CH3光源及輻射源課件

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)

第3章光源及輻射源本章主要內(nèi)容3.1光源選擇的基本要求和光源的分類(lèi)3.2熱光源3.3氣體放電光源3.4固體發(fā)光光源3.5激光光源23.1光源選擇的基本要求和光源的分類(lèi)31.對(duì)光源發(fā)光光譜特性的要求

一般的光電檢測(cè)系統(tǒng)都要求光源特性滿(mǎn)足檢測(cè)需要為增大光電檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)和信噪比，這里引入光源和光電探測(cè)器之間光譜匹配系數(shù)的概念，以此描述兩光譜特性間的重合程度或一致性。光譜匹配系數(shù)α定義為：Wλ——波長(zhǎng)λ時(shí),光源光輻射通量的相對(duì)值；Sλ——波長(zhǎng)λ時(shí)，光電探測(cè)器靈敏度的相對(duì)值；A1和A2的物理意義如圖所示，它們分別表示W(wǎng)λ?Sλ和Wλ兩曲線(xiàn)與橫軸所圍成的面積。42.對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求為確保光電檢測(cè)系統(tǒng)的正常工作，通常對(duì)系統(tǒng)所采用的光源或輻射源的強(qiáng)度有一定的要求3.對(duì)光源穩(wěn)定性的要求不同的光電位測(cè)系統(tǒng)對(duì)光源的穩(wěn)定性有著不同的要求。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時(shí)，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時(shí)，可采用穩(wěn)流電源供電，所用光源應(yīng)預(yù)先進(jìn)行老化處理。當(dāng)有更高要求時(shí)，可對(duì)發(fā)出光進(jìn)行采樣，然后反饋控制光源的輸出。計(jì)量用標(biāo)準(zhǔn)光源通常采用高精度儀器控制下的穩(wěn)流源供電54.對(duì)光源其它方面的要求廣義來(lái)說(shuō)，任何發(fā)出光輻射的物體都可以叫作光輻射源。這里所指的光輻射包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光的輻射。通常把發(fā)出可見(jiàn)光為主的物體叫作光源，而把發(fā)以非可見(jiàn)光為主的物體叫做輻射源。按照光輻射來(lái)源不同，通常將光源分成兩大類(lèi)：自然光源和人工光源。

太陽(yáng)可看成是一個(gè)直徑為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)是最大、最強(qiáng)的自然光源。太陽(yáng)光譜是連續(xù)的，包含宇宙射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、X射線(xiàn)、紫外輻射、可見(jiàn)輻射、紅外輻射和射電輻射等，且輻射特性與絕對(duì)黑體輻射特性近似。在光電檢測(cè)系統(tǒng)中，大量采用的是人工光源。-6-3.2熱光源73.2.1黑體及黑體光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)器1.黑體輻射的主要公式在任意溫度條件下，能全部吸收入射在其表面上的任意波長(zhǎng)輻射的物體叫做絕對(duì)黑體，或簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。研究黑體輻射的最基本公式普朗克公式，它給出了絕對(duì)黑體在絕對(duì)溫度為T(mén)時(shí)的光譜輻射出射度：

式中Mλ——波長(zhǎng)λ處的單色輻射出射度；

——波長(zhǎng)(m)；

h——普朗克常數(shù)，其值為6.626×10-34(J·s)；

c——真空中光速，其值為2.998×108(m／s)；

k——波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23(J/K)；

T——絕對(duì)溫度(K)；

c1——第一輻射常數(shù)，其值為3.74×10-16(W·m)；

c2——第二輻射常數(shù)，其值為1.439×10-2(m·K)。

8黑體輻射單色輻射出射度的波長(zhǎng)分布①對(duì)應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)不同溫度的曲線(xiàn)不相交。②單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。③單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。9利用上述普朗克公式可以導(dǎo)出以下各實(shí)用公式。斯蒂芬一波爾茲曼公式

式中σ稱(chēng)為波爾茲曼常數(shù)黑體最大輻射波長(zhǎng)處的輻射出射度公式黑體最大輻射波長(zhǎng)λm公式，即維恩位移定律102.腔型黑體輻射源按照物理學(xué)的原理可知，等溫密閉空腔中的輻射是黑體輻射典型的腔型黑體輻射源的基本結(jié)構(gòu)原理如圖3-3所示，它主要由黑體芯子、加溫繞組、測(cè)溫計(jì)和溫度控制器等部分組成。圖3-3黑體輻射的光譜特性曲線(xiàn)11

常用的黑體芯子有四種基本結(jié)構(gòu)，其斷面如圖3-4所示。它們分別是錐形腔、柱形腔、球形腔和倒置錐形腔。圖3-4典型腔體結(jié)構(gòu)斷面示意圖12

理想黑體的比輻射率為1，對(duì)于實(shí)際工作中的標(biāo)準(zhǔn)黑體應(yīng)該做到：(1)比輻射率接近1并已知；(2)腔體內(nèi)溫度均勻；(3)溫度可調(diào)，并可知調(diào)定的溫度；(4)限制光闌的面積可調(diào)并可知調(diào)定的面積。黑體源的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)別及特征如表3-6所示。3.2.2白熾燈13(1)對(duì)燈絲材料的要求對(duì)所用熾熱燈絲材料應(yīng)有以下要求：1.熔點(diǎn)高，使之可適用于較高的工作溫度，從而使光源發(fā)光光譜向短波方向移動(dòng)；2.蒸發(fā)率小，要求在高溫?zé)霟釛l件下蒸發(fā)愈小愈好，以提高白熾燈的使用壽命；3.對(duì)可見(jiàn)光的輻射效率高，從而產(chǎn)生較多的可見(jiàn)光輻射；4.其它要求，如加工性能、機(jī)械性能等。(2)白熾燈的種類(lèi)白熾燈主要有真空白熾燈、充氣白熾燈和鹵鎢白熾燈等三類(lèi)。白熾燈發(fā)射的是可見(jiàn)光連續(xù)光譜，它是在電源供電下，依靠電能加熱金屬絲使它在真空或惰性氣體中達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)光的器件，因此稱(chēng)為白熾燈。真空白熾燈－玻殼內(nèi)真空條件的作用是保護(hù)鎢絲，使其不被氧化。充氣白熾燈－在燈泡中充入不和鎢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體氬、氮或氬和氮的混和氣體。鹵鎢白熾燈－在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑（如氯化碘、溴化硼等），在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán)。14鹵鎢循環(huán)工作原理圖153.2.3其他161.紅外輻射燈(1)能斯特?zé)羲且环N條狀的輻射源，是用15％的氧化釔粉末和鋯粉壓制成小棒，長(zhǎng)約25mm，直徑約2mm，可用直流或交流供電。在空氣中可加熱到2000K左右。它發(fā)出的連續(xù)光譜可從0.3μm一直延伸到遠(yuǎn)紅外，其最大輻射波長(zhǎng)約在2μm處。(2)硅碳棒它的長(zhǎng)度一般為50～100mm，直徑為5～6mm。在空氣中用直流或交流供電，加熱溫度一般在1500K以下。172.火焰火焰也是一種熱光源，由于火焰分層又不穩(wěn)定，因此不把它用做檢測(cè)用光源。這里只列出常用火焰的最高溫度，如表3-8中所示3.3氣體放電光源183.3.1開(kāi)放式氣體放電光源(1)直流電弧它采用碳或金屬作為工作電極，在外加直流電源供電下工作。點(diǎn)燃時(shí)需先將兩電極短暫接觸，然后松開(kāi)而隨之起弧。(2)高壓電容火花利用高壓在兩電極間產(chǎn)生火花放電的原理如圖3-10所示圖3-10高壓電容火花19(3)高壓交流電弧高壓交流電弧的簡(jiǎn)單線(xiàn)路原理如圖3-11所示。(4)碳弧碳弧主要用于照明，按其發(fā)光類(lèi)型不同又可分為普通炭弧、火焰炭弧和高強(qiáng)度炭弧。它們一般都采用直流供電，只有火焰炭弧可用交流供電。圖3-11高壓交流電弧203.3.2氣體燈

氣體燈是將電極間的放電過(guò)程密封在泡殼中進(jìn)行，所以又叫做封閉式電弧放電光源。

氣體燈的特點(diǎn)是輻射穩(wěn)定，功率大，且發(fā)光效率高。因此在照明、光度和光譜學(xué)中都起著很重要的作用。(1)脈沖燈這種燈的特點(diǎn)是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出很強(qiáng)的光輻射，其結(jié)構(gòu)和工作電路原理如圖3-12所示。圖3-12脈沖燈原理21(2)燃燒式閃光泡這種燈泡只能使用一次，所以又叫做單次閃光泡，它的持點(diǎn)是瞬時(shí)光強(qiáng)大、耗電少、體積小而攜帶方便等。閃光泡的結(jié)構(gòu)及點(diǎn)燃電路如圖3-13所示。圖3-13燃燒式閃光泡結(jié)構(gòu)及電路原理22(3)原子光譜燈原子光譜燈又稱(chēng)空心陰極燈，其結(jié)構(gòu)如圖3-14所示圖3-14原子光譜燈結(jié)構(gòu)原理3.4固體發(fā)光光源233.4.1電致發(fā)光屏當(dāng)熒光材料在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)或電流作用下，被激發(fā)而發(fā)光構(gòu)成電致光屏。按激發(fā)電源不同，又有交流和直流電致激發(fā)屏兩種。1.交流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏該發(fā)光屏的結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。圖3-15交流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏242.直流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏該發(fā)光屏依靠傳導(dǎo)電流產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。目前實(shí)用的發(fā)光材料是ZnS：Mn，Cu，發(fā)光為橙黃色。直流發(fā)光屏具有光亮度較高，且亮度隨傳導(dǎo)電流的增大而迅速上升的持點(diǎn)。此外還具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、制造工藝簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是效率低、壽命短。3.薄膜電致發(fā)光屏薄膜發(fā)光屏與粉末發(fā)光屏在形式上很相似。在薄膜的兩電極間施加適當(dāng)?shù)碾妷壕涂砂l(fā)光?？梢灾瞥山涣骰蛑绷鞯谋∧る娭掳l(fā)光屏。3.4.2

發(fā)光二極管25發(fā)光機(jī)理：在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和由此產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡而形成P—N結(jié)。若在P—N結(jié)上施加正向電壓，則促進(jìn)了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，即從N區(qū)流向P區(qū)的電子和從P區(qū)流向N區(qū)的空穴同時(shí)增多，于是有大量的電子和空穴在P—N結(jié)中相遇復(fù)合，并以光和熱的形式放出能量。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)原理如圖3-17所示。圖3-17發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)原理26發(fā)光二極管的主要特點(diǎn)如下：(1)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與正向電流之間的關(guān)系如圖3-18所示。工作電流低于25mA時(shí)，兩者基本為線(xiàn)性關(guān)系;圖3-l8發(fā)光二極管的發(fā)光特性27發(fā)光二極管的主要特點(diǎn)如下：(2)發(fā)光二極管的響應(yīng)速度極快，時(shí)間常數(shù)約為l0-6~10-9s;(3)光二極管的正向電壓很低，約2V左右;(4)發(fā)光二極管還具有小巧輕便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)(大于5000h)和單色性好等優(yōu)點(diǎn);發(fā)光二極管的主要缺點(diǎn)是發(fā)光效率低，有效發(fā)光面很難做大。另外，發(fā)出短波光(如藍(lán)紫色)的材料極少，制成的短波發(fā)光二極管的價(jià)格昂貴。3.5激光光源28特點(diǎn)：(1)極小的光束發(fā)散角；(2)激光的單色性好；(3)激光的輸出功率密度很高分類(lèi)：(1)氣體激光器;(2)固體激光器;(3)染料激光器和半導(dǎo)體激光器激光原理在熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)中的原子數(shù)在能級(jí)間的分布服從玻爾茲曼關(guān)系，即N－原子總數(shù)；k－玻爾茲曼常量入射光子與原子能級(jí)體變化的三種形式E1E2hv自發(fā)輻射E1E2hv受激吸收E1E2hv受激輻射hvhv29激光原理自發(fā)輻射－處于高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，同時(shí)輻射出能量為hv＝E2－E1的光子。受激吸收－處于低能態(tài)的原子，吸收了一個(gè)能量恰好為hv＝E2－E1的光子，從而躍遷到能量為E2的激發(fā)態(tài)。受激輻射－處于高能態(tài)E2的原子，在它發(fā)生自發(fā)輻射之前，如果受到外來(lái)的、能量為hv＝E2－E1的光子的刺激作用，也會(huì)從高能態(tài)E2躍遷到E1，同時(shí)輻射出兩個(gè)能量均為hv的光子。E1E2hv自發(fā)輻射E1E2hv受激吸收E1E2hv受激輻射hvhv30激光原理產(chǎn)生激光的過(guò)程實(shí)際上是一種受激輻射光放大的過(guò)程。只有受激輻射強(qiáng)于受激吸收才可能產(chǎn)生激光。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布－為了維持受激輻射光放大過(guò)程，就必須使受激輻射占主導(dǎo)地位，亦即必須設(shè)法使高能級(jí)上的原子數(shù)大于低能級(jí)上的原子數(shù)。①需要某種方式將盡可能多的原子輸運(yùn)到高能級(jí)上去，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為激勵(lì)或抽運(yùn)。②作為工作物質(zhì)的微觀原子必須要有一個(gè)原子可以停留較長(zhǎng)的時(shí)間的能級(jí)，這些能級(jí)通常稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)。31激光原理粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)32激光器常用的泵浦源是輻射源或電源，利用泵浦源能量將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，使處于高能態(tài)的粒子數(shù)大于處于低能態(tài)的粒子束，構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這是產(chǎn)生激光的必要條件。激光器工作原理圖33激光器激光器除了具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、泵浦外，還必須有一個(gè)光學(xué)諧振腔。它的主要作用是獲得單色性和方向性都很好的激光。激光器一般由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。343.5.1氣體激光器35

氣體激光器采用的工作物質(zhì)為氣體．目前可采用的物質(zhì)最多激勵(lì)方式多樣，發(fā)射的波長(zhǎng)也最多。氦氖激光器要輸出波長(zhǎng)有0.6328μm、1.15μm和339μm，圖3-20所示為三種不同腔式結(jié)構(gòu)的氨氖激光器圖3-20氦氖激光器示意圖3.5.2固體激光器36

紅寶石激光器是最早制成的固體激光器，其結(jié)構(gòu)原理如圖3-21所示。圖3-21紅寶石激光器結(jié)構(gòu)原理3.5.3可調(diào)諧染料激光器37

這種激光器是液體激光器的一種。其工作物質(zhì)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有機(jī)染料溶液；另一類(lèi)是含有稀土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物溶液。圖3-23可調(diào)諧染料激光器3.5.4半導(dǎo)體激光器38

它們是以