān)于黑體：黑體： 1） 2）透射比）透射比 3）反射比）反射比 4）在熱平衡下：）在熱平衡下： 1)(0)(t0)(r),(),(),(TLTTMebeb),(),(TLTMebeb2. 基爾霍夫輻射定律基爾霍夫輻射定律 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)()()()()(2211TM

17、TTMTTMbvvvvv式中 為黑體的單色輻射出射度 bvM結(jié)論結(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基爾霍夫3、普朗克公式、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：) 1()(/512TcbvecTM其中： ，212 hcCBkhcC/2 2121cmW10)000020. 0741832. 3(CKm10)000045. 0438786. 1 (42C 第一輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)普朗克普朗克01234560102030401000K1200K1400K1600K1800K2000K (m)單色 輻射 出射 度 Mvb(W/cm2

18、m)圖4 黑體輻射單色輻射出射度的波長分布4.瑞利瑞利-瓊斯公式瓊斯公式 當(dāng) 很大時， ，可得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊斯公式TTCeTC2/12421)(TCCTMbv5.維恩位移定理維恩位移定理kThcm5單色輻射出射度最大值對應(yīng)的波長 ：6、斯忒藩、斯忒藩-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 4)(TTMvb)KsJ/m(10670. 5428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 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 1.6 光頻電磁波的基本理論

19、與定律光頻電磁波的基本理論與定律n1.光波的電磁場理論光波的電磁場理論 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組 麥克斯韋tDJHtBEBD00各向同性介質(zhì)的電磁波動方程各向同性介質(zhì)的電磁波動方程：010122222222tHvHtEvE物質(zhì)方程物質(zhì)方程EJHBED各向同性介質(zhì)：各向異性介質(zhì)：EJHBEDn2 介質(zhì)的折射率與光波的速度介質(zhì)的折射率與光波的速度smc/1099792.21800rrvcn3.光波場的能流密度光波場的能流密度HES單位時間通過垂直于傳播方向上單位面積的能量。HE200EcnkS200200211EcnEcnSdtTSIT平面電磁波是在與傳播方向正交的平面平面電磁波是在與傳播方向

20、正交的平面上各點電場或磁場具有相同值的波。上各點電場或磁場具有相同值的波。 令令 且且 得：得： 行波表達式行波表達式4.波動方程的解波動方程的解幾種特殊形式的波動幾種特殊形式的波動（1）簡諧平面波）簡諧平面波0kxyzcos),(00rktAtrE)(00),(rktjeAtrE或（2）球面波）球面波000000( , )cos()( , )exp ():( )exp ()EE r tkrtrEE r tj krtrEE rj krr或復(fù)振幅 振幅：振幅：00:EEr波源的強度,振幅與傳播的距離成反比,但在r相同的球面上振幅仍然均勻相等. 相位：相位：00;krt 為初始相位; 具有空間和時

21、間上的周期性 球面波的時間參量球面波的時間參量:時間參量的定義和性質(zhì)與平面波的完全相同；時間參量的定義和性質(zhì)與平面波的完全相同；, ,T 球面波的空間參量球面波的空間參量: r 方向的空間頻率：方向的空間頻率：1f2k波數(shù)：波數(shù)：（3）柱面波）柱面波)(),(krtierAtrE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。r（4）高斯光束）高斯光束1.6.2 光波的時域頻率特性光波的時域頻率特性1.單色光單色光zTtEvztEkztEE2coscos)cos(0002. 復(fù)色光復(fù)色光NiiiizktEE10)cos(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

22、限延續(xù)的實際光源發(fā)出的光波并不是在時間和空間上無限延續(xù)的簡諧波，而是一些簡諧波，而是一些有限長度的衰減振動。有限長度的衰減振動。是由被稱為是由被稱為波波列列的光波組成的。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。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，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，大約持續(xù)時間很短，大約 秒。秒。981010 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

23、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。不相干不相干( (不同原子發(fā)的光不同原子發(fā)的光) )不相干不相干( (同一原子先后發(fā)的光同一原子先后發(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 相速度與群速度相速度與群速度定義：群速度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。 kv單色波：單色波：ddvg1.6.4 光波的橫波性質(zhì)和偏振光波的橫波性質(zhì)和偏

24、振1.平面光波的橫波性質(zhì)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。)cos(00kztEEyxjEiEEE可以表示為沿x、y方向振動的兩個獨立分量的線性組合：)cos()cos(00yyyxxxkztEEkztEE其中：消除以上兩式中的t，得到：2002020sincos2yyxxyyxxEEEEEEEE1.線偏振線偏振xEyE和二分量的相位差 時，橢圓

25、退化為一條m直線，稱為線偏振光。此時有：imyyxxeEEEE00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）圓偏振光yxEE ), 2, 1(2/mm，相位差橢圓方程退化為圓方程。2022EEEyx稱為圓偏振光，用復(fù)數(shù)形式表示為：ieEEixy2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）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

26、取決于相位差：當(dāng)xEyE) 12(2mm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反射定律和折射定律)(0rktilllleEEtril,0)(0)(rkkrkktiritrijyixrttiirriikkkksinsinsinsinttiirriinnnnsinsinsinsin2.菲涅爾公式菲涅爾公式)(0rktilllleEE其中s分量和p分量分別表示為：psmeEErktilmlmll,)(0則s分量和p分量的反射系數(shù)、透射系數(shù)分別定義為：imrmmEEr00imtmmEEt00將振動矢量分解為垂直和平

27、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。 2121212100tantantantan)sin()sin(isrssEEr21212121002sin2sin2sin2sin)tan()tan(iprppEEr0120122cossinsin()tssisEtE012012122cossinsin()cos()tppipEtE（2）反射率與透射率）反射率與透射率設(shè)入射光的能量為：iI入射到界面上單位面積的能量為：2110101coscos2rrrWIE2110101coscos2iiiWIE同樣，反射光與折射光的能量為：2110201coscos2tttWIE可以得到反射率和透射率：2rWWRir21122coscostnnWWTit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：)(sin)(sin2122122ssrR)(tan)(tan2122122pprR)(sin2sin2sincoscos2122121122sstnnT)(cos)(sin2sin2sincoscos2122122121122pptnnT