第八章红外与激光课件

种由于热运动引起的辐射现象称为热辐射。
500°C以下 → 辐射波红外区域 500°C以上 → 辐射波在可见光 → 紫外光 … 人体 310 K，辐射波长 9380 nm，在红外区。 当某物体所吸收的辐射能恰好等于同一时间内 所发出去的的辐射能量时，该物体即达到热平衡。 这时 物体的状态 可用 温度 T 来表示。
(1)斯蒂芬-玻尔兹曼定律 1879年德国物理学家斯蒂芬，用黑体模型测定了 单位时间内从单位表面积辐射的总能量与黑体温度的 关系。1884年德国物理学家玻尔兹曼根据斯蒂芬的实 验导出公式：
M（T) = T4 式中=5.670×10-8W. m-2.k-4,称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律 常数。温度的微小变化会引起辐出度发生较大变化。
全息照相光路图
直流电源
射全 镜反
毛细管 氦氖气体
射部 镜分
反
3、工作过程：
加直流高压产生辉光放电,使氦原子激发,通
过碰撞使氖原子粒子数反转,氖原子受激辐射产生
激光.
He
Ne
亚稳态
受激辐射
放
碰
632.8nm
电
撞
基态
三、激光器的组成部分（产生激光的条件）
1、工作物质具有亚稳态； 2、有激励能源，使激光工作物质实现粒子 数反转分布； 3、有光学谐振腔，形成光振荡，使激光放 大到一定强度而具有稳定输出。
三、红外线的探测与红外成像
红外探测是把入射红外辐射能转变为其他形式 的能量，进而把辐射能量变成另一种可测量的物理 量（如电流、电压等）进行探测。
（一）热探测---如热敏电阻、温差电偶等等。 属无选择性的探测器，只能探测总功率，与辐射分 布无关。
（二）光子探测---如光电效应，入射的辐射波 长必须小于某一极限值。
振动能级 由原子之间相对振动的状态决定, 振动能级间能量差次之，大约相当于近红外和中 红外区的光子能量。
转动能级 由整个分子绕某一轴线转动的状 态决定。转动能级间能量差最小，大约相当于远 红外区和微波区的光子能量。
分子的这三种能级都是量子化的。
振 电
（二）分子光谱
转
由若干光谱带构成
的光谱带组,再由若干带
（二）按波长分布特点
1.连续光谱；2.线状光谱
（三）按光源物质的结构 1.原子光谱 光谱物质以原子结构所产生的光谱。 当原子中的电子受到激发在较高能级跃迁到到较低能 级时发射的，原子光谱的表现特征是线状光谱。 2.分子光谱 光谱物质以分子结构所产生的光谱。 它是由许多谱线密集形成的光谱带，若干个光谱带形 成一个组，在分子光谱可以有若干个组（即由谱线形 成谱带，由谱带形成带组）。
（2）维恩位移定律
1896年德国物理学家维恩在实验研究的基础 上由电磁理论和热力学理论得到如下公式：
mT=b 式中b=2.898×10-3m.k，称为维恩常数。
在一定温度下，辐射度最强的波长m与绝对温 度的乘积是一个常数。意即随温度升高，辐射度最 强的波长往短波方向移动，提供了测高温的方法。
（四）普朗克的能量量子化假说和黑体辐射公式
二、原子光谱 发射光谱：当原子中的电子受到激发，在高能 级向低能级间跃迁时发射某种单色光，大量原子同 时发射的单色光在黑暗背景上形成若干明亮、分立 的谱线，也叫明线光谱。 吸收光谱:用波长在一定范围且连续的光谱照 射处于原子状态物质，如气体或某物质的蒸汽， 原子吸收适当频率的光而跃迁到高能级，在强烈 吸收的波长上形成一系列暗线，也叫暗线光谱。
激发态
亚稳态
光学谐振腔
激
励 h h h
基态
四、常用的医用激光器 （一）固体激光器 （二）气体激光器 （三）半导体体激光器 （四）液体激光器
五、激光的特性
与普通光源相比，激光具有以下特点： 1、方向性好 2、亮度高、能量大 3、单色性好 4、相干性好
六、激光的生物作用 激光与生物组织的相互作用是激光在医学上 应用的理论基础，它涉及激光参数和生物组织的 机械性质。在医学上所有应用都主要是利用激光 以下几个方面的作用：
1、辐射本领（又称辐射出射度） 物体在单位时间内从单位表面积辐射出去的能 量（j /m2s) ，称单色辐射本领或单色辐射强度， 与波长和温度T有关，记作M(T)。
对于某一波长为的单色光，其单色辐射本领表
示为
M
(T
)

dM
d
（单位是 W ·m -2）
在某温度下所有波长的辐射本领为

M ( T ) 0 M ( ,T )d
通过光谱分析，可以检验物质成分及其含量， 其精确度高、样品用量极少，可以鉴定10-9g的痕量 元素。
一、光谱的分类 （一）按光源发射方式
1.发射（明线）光谱 物体发光直接产生的光谱。 原子中的电子由高能级向低能级跃迁时，辐射出一个 光子，大量同类原子发射的光子就形成在黑暗背景中 明亮的谱线。
2.吸收（暗线）光谱 当连续光谱物质时，如气 体或某物质的列暗线形成的光谱。
(一）热效应 （二）压强效应 （三）光化效应 （四）电磁效应 （五）弱激光的刺激作用
第四节 激光的医学应用
激光在眼科应用最为成熟；利用激光可治疗 肿瘤；激光束细而强度大，可作为激光刀进行外 科手术；激光还可用于治疗；利用激光进行荧光 分析扩大了荧光分析的范围，而且灵敏度大大提 高。激光在医学上的其他应用具有广阔的前景。
第三节
激光
激光（laser)是受激辐射光放大（light amplification by stimulated emission of ratiation )的简称。曾经直译为“莱塞”，1964 年钱学森教授建议改名为激光。
一、激光产生的原理 （一）自发辐射 处于高能态的粒子自发地辐射出光子而跃迁到 低能态的过程。各粒子发出的光的频率、相位、传 播方向和振动方向都彼此无关。
2、单色吸收率 物体在单位时间内从单位表面积吸收的辐射 能量与入射总辐射能量的比值，称为该物体的吸 收本领，与波长和温度T有关，记作( T)。
（三）黑体辐射和黑体辐射定律 红外线辐射的基本机制主要是黑体辐射，具体
某种物质的辐射只需做少许修正。
通常把α=1的物体称为绝对黑体，简称黑体。
关于黑体辐射的两条重要定律
二 常见的激光器
（一）红宝石激光器 红宝石激光器是最早制成的激光器，激光工作 物质是Al2O3晶体的红宝石棒（如图8-7所示）。棒 外面的螺旋管形氙闪光灯使棒中处于基态的铬离子 激发到激发态，产生受激辐射而发射出694.3nm的 红色激光。红宝石激光器只适合于脉冲式工作。
（二）氦氖激光器 1、构造 2、激光工作物质：氦气和氖气按5:1～10:1 混合，受激辐射的是氖原子，氦原子传递能量。
组形成整个光谱。
光谱分析基本原理 物质的原子或分子的 光谱都是由其能级结构所决定的,从光谱的结构 情况可以判断光源或吸收体（即样品物质）中元 素的成份；根据谱线强度还可以确定元素的含量。
第二节 紫外线和红外线成像
一、紫外线（波长小于400nm) （一）来源 1、太阳；2、人工光源（水银蒸汽灯） （二）紫外线的生物效应
（二）受激辐射 处于高能
态En的粒子如果受到能量恰为
En
h = En-Em
h
的外来光子激发，就会辐射出一
h
个与外来光子同样的光子而跃迁
h
到低能态Em的过程。受激辐射的 Em 光子和激发光子的频率、相位、
传播方向、振动方向完全相同。
因此，一个入射光子由于引起受激辐射而 得到两个同样的光子。继续下去，就得到越来 越多的特征相同的光子。受激辐射发出的光就 是激光。
（三）亚稳态
某些原子或分子中具有一些特殊能级，处于这 些特殊能级上的激发态原子停留的时间要比普通的 能级长10万倍左右。
（二）粒子数反转 通常情况下，工作物质中处于低能级上的粒子数 目多，这种正常分布使得光的吸收占优势。通过外界 能源的激励，把具有亚稳态的物质粒子大量地从低能 级激发到高能级上，使得处于高能态的粒子数多于处 于低能态的粒子数，使受激辐射占优势。这种情况称 为粒子数的反转分布，简称粒子数反转。
1、灭菌作用 2、抗佝偻作用 3、红斑作用 4、对眼睛的刺激作用
二、红外线(波长介于760nm-3mm)
（一）红外线的产生
任何物体只要温度在绝对零度（-273℃）以 上，都能向周围发射红外线。温度越高，辐射能 量越大。
（二）热辐射的基本概念
物体内部的原子和分子都在不停地做热运动，
在剧烈的碰撞中，总是不断地有原子吸收能量进入激 发态，再以电磁波的形式将多余的能量辐射出去。这
1、黑体辐射实验的研究进程 （1）维恩公式
维恩公式(式8-5)，在短波范围内与实验相符，
在长波范围与偏离严重。
（2）瑞利-金斯公式 瑞利-金斯公式(式8-6)，在长波范围内与实验 相符，在短波波范围与偏离严重。
（2）普朗克推导得出黑体的辐射公式，即
普朗克公式
e0 (, T)

2hc 2
(e 5
二、原子光谱
1、发射（明线）光谱 2、吸收（暗线）光谱 同一元素的明线光谱与暗线光谱波长相同吗？
同一元素的明线 光谱与暗线光谱谱线 相同吗？
暗线光谱谱线 较少。
二、分子光谱
(一）分子能级 分子能级由组成分子的原 子的电子能级Ee、原子振动的振动能级Ev和分子 转动能级Er三部分组成。
电子能级 由电子运动状态决定，电子能级 间能量差最大，大约相当于可见光的光子能量。
（三）红外成像
FLIR I5小型红外热像仪
手持警用红外热像仪/探测仪
ThinkPad T500 机身底部 红外线热成像照片
红外成像即将直接感知的温度的信号进行编 码，如用“亮”表示温度高，用“暗”表示温度 低；或用暖色表示温度高，用冷色表示温度低。
在医学上，可以利用红外成像来发现由于疾病 带来的温度变化，提前发现疾病。