第一章紅外物理基礎(chǔ)

紅外與微光技術(shù)張艷電子科技高校光電信息學(xué)院課程特點學(xué)問面廣紅外物理﹑工程光學(xué)﹑半導(dǎo)體物理﹑圖像處理，檢測技術(shù)等。應(yīng)用廣泛軍事領(lǐng)域民用領(lǐng)域科學(xué)探討軍事領(lǐng)域搜尋﹑跟蹤﹑測距導(dǎo)彈制導(dǎo)，導(dǎo)航和飛行限制，目標(biāo)探測，入侵檢測，飛機碰撞預(yù)警等輻射測量地形分析，毒氣的探測，目標(biāo)和背景的特性等熱成像偵察和監(jiān)視，熱測繪，潛艇探測，導(dǎo)彈的地下放射阱、人員、車輛、武器野營吹火以及戰(zhàn)地營房的探測等反射通量測量夜間駕駛，沖鋒槍的射擊，入侵檢測，偽裝探測，基地保衛(wèi)，停岸和著陸等合作光源地面通訊，紅外系統(tǒng)對抗，無人駕駛飛機的指令聯(lián)絡(luò)民用領(lǐng)域工業(yè)森林火災(zāi)探測，鐵路車輛過熱軸頸箱的探測，工藝限制，探測晴空大氣湍流，空氣污染分析，環(huán)境檢測，非破壞性試驗，車速探測等醫(yī)學(xué)皮膚溫度測量，癌癥早期探查，遠(yuǎn)距離生物傳感器，初期腦溢血的早期診斷，測定靜脈堵塞的部位，探討動物的夜間習(xí)性，監(jiān)視愈合過程等科學(xué)探討衛(wèi)星探測天體溫度測量氣象狀況的遙測植物中熱交換的探討地球和星星大氣成分的測定其他行星上的植被或生命的探測探討火山，偵察海面浮冰，石油勘探，偽造品的探測，寶石鑒定，探測患病的農(nóng)作物學(xué)習(xí)本課程的意義拓寬學(xué)問面將理論學(xué)問用于實踐，融會貫穿，提高解決實際問題的實力了解紅外與微光技術(shù)實際應(yīng)用水平和最新發(fā)展動態(tài)為以后的工作和科研供應(yīng)參考主要參考書目吳宗凡等，《紅外與微光技術(shù)》，國防工業(yè)出版社，1998年張建奇等，《紅外物理》，西安電子科技高校出版社，2004年陳永甫編著，《紅外輻射、紅外器件與典型應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社，2004年張敬賢等，《微光與紅外成像技術(shù)》，北京理工高校出版社，1995年A.R.杰哈著，《紅外技術(shù)應(yīng)用》，化工出版社，2004年其他：《紅外探測器》《紅外電子學(xué)》《紅外光學(xué)系統(tǒng)》《紅外光譜》《紅外技術(shù)試驗與方法》《紅外系統(tǒng)》Elementsofinfraredtechnology,generation,transmission,anddetection,PaulW.Kruse,etal.JohnWiley&Sons,1962Infraredoptoelectronics,deviceandapplications,WilliamNunley,etal.,MarcelDekker,1987Semiconductorquantumwellsandsuperlatticesforlong-wavelengthinfrareddetectors,M.O.Marasreh,Artechhouse,1993.Intrsubbandinfraredphotodetectors,V.Ryzhii,WorldScientific,2003Commansenseapproachtothermalimaging,GeraldC.Holst,JCD,SPIE,2000.Maldague,XavierP.V.,Theoryandpracticeofinfraredtechnologyfornondestructivetesting,JohnWliley&Sons,2001IrvingJ.Spiro,MonroeSchlessinger,Infraredtechnologyfundamentals,MARCELDEKKER,INC.,1989A.R.JHA,InfraredTechnology,ApplicationstoElectrooptics,PhotonicDevices,andSensors，2000SPIE“INFRAREDTECHNOLOGYANDAPPLICATIONS”國際會議主要內(nèi)容第一章紅外物理基礎(chǔ)其次章紅外探測器第三章紅外探測器的參數(shù)測試第四章微光探測技術(shù)第五章制冷技術(shù)第六章紅外與微光技術(shù)應(yīng)用第一章紅外物理基礎(chǔ)1.1紅外線的發(fā)覺與本質(zhì)1.2電磁波譜1.3紅外輻射源1.3.1基本定律1.3.2紅外輻射源的分類1.3.3自然源1.3.4標(biāo)準(zhǔn)源1.3.5人造源1.4紅外系統(tǒng)1.1紅外線的發(fā)覺與本質(zhì)1.1800年，英國天文學(xué)家Herschel用棱鏡將太陽光色散，并利用靈敏的溫度計進(jìn)行探測，發(fā)覺在紅光外測溫度計溫度比紅光區(qū)域高。證明白紅外線的存在。2.紅外線的本質(zhì)一切溫度高于確定零度的物體（有生命和無生命）的物體時時刻刻都在不停的輻射紅外線紅外線無處不在3.紅外線的主要效應(yīng)紅外線的熱效應(yīng)

紅外線的生物效應(yīng)醫(yī)療保?。合砖p促進(jìn)再生﹑免疫調(diào)整不利影響：波長0.8～1.2微米的短波紅外，造成“紅外線白內(nèi)障”光電效應(yīng)等1.2電磁波譜1.電磁波的分類Gamma射線：X射線：紫外線：可見光:

0.38～0.75微米紅外線：0.75～1000微米微波：射頻：2.紅外輻射的光譜劃分依據(jù)紅外輻射在地球大氣層中的傳輸特性劃分：名稱英文縮寫波長范圍（微米）近紅外/短波紅外NIR/SWIR0.75～3中紅外/中波紅外MIR/MWIR3～6遠(yuǎn)紅外/長波紅外/熱紅外FIR/LWIR/TIR6～15極遠(yuǎn)紅外

15～1000XIR紅外大氣窗口：大氣對紅外輻射基本是透亮的1～3微米﹑3～5微米﹑8～15微米紅外大氣窗口3.依據(jù)紅外輻射產(chǎn)生的機理進(jìn)行劃分：近紅外區(qū)：0.75～2.5微米，對應(yīng)于原子能級之間的躍遷和分子振動泛頻區(qū)的振動光譜帶中紅外區(qū)：2.5～25微米，對應(yīng)分子轉(zhuǎn)動能級和振動能級之間的躍遷遠(yuǎn)紅外區(qū)：25～1000微米，對應(yīng)分子轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷4.紅外輻射的特點電磁波，具有與可見光相像的特性，如反射﹑折射﹑干涉﹑衍射和偏振人眼對紅外輻射不敏感，需用紅外探測器才能探測到；紅外輻射的熱效應(yīng)比可見光要強很多；紅外輻射更簡潔被物質(zhì)吸取，但對薄霧來說，長波紅外輻射更簡潔通過。紅外技術(shù)：探討紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化、測量及其應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)主要內(nèi)容：紅外輻射的性質(zhì)，其中有受熱物體所放射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性--反射、折射、衍射和散射；熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)等。紅外元件、部件的研制，包括輻射源、紅外探測器、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光片等。把各種紅外元、部件構(gòu)成系統(tǒng)的光學(xué)、電子學(xué)和精密機械。紅外技術(shù)在軍事上和國民經(jīng)濟中的應(yīng)用。紅外技術(shù)的探討涉及的范圍相當(dāng)廣泛，既有目標(biāo)的紅外輻射特性，背景特性，又有紅外元、部件及系統(tǒng)；既有材料問題，又有應(yīng)用問題。1.3紅外輻射源1.3.1熱輻射的基本定律基爾霍夫定律(Kirchhoff’sLaw)AT熱平衡時，必有：其中，M是物體A的輻出度；α是物體A的吸取率；E是物體A上的輻照度（1-1）表述：在熱平衡條件下，物體的輻射出射度與其吸取率的比值等于空腔中的輻射照度，這與物體的性質(zhì)無關(guān)。結(jié)論：好的吸取體必是好的放射體（）；對于不透亮物體（透過率），好的放射體必是弱的反射體（）；3.假如反射率和透射率均為零，則吸取率等于1黑體黑體（blackbody）

：任何溫度下能夠全部吸取任何波長入射輻射的物體

一個志向化的概念是一個比較標(biāo)準(zhǔn)黑體模型在一個密閉的空腔上開一個小孔，腔孔的輻射就相當(dāng)于一個面積等于腔孔面積的黑體輻射2.普朗克公式—黑體輻射理論最基本的公式描述了黑體輻射的光譜分布：（1-2）又可表示為：意義：不同溫度下黑體輻射出射度隨波長的變更黑體輻射的特征：1）光譜輻射出射度隨波長連續(xù)變更，每條曲線只有一個極大值。2）曲線隨黑體溫度的上升而整體提高。在隨意指定波特長，與較高溫度對應(yīng)的光譜輻射出射度也較大。3）每條曲線彼此不相交，故溫度越高，全部波長的光譜輻射出射度也越大。4）溫度上升，峰值波長減小，黑體輻射中包含的短波成分所占比例增加。5）黑體的輻射只與黑體的確定溫度有關(guān)。3.維恩位移定律(Wiendisplacementformula)

黑體光譜輻射出射度的峰值波長m與確定溫度T的關(guān)系：（1-3）式中，λm是光譜輻射出射度的峰值波長；b是維恩位移常數(shù)，b=(2897.8±0.4)(μm·K)；T是確定溫度（K）。（可由普朗克公式（1-2）對波長求導(dǎo)，然后再令導(dǎo)數(shù)等于零求得）物理意義：溫度上升，輻射峰值總是朝著較短波長方向位移。

說明現(xiàn)象：當(dāng)物體溫度上升時，它的顏色將跟著變更。估算（1）人體（T=310K）（2）太陽（T=6000K）思索：有何實際意義？4.斯蒂芬-波耳茲曼定律（Stefan-BoltzmannLaw)斯蒂芬和波爾茲曼先后于1879年和1884年分別從試驗測量和熱力學(xué)推導(dǎo)中得出結(jié)論：黑體輻射的總能量與它的確定溫度的四次方成正比。（1-4）（在從零到無窮大的波長范圍內(nèi),對普朗克公式（1-2）積分）式中σ:斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù),5.6697×10-12（）

意義：紅外輻射測溫的理論基礎(chǔ)輻出度與確定溫度的四次方成正比。相當(dāng)小的溫度變更，就會引起輻射功率很大的變更。簡潔探測5.放射率（比輻射率）放射率ε：輻射源的輻出度與具有同一溫度的黑體的輻出度之比（1-5）式中，M（T）是實際物體在溫度T的全輻射度，

Mbb(T)是黑體在相同溫度下的全輻出度由基爾霍夫定律式（1-1），得依據(jù)光譜放射率，可將輻射體分為三類：1）黑體或普朗克輻射體，其；2）灰體，其＝常數(shù)，但小于1；3）選擇性輻射體，隨波長而變。

*同一種材料在不同波段的比輻射率的差異很大金屬材料的放射率均較低,但隨溫度而增加,并且當(dāng)表面形成氧化層后,放射率成十倍或更大倍數(shù)增加。非金屬的放射率要高些，一般大于0.8,并隨溫度的增高而減小。金屬或其他非透亮材料的輻射發(fā)生在表面幾微米內(nèi),因此,放射率與材料尺寸無關(guān),主要與表面狀態(tài)有關(guān)。表面涂復(fù)或刷漆對放射率有影響，表面的油膜、污垢、灰塵、擦傷都能引起放射率測量值的變更。放射率是有方向性的。1.3.2紅外輻射源的分類blackbody1.3.3自然（紅外）源1.太陽T≈5600K太陽、地球表面、天空、外層空間和星體等都是自然輻射源太陽輻射的光譜分布可以用5600K的黑體的輻射來近似表示曲線1：

溫度為6000K的黑體；曲線2：太陽在大氣層外的輻出度光譜分布曲線3：太陽在海平面上的輻出度光譜分布太陽輻射很接近于黑體輻射2.月亮ReflectedSunlight（太陽反射）ThermalEmission（自身輻射）3.云層與對太陽和地球的反射和散射有關(guān)(Day,sunlight)(Night,terrainradiation)

輻射特性：Lowersurface≈0oCBlackBodyuppersurface≈

–40oCBlackBody4.地球表面白天：由反射和散射太陽光線以及地球本身熱輻射組成夜間：其光譜分布相當(dāng)于地球環(huán)境溫度的灰體的光譜分布白天視察典型地物的光譜輻射亮度1.物質(zhì)之間的差別不明顯，每一種分布都有兩個峰值，在3到4微米處有一個最小值。2.把其中每根曲線都與35℃的黑體作比較，表明這些物質(zhì)的輻射與比輻射率0.9以上的灰體相當(dāng)。1.水面的輻射的溫度取決于它的溫度和表面狀態(tài)。2.無波浪時反射良好而輻射甚差，只有當(dāng)出現(xiàn)波浪時，海面才能成為良好的輻射體。3.浪花的輻射猶如黑體。5.天空晴朗夜空的光譜輻射亮度和隨仰角的變更天空的輻射亮度曲線大體上與地面相類似，可分為兩個區(qū)，即3微米以下的太陽散射區(qū)和4微米以上的大氣熱輻射區(qū)。

1.3.4標(biāo)準(zhǔn)（紅外輻射）源1.黑體概念*志向/確定黑體：*實際黑體：接近黑體思索：原委要滿足什么條件，什么樣的結(jié)構(gòu)，才能成為可以好用的黑體？探討目的：作為一種標(biāo)準(zhǔn)來校正其他輻射源或紅外系統(tǒng)制作黑體的條件在一個等溫密封腔內(nèi)的輻射就是黑體輻射。在密封腔壁上開一小孔，小孔發(fā)出的輻射逼真地模擬了黑體輻射。*效果：無論密封腔的幾何形態(tài)或制作材料如何，都不影響其結(jié)果。密封腔要真正實現(xiàn)等溫小孔的面積比密封腔內(nèi)表面的面積要小得多確定黑體性能的因素空腔內(nèi)有效放射率和輻射能通量的大小，以及黑體腔的工作溫度。黑體的有效放射率：與開孔面積相對于腔體內(nèi)表面總面積的大小、黑體腔的形態(tài)和材料表面放射率以及腔體偏離真正等溫條件的程度等因素有關(guān)。黑體的輻射能通量：取決于輻射腔口直徑及開口前所用光闌。黑體輻射源的工作溫度應(yīng)按應(yīng)用目的進(jìn)行選擇。一般說來，通常都選擇大氣透過率高的工作波段，這樣可削減大氣吸取對測量結(jié)果的影響。（除應(yīng)用于探討大氣吸取特性的黑體外）黑體設(shè)計中須要考慮的問題：腔型選擇（Gouffé理論和Devos理論）通常接受圓錐、圓柱或球型腔體；但球型腔體加工難，勻整加熱難對腔芯材料加熱的要求高導(dǎo)熱率、抗氧化力好、材料表面放射率高腔體的等溫加熱要求恒溫區(qū)長，可用電熱絲加熱腔體的溫度限制和測量對黑體溫度限制和測量的好壞，干脆影響了黑體的性能；測溫點的選擇很重要：圓柱型：測溫點在腔的底部中心圓錐型：取錐頂點球型腔：取開口的對稱中心位置降低黑體前表面的輻射放置光闌，水冷常用結(jié)構(gòu)（圓錐型）放射率是腔長和開孔半徑的比值（）的函數(shù)；比值越大，放射率越大接受（小孔＋長腔）結(jié)構(gòu)主要部分：腔體加熱線圈保溫層溫度計溫度限制部分成為穩(wěn)定的黑體，可以作為校正的標(biāo)準(zhǔn)黑體的分類高溫黑體：1273K以上，它的輻射能通量在近紅外波段；中溫黑體：373~1273K，它的輻射能通量在中紅外波段；主要用于紅外探測儀、輻射計以及其他儀器的定標(biāo)測試近室溫黑體：223~373K，它工作在遠(yuǎn)紅外波段；紅外熱像儀及其他紅外整機在定標(biāo)時運用的標(biāo)準(zhǔn)輻射源。低溫黑體：低于223K。應(yīng)用標(biāo)定各種紅外輻射源的輻射強度；標(biāo)定各類紅外探測器響應(yīng)率；測定紅外光學(xué)系統(tǒng)的透射比；探討各種物質(zhì)表面的熱輻射特性；探討大氣或其他物質(zhì)對輻射的吸取或透射性能。應(yīng)用＊測量響應(yīng)率和探測率…需要校準(zhǔn)P＊對于灰體，2.能斯脫燈（NernstGlowers）結(jié)構(gòu)：發(fā)熱體：難熔氧化物（ZrO2氧化鋯/Y2O3氧化釔）

400℃導(dǎo)電工作溫度：

2000KK：

啟動加熱開關(guān)

Б:

鎮(zhèn)流

工作前需預(yù)熱特點：相對小﹑簡潔﹑具有更高的紅外輸出，價格不貴典型參數(shù)功率消耗45W、0.1A；工作溫度Tc=1980K；尺寸3.1mm×12.7mm。能斯脫燈光譜放射率光譜放射率1～6微米：選擇性輻射體，光譜放射率很??；7～15微米：接近黑體，光譜放射率約為0.85缺點：1）精度不夠2）機械強度低3）須要鎮(zhèn)流器4）受氣流造成的溫度變更的影響

優(yōu)點：壽命長，工作溫度高，黑體特性好，不需水冷3.硅碳棒用碳化硅做成的圓棒，工作溫度：1200～1400K，不需預(yù)熱硅碳棒光譜放射率在2～15微米，平均放射率約為0.8；在1000~1800K范圍內(nèi)，其積分總放射率變更不大，平均值為=0.85典型參數(shù)功率消耗200W，6A；工作溫度Tc=1470K；尺寸5.1mm×203mm（硅碳棒的直徑為6~50mm，長度從幾厘米到1m左右。）通常，大尺寸硅碳棒常用于工業(yè)生產(chǎn)中，作為紅外加熱元件。小尺寸硅碳棒則廣泛用于紅外光度計中，作為高溫輻射標(biāo)準(zhǔn)。缺點：最高工作溫度低須要鎮(zhèn)流設(shè)備材料易升華，不能靠近精密光學(xué)儀器工作需水冷，耗電量大優(yōu)點：硅碳棒機械強度好，工作壽命長，運用簡便，受電壓波動影響較??；試驗室常用的紅外輻射源電熱固體輻射源：鎢絲（帶﹑管）燈：可見光波段選擇性好，高溫下機械強度較大，簡潔加工；由于玻殼對紅外輻射的限制，輻射波長在3m以下乳白石英加熱管：放射率高，工作溫度范圍廣氣體放電輻射源汞燈氙燈碳弧紅外激光器：方向性好，高亮度，單色性和相干性好

1.CO2激光器工作原理CO2分子激光躍遷能級圖

條件：粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)；達(dá)到閾值基本結(jié)構(gòu)CO2激光器結(jié)構(gòu)圖

工作物質(zhì)由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成

CO2激光器實物圖優(yōu)點效率高：效率高達(dá)30％功率大：由激活腔體積確定*輸出波長9～11μm，處于大氣窗口，但被各種工作物質(zhì)吸取2.半導(dǎo)體激光器效率更高：高達(dá)40％～50％但單管的輸出功率不及CO2激光器提高輸出功率：光束合成組成部分：*激光器LD及電流驅(qū)動器(包括Ib和Im驅(qū)動電路)*控溫系統(tǒng)(控溫電路在模塊外面，熱敏電阻、致冷器在模塊中)*功率限制系統(tǒng)(PIN封裝在模塊內(nèi)，電路在外面)*光耦合系統(tǒng)(包括聚焦透鏡、隔離器、光纖及支撐元件)*整形系統(tǒng)（微透鏡陣列）半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)1.3.5人造（紅外輻射）源1.飛機的輻射主要包括發(fā)動機殼體及尾噴管的輻射、尾焰（排出的廢氣）輻射、以及高速飛行的蒙皮輻射。

各種類型的飛機、導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星等空中目標(biāo)都構(gòu)成重要的紅外輻射源。螺旋槳飛機：發(fā)動機外殼溫度較低（80~100C），放射率（0.2~0.45）、輻射功率小，集氣管部分為650~800C，排氣口旁邊溫度降到250~350C，表面放射率可達(dá)0.8~0.9。這類飛機的總輻射中，廢氣和發(fā)動機外殼的輻射占35%~45%，其余則是排氣管的輻射。噴氣式飛機主要輻射來源：尾噴管熱金屬輻射和尾焰輻射，其次是高速飛行時蒙皮的輻射。尾噴管：事實上是一個被排出氣體加熱的圓柱形腔體，可以視為L/R=3~8的腔形黑體輻射源，其有效放射率為0.9，輻射面積等于排氣噴嘴面積，輻射溫度等于排出氣體的溫度（400~700C）。當(dāng)噴氣式飛機的飛行速度很高時，由于空氣動力加熱，將使飛機蒙皮達(dá)到很高溫度，隨著飛行速度的增加，蒙皮輻射在飛機總輻射中所占的比例也不斷增加。

噴氣式飛機的輻射光譜不同類型的飛機，其輻射的強度和分布具有很大差別。

噴氣式飛機尾部輻射光譜：除2.7m的水蒸氣吸取帶和4.3m的二氧化碳吸取帶外，其輻射光譜類似于黑體輻射，它的峰值波長接近于3.4m。飛機噴口的輻射強度分布：伊爾28、米格15、米格21等飛機噴口的輻射強度的角分布？

米格15M噴口的紅外輻射光譜溫度

三叉戟飛機噴口的紅外輻射光譜

溫度，角度

飛行速度接近或大于聲速時，氣動加熱產(chǎn)生的飛機蒙皮熱輻射不能忽視飛機的蒙皮溫度Ts:(1-6)其中,T0：四周大氣溫度；k：復(fù)原系數(shù)，其值確定于附面層中氣流的流場，層流取0.82，紊流取0.87：空氣的定壓熱容量和定容熱容量之比，取1.3；M：飛行馬赫數(shù)(飛行速度/音速＝M馬赫數(shù))尤其是飛機的前向和側(cè)向等迎風(fēng)部位溫度較高：（1-7）當(dāng)M>1時，Ts隨M急劇變更Ts隨M急劇增加2.坦克的輻射1）坦克的背景輻射特性：比較困難，既有各種地形地貌的差異，又有季節(jié)變更帶來的背景變更2）坦克的輻射：自身輻射＋反射輻射*由于坦克的形態(tài)很困難，其反射輻射難于計算，加之其金屬表面涂有漆層，它往往呈現(xiàn)鏡面或漫反射特征T-34型坦克的反射率3)坦克的自身輻