光辐射与光源

区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
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2.3.4 维恩位移定律 维恩位移定律定量地描述单色辐射出射度的峰值随温度的升 高向短波方向移动。设为峰值辐出度对应的波长，有 (2.3-7) 2.3.5 斯忒藩-玻尔兹曼定律 斯忒藩-玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐出度与绝对温度的四次 方成正比，而与黑体的其他性质无关。 (2.3-8) 其中 为斯忒藩-玻尔兹曼常数。 2.3.6 色温 为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温 度这个量，单位为K。色温度并非热辐射光源本身的温度，而指在 规定两波长如λ1=0.47 μm、λ2=0.66 μm处具有与热辐射光源 的辐射比率相同的黑体的温度。
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(3) 人工黑体 作为一种理想化模型，人工黑体是人工制作的、接近于黑体 的模拟物。 对于不透明的物体，当反射系数为1时，称为白体或镜（面反 射）体。现实中的物体介于黑体、白体之间。
(4) 灰体 当某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下所有各 波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之 比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。实际 物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此不是 灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看作是灰体， 其发射率为介于0与1之间的正数。
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⑶ 辐射出射度 简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 (2.2-2) 单位：瓦特· 米-2（W/m2）。 ⑷ 辐射强度 辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位 立体角内的辐射通量，用Ie表示，即
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§2.1 电磁波与光辐射
2.1.1 电磁波的性质与电 磁波谱 麦克斯维证明光是电磁波的 一种表现形式。
电磁波包括的范围很广，从 无线电波到光波，从 X 射线 到 射线，都属于电磁波的 范畴，波长覆盖很宽。光辐 射仅占电波谱的一极小波段 。
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2.1.2 光辐射
按辐射波长及人眼的生理视觉效应，光辐射被分成三个 波段：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段 波长用nm作单位、在红外波段波长用m作单位。 单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次 数），称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是[长 度]-1，单位惯常采用cm-1。 可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。 390~770 nm范围的范围内； 紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长 范围是10~400 nm。 红外辐射 是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射，波 长范围为0.77~1000 m。
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2.3.2 基尔霍夫辐射定律
1859年，德国物理学家基尔霍夫指出：在热平衡状态下，任 何辐射体的光谱辐出度与光谱吸收率的比值只是辐射波长和温度 的函数，而与辐射体本身性质无关，即 (2.3-2)
式中为黑体的单色辐射出射度。这说明黑体必然是辐射本领 最大的物体。
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பைடு நூலகம்14
(2) 反射比 反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长 到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用表示。对于不透 明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即 (2.3-1)
若物体在任何温度下，对任何波长的 辐射能的吸收比都等于 1，即，则称 该物体为绝对黑体（简称黑体）。它 没有反射，也没有透射( 当然黑体仍 然要向外辐射 ) 。黑体具有最大的发 射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。 图2.3-1 黑体模型
第一辐射常数，
第二辐射常数。
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图2.3-2为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随 波长的变化曲线。可见： ① 对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个 峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐 射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。 ② 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 w/ (m2· µm) ③ 单色辐射出射度的 峰值随温度的升高 向短波方向移动。
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2.2.2 光度量
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区 域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完 全一一对应，其关系如表2.2-1所示。
辐射度物理量 物理量名 称 对应的光度量
物理量名称
符号
定义或定义式
单位
符号
定义或定义式
单位
辐射能 辐射通量 辐射出射度 辐射强度 辐射亮度 辐射照度
(2.2-3) 单位：瓦特· 球面度-1（W· sr-1）。
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⑸ 辐射亮度 辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。 如图2.2-1所示。
(2.2-4) 单位：瓦特/球面度· 米2（W/sr· m2）。式中是给定方向和辐射源面 元法线间的夹角。
图2.2-1 辐射亮度示意图
2.4.2.2 线光源
在多数原子光谱法仪器中应用的线光源包括低压弧光灯、 空心阴极放电管、无极放电灯及热梯度灯。 (1) 低压弧光灯 即低压弧光放电管。 (2) 空心阴极灯 空心阴极灯是由玻璃管制成的封闭着低压惰性气体的放 电管。 (3) 无极放电灯 无极放电灯由一个数厘米长、直径5~12厘米的石英玻 璃圆管制成。 (4) 热梯度灯 热梯度灯是一种相对较新的原子线光源。
基本量
lm· s lm lm/m2 cd cd/m2 lx
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光视效能 光视效能是人眼对某一波长下单位辐射通量的产生的光 通量，即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量 的比之，即
(2.2-10) 单位：流明/瓦特（lm/W）。 通过对标准光度观察者的实验测定，白天在辐射波长555 nm （夜晚则为507 nm）处，K有最大值，其数值为Km=683 lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，其定义为 (2.2-11)
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2.4.2 几种典型的光源
2.4.2.1 连续谱光源
连续谱光源在较宽的波长范围内发出连续的辐射。典型的连续谱 光源有白炽灯、能斯特辉光灯、碳化硅炽热棒、钨灯、石英碘灯 (<3600K)、氢灯或氘灯、氙灯，等等。表2.4-2示它们的一些技术 参数。 表2.4-2 常见连续谱光源
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图2.3-2 黑体辐射单色 辐射出射度的波长分布
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(1) 瑞利-琼斯近似 当很大时，
，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式 (2.3-5)
在 (2) 维恩近似 当λT很小时，
时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。 ，可得到适合于短波长区的维恩公式 (2.3-6)
在
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§2.4 光源
光源是光辐射源的简称。光源可以分为天然光源和人造光源。 自然界光源按产生原理只有两大类， 第一类是热效应光源（细分为3种）： 一种是摩擦、颤振等物理效应，如飞机蒙皮辐射； 一种是化学燃烧，如飞机、车辆发动机中化学反应，陨石坠落过 程的燃烧； 一种是热核反应，如太阳、核反应堆。 第二大类为生物能光源： 如人体、动物发出的红外辐射，萤火虫、海洋生物发出可见光。
第二章 光辐射与光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评 价都离不开特定的光辐射源 [产生光辐射的物体， 即光源]与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性，等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。
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2.3.1 单色吸收比和单色反射比。
当辐射从外界入射到“不透明”（不限于可见光不透明） 的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面 反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。需要 强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物 体发射的辐射能。 (1) 吸收比 被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收 比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用表 示。
e Me
Ie Le Ee
Qe
Le=dIe/(dScos) Ee=de/dA
e＝dQe/dt Me=dedS Ie=de/d
J W W/m2 W/sr W/m2· sr 2 W/m
光量 光通量 光出射度 发光强度 (光)亮度 (光)照度
v Mv
Iv Lv Ev
Qv
Qv=v dt v=Iv d Mv=dv/dS Lv=dIv/(dScos) Ev=dv/dA
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太阳
太阳是最大、最强的自然光源。太阳光谱是连续的， 包含宇宙射线、γ射线、X射线、紫外辐射、可见辐射、红 外辐射和射电辐射等，且辐射特性与绝对黑体辐射特性近 似。其中，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太 阳总辐射能的 84.62% ；X射线、γ射线、远紫外、远红外 及微波波段的总能量不到1%。地表接受的太阳辐射曲线与 大气外的曲线不同，差异主要由大气的吸收和散射引起。 人造光源则主要是电能转换而来的电光源，如白炽灯、 汞灯、氙灯、黑体模拟器、激光器，等等。
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⑹ 辐射照度 辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元 面积dA之比。即
(2.2-8) 单位：瓦特· 米-2（W/m2）。 ⑺ 单色辐射度量 对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定 义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单 色辐射度量Xe,λ与辐射度量Xe之间均满足 (2.2-9)
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2.2.1 辐射量
⑴ 辐射能 辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和；单个光 子的能量取决于波长或频率。辐射能一般用符号Qe表示，其单位 是焦耳（J）。 ⑵ 辐射通量 辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的 辐射能量，即 (2.2-1)
单位：瓦特（W）或焦耳· 秒-1（J·s-1）。
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§2.2 光辐射的度量
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光 辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 （物理量符号标脚标“ e” 表示辐射度物理量，脚 标“ v” 表示光度物理量）。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科，其适用性局限于可 见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量， 适用于整个电磁波段。
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2.4.1 光源特征及描述
表2.4-1 一些重要的光源特性
特 征 光谱输出 波长范围 时间行为 辐射度或光谱辐射度 稳定性 寿命 发射面积 空间行为
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举 例 连续谱光源、线光源、连续加线光源 紫外光源、可见光源、红外光源 连续光源、脉冲光源、正弦波光源、相干光源 长期、短期稳定性，预热时间 使用寿命、存放时间 点光源、扩展光源 相干性
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图2.2-2 光谱光视效率曲线
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§2.3 黑体辐射
任何0 K温度以上的物体，都会由于其中的分子、 原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电 磁波，这种现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐 射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波 长的分布主要决定于物体的温度。下面简要介绍热 辐射的一些基本定律。
2.3.3 普朗克公式
1900年，普朗克假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一 个最小能量的整数倍。由此创立了量子理论。黑体处于温度T时， 在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出 (2.3-3) 式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。 令 ，则(2.3-3)式可改写为 (2.3-4)
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一般，辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度 在空间方向上的分布满足式(2-5)时，称之为余弦辐射体或朗伯体
(2.2-5) 式中 Ie0 是面元 dS 沿其法线方向的辐射强度。联立式 (2.2-5) 、 (2.2-4)，易得余弦辐射体的辐射亮度为 (2.2-6) 可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射 体的辐射出射度为 (2.2-7)