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文檔簡介

1、1,第3章紅外輻射源,馮傳勝,信息科學(xué)與工程學(xué)院,電子郵箱:下載:Http:/fcs-,2。原則上,所有溫度高于絕對零度的物體都是紅外輻射源。它可分為人工輻射源和自然輻射源;它可以分為相干輻射源和非相干輻射源。本章主要介紹紅外輻射實驗或紅外技術(shù)研究中常用的輻射源。3,本章內(nèi)容,3.1黑體3.2能斯特燈3.3硅碳棒3.4鎢條燈3.5汞燈3.6發(fā)光二極管3.7紅外激光器3.8太陽輻射3.9月球3.10地球3.11人體4,3.1黑體5,3.1.1理想黑體理想黑體:黑體吸收率=1物體發(fā)射率定義為光譜發(fā)射率定義為基爾霍夫輻射定律的另一種描述形式根據(jù)基爾霍夫輻射定律:發(fā)射率,m(t):t溫度下的發(fā)射度;黑

2、體在測試溫度下發(fā)射率。灰色的身體?灰體的發(fā)射率也是一個常數(shù),與溫度和波長無關(guān),只有1。輻射體可分為三種類型:黑體灰體(實際黑體可視為輻射率接近1的灰體)。在自然界中,輻射體如地球、空間背景、人體(皮膚)、無動力宇宙飛船和噴氣嘴可視為灰色物體。選擇性輻射體的發(fā)射率不是常數(shù),而是波長的函數(shù)。三者發(fā)射率的比較(如圖所示),8,3.1.2實際黑體1。實際黑體的發(fā)射率和吸收率接近1。將其作為校準其他紅外輻射源或紅外系統(tǒng)的標準?;鶢柣舴蚨勺C明封閉空腔中的輻射是黑體輻射??涨惠椛淅碚撌侵谱骱隗w源的基礎(chǔ),包括高斯理論、德文斯理論等。Gouff在1954年提出了一個計算開放空腔有效發(fā)射率的表達式:其中是空腔內(nèi)

3、表面的發(fā)射率;a是開放區(qū)域;St是空腔內(nèi)表面的總面積(包括a)。F(x)是與開口相對于腔底部的立體角相關(guān)的值。9。常用的腔體有球形腔體、錐形腔體和圓柱形腔體。設(shè)g=R/L1為腔的幾何因子,則錐腔:柱腔:球腔:0.10??梢钥闯觯cA/St:相比,當L/R不變時,球形腔最小,錐形腔最大,圓柱形腔為中心。1/g,11,如果F(x)用A/S0表示,那么實際黑體的發(fā)射率公式可以寫成,12,曲線表示與A/St的關(guān)系,13,實際黑體的發(fā)射率可以用上述兩個圖3360計算(1)A/St的值可以由黑體的L/R從圖A得到;(2)如果相應(yīng)材料的發(fā)射率為0.5,則為0.95 (3)從圖A中得到的K值與球形腔的A/St

4、的A/S0值相同,因為有L/R1,那么在K表達式中(A/ST-)然后,(4)計算黑體的有效發(fā)射率,A,B,14。二、實際黑體的結(jié)構(gòu)和分類,俗稱黑體爐。其結(jié)構(gòu)如下:溫度計和溫度控制器,用于測量黑體核心的加熱繞組和控制腔體溫度;15.根據(jù)其工作溫度,可分為三類:低溫黑體:低于100C的中溫黑體:1001000C高溫黑體:1000以上。設(shè)計和制造黑體時應(yīng)考慮以下問題:1 .腔體形狀的選擇:球形、圓錐形和圓柱形;2.腔芯材料的選擇(導(dǎo)熱性好、抗氧化性高或氧化層不易脫落、高發(fā)射率)低于600K鉻鎳不銹鋼可用于1400千伏以下;1400K以上的石墨或陶瓷。3空腔的等溫加熱和纏繞或熱管的溫度控制和測量4空腔

5、;5減少黑體前表面的輻射,限制光闌;16.3.等效輻射圖中的虛線為“光軸”,光闌的孔徑面積為As,其法線與光軸的夾角為S;探測器的輻射接收面面積為Ad,其法線與光軸的夾角為D,則黑體輻射通過光闌后的輻射強度為:輻照度為首先,從理論上,根據(jù)相關(guān)理論,從腔體的形狀、大小和溫度場分布計算腔體的發(fā)射率,從而估計其與理想黑體的偏差。其次,對其性能進行了實際測試。首先,檢測黑色體腔內(nèi)的溫度均勻性(1K)。其次,測試溫度穩(wěn)定性(0.5K/4h)。第三,檢測實際黑體和斯蒂芬玻爾茲曼定律的符合程度。測量探測器信號和As之間的關(guān)系測量探測器信號和l2之間的關(guān)系測量探測器信號和T4之間的關(guān)系性能良好的黑體應(yīng)該得到良

6、好的線性關(guān)系(尤其是2,3),通過測量其斜率得到的實驗值可以與斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)進行比較??紤]到環(huán)境溫度T0,探測器接收到的黑體輻射功率為:18,3.2能斯特燈(Nernst Lamp),19,通常用作紅外分光光度計的光源。能斯特燈是由氧化鋯、氧化釷、氧化釔或氧化鈹混合物燒結(jié)而成的易碎空心圓柱或圓桿。鉑絲用作兩端電源的引出線。典型的尺寸是長30毫米,直徑13毫米。能斯特燈是紅外分光光度計中常用的紅外輻射源。它具有使用壽命長、工作溫度高、黑體特性好、無需水冷等特點。主要的缺點是機械強度低,如果稍微擠壓就會損壞。恒流電源:工作電流0 . 30 . 6安,工作溫度1700-1800千。20,3.3

7、 Globar),21,由碳化硅(SiC)制成的圓棒。作為輻射測量的輻射源,它不得含有雜質(zhì)。用作紅外輻射源的硅棒:典型尺寸為510厘米長,5毫米直徑。工作電源為50V,工作電流為35A。硅碳棒也是光譜儀和紅外光譜儀中常用的光源之一。由于直接在大氣中工作,表面會大大升華,因此有必要用硅碳棒將冷水引入屏蔽層,以冷卻電極。制造工藝簡單,價格低廉。22,3.4鎢波段燈23被廣泛用作紅外輻射源。常用于紅外輻射測量,用作3微米以下的近紅外輻射源。像用于日常照明的鎢燈一樣,鎢條燈通電加熱鎢條并發(fā)光。鎢帶的典型尺寸約為2毫米寬,0.02毫米厚,20毫米長。它可以在1100的真空泡中工作,在2700的惰性氣體(

8、如氬氣)中工作。工作電壓一般為1020伏,工作電流約為20安。由于玻璃罩的存在(對大于4微米的輻射不透明),一般工作波長范圍為0.53微米(近紅外)。24、3.5汞燈25是光學(xué)實驗室中常用的輻射源。與輻射源(能斯特燈、硅碳棒、鎢絲燈等)相比。),汞燈是一種氣體輻射源。它是一種輻射源,利用汞蒸汽放電發(fā)光。根據(jù)燈內(nèi)汞蒸氣壓的不同,可分為三種類型:低壓、高壓和超高壓。26、3.6發(fā)光二極管,是光電子技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)光器件之一。這種輻射源是一種當半導(dǎo)體p-n結(jié)被正向電流通電時注入載流子,并利用注入的載流子復(fù)合發(fā)光的器件。屬于非熱輻射源。它可以在可見光和紅外波段工作。砷化鎵(GaAs)的帶隙為1.43電

9、子伏,因此電子和空穴復(fù)合時的發(fā)光峰值在900納米和940納米的近紅外波段。其特點是當光譜帶較窄時,在30納米至50納米之間。響應(yīng)時間短(1us),體積小,體格便宜。工作電壓為1.22伏,電流為2010毫安。有三種驅(qū)動模式:交流、DC和脈沖。27,3.7紅外激光器,是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型光源。與普通光源相比,激光具有方向性好、亮度高、單色性和相干性好的特點。激光的出現(xiàn)從根本上突破了過去普通光源的局限性(如亮度低、方向性和單色性差等)。),給古老的光學(xué)技術(shù)注入了新的活力,產(chǎn)生了許多新的分支,如全息術(shù)、光學(xué)信息處理、非線性光學(xué)等。激光激光器分類:按工作物質(zhì)分類:氣體激光器、液體激光器、

10、固體激光器、半導(dǎo)體激光器,按工作方式分類:連續(xù)激光器、脈沖激光器,氣體激光器的增益介質(zhì)為氣體,其特點如下:1 .發(fā)射波長范圍寬,根據(jù)不同介質(zhì),可輸出110納米和1.8毫米波長的激光。氦-氖激光器:0.63um CO2激光器:10.6um 2,時間相干性和空間相干性居所有激光器之首。固態(tài)激光器使用少量摻雜在晶體或玻璃中的離子作為增益介質(zhì)。特點:1 .結(jié)構(gòu)緊湊,耐用性強,輸出功率高。紅寶石(Al2O3)激光器:波長694.3納米,功率可達103瓦以上.摻釹釔鋁石榴石激光器的波長為1.06微米,功率為200毫瓦。2.單色性和方向性不如氣體激光器。染料激光器的增益介質(zhì)由能發(fā)射熒光的有機染料分子組成。特

11、點:染料分子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的吸收光譜幾乎是連續(xù)的,寬度可達幾十納米??烧{(diào)諧染料激光器是光譜技術(shù)中的一種重要光源。30.半導(dǎo)體激光器中的光增益是由半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價帶之間的電子激發(fā)態(tài)躍遷實現(xiàn)的,其發(fā)射波長隨半導(dǎo)體材料的不同而不同。GaAs激光:波長為0.85微米,功率為100毫瓦。特點:體積小,響應(yīng)時間短。它是光通信中的一個重要光源。激光的三個重要組成部分:工作物質(zhì),用于在特定能級之間反轉(zhuǎn)粒子數(shù)量并產(chǎn)生受激輻射。泵送裝置用于激發(fā)工作物質(zhì),以產(chǎn)生和維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)以及特定能級之間的相應(yīng)受激發(fā)射。光學(xué)諧振腔的功能是保證激發(fā)光子在腔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的激光振蕩,并限制其特性(頻率、方向等)。)以確保激光輸出的高方向

12、性和高單色性。31,3.8太陽輻射。太陽是一個類星體,是人類研究最多、最早的輻射源。在紅外輻射測量中,如果不研究太陽本身的輻射,太陽輻射屬于背景干擾。該圖顯示了太陽的輻射光譜(太陽的溫度約為6000千,峰值輻射出現(xiàn)在0.48微米處)。太陽能量的近一半在紅外波段,40%在可見光波段,10%在紫外線和x光波段。應(yīng)當注意的是,太陽在地球表面的照度約為0.09瓦/平方厘米,許多紅外系統(tǒng)被設(shè)計成探測照度為10-10瓦/平方厘米或更低的目標。因此,“偶爾看一眼”太陽可能會導(dǎo)致嚴重的過載,甚至對系統(tǒng)造成永久性損害。當太陽輻射穿過大氣層時,由于大氣層中各種成分的吸收和散射,大部分能夠到達地面的輻射在0.33微

13、米波段。此外,太陽在地面上產(chǎn)生的輻照度因季節(jié)、地理區(qū)域、云層和大氣條件的不同而在很大范圍內(nèi)變化。3.9月球的輻射由自身輻射和太陽輻射的反射組成。月球可以被視為一個絕對黑體,溫度為40萬度,其自身輻射的峰值波長為7.2微米.月球表面的反射系數(shù)隨著波長的延長而增加,因此光譜輻射曲線的最大值向長波段移動。在月球自身輻射和太陽輻射反射的共同作用下,月球表面的最大輻射亮度出現(xiàn)在0.54um,其輻射亮度小于500 wm-2Sr-1。3.10地球,地球的輻射與灰體在280千的輻射相似,其自發(fā)輻射的峰值波長約為10微米。地球上的溫度分布隨季節(jié)、地理位置、天氣等而變化。大約在20萬到30萬之間。白天,地球的輻射

14、包括反射或散射太陽的輻射和自身的輻射。在34微米波段,包含水蒸氣、CO2、臭氧等的大氣的自發(fā)輻射。幾乎和太陽散射的輻射一樣。這樣,地球表面的光譜分布有兩個峰值。短波峰值(約0.5um)是由太陽光散射引起的,而長波峰值(約10um)是由地球熱輻射引起的,最小輻射出現(xiàn)在兩個峰值之間的34um波段。天黑后或夜間,無法觀察到來自遠處表面的反射輻射。黎明時分日落后,輻射迅速減少,此時的光譜分布相當于地球環(huán)境溫度下灰體的光譜分布。3.11人體是一個絕對溫度為310千的散熱器。峰值波長約為9.3um,屬于中紅外波段。人體皮膚的發(fā)射率非常高,在4um波長以上約為0.99。在正常室溫(21C)下,裸露皮膚的溫度約為32。在皮膚溫度32 C下,裸露男性的平均發(fā)射強度約為93.5瓦鍶-1。忽略大氣衰減,輻照度在304米的距離約為10-3wm-2。其中,約32%的能量在813um波段。穿上衣服后,輻射能降低,人體的發(fā)射能力與種族和膚色無關(guān)。熱釋電紅外探測和控制可以利用人體皮膚輻射紅外能量的特性來實現(xiàn),這種特性大大優(yōu)于軍用或民用產(chǎn)品或設(shè)備。如紅外夜視、紅外攝像機、運動目標檢測裝置、自動門

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