黑體輻射論文終稿教材

1、哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 學(xué) 號(hào)08113119密 級(jí) 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文激光誘導(dǎo)稀土納米材料黑體輻射特性的實(shí)驗(yàn)研究 院 系 名 稱：理學(xué)院 專 業(yè) 名 稱：電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 生 姓 名：劉 洋 指 導(dǎo) 教 師：李 立 副教授2012年6月摘 要激光誘導(dǎo)稀土離子摻雜納米材料的黑體輻射現(xiàn)象近年來(lái)得到了人們的關(guān)注，但其所表現(xiàn)出來(lái)的非線性黑體輻射行為及其產(chǎn)生原因尚未得到深入研究和明確的解釋。本文研究了稀土納米材料的黑體輻射特性，觀察到了微米尺度的輻射點(diǎn)源并分析了其非線性熱輻射及雙穩(wěn)遲滯現(xiàn)象的物理機(jī)制。本論文主要研究紅外激光誘導(dǎo)稀土離子Tm,Yb摻雜氧化物納晶的黑體輻射現(xiàn)象及其非線性雙

2、穩(wěn)遲滯特性。在972 nm激光激發(fā)下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了Tm,Yb:ZrO2納晶的黑體輻射譜，觀察到了微米尺度的黑體輻射點(diǎn)源。討論了激光誘導(dǎo)點(diǎn)源的黑體輻射特性，研究了黑體輻射溫度隨激光器激發(fā)功率的變化規(guī)律，并分析了稀土納米材料產(chǎn)生強(qiáng)烈黑體輻射的原因。從理論上解釋了黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)是摻雜離子的無(wú)輻射躍遷量子效率及輻射躍遷量子效率隨溫度的非線性變化引起的。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了Tm,Yb:ZrO2納晶的黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)特性曲線，并進(jìn)一步分析了輻射雙穩(wěn)態(tài)特性和固液相變對(duì)雙穩(wěn)行為的影響。關(guān)鍵詞：黑體輻射；灰體輻射；雙穩(wěn)態(tài)；稀土納米材料AbstractLaser induces nanomaterials doped rare

3、 earth ions to blackbody radiation phenomenon, and in recent years the phenomenon has raised concern by people, but the expression of nonlinear radiation behavior and their reasons bold has not been deep research and clear explanations. This paper studies the blackbody radiation characteristics of n

4、anomaterials doped by rare earth, observes the micron scale radiation point source and analyzes its nonlinear thermal radiation and bistable hysteresis of physical mechanism.This thesis mainly infrared laser induced the blackbody radiation phenomenon and non-linear bistable hysteresis characteristic

5、s of nanomaterials doped by rare earth. In the 972 nm laser inspire, the experiment measures the Tm,Yb: ZrO2 crystal radiation spectrum, and observed the blackbody radiation micro-metre scale point source. This thesis discusses the blackbody radiation characteristics of point source induced by the l

6、aser, the phenomenon of the radiation temperature bolded with laser stimulate the change rule of power, and analyzes the rare earth nanometer material produces strong radiation causes the bold. The theoretical explanation the blackbody radiation two steady state is doped ions no radiation warp quant

7、um efficiency and radiation transition efficiency with temperature of quantum nonlinear change. The experiment measures characteristic curve of the blackbody-radiation bistability on the Tm, Yb: ZrO2 crystal, and then analyzes the influence caused by radiative bistability and solid-phase change of b

8、istable behavior.Key words: Blackbody radiation; Bistability; Gray body radiation; Rare-earth nanomaterial目 錄第1章 緒論11.1 黑體輻射理論簡(jiǎn)介11.2 納米材料簡(jiǎn)介11.3 論文的研究背景和意義21.4 納米材料黑體輻射特性的研究現(xiàn)狀31.5 論文的主要內(nèi)容41.6 本章小結(jié)5第2章 黑體輻射相關(guān)理論62.1 引言62.2 黑體輻射的相關(guān)理論62.2.1 黑體輻射的基本概念72.2.2 黑體輻射譜的基礎(chǔ)理論72.2.3 摻雜稀土納米材料系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈黑體輻射的原理92.2.4 灰體輻

9、射理論102.3 黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)理論模型112.4 實(shí)驗(yàn)材料的制備142.5 本章小結(jié)15第3章 Tm,Yb:ZrO2黑體輻射特性163.1 納米材料黑體輻射模型163.2 輻射點(diǎn)源的黑體近似163.2.1 實(shí)驗(yàn)方案163.2.2 測(cè)量方案和結(jié)果183.2.3 樣品輻射源的黑體近似193.3黑體輻射色溫與激發(fā)功率的關(guān)系233.3.1可見(jiàn)光部分光譜測(cè)量方案233.3.2 可見(jiàn)光部分輻射溫度與激發(fā)功率的關(guān)系243.3.3 紅外部分樣品輻射溫度與激光器激發(fā)功率的關(guān)系273.4 本章小結(jié)31第4章 黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)特性研究324.1 引言324.2 黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因324.2.1 受主粒子輻射躍

10、遷量子效率的溫度依賴關(guān)系334.2.2 輻射量子效率對(duì)雙穩(wěn)曲線的影響344.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法354.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論364.5 固液相變對(duì)雙穩(wěn)態(tài)的影響384.6 本章小結(jié)39結(jié)論40致 謝43第1章 緒論1.1 黑體輻射理論簡(jiǎn)介1900年，著名物理學(xué)家開(kāi)爾文在回顧物理學(xué)研究發(fā)展的歷史之后，做了關(guān)于物理學(xué)今后發(fā)展的發(fā)言。他指出物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來(lái)的物理學(xué)家只需要做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就夠了。但是晴朗物理學(xué)天空中還有兩朵烏云，其中一朵便于黑體輻射有關(guān)。之后圍繞著黑體輻射，人類對(duì)于自然的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了量子階段。認(rèn)識(shí)黑體輻射的歷程幾經(jīng)波折。1894年德國(guó)物理學(xué)家普朗克開(kāi)始黑體輻射的研究。1899年，從

11、熱力學(xué)出發(fā)，普朗克推導(dǎo)出了維恩定律。但是同年德國(guó)物理學(xué)家魯斯本發(fā)現(xiàn)在高頻區(qū)域維恩定律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有偏差。終于在1900年，普朗克經(jīng)過(guò)不懈的努力，得到我們熟知的普朗克黑體輻射公式。但是這只是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的半經(jīng)驗(yàn)公式，并沒(méi)有得到合理的理論解釋。在經(jīng)過(guò)了幾個(gè)月的工作，普朗克終于發(fā)現(xiàn)對(duì)于該公式的合理解釋，唯一可行的假設(shè)就是：物體在發(fā)射和吸收能量時(shí)，能量并不是連續(xù)變化的，而是以一定數(shù)量值的整數(shù)倍跳躍變化的。也就是說(shuō)，在輻射的發(fā)射和吸收過(guò)程中，能量并不是無(wú)限可分的，而是有一個(gè)最小的單元，這個(gè)最小的單元，普朗克稱之為“能量子”或是“量子”。正是這個(gè)大膽的假設(shè)敲開(kāi)了新時(shí)代的大門(mén)。黑體輻射作為20世紀(jì)初科學(xué)界

12、有劃時(shí)代意義的研究?jī)?nèi)容，開(kāi)啟了一個(gè)新的時(shí)代。1.2 納米材料簡(jiǎn)介同樣在20 世紀(jì)，科學(xué)領(lǐng)域的另一個(gè)巨大發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)，影響了我們對(duì)于自然界的認(rèn)識(shí)。從20世紀(jì)80年代以來(lái)，納米技術(shù)已經(jīng)成為貫穿物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、微電子學(xué)等多門(mén)學(xué)科的綜合性科學(xué)所謂納米材料(nano material)，是指在三維尺度中，至少有一維屬于納米尺度范圍或者是以它們?yōu)榛締卧M成材料1。論文實(shí)驗(yàn)中所用到的納米材料樣品屬于納米粉體，是眾多納米材料物理形態(tài)中的一種。其他形態(tài)還包括納米塊、納米纖維、納米膜和納米相分離液體等。與普通材料相比，納米材料所擁有的光催化、發(fā)光、光譜遷移、光吸收等性質(zhì)。這些普通材料所不具有的性質(zhì)決

13、定了納米材料在信息技術(shù)、物質(zhì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、生命科學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。納米材料的顆粒大小在1-100nm之間，處于原子簇向宏觀物體的過(guò)渡部分。如果從宏觀和微觀的角度來(lái)看，納米材料既不屬于宏觀材料系統(tǒng)也不屬于微觀材料系統(tǒng)，并且具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等特性。正是因?yàn)榧{米材料的這些有別于普通材料的性質(zhì)，眾多科學(xué)家和企業(yè)都將納米材料作為重要的研究對(duì)象。而稀土納米材料相對(duì)于一般納米材料，由于稀土元素外層電子結(jié)構(gòu)基本相同，而內(nèi)層4f軌道未成對(duì)電子多、原子磁矩高；電子能級(jí)極其豐富，比周期表中所有其他元素電子能級(jí)躍遷的數(shù)目多1-3個(gè)數(shù)量級(jí)；另外稀土金屬活潑，幾乎可與所有元素發(fā)生作用，容易失去電子形成

14、多種價(jià)態(tài)、多配位數(shù)（從3到12）的化合物，因此稀土在激光、發(fā)光、信息、永磁、超導(dǎo)、能源、催化、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的日趨成熟，納米技術(shù)與稀土相結(jié)合形成的新材料使稀土的應(yīng)用增加了不少新的內(nèi)涵，發(fā)揮出其更大的潛能2-6。1.3 論文的研究背景和意義時(shí)至今日，黑體輻射被應(yīng)用在廣泛的領(lǐng)域。其中黑體輻射還被應(yīng)用在測(cè)量天體、恒星的溫度，甚至是宇宙的背景溫度。根據(jù)維恩定律和斯蒂芬-波爾茲曼定律，我們知道溫度越高能量越向短波波段集中，反之向長(zhǎng)波波段集中，這就是為什么藍(lán)色恒星的溫度大于橙紅色恒星的溫度。不僅在天體物理中，在我們身邊也有類似的黑體輻射的應(yīng)用。例如大家所熟知的夜視儀

15、，正是利用了任何溫度高于絕對(duì)零度的物體就會(huì)向外輻射電磁波。與黑體輻射相關(guān)的就是黑體輻射源。1990年國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定，溫度應(yīng)采用黑體輻射的光譜輻射亮度來(lái)表示，并且黑體輻射源被用作標(biāo)定紅外測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)。由此看出黑體輻射源在利用輻射測(cè)溫中的作用越來(lái)越重要。正是因?yàn)楹隗w輻射源的重要地位，使其在紅外加熱、輻射測(cè)溫、遙感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。一般得到近似黑體的方式是使用開(kāi)有小孔的空腔，所以通常把開(kāi)有小孔的空腔叫做黑體輻射源。但是這樣的黑體輻射源體積較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常包含有腔體、加熱線圈、保溫層、溫度計(jì)和溫度控制部分7。將這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大的黑體輻射源作為校正其他輻射源或是紅外系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，在維護(hù)、攜帶

16、上帶來(lái)了不便。更重要的是考量輻射源優(yōu)劣最重要的指標(biāo)就是溫度的均勻性?，F(xiàn)有的空腔型黑體輻射源在這方面因?yàn)轶w積的緣故有先天的缺陷。作為改進(jìn)，論文提出使用激光誘導(dǎo)摻雜稀土納米材料獲得微米尺度的黑體輻射源。而得到微米尺度的輻射點(diǎn)源，因?yàn)槠潴w積小，可以認(rèn)為輻射源沒(méi)有溫度的不均勻性。微米尺度的輻射源，對(duì)于紅外系統(tǒng)的微型化提供了新的思路。摻雜稀土離子的納米材料的光學(xué)特性在近幾年引起了廣泛的討論，但是納米材料作為黑體輻射源，是否滿足所需的要求，材料的黑體輻射特性等并沒(méi)有做出分析討論。課題所關(guān)注的正是由熒光淬滅后的黑體輻射8。雖然納米材料的發(fā)光特性這些年已經(jīng)有很多的研究，但是在熒光區(qū)之后產(chǎn)生的黑體輻射現(xiàn)象缺少相

17、關(guān)的研究。對(duì)于獲得微米尺度的黑體輻射源，是否滿足作為紅外測(cè)溫儀的標(biāo)準(zhǔn)輻射源也沒(méi)有論證。并且對(duì)于摻雜稀土離子納米材料具有的黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生原因眾說(shuō)紛紜，至今沒(méi)有定論，因此課題研究摻雜稀土離子納米材料的黑體輻射特性，有探索意義。1.4 納米材料黑體輻射特性的研究現(xiàn)狀關(guān)于納米材料的黑體輻射特性，從激發(fā)閾值，到雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因，在現(xiàn)在都沒(méi)有令人信服的理論解釋。2003年，在Redmond的博士論文中建立了由紅外激光器誘導(dǎo)納米材料的黑體輻射產(chǎn)生的理論模型，認(rèn)為納米材料的黑體輻射產(chǎn)生是由于襯底材料在固液相變時(shí)熱導(dǎo)率的突然變化和固液相變時(shí)反射率的突然降低增加了材料對(duì)激光輻射的吸收9。這一假設(shè)在論文中得到

18、很好地驗(yàn)證。但是在產(chǎn)生黑體輻射后出現(xiàn)的黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象沒(méi)有給出令人信服的解釋，并且沒(méi)有解釋在黑體雙穩(wěn)態(tài)圖像中在拐點(diǎn)處的非線性變。1998年，E. Bertran等人在硅納米粉末受激光激發(fā)的實(shí)驗(yàn)中觀察到強(qiáng)烈的黑體輻射現(xiàn)象，認(rèn)為產(chǎn)生的的黑體輻射源于粉末中粒子的共同作用10。2003年，S. M. Redmond在其博士論文中，分析了出現(xiàn)在用激光激發(fā)的Yb,Er:Y2O3材料中強(qiáng)烈黑體輻射產(chǎn)生的原因，描述并用固液相變、材料反射率的突然變化嘗試解釋了黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因11。2004年，S. M. Redmond將黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因歸結(jié)于材料中摻雜餌離子的重吸收作用，文章也沒(méi)有說(shuō)明對(duì)于摻雜

19、其他稀土離子的納米材料是否會(huì)產(chǎn)生黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)，課題使用的摻雜了銩離子的納米材料中也觀察到了黑體雙穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象12。1.5 論文的主要內(nèi)容本論文主要研究Yb,Tm共摻氧化鋯在972nm激光器誘導(dǎo)下得到的黑體輻射點(diǎn)源的輻射特性和黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)采用的972nm激光器與納米材料中摻雜的Tm離子沒(méi)有相應(yīng)的激發(fā)能級(jí)，但是Yb離子的吸收峰在972nm附近。因此Yb離子作為敏化劑吸收激光器的能量并傳遞給Tm離子13。當(dāng)熒光淬滅之后，摻雜的稀土材料吸收度的能量大多數(shù)以聲子的形式輻射出去，產(chǎn)生大量的熱能，使得納米材料發(fā)生物相變化，改變了材料的熱導(dǎo)和反射率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果論文認(rèn)為稀土離子的重吸收作用并不是產(chǎn)

20、生激光誘導(dǎo)納米材料產(chǎn)生黑體雙穩(wěn)態(tài)的決定因素。為了驗(yàn)證論文的猜測(cè)首先確定經(jīng)過(guò)熒光淬滅之后的白熾現(xiàn)象是不是黑體輻射，論文采用探測(cè)器收集光譜并通過(guò)軟件和標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射公式擬合的方法，分析是否可以將白熾現(xiàn)象作為黑體輻射，進(jìn)而近似認(rèn)為得到黑體輻射源。然后，調(diào)整激光器的輸出功率，得到黑體輻射強(qiáng)度隨激光器功率變化的規(guī)律，利用維恩公式求的黑體輻射源的色溫。最后，實(shí)驗(yàn)測(cè)量黑體輻射光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，分析黑體輻射光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生機(jī)理，討論非線性變化的產(chǎn)生原因。論文內(nèi)容如下：第1章緒論部分概述課題的研究背景及意義，分析納米材料黑體輻射的研究發(fā)展及現(xiàn)狀。第2章理論部分綜合概述了有關(guān)黑體輻射的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，納米材料產(chǎn)生黑體輻射的

21、原因，黑體雙穩(wěn)態(tài)非線性變化的理論依據(jù)。這一部分為之后的分析打下了良好的基礎(chǔ)。第3章Tm,Yb:ZrO2黑體輻射特性實(shí)驗(yàn)研究部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，討論了黑體輻射的產(chǎn)生原因，介紹黑體輻射點(diǎn)源的輻射特性。第4章黑體輻射源雙穩(wěn)態(tài)研究部分給出了黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生原因。分析了黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)的輻射特性，討論了樣品固液相變對(duì)輻射特性的影響。1.6 本章小結(jié)本章首先介紹了黑體輻射和稀土納米材料的研究發(fā)展情況，然后介紹了稀土納米材料黑體輻射的研究現(xiàn)狀和背景，并探討了稀土納米材料黑體輻射可能的應(yīng)用方向。最后闡述了論文的研究?jī)?nèi)容和安排。第2章 黑體輻射相關(guān)理論2.1 引言為了討論納米材料的黑體輻射特性，首先要

22、獲得黑體輻射點(diǎn)源。實(shí)驗(yàn)中采用波長(zhǎng)為973nm的紅外激光器誘導(dǎo)以氧化鋯為襯底，Yb3+和Tm3+共摻的納米材料，產(chǎn)生黑體輻射。在論文所述的研究中，黑體輻射的產(chǎn)生開(kāi)始于摻雜稀土納 米材料系統(tǒng)的熒光淬滅之后。摻雜稀土的納米材料系統(tǒng)通過(guò)吸收電子在4f-4f的躍遷過(guò)程中的能量產(chǎn)生熒光。當(dāng)增加激光器的輸出功率，可以觀察到實(shí)驗(yàn)樣品產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度逐漸減小，通過(guò)光譜儀測(cè)量可以驗(yàn)證這一結(jié)論。如果繼續(xù)增大激光器的輸出功率，我們將會(huì)看到熒光漸漸熄滅，稱這一現(xiàn)象是熒光淬滅。這一熒光淬滅的現(xiàn)象已經(jīng)得到了很好的分析。當(dāng)是熒光淬滅之后，繼續(xù)增加激光器的輸出功率，我們發(fā)現(xiàn)樣品上出現(xiàn)了白色亮斑，并且隨著激光器功率的增加，亮斑的強(qiáng)

23、度不斷增加。理論上認(rèn)為激光器的能量被納米材料中摻雜離子吸收，躍遷能量以聲子形式發(fā)射出去，產(chǎn)生黑體輻射。本章節(jié)將敘述黑體輻射的相關(guān)理論和黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)的理論模型，試圖從理論上分析其產(chǎn)生的原因。2.2 黑體輻射的相關(guān)理論所謂黑體是指這樣一種物體，在任何溫度下，它能夠吸收全部入射的任何波長(zhǎng)的電磁波，沒(méi)有任何的反射和透射，而且在任何溫度下，它所發(fā)射出的熱輻射比任何其他物體都強(qiáng)。并且黑體的光譜輻射出射度只與頻率和溫度有關(guān)。黑體是種被理想化的物體。在自然界中不存在理想的黑體14。而對(duì)于任何具有絕對(duì)零度以上溫度的物體都有黑體輻射。課題掃描的黑體輻射光譜既有在可將光部分的光譜也有存在在紅外部分的光譜。紅外輻射

24、是一種電磁輻射，它既具有與可見(jiàn)光相似的性質(zhì)，如反射、折射、干涉等，又具有粒子性，可以以光子的形式被發(fā)射和吸收。而且紅外輻射具有比可見(jiàn)光更強(qiáng)的熱效應(yīng)15。2.2.1 黑體輻射的基本概念1、光譜輻射出射度頻率為的光譜輻射出射度是指：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從物體單位表面積發(fā)出的、頻率在附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁波能量。光譜輻射出射度用M表示，它的SI單位為W/( mHz)。2、色溫度設(shè)某一溫度的絕對(duì)黑體與實(shí)際物體在某兩個(gè)波長(zhǎng)的光譜輻出度之比相等，則黑體的溫度稱為該物體的色溫度。色溫度用表示。但是要注意如果被測(cè)物體是對(duì)入射光的波長(zhǎng)有較強(qiáng)的選擇性的輻射提時(shí)，色溫度就會(huì)有較大的誤差，色溫度也就失去了意義。2.2.2 黑

25、體輻射譜的基礎(chǔ)理論自然界中的所有物體，在任意溫度下都可以向外發(fā)出波長(zhǎng)不同的電磁波。并且電磁波的能量隨著溫度的不同，它按照波長(zhǎng)的分布也不同。這種能量按照波長(zhǎng)的分布隨溫度變化而不同的電磁輻射成為熱輻射。1、斯蒂芬-波爾茲曼定律：溫度一定的黑體所發(fā)出的熱輻射通過(guò)光譜儀展寬可以得到光譜輻射出度與與波長(zhǎng)間的關(guān)系。其積分形式為 (1.1)R(T)代表總的輻射出度，它的大小與溫度有關(guān)。這與我們熟知的由斯蒂芬得出的輻射出度R與溫度T的四次方成正比相似，波爾茲曼通過(guò)理論推導(dǎo)得出了這個(gè)關(guān)系，這個(gè)關(guān)系就是我們熟悉的斯蒂芬-波爾茲曼定律，可以表示為 (1.2)式中稱為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，它可以通過(guò)普朗克公式推導(dǎo)得出

26、，大小為=5.67032108W/(m2 K4)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，同過(guò)斯蒂芬-波爾茲曼公式可以由總的輻射出度R得出黑體的溫度，這就是輻射法測(cè)高溫物體溫度的依據(jù)。論文第3章正是利用了這個(gè)公式，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到了黑體溫度。2、維恩位移定律：1896年，維恩從經(jīng)典熱力學(xué)和麥克斯韋分布定律出發(fā)推導(dǎo)出溫度與頻率的關(guān)系，即 (1.3)公式中和為常量。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步推導(dǎo)我們可以得到更為簡(jiǎn)潔的形式： (1.4)其中b=2.89710-3mK。由該公式所得到的結(jié)果在高頻范圍內(nèi)很好的吻合了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)曲線，但是在低頻范圍內(nèi)改公式與實(shí)際黑體輻射曲線有較大偏差。論文實(shí)驗(yàn)所涉及到的溫度大約在1800K左右，

27、可以認(rèn)為維恩公式成立。因此黑體光譜輻射出度峰值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)與黑體的絕對(duì)溫度T成反比。3、瑞利-金斯公式：根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)導(dǎo)出的輻射公式。瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，研究密封空腔中的電磁場(chǎng)，得到了空腔輻射的能量密度(，T)按頻率分布的公式，即 (1.5)其中k是波爾茲曼常數(shù)。K=1.380650510-23J/K。C為光速，T為熱力學(xué)溫度。該公式所得的理論圖像在低頻范圍內(nèi)可以很好地與實(shí)驗(yàn)圖像匹配，但是在高頻范圍內(nèi)則存在很大的偏差，如果對(duì)上面公式進(jìn)行全頻率積分的話就會(huì)得到能量密度為無(wú)窮大的結(jié)果，這顯然是不正確的，物理學(xué)史上稱為“紫外災(zāi)難”。4、普朗克公式：普朗克在量子論基礎(chǔ)上建立的關(guān)于黑體輻射的

28、公式，給出了輻射場(chǎng)能按照分布的公式，即： (1.6)作為黑體的腔內(nèi)輻射場(chǎng)，可以分解為一系列單色平面波的疊加。普朗克公式在近代物理發(fā)展中占有極其重要的地位。普朗克關(guān)于微觀粒子能量不連續(xù)的假設(shè)，首先用于普朗克公式的推導(dǎo)上，并得到了與實(shí)驗(yàn)一直的結(jié)果，從而奠定了量子理論的基礎(chǔ)。普朗克公式是課題研究激發(fā)得到的輻射源是否為黑體、溫度與激光器激發(fā)功率關(guān)系、輻射源所具有的黑體輻射特性的重要理論工具。2.2.3 摻雜稀土納米材料系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈黑體輻射的原理在對(duì)納米材料使用紅外激光器進(jìn)行誘導(dǎo)的過(guò)程中，在經(jīng)歷了熒光淬滅后觀察到強(qiáng)烈的白熾現(xiàn)象。黑體輻射從在于任何溫度高于絕對(duì)零度的物質(zhì)上。黑體輻射作為常見(jiàn)的輻射方式是由于

29、吸收了大量的熱能。在本課題中黑體輻射是指幾乎完全吸收了所有入射光產(chǎn)生的熱輻射。一個(gè)典型的黑體輻射強(qiáng)度圖如圖2.1所示，該光譜圖是大約在2700K時(shí)納米材料釋放出強(qiáng)烈的可見(jiàn)黑體輻射光譜。由于黑體輻射譜的頻譜寬度延伸至紅外部分，因此想要完成較為完整的光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量變得比較困難。但是，測(cè)量納米材料可見(jiàn)部分和紅外部分的光譜，并和理論上的黑體輻射光譜進(jìn)行比較同樣可以完成預(yù)期的目標(biāo)得到微米尺度的黑體輻射源和討論黑體輻射譜的雙穩(wěn)態(tài)。通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射擬合并把頻譜溫度作為唯一的擬合參數(shù)的比較方法成為論文采用的獲得納米材料頻率溫度的必要手段。通過(guò)這一方法獲得的光譜和理論上的黑體輻射擬合將在下一章中介紹。圖2.1

30、2700K時(shí)的黑體輻射譜除了分析光譜的形狀，我們還將研究激發(fā)黑體輻射激光器的功率與黑體輻射的溫度之間關(guān)系。對(duì)于給定的激光器入射強(qiáng)度，溫度的快速增加使得輻射強(qiáng)度也快速增加。這是討論發(fā)生在納米材料中黑體輻射首先要了解的原理。隨著溫度的升高，襯底ZrO2在固態(tài)向液態(tài)的突然相變時(shí)熱導(dǎo)有明顯的減小，在470K時(shí)，襯底ZrO2發(fā)生了結(jié)構(gòu)性相變，而這個(gè)溫度低于襯底的熔點(diǎn)16。同樣由于固液相變時(shí)納米材料反射率的突然降低，增加了材料對(duì)激光器入射的吸收。而摻雜離子的非輻射躍遷量子效率與溫度具呈非線性的關(guān)系，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，非輻射躍遷量子效率突然變大，產(chǎn)生的聲子數(shù)量增大，溫度突然升高，黑體輻射的強(qiáng)度也隨之增大。

31、2.2.4 灰體輻射理論眾所周知，黑體是理想化的模型，它跟現(xiàn)實(shí)中的輻射源有一定區(qū)別。同樣另一種有關(guān)于熱輻射的理想模型灰體。即某種物體的輻射光譜是連續(xù)的，并且在任何溫度下所有各波長(zhǎng)射線的輻射強(qiáng)度與同溫度黑體的相應(yīng)波長(zhǎng)射線的輻射強(qiáng)度之比等于常數(shù),那么這種物體就叫做理想灰體，或簡(jiǎn)稱灰體。實(shí)際物體在某溫度下的輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系是不規(guī)則的，因此不是灰體。課題所得到的輻射譜中不僅存在著黑體輻射，而且存在著很多包括灰體輻射在在內(nèi)的非黑體輻射。灰體輻射作為非黑體輻射中，較為重要的一種熱輻射，并且真實(shí)的輻射都可以近似的看成灰體輻射17，需要課題作出分析討論。根據(jù)灰體輻射和黑體輻射之間的關(guān)系，即 (1.7)表達(dá)

32、式中黑體輻射的光譜方向輻射強(qiáng)度，表示灰體輻射的光譜方向輻射強(qiáng)度，光譜發(fā)射率。在統(tǒng)計(jì)學(xué)和量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，普朗克給出了平衡熱輻射下單色光和光譜的方向熵強(qiáng)度公式： (1.8)表達(dá)式中，表示波長(zhǎng)，為光速，為極化程度（非極化輻射，平面極化輻射），為波爾茲曼常數(shù)，為普朗克常數(shù)14。將公式(1.7)帶入公式(1.8)中，可以得到灰體輻射下的熵強(qiáng)度，即： (1.9)表達(dá)式中，表達(dá)式(1.9)求從0到無(wú)窮的積分，考慮到實(shí)驗(yàn)所用樣品產(chǎn)生的是平面極化輻射，取為1，并轉(zhuǎn)化球面度單位到平面單位，可得灰體輻射輻射強(qiáng)度的公式，即： (1.10)表達(dá)式中取，為黑體輻射強(qiáng)度公式。通過(guò)這一關(guān)系可以看出當(dāng)為確定值時(shí)，黑體輻射與灰

33、體輻射存在線性關(guān)系。2.3 黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)理論模型從黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)的基本模型出發(fā)，即。表達(dá)式中表示樣品吸收光強(qiáng)，即： (1.11)其中，表示Yb離子的共振吸收系數(shù)，非共振吸收系數(shù)（背景散射）。是輻射強(qiáng)度，包括三部分，即： (1.12)其中表示納米材料中稀土離子吸收能量產(chǎn)生的熒光輻射光強(qiáng)能量，表示樣品產(chǎn)生的黑體輻射的能量，表示熱傳導(dǎo)的能量。熒光輻射光強(qiáng)可以表示為： (1.13)公式中，為樣品吸收光強(qiáng)，單位為W/m2，表示Tm離子的熒光輻射頻率，單位為Hz，表示泵浦光的頻率，即激光器的頻率，單位為Hz，為表示多光子弛豫過(guò)程中的離子激發(fā)比，即1個(gè)Tm離子輻射需要的Yb離子的個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)中取為3。表示Y

34、b離子的量子傳遞效率，表示Tm離子的輻射量子效率，表示Tm離子的逃逸量子效率。是關(guān)于溫度T的函數(shù)，它與Yb離子的輻射躍遷速率和無(wú)輻射躍遷速率有關(guān)，具體表達(dá)式為： (1.14)表示Yb離子的輻射躍遷速率，單位為Hz，表示Yb離子的無(wú)輻射躍遷速率，單位為。也是關(guān)于溫度T的函數(shù)，它的表達(dá)式為： (1.15)表達(dá)式中h為普朗克常數(shù)，其值為6.6310-34，單位為Js，c為光速，其值為3.0108m/s，k為波爾茲曼常數(shù)，為1.3810-23J/K，為T(mén)m的輻射波長(zhǎng)，其值為801nm，N為T(mén)m離子激發(fā)態(tài)能級(jí)無(wú)輻射弛豫所釋放的聲子數(shù)，在本課題中取1。樣品產(chǎn)生黑體輻射的強(qiáng)度為，其表達(dá)式為： (1.16)公

35、式中為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，其值為W/K4m2，T0表示實(shí)驗(yàn)環(huán)境的室溫，在課題進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中取300K。任何物體都有熱導(dǎo)，樣品的導(dǎo)熱使得樣品產(chǎn)生的能量向外傳遞。熱導(dǎo)的輻射強(qiáng)度為： （1.17）K(T)為樣品的熱導(dǎo)率，是關(guān)于溫度的函數(shù)，單位為W/(Km)。根據(jù)熱導(dǎo)作為一個(gè)重要的參數(shù)，它對(duì)黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)有重要影響。為了探究它的變化規(guī)律，我們采用S. M. Redmond論文中提到的數(shù)據(jù)用函數(shù)y = A1*exp (-x/t1) + y0 擬合18，相應(yīng)參數(shù)見(jiàn)圖2.2。可知，當(dāng)溫度較低(T1000K)時(shí)，K(T)基本為常數(shù)，即激光器的輸出功率可近似為2.2W/(Km)。圖2.2 樣品熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)

36、律作為產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的理論模型，公式(1.14)(1.17)帶入公式(1.13)可得樣品吸收強(qiáng)度與熒光輻射強(qiáng)度、黑體輻射強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)強(qiáng)度的關(guān)系： (1.18)公式中K的取值為常數(shù)，s為非共振吸收系數(shù)，即背景的吸收和散射造成的輻射。公式（1.18）是討論黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生原因的重要依據(jù)，將在第四章中討論。2.4 實(shí)驗(yàn)材料的制備按一定的化學(xué)計(jì)量比稱取硝酸氧鋯ZrO(NO3)2和Yb(NO3)3、Tm(NO3)3溶于水中，溶解后加入0.20 g EDTA（乙二胺四乙酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）和3.60g尿素（金屬離子：尿素=1：2），攪拌20 min，移入坩堝內(nèi)，在100度下燒1 h，再升溫至800度燒3 h

37、。調(diào)整加入的試劑量可制成不同摻雜濃度的。本實(shí)驗(yàn)采用Yb:Tm=8%:0.3%的樣品。Tm,Yb:ZrO2納米晶體的形貌用掃描電子顯微鏡（SEM）顯示，掃描圖像如圖2所示，納米顆粒近球形，平均直徑約30-50 nm。最樣品燒制成后呈白色粉末狀，用壓片機(jī)將粉末壓成直徑10 mm厚度約1 mm的納晶薄片，即制成最終測(cè)試樣品。圖2.2 由掃描電鏡的到的樣品微觀圖像2.5 本章小結(jié)本章綜合概述了有關(guān)黑體輻射的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，納米材料產(chǎn)生黑體輻射的原因和黑體雙穩(wěn)態(tài)非線性變化的理論依據(jù)。其中論文中提到的黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)行為的變化依據(jù)和灰體輻射公式是結(jié)合了相關(guān)文獻(xiàn)后完成的。這一部分為之后兩章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析打下了良

38、好的基礎(chǔ)。第3章 Tm,Yb:ZrO2黑體輻射特性3.1 納米材料黑體輻射模型以確定的激光器輸出強(qiáng)度激發(fā)樣品，樣品溫度的快速增加使得樣品產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度快速增加。當(dāng)不斷增加激光器的激發(fā)強(qiáng)度，溫度也跟隨著升高，襯底氧化鋯由固態(tài)向液態(tài)變化，這時(shí)熱導(dǎo)有明顯的減小。在470K時(shí)，襯底ZrO2發(fā)生了結(jié)構(gòu)性相變，而這個(gè)溫度低于襯底的熔點(diǎn)。同樣由于固液相變時(shí)納米材料反射率的突然降低，增加了材料對(duì)激光器入射的吸收18。在熒光淬滅之后材料吸收的激光能量不再轉(zhuǎn)化成光能，更多的以熱輻射的形式發(fā)出。這是由于熒光淬滅后，Tm離子能級(jí)之間的躍遷以多聲子弛豫過(guò)程為主19。實(shí)驗(yàn)樣品屬于非晶固體，而聲子是樣品產(chǎn)生熱輻射的能量量子

39、。因而在淬滅之后激光功率越高，產(chǎn)生的聲子越多，熱輻射強(qiáng)度越高20-22。而實(shí)驗(yàn)中得到的輻射源可否認(rèn)近似認(rèn)為是黑體下面將作出解釋。3.2 輻射點(diǎn)源的黑體近似3.2.1 實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)采用輻射光譜作為分析研究摻雜稀土離子的納米材料黑體輻射特性的工具。激發(fā)光譜通常用來(lái)檢驗(yàn)關(guān)于能量轉(zhuǎn)換盒上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體能級(jí)的相關(guān)假設(shè)。為了得到輻射光譜，實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)始于波長(zhǎng)為972nm的半導(dǎo)體激光器，實(shí)驗(yàn)對(duì)光束不進(jìn)行任何處理，直接照射在固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)樣品上，激光器對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā)。激光光束激發(fā)樣品產(chǎn)生輻射后，激發(fā)的光束經(jīng)過(guò)由兩個(gè)平凸透鏡組成的匯聚系統(tǒng)，對(duì)光束進(jìn)行聚焦可以減少樣品被激發(fā)輻射的發(fā)散損耗，有利于的探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探

40、測(cè)。采用TE制冷型銦鎵砷探測(cè)器探測(cè)，對(duì)樣品激發(fā)后的光譜進(jìn)行探測(cè)。測(cè)量實(shí)驗(yàn)方案圖如圖3.1所示。由于激光器的本身波長(zhǎng)是972nm，為了避免激光器對(duì)光譜探測(cè)時(shí)的干擾，實(shí)驗(yàn)跳過(guò)了900-1000nm這一波段。探測(cè)器的終端是采用Zolix光柵光譜儀，光譜儀采用DSC103數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)光譜儀收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。光譜儀采集到的信息在計(jì)算機(jī)上顯示為相對(duì)強(qiáng)度依賴于波長(zhǎng)的變化規(guī)律。利用上述的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以得到激光器激發(fā)樣品產(chǎn)生的輻射光譜，為接下來(lái)與理論黑體輻射譜擬合提供了數(shù)據(jù)。使用上述的實(shí)驗(yàn)方案，減少了輻射散射的損耗，通過(guò)光譜圖可以直接觀察峰值變化和峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的變化。圖3.1 900-1000nm波段探測(cè)裝

41、置圖雖然通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)方案可以得到相對(duì)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律，但是考慮到探測(cè)器的響應(yīng)區(qū)間，因此收集到數(shù)據(jù)之后，需要通過(guò)HL-2000-CAL輻射校正標(biāo)準(zhǔn)能量燈對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的校正。校正光路只是在收集輻射譜實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行修改，用標(biāo)準(zhǔn)燈替換包括激發(fā)樣品在內(nèi)的之前的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3.2所示。HL-2000-CAL輻射校正標(biāo)準(zhǔn)能量燈在3001050nm區(qū)間內(nèi)是準(zhǔn)確的，實(shí)驗(yàn)中得到的紅外部分?jǐn)?shù)據(jù)在大部分在這個(gè)范圍之外，紅外部分的校正通過(guò)擬合得到。圖3.2 校正裝置圖3.2.2 測(cè)量方案和結(jié)果測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，首先用工作電流為1.0A的激光強(qiáng)度激發(fā)樣品，觀察產(chǎn)生到樣品產(chǎn)生熒光。之后緩慢增大激光器的工作電

42、流，可以發(fā)現(xiàn)隨著激光器工作電流的增大，樣品產(chǎn)生的熒光逐漸減小，熒光顏色從藍(lán)色向紅色變化，直到淬滅。然后將激光器的工作電流調(diào)整到3.0A，此時(shí)，樣品表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的白熾現(xiàn)象，樣品進(jìn)入黑體輻射區(qū)。接著開(kāi)始探測(cè)激光器誘導(dǎo)得到的光譜，探測(cè)時(shí)跳過(guò)950-1000nm部分。因?yàn)榧す馄鞅旧淼牟ㄩL(zhǎng)為972nm，跳過(guò)該波段避免激光器波長(zhǎng)對(duì)光譜的影響。之后分別測(cè)量激光器工作電流為3.0A、3.4A、3.8A、4.2A、4.6A、5.0A時(shí)的光譜圖。部分測(cè)量結(jié)果如圖3.3(a)和圖3.3(b)所示。圖3.3（a） 工作電流3.0A時(shí)的黑體輻射譜圖3.3（b）工作電流5.0A時(shí)的黑體輻射譜3.2.3 樣品輻射源的黑體近

43、似比較所得樣品激發(fā)后輻射源的光譜圖，即圖3.3(a)和圖3.3(b)，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為相對(duì)強(qiáng)度。圖中峰值清晰可見(jiàn)，隨著激光器工作電流增大，樣品產(chǎn)生的輻射峰值的相對(duì)強(qiáng)度增大。每條曲線的變化規(guī)律基本相同。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡得到的輻射相對(duì)強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)，采用origin8軟件，和普朗克黑體輻射公式進(jìn)行擬合。使用的擬合公式為 (3.1)擬合公式中，m為擬合參數(shù)，由數(shù)據(jù)和普朗克公式擬合后由軟件給出，分別為常數(shù)，它們的值分別為3.74210-16Wm2和WK。為波長(zhǎng)，單位為nm，T為溫度，單位為K。軟件擬合后的工作電流為3.0A和5.0A時(shí)的圖像結(jié)果如圖3.4(a)及圖3.4(b)給出。通過(guò)擬合數(shù)

44、據(jù)，可以得到對(duì)應(yīng)工作電流時(shí)的輻射溫度。圖3.4(a) 工作電流3.0A時(shí)輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖3.4(b) 工作電流5.0A時(shí)輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系根據(jù)上面所得的數(shù)據(jù)擬合圖像，黑色的散點(diǎn)是表示光譜中，每一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度。曲線是所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)和普朗克黑體輻射公式擬合后得到的曲線。通過(guò)擬合曲線，可以明顯的看出，在波長(zhǎng)1500nm附近存在峰值。隨著工作電流增大，光譜的峰值的相對(duì)強(qiáng)度也在增大。光譜本身的輻射曲線與擬合曲線，雖然沒(méi)有完全擬合，但是在變化規(guī)律上基本一致，可以清晰的辨別出峰值、下降、上升的趨勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)譜校正，而課題送用的標(biāo)準(zhǔn)譜缺少1000-1800nm這一部分的標(biāo)準(zhǔn)值

45、，論文所用的標(biāo)準(zhǔn)值是經(jīng)過(guò)公式擬合得到，考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身存在誤差，以及熱動(dòng)力學(xué)的影響，因此造成標(biāo)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)擬合上有差別，可以認(rèn)為樣品經(jīng)過(guò)激光器的誘導(dǎo)得到了近似的黑體輻射點(diǎn)源。對(duì)于得到的輻射點(diǎn)源的尺度，經(jīng)過(guò)掃描電鏡的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)激光器激發(fā)后樣品表面產(chǎn)生了直徑大約為200nm的孔洞圖3.5所示。這是應(yīng)為激光的光輻射和樣品產(chǎn)生黑體輻射后產(chǎn)生了大量的熱，使得樣品表面溫度高于樣品的熔點(diǎn)，發(fā)生了相變。待激光器停止提供能量后，溫度降低，材料冷卻留下了孔洞。圖3.5 掃描電鏡得到的輻射點(diǎn)源觀察由掃描電鏡得到的樣品表面圖像，可以清晰地看到樣品被激光器激發(fā)的表面和周圍沒(méi)有被激發(fā)地方相比不再平整，樣品上被打

46、出了孔洞。這正是由于在樣品表面發(fā)生固液相變，表面的樣品被融化并且再次凝固帶來(lái)的結(jié)果。當(dāng)然，課題所得到的并不是黑體。通過(guò)和灰體輻射的公式即公式(1.10)進(jìn)行擬合，得到了圖3.6所示的擬合圖像。圖3.6 激光器工作電流為3.8A灰體產(chǎn)生輻射的擬合圖像通過(guò)灰體輻射擬合的圖像，很坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為輻射強(qiáng)度的相對(duì)值。黑點(diǎn)表示每一波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度的相對(duì)值，紅色曲線是和灰體產(chǎn)生輻射公式擬合后的圖像?？梢钥闯鰯M合出的灰體輻射曲線基本符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，可以清晰分辨出來(lái)曲線的上升、峰值、下降。在變化規(guī)律上遵循熱輻射的變化規(guī)律。同樣，灰體輻射所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依舊受到了標(biāo)準(zhǔn)譜不平坦的影響，和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)

47、生了誤差。自然界中，并不存在真正意義上的黑體，課題利用納米材料在發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象后，產(chǎn)生黑體輻射的特性，得到了大小約為200nm的黑體輻射點(diǎn)源。點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的變化關(guān)系基本滿足了普朗克黑體輻射定律，因此課題得到了近似的黑體點(diǎn)源。黑體點(diǎn)源的溫度隨激光激發(fā)功率的變化規(guī)律將在下一節(jié)介紹。3.3黑體輻射色溫與激發(fā)功率的關(guān)系3.3.1可見(jiàn)光部分光譜測(cè)量方案測(cè)量樣品產(chǎn)生可見(jiàn)光部分（400-900nm）的輻射光譜，課題采用了類似于測(cè)量1000-1800nm 部分的實(shí)驗(yàn)裝置。只不過(guò)在采用了光電倍增管探測(cè)器代替了TE制冷型銦鎵砷探測(cè)器探測(cè)。放大倍數(shù)300倍。相比紅外波段，可見(jiàn)光波段的能量較弱，未經(jīng)放大的數(shù)

48、據(jù)不方便觀察輻射強(qiáng)度和激發(fā)功率的關(guān)系。使用光電倍增管探測(cè)器，適當(dāng)?shù)膶?duì)樣品的輻射譜進(jìn)行放大，即在光譜顯示上為輻射點(diǎn)源產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度的的相對(duì)值隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。方便討論黑體輻射點(diǎn)源溫度和激發(fā)功率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.7所示。圖3.7 400-900nm輻射譜測(cè)量裝置圖同樣，為了避免激光器本征波長(zhǎng)972nm對(duì)光譜儀探測(cè)的影響，方案依然跳過(guò)了900-1000nm這個(gè)范圍不做探測(cè)。測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，首先用工作電流為1.0A的激光強(qiáng)度激發(fā)樣品，觀察產(chǎn)生到樣品產(chǎn)生熒光。之后緩慢增大激光器的工作電流，可以發(fā)現(xiàn)隨著激光器工作電流的增大，樣品產(chǎn)生的熒光逐漸減小，熒光顏色從藍(lán)色向紫色變化，直到淬滅。淬滅時(shí)激光器的工作電

49、流為1.4A，此時(shí)，樣品表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的白熾現(xiàn)象，樣品進(jìn)入黑體輻射區(qū)。接著開(kāi)圖3.8 (a) 激光器工作電流為1.4A時(shí)黑體源輻射強(qiáng)度始探測(cè)激光器誘導(dǎo)得到的光譜，之后分別測(cè)量激光器工作電流為1.5A、1.6A、1.7A、1.8A、1.9A、2.0A、2.1A時(shí)的光譜。所測(cè)光譜處在黑體輻射譜的上升段，沒(méi)有峰值。3.3.2 可見(jiàn)光部分輻射溫度與激發(fā)功率的關(guān)系經(jīng)過(guò)光譜儀的測(cè)量，并由數(shù)據(jù)采集卡得到輻射強(qiáng)度的相對(duì)值隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。同樣采用普朗克公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。圖3.8(a)和圖3.8(b)展示了1.4A和2.1A時(shí)輻射點(diǎn)源輻射強(qiáng)度的相對(duì)值和波長(zhǎng)的關(guān)系，并且和普朗克公式進(jìn)行擬合的結(jié)果。圖中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)

50、，縱坐標(biāo)為輻射強(qiáng)度的相對(duì)值。同樣這里的數(shù)據(jù)需要使用標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行校正。圖3.8（b） 激光器工作電流為2.1A時(shí)黑體源輻射強(qiáng)度如圖所示，我們得到了工作電流分別為1.4A和2.1A時(shí)光譜儀測(cè)量400-900nm范圍的數(shù)據(jù)和普朗克黑體輻射公式擬合后的圖像。黑色的點(diǎn)為波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的輻射點(diǎn)源輻射強(qiáng)度的相對(duì)值。對(duì)比不同激光器工作電流情況下的輻射強(qiáng)度的相對(duì)值，發(fā)現(xiàn)工作電流越大輻射強(qiáng)度的相對(duì)值越大，曲線的上升趨勢(shì)越明顯。這一波段處在黑體輻射譜的上升區(qū)，對(duì)于溫度的變化較為明顯。白色曲線為數(shù)據(jù)擬合后的輻射曲線。400-900nm范圍內(nèi)，黑體輻射光譜曲線處于上升區(qū)，擬合曲線和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)基本重疊在一起。說(shuō)明在400-90

51、0nm范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論公式一致。所得輻射點(diǎn)源可以近似認(rèn)為是黑體。擬合后可以得到各工作電流對(duì)應(yīng)的輸出功率，所得數(shù)據(jù)如表1所示。表3.1 激光器工作電流的對(duì)應(yīng)功率工作電流（A）對(duì)應(yīng)功率（W）工作電流（A）對(duì)應(yīng)功率（W）1.47801.811221.58651.912021.69522.012831.710362.11367由表3.1中的數(shù)據(jù)，和通過(guò)擬合得到黑體輻射點(diǎn)源的輻射溫度。得出激光器輸出功率和輻射溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，擬合圖像如圖3.9所示。橫坐標(biāo)為激光器的輸出功率，縱坐標(biāo)為輻射溫度。黑色的點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，紅色直線式擬合曲線。通過(guò)擬合，可以清晰地看出輻射溫度隨著激光強(qiáng)度的增大而增加。但是

52、可以看出實(shí)驗(yàn)得到的曲線，在激發(fā)功率較低的時(shí)候溫度的增加速度不斷減小，當(dāng)達(dá)到一定功率之后，溫度的增加速度再次增加，這是由于摻雜離子的非輻射躍遷量子效率隨溫度具有非線性的變化規(guī)律有關(guān)。這一現(xiàn)象反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)樣品的黑體輻射存在不同與普通材料的黑體輻射的特性，這一特性將在一下章中介紹。因此可以認(rèn)為得到的黑體輻射源，得到的黑體點(diǎn)源在短波長(zhǎng)部分，溫度隨著激光器激發(fā)功率的增大而升高。從這點(diǎn)考慮，點(diǎn)源作為黑體輻射源，使用激光器作為能源，不同的激發(fā)功率可以得到不同的輻射溫度，并且溫度和激發(fā)功率之間存在著線性增加的關(guān)系，課題所得到的納米尺度的黑體輻射點(diǎn)源在400-900nm范圍能可以作為測(cè)量溫度的標(biāo)準(zhǔn)輻射源。圖3.9

53、 激光器激發(fā)功率和樣品輻射溫度的關(guān)系3.3.3 紅外部分樣品輻射溫度與激光器激發(fā)功率的關(guān)系紅外部分的輻射溫度，課題另辟蹊徑，沒(méi)有采用上一節(jié)的普朗克公式擬合的方式獲得輻射溫度，而是采用了雙參數(shù)的方式。通常，由于光譜儀器、探測(cè)器等測(cè)量單元裝置的光譜響應(yīng)不平坦，會(huì)造成測(cè)量光譜的能量分布和絕對(duì)輻射譜有較大的差異，因此必須要進(jìn)行輻射譜校正（或稱為能譜校正）。上一小節(jié)才用的正是經(jīng)過(guò)校正的數(shù)據(jù)。是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的，但卻可以人工制造出近似的人工黑體。與絕對(duì)黑體類似，灰體也是一種假象的理想物體，其特征是光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體。同溫度下，黑體的表面輻射能力最強(qiáng)，實(shí)際物體的表面輻射能力都

54、比同溫度下的絕對(duì)黑體要弱，而且熱輻射光譜也要發(fā)生一定程度的變化。實(shí)際物體的熱輻射由下式描述。 (3.2)通常光譜發(fā)射率是溫度和輻射波長(zhǎng)的函數(shù)，在一定范圍內(nèi)變化，而且小于1。比如鎢絲燈（溴鎢燈，黑體色溫2800-3300K 之間的某一值）的發(fā)射率在0.2-0.5 之間變化。為同溫度下的絕對(duì)黑體輻射。利用鎢絲燈可以校正測(cè)量?jī)x器得到的輻射光譜能量分布。假定測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)為，鎢絲燈的標(biāo)準(zhǔn)輻射譜為，鎢絲燈的儀器測(cè)量譜為，則有如下關(guān)系， (3.3)因此，如果已知標(biāo)準(zhǔn)輻射譜，就可以獲得測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)譜，標(biāo)準(zhǔn)燈的絕對(duì)輻射譜可以有制造商提供，或者到國(guó)家的計(jì)量檢定測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定。由鎢絲燈獲得測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)譜

55、后，就可以校正又該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的其他輻射譜。例如，某一光源經(jīng)該測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)的光譜為，則該光源對(duì)應(yīng)的絕對(duì)輻射譜可經(jīng)如下儀器校正獲得，即 (3.4)通常，由于光譜儀器、探測(cè)器等測(cè)量單元裝置的光譜響應(yīng)不平坦，會(huì)造成測(cè)量光譜的能量分布和絕對(duì)輻射譜有較大的差異，因此必須要進(jìn)行輻射譜校正（或稱為能譜校正）。需要注意的是，如果輻射源為實(shí)際物體的熱輻射，其系統(tǒng)修正的輻射譜也并不是黑體輻射譜，有如下關(guān)系 (3.5)其中實(shí)際物體的光譜發(fā)射率（或稱黑度），它依賴于實(shí)際物體的物質(zhì)種類、表面溫度和表面情況，而與外界條件無(wú)關(guān)。通常光譜發(fā)射率是溫度和輻射波長(zhǎng)的函數(shù)，在一定范圍內(nèi)變化，而且小于1。為輻射強(qiáng)度，熱輻射光譜，為測(cè)

56、量系統(tǒng)的響應(yīng)譜。當(dāng)使用同溫度T下的黑體輻射公式去擬合修正的熱輻射譜時(shí)，通常不會(huì)擬合的非常完美，因?yàn)楣庾V發(fā)射率通常不是常數(shù)。因此，采用直接擬合的方式確定黑體色溫存在缺點(diǎn)。由上可知，使用該方法（暫稱之為“單溫度參數(shù)擬合法”）標(biāo)定實(shí)際物體熱輻射的黑體色溫有如下缺點(diǎn)：（1）需要標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)的光譜響應(yīng)，并對(duì)熱輻射譜進(jìn)行能譜校正；（2）無(wú)法確定實(shí)際物體的光譜發(fā)射率，因此不能得到對(duì)應(yīng)絕對(duì)黑體輻射譜；（3）直接使用普朗克黑體輻射公式擬合實(shí)際物體的校正輻射譜，不能獲得完美的擬合結(jié)果，差異明顯，誤差較大。為了減少單溫度參數(shù)擬合法的缺陷，在處理可能存在輻射譜峰值的數(shù)據(jù)時(shí)采用了不同的擬合方法，避開(kāi)光譜發(fā)射率、表面吸收系數(shù)以及外界條件的影響，并且不用進(jìn)行儀器響應(yīng)引起的能譜校正。假定在溫度和下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的兩組熱輻射譜分別為和，有如下的關(guān)系： (3.6) (3.7)對(duì)于同一樣品，我們可以認(rèn)為表面吸收系數(shù)和光