第一章红外物理基础
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红外探测技术
红外物理与技术
第1章 绪论
教学要求
（1）在介绍电磁辐射的基础上给出红外辐射的
概念及特点；
（2）讨论红外物理与红外技术的关系；
（3）介绍红外技术在军事和国民经济中的应用。
主要内容
1.1 红外辐射的基本概念
1.2 红外物理与红外技术
1.3 红外技术应用
1.1 红外辐射的基本概念
1.1.1
电磁辐射
红外辐射.
1.3.3 红外技术在国民经济的应用
(3）红外医疗 主要应用在红外诊断、红外理疗等，如热像仪 (4）红外遥感 保密性好，抗干扰能力强，能昼夜工作
1.3.3 红外技术在国民经济的应用
（5）红外辐射加热 通过需用某些发射率高的材料实现 （6）红外光谱技术 消不同物体在不同条件下发出的红外波段光谱辐射 特性不同，来监测、鉴别物质成分
气污染分析，非破坏性实验，以及医学中疾病的检测，病
理分析等。
参考文献
[1] 石晓光，王蓟，叶文. 红外物理[M]. 北京：兵器工
业出版社，2006.
[2] 叶玉堂，刘爽. 红外与微光技术[M]. 北京：国防工 业出版社，2010. [3] 张建奇，方小平. 红外物理[M]. 西安：西安电子科 技大学出版社，2004.
1.3.2 红外技术在军事领域的应用
（1）红外制导 利用目标本身的 红外辐射来引导导弹
或其他武器装备自动
接近并摧毁目标 （2）红外通信 利用红外辐射的 平行光束作为载波，
利用其良好的方向性
和安全通信。
1.3.2 红外技术在军事领域的应用
(3）红外夜视 物体在任何时刻、任何环境散发着红外辐射
1.3.2 红外技术在军事领域的应用
中红外
2.5~25
第1章 绪论
教学要求
（1）在介绍电磁辐射的基础上给出红外辐射的
概念及特点；
（2）讨论红外物理与红外技术的关系；
（3）介绍红外技术在军事和国民经济中的应用。
主要内容
1.1 红外辐射的基本概念
1.2 红外物理与红外技术
1.3 红外技术应用
1.1 红外辐射的基本概念
1.1.1
电磁辐射
红外辐射.
1.3.3 红外技术在国民经济的应用
(3）红外医疗 主要应用在红外诊断、红外理疗等，如热像仪 (4）红外遥感 保密性好，抗干扰能力强，能昼夜工作
1.3.3 红外技术在国民经济的应用
（5）红外辐射加热 通过需用某些发射率高的材料实现 （6）红外光谱技术 消不同物体在不同条件下发出的红外波段光谱辐射 特性不同，来监测、鉴别物质成分
气污染分析，非破坏性实验，以及医学中疾病的检测，病
理分析等。
参考文献
[1] 石晓光，王蓟，叶文. 红外物理[M]. 北京：兵器工
业出版社，2006.
[2] 叶玉堂，刘爽. 红外与微光技术[M]. 北京：国防工 业出版社，2010. [3] 张建奇，方小平. 红外物理[M]. 西安：西安电子科 技大学出版社，2004.
1.3.2 红外技术在军事领域的应用
（1）红外制导 利用目标本身的 红外辐射来引导导弹
或其他武器装备自动
接近并摧毁目标 （2）红外通信 利用红外辐射的 平行光束作为载波，
利用其良好的方向性
和安全通信。
1.3.2 红外技术在军事领域的应用
(3）红外夜视 物体在任何时刻、任何环境散发着红外辐射
1.3.2 红外技术在军事领域的应用
中红外
2.5~25
红外基础知识
红外辐射也是由物质内部运动的变化（如分子、离子、院子等的振动、 转动、电子跃迁等）而辐射的电磁波。所有高于绝对零度（－273℃）的物质都 可以产生红外辐射。现代物理学称之为热辐射。
描述红外辐射的参数有辐射强度、波长等。红外辐射的波长为 0.76μm～ 1000μm。根据波长的长短，人们又把红外辐射分为近红外（0.76μm～3.00μm）、 中红外（3.00μm～25.00μm）和远红外（25.00μm～1000μm）三部分。
若以 Enλ表示黑体在法线方向上的分谱辐射亮度，Eλ(θ)表示黑体在俯仰 角θ方向上的分谱辐射亮度，则它们之间满足以下关系：
这就是朗伯定律的数学表达式。
朗伯面 [Lambert's surface]
辐射在空间的分布规律满足朗伯余弦定律的辐射表面叫朗伯面。理想漫射表 面就是这类面，白色的无光泽表面近似于朗伯面。对这种面的辐射或漫反射，人 们无论从哪个方向来看，其亮度都是不变的。
红外简介：
红外辐射 [infrared radiation]
红外辐射，又称红外线，是太阳光线中众多不可见光线中的一种。它是 德国科学家霍胥尔于 1800 年对太阳光线作实验时偶尔发现的。他用一块三棱镜 将太阳光分解开，在太阳光各种不同颜色的色带位置上放置温度计，试图测量各 种颜色的光的加热效应。结果发现，被无意放在红光外侧的那支温度计升温最快。 因此得出结论：太阳光谱中的红光的外侧必定存在人眼看不见的光线，红外辐射 即由此得名。
理想的灰体在自然界也是不存在的，不过许多物体的辐射在一定程度上近似 于灰体，因此在应用上可以作为灰体来处理。
选择性辐射体 [selective radiator]
黑体或灰体的辐射光谱分布是连续的，而选择性辐射体辐射的光谱分布不同 于黑体和灰体。选择性辐射体的发射率随波长不同变化很大，在有些波段可较大， 甚至接近于 1；而在有的波段则很小，甚至几乎为零。因此其辐射光谱通常是一 些强弱相差较大的窄带。
描述红外辐射的参数有辐射强度、波长等。红外辐射的波长为 0.76μm～ 1000μm。根据波长的长短，人们又把红外辐射分为近红外（0.76μm～3.00μm）、 中红外（3.00μm～25.00μm）和远红外（25.00μm～1000μm）三部分。
若以 Enλ表示黑体在法线方向上的分谱辐射亮度，Eλ(θ)表示黑体在俯仰 角θ方向上的分谱辐射亮度，则它们之间满足以下关系：
这就是朗伯定律的数学表达式。
朗伯面 [Lambert's surface]
辐射在空间的分布规律满足朗伯余弦定律的辐射表面叫朗伯面。理想漫射表 面就是这类面，白色的无光泽表面近似于朗伯面。对这种面的辐射或漫反射，人 们无论从哪个方向来看，其亮度都是不变的。
红外简介：
红外辐射 [infrared radiation]
红外辐射，又称红外线，是太阳光线中众多不可见光线中的一种。它是 德国科学家霍胥尔于 1800 年对太阳光线作实验时偶尔发现的。他用一块三棱镜 将太阳光分解开，在太阳光各种不同颜色的色带位置上放置温度计，试图测量各 种颜色的光的加热效应。结果发现，被无意放在红光外侧的那支温度计升温最快。 因此得出结论：太阳光谱中的红光的外侧必定存在人眼看不见的光线，红外辐射 即由此得名。
理想的灰体在自然界也是不存在的，不过许多物体的辐射在一定程度上近似 于灰体，因此在应用上可以作为灰体来处理。
选择性辐射体 [selective radiator]
黑体或灰体的辐射光谱分布是连续的，而选择性辐射体辐射的光谱分布不同 于黑体和灰体。选择性辐射体的发射率随波长不同变化很大，在有些波段可较大， 甚至接近于 1；而在有的波段则很小，甚至几乎为零。因此其辐射光谱通常是一 些强弱相差较大的窄带。
红外物理(共计250页)
毕业生需求及分配就业情况 因为国内没有相同专业，在我校隶属兵器部时，红外技术专业毕业生基本 有固定的分配去向，人数比例较多的大致为如下几个方向： 各光机所、物理所：长春光机所、长春物理所、上海光机所、上海技术物 理所、西安光机所、安徽光机所、昆明物理所。 各军工研究所：部内203所、205所、211所、航天207所、707所、713所等。 各兵器光学厂：长春228厂、西安248厂、云南298厂、扬州5308厂、无锡 559厂、河南541厂等。 各省公安厅、直辖市公安局、军校和地方高等院校、武器实验基地、地方 光电子企业、半导体厂、公司等。 逢国内业内召开会议时，都会看到很多本专业毕业生。很多毕业生都已经 成为专业领域的技术骨干或高级管理人员。 随着军事科技形势的不断发展，对该专业毕业生需求将是长期的。 隶属地方及专业目录合并以后，除上述分配去向外，去三资企业的较多， 凡与光电子技术、电子材料与元器件有关的企业均可接纳红外专业毕业生。
红外技术的应用
1 2 3 4 5 6
军事目标的侦察、监视、预警与跟踪 红外制导是一种重要的制导方式。 红外通信。 军用夜视仪。 是探测隐身飞行器的一种手段。 对威胁进行红外告警。
红外对抗（简介）：红外干扰机，红外诱饵，红外
烟幕，红外隐身。 红外技术在民用方面的应用：红外测温，红外遥控， 红外遥感，红外医疗，红外加热，红外光谱技术 。 总之，红外技术的应用及其广泛，它已涉及到军事 战术或战略的情报搜集、目标的侦察监视、武器制 导等各个领域，对未来战争产生重大的影响。在工 业、医学和科研等许多方面也广为使用，例如热源 探测，医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光 谱分析、红外加热、红外遥感、红外天文学等。
业务培养要求：
本专业学生主要学习数学、物理学、四大力 学、固体物理、半导体物理、红外物理学与 光电子学的基础理论和基本知识，具有利用 现代的光学、机械、电子、计算机等先进技 术，对红外系统乃至光电子系统及仪器整机 的设计、计算、应用的基本能力。掌握各种 光电子器件、工艺及系统的设计、研究与开 发的基本能力。
红外物理
1红外辐射的基本特点：1）人眼不敏感，使用红外探测仪探测2）光量子能量小3）热效应比可见光强4）更易于吸收。
2红外系统的特点：1）尺寸小、重量轻2）能有效抗可见光伪装3）白天夜间都能工作4）比雷达更精确5）对辅助设备要求少。
3辐射能Q：以电磁波的形式发射、传输和接收的能量。
辐射功率P：发射、传输或接收辐射能的时间速率。
辐射强度I：描述点辐射源特性的辐射量。
辐射出射度M：辐射源单位表面积向半球空间内发射的辐射功率。
辐射亮度L：辐射源在某一方向上的单位投影面积向单位立体角中发射的辐射功率。
辐射照度E：被照表面的单位面积上接收到的辐射功率。
4朗伯小面源的I、L、M关系：I=Lcosθ∆A，M=πL。
5辐射度量的基本规律：距离平方反比定律：辐射强度为I的点源，在距离它ι处且与辐射线垂直的平面上产生的辐射照度与I成正比，E=Icosθ/ι2。
互易定理：两面元所传递的辐射功率之比等于两辐射面的辐射亮度之比。
6圆盘：Iθ=I0cosθP=πI0球面：I0=πLR2P=4πI0半球面：Iθ=1/2πLR2(1+ cosθ) P=2πI07发光的种类：化学发光、光致发光、电致发光、热辐射。
好的吸收体必是好的发射体。
8基尔霍夫定律：热平衡条件下，物体的辐射出射度与吸收率的壁纸等于空腔中的辐射照度，与物体的性质无关。
9黑体：任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体。
反射率和透射率为零，吸收率为1，黑体为朗伯辐射体。
10黑体辐射特征：1）光谱辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值2）曲线随温度的升高而整体升高3）曲线不相交，温度越高，光谱辐射出射度越大4）峰值波长随温度升高而减小5）黑体辐射只与黑体的绝对温度有关（维恩位移定律表明其成反比）11物体的发射率：在指定温度T时的辐射量与同温度黑体的相应辐射量的比值。
12发射率的一般规律：1）朗伯辐射体三种发射率相等2）金属的发射率较低，随温度升高而增高3）非金属的发射率较大随温度的升高而降低4）介质的光谱发射率随波长变化而变化。
红外技术 第一章 红外辐射
• 他做实现时，用热敏探测器(水银 温度计)发现了频率低于红光的 “不可见(invisible)光”，他称这 为“热射线（ calorific rays ）”。 后来，红外线的英语单词取 Infra-red意思是“below red”。
– 很长一段时间内，人们主要从 事红外线的本质方面的研究以 及红外光学材料研究，随着一 些高灵敏度的探测器的出 现， 红外技术开始走向实用阶 段。
– 1835年，安培宣告了光和热射线的同一性。 – 1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测 器，并用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高 测量色散的能力，这为红外应用的重要方面——航 空摄影奠定了基础。 – 1880年，“红外”一词出现在阿贝尼的文 章中（最 早）。 – 1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了赫胥耳 的探测和测量方法，为红外技术奠定了基础。 – 1904年，开始采用近红外进行摄影。 – 1929年，苛勒发明了银氧铯（Ag-o-Cs）光阴极， 开创了红外成像器件的先河。 – 二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立 研制成红外变像管，红外夜视系统应用于实战。 – 1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。
红外技术
• 红外技术是光电子学的重要组成部分， 属于光学的应用分支。 • 红外技术课是一门培养学生掌握红外基 本理论和相关的红外探测技术的应用基 础课。
1
本课程内容
• 本课程分九章：
– 一、红外辐射
• 红外辐射的基本概念，辐射物理量和光谱辐射量，基尔霍 夫定律，黑体和普朗克公式，斯蒂芬—玻尔兹曼定律和维 恩位移定律。
8
Herschel directed sunlight through a glass prism to create a spectrum - the "rainbow" created when light is divided into its colors - and measured the temperature of each color. He used three thermometers with blackened bulbs (to better absorb the heat) and placed one bulb in each color while the other two were placed beyond the spectrum as control samples. As he measured the temperatures of the violet, blue, green, yellow, orange and red light, he noticed that all of the colors had temperatures higher than the controls and that the temperature of the colors increased from the violet to the red part of the spectrum. After noticing this pattern, Herschel decided to measure the temperature just beyond the red portion of the spectrum in a region apparently devoid of sunlight. To his surprise, he found that this region had the highest temperature of all. Herschel performed further experiments on what he called the "calorific rays" that existed beyond the red part of the spectrum and found that they were reflected, refracted, absorbed and transmitted just like visible light. What Sir William had discovered was a form of light (or radiation) beyond red light. These "calorific rays" were later renamed infrared rays or infrared radiation (the prefix infra means `below'). Herschel's experiment was important not only because it led to the discovery of infrared, but also because it was the first time that someone showed that there were forms of light that we cannot see with our eyes. Herschel's original prism and mirror are on display at the National Museum of Science and Industry in London, England. 9
– 很长一段时间内，人们主要从 事红外线的本质方面的研究以 及红外光学材料研究，随着一 些高灵敏度的探测器的出 现， 红外技术开始走向实用阶 段。
– 1835年，安培宣告了光和热射线的同一性。 – 1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测 器，并用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高 测量色散的能力，这为红外应用的重要方面——航 空摄影奠定了基础。 – 1880年，“红外”一词出现在阿贝尼的文 章中（最 早）。 – 1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了赫胥耳 的探测和测量方法，为红外技术奠定了基础。 – 1904年，开始采用近红外进行摄影。 – 1929年，苛勒发明了银氧铯（Ag-o-Cs）光阴极， 开创了红外成像器件的先河。 – 二十世纪30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立 研制成红外变像管，红外夜视系统应用于实战。 – 1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪。
红外技术
• 红外技术是光电子学的重要组成部分， 属于光学的应用分支。 • 红外技术课是一门培养学生掌握红外基 本理论和相关的红外探测技术的应用基 础课。
1
本课程内容
• 本课程分九章：
– 一、红外辐射
• 红外辐射的基本概念，辐射物理量和光谱辐射量，基尔霍 夫定律，黑体和普朗克公式，斯蒂芬—玻尔兹曼定律和维 恩位移定律。
8
Herschel directed sunlight through a glass prism to create a spectrum - the "rainbow" created when light is divided into its colors - and measured the temperature of each color. He used three thermometers with blackened bulbs (to better absorb the heat) and placed one bulb in each color while the other two were placed beyond the spectrum as control samples. As he measured the temperatures of the violet, blue, green, yellow, orange and red light, he noticed that all of the colors had temperatures higher than the controls and that the temperature of the colors increased from the violet to the red part of the spectrum. After noticing this pattern, Herschel decided to measure the temperature just beyond the red portion of the spectrum in a region apparently devoid of sunlight. To his surprise, he found that this region had the highest temperature of all. Herschel performed further experiments on what he called the "calorific rays" that existed beyond the red part of the spectrum and found that they were reflected, refracted, absorbed and transmitted just like visible light. What Sir William had discovered was a form of light (or radiation) beyond red light. These "calorific rays" were later renamed infrared rays or infrared radiation (the prefix infra means `below'). Herschel's experiment was important not only because it led to the discovery of infrared, but also because it was the first time that someone showed that there were forms of light that we cannot see with our eyes. Herschel's original prism and mirror are on display at the National Museum of Science and Industry in London, England. 9
红外光学材料第一章
第一章红外光学材料基础1.1 引言在研制和使用红外光学材料时，必然要涉及到材料的光学和力学性质，如透过率、吸收系数、发射率、折射指数、色散等光学性质，还有断裂强度、断裂韧性等力学性质，以及使用环境对材料性能的影响如抗热冲击、沙蚀、雨蚀等。
这就需要对这些参数的含义以及物理过程能有一个基本的了解。
因此，本章所叙述的基础知识都是直接和材料性能密切相关的，以便读者能比较容易的地了解以后的内容。
1.2 大气窗口高于绝对零度的任何物体都会产生热辐射。
这种热辐射本质上是电磁波，也称为电磁辐射。
其特性可以用频率ν和波长λ表示。
这种电磁辐射波的传播速度，c=λν，c为光速（c＝2.99792458×108m/s）。
自然界存在各种不同频率（或波长）的电磁波，如γ射线、х射线、紫外线、可见光、红外线、微波等。
在表1-1中给出了各种电磁波所对应的波长和频率。
根据普朗克理论，室温（300K）下物体辐射电磁波的波长处于红外波段。
先进的红外探测器（如InSb、HgCdTe、PbSnTe等）能在红外波段远距离“看见”辐射红外电磁波的物体形貌。
红外辐射经过在空气中的传播才可到达探测器。
理论和实验都证明大气层中辐射电磁波的传播将会随距离而衰减。
这是由于大气本身对辐射电磁波的吸收和散射作用，从而导致辐射电磁波强度随传播距离而降低。
表1-1各种电磁波所对应的波长和频率地球表面上的大气随着离开地面的距离按其特性（如温度、大气组成等）可分为五层：对流层（0 km ~12km），平流层（12 km ~50km），中间层（50 km ~80km），电离层（80 km ~500km），逸散层（500 km ~750km）。
影响人们生活以及红外光学应用主要是对流层，对流层的特点是气体密度大，且随高度的增加温度下降。
大气是由两部分气体组成。
不变气体（N2、O2、Ar、H、He等）和可变气体（H2O、CO2、CO、O3、CH4等）。
前者成分比例及含量基本上不随时间地点而变化，后者则随时间地点在变化，这两部分构成了大气的主要成分。
第一章红外物理基础解读
1.太阳
T≈ 5600K
2897 P 0.5 m T
太阳辐射的光谱分布可以用5600 K的黑体的辐射来近似表示
• 曲线1： 温度为6000K的黑体； • 曲线2：太阳在大气层外的辐出度光谱分布 • 曲线3：太阳在海平面上的辐出度光谱分布
太阳辐射很接近于黑体辐射
2.月亮
Reflected Sunlight（太阳反射） Thermal Emission（自身辐射）
2004年
陈永甫编著，《红外辐射、红外器件与典型应用》，电子 工业出版社，2004年
张敬贤等，《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版
社，1995年 A.R.杰哈著，《红外技术应用》，化工出版社，2004年
其他：
– 《红外探测器》 – 《红外电子学》 – 《红外光学系统》 – 《红外光谱》 – 《红外技术实验与方法》 – 《红外系统》
• Comman sense approach to thermal imaging, Gerald C. Holst, JCD, SPIE, 2000.
• Maldague, Xavier P. V., Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing, John Wliley & Sons, 2001
学习本课程的意义
拓宽知识面
将理论知识用于实践，融会贯通，提高解决实际
问题的能力
了解红外与微光技术实际应用水平和最新发展动
态
为以后的工作和科研提供参考
主要参考书目
吴宗凡等，《红外与微光技术》，国防工业出版社， 1998年 张建奇等，《红外物理》，西安电子科技大学出版社，
红外光谱分析及FTIR基础知识
第一章 红外光谱的基本原理l—1 光的性质光是一种电磁波，它在电场和磁场二个正交面内波动前进．二个波峰或波谷之间的距离为波长，以“ λ”表示。
电磁波包括波长短至0.1纳米的x射线到长达106厘米的无线电波．其中波长为0.75微米到200微米，即从可见光区外延到微波区的一段电磁波称红外光．红外光通常以微米为单位(μm)．1微米等于10-4厘米(1μm＝10-4cm)，因此，红外光波长以厘米为单位时，其倒数就是1厘米内的波数(ν)，所以波数的单位ν是厘米-1（cm-1）．红外光既可以波长(λ)，也可以波数(cm-1)表示，二者关系如(1-1)式所示：ν（cm-1）=104/λ(μm) (1-1)由于光的能量与频率有关，因此红外光也可以频率为单位．频率(f)是每秒内振动的次数．频率、波长和波数的关系是，f=c/λ=ν*c (1—2)式中：c为光速，是常数(3×1010厘米秒); λ是波长(微米)；f是频率(秒-1)；ν是波数(厘米-1)．由于波数是频率被一个定值(光速)除的商值，因此红外光谱中常将波数称为频率．光既有波的性质，又有微粒的性质．可将一束光看作高速波动的粒子流，最小单位为光子．根据爱因斯坦—普朗克关系式，一定波长或频率的单色光束中每个光子具有能量E,E＝hf=hcν=hc/λ (1—3)式中：h为普朗克常量，等于6．63×10-34焦耳·秒．按(1.3)式可以算出波长2μm(5000厘米-1)的红外光子能量为6．63×10-34 (焦耳·秒)x3x1010/2x10-4厘米＝9．95x10-20焦耳．同理波长l0微米(1000厘米-1)的红外光子的能量仅1．99×10-20焦耳．可见波长短，能量大．波长长，能量小．1-2 分子光谱的种类有机分子同其他物质一样始终处于不停的运动之中。
分子在空间自由移动需要的能量为移动能．沿重心轴转动的能量为转动能，约0.1—0.00l千卡/摩．二个以上原子连接在一起，它们之间的键如同弹簧一样振动，所需能量为振动能，约5千卡/摩．此外分子中的电子从各种成键轨跃入反键轨所需能量为电能，约100千卡/摩．分子在未受光照射之前，以上描述的诸能量均处于最低能级，称之为基态．当分子受到红外光的辐射，产生振动能级的跃迁，在振动时伴有偶极矩改变者就吸收红外光子，形成红外吸收光谱．若用单色的可见光照射(今采用激光，能量介于紫外光和红外光之间)，入射光被样品散射，在入射光垂直面方向测到的散射光，构成拉曼光谱。
第一章 红外光谱基本原理
(2)THz波可以穿透非金属和非极性材料，可以利用THz波来探测隐藏在这 些包装材料中的炸药；
(3)THz波的能量比较低，不会导致生物组织电离，可以对人体和生物材 料等进行无损检测。
相关研究机构：Rensselaer Polytechnic Institute，日本理化学研究 所，中科院上海微系统与信息技术研究所，首都师范大学物理系等。
由分子的吸收或发光所形成的光谱称为分子光谱 （molecular spectrum），分子光谱是带状光谱。
电磁波的能量变换公式
世界上任何物质都是运动着的，除了人们所直接观察到的宏观 运动外，构成物质的分子和原子还存在微观的运动。这些运动一般是 以间接的方式被认识和研究的。这些间接的方法也就是光谱法。
1、波长（λ） 相邻两个波峰或波谷之间的直线距离，单位为米 （m）、厘米（cm）、微米（μm）、纳米（nm）。 这些单位之间的换算关系为1m＝102cm＝106μm＝ 109nm。
2、频率（v） 单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数 目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，单位 为赫兹（Hz，即s-1），频率和波长的关系为
光谱分析法是基于物质对不同波长光的吸收、发射等 现象而建立起来的一类光学分析法。
光谱是光的不同波长成分及其强度分布按波长或波数 次序排列的记录，它描述了物质吸收或发射光的特征，可 以给出物质的组成、含量以及有关分子、原子的结构信 息。
由原子的吸收或发射所形成的光谱称为原子光谱 （atomic spectrum），原子光谱是线光谱。
红外光谱是由于分子振动能级（同时伴随转动能 级）跃迁而产生的，物质吸收红外辐射应满足两 个条件：
辐射光具有的能量与发生振动跃迁时所需的能量相 等；
辐射与物质之间有偶合作用。
(3)THz波的能量比较低，不会导致生物组织电离，可以对人体和生物材 料等进行无损检测。
相关研究机构：Rensselaer Polytechnic Institute，日本理化学研究 所，中科院上海微系统与信息技术研究所，首都师范大学物理系等。
由分子的吸收或发光所形成的光谱称为分子光谱 （molecular spectrum），分子光谱是带状光谱。
电磁波的能量变换公式
世界上任何物质都是运动着的，除了人们所直接观察到的宏观 运动外，构成物质的分子和原子还存在微观的运动。这些运动一般是 以间接的方式被认识和研究的。这些间接的方法也就是光谱法。
1、波长（λ） 相邻两个波峰或波谷之间的直线距离，单位为米 （m）、厘米（cm）、微米（μm）、纳米（nm）。 这些单位之间的换算关系为1m＝102cm＝106μm＝ 109nm。
2、频率（v） 单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数 目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，单位 为赫兹（Hz，即s-1），频率和波长的关系为
光谱分析法是基于物质对不同波长光的吸收、发射等 现象而建立起来的一类光学分析法。
光谱是光的不同波长成分及其强度分布按波长或波数 次序排列的记录，它描述了物质吸收或发射光的特征，可 以给出物质的组成、含量以及有关分子、原子的结构信 息。
由原子的吸收或发射所形成的光谱称为原子光谱 （atomic spectrum），原子光谱是线光谱。
红外光谱是由于分子振动能级（同时伴随转动能 级）跃迁而产生的，物质吸收红外辐射应满足两 个条件：
辐射光具有的能量与发生振动跃迁时所需的能量相 等；
辐射与物质之间有偶合作用。
2015红外物理1剖析.
17
1.2 红外技术的发展与应用
18
1.2.1 红外技术的发展概况
1800年英国天文学家Hershel(赫歇尔)发现红外辐射 1940年前后德国才真正出现现代的红外技术，他们
用研制成的硫化铅和几种红外透射材料制成一些军 用红外系统。此后，各国竞相发展，特别是美国， 大力研究红外技术在军事方面的应用 从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了 红外技术的现状及发展方向。 目前，先进国家已将红外技术应用于单兵装备、装 甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及 武器制导等各个领域
《红外探测器》：探测器机理、探测原理、典型红外探 测器介绍、测试、计算等。
《红外电子学》：弱信号处理、低噪声电子电路、放大、 调制、解调、红外系统中常用的特殊电子电路。
《红外系统》：整个红外系统的设计、各部分的衔接、 典型系统的设计、红外仪器等。
《随动系统》：执行机构。执行探测到信号后要执行的 动作。如显示（数字或图像）、驱动（继电器、控制其 它系统的电路、报警等）、动作（尾舵、转盘、自动瞄 准、跟踪等，由电磁机构组成，电机电磁铁等）
红外技术的基本概念 红外技术是研究红外波段内电
磁波的特性、变化规律并使其应用 的一门现代技术。
6
“现代技术”：
当前电子技术的新领域是空间电子技术、 固体电子技术、自由电子激发技术和光电子技 术。而红外、激光和光通信是光电子技术的主 要内容。
7
众所周知，从波长很长的无线电波到波长很短的 宇宙射线都是不同波长的电磁波，或称为电磁辐射。 波长的单位在行业内习惯用微米(µm) 。频率ν和波 长λ的关系为 λν= c （光速）；也有用波数σ表示波 长的 σ=1/λ(cm-1) 。
红外成像二代前视红外系统热源探测医学应用激光红外光学成像技术应用于探测sf6气体泄漏红外探测技术用于预测煤与瓦斯突出我国红外技术发展较晚在五十年代末六十年代初至今发展有四十多年历史
1.2 红外技术的发展与应用
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1.2.1 红外技术的发展概况
1800年英国天文学家Hershel(赫歇尔)发现红外辐射 1940年前后德国才真正出现现代的红外技术，他们
用研制成的硫化铅和几种红外透射材料制成一些军 用红外系统。此后，各国竞相发展，特别是美国， 大力研究红外技术在军事方面的应用 从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了 红外技术的现状及发展方向。 目前，先进国家已将红外技术应用于单兵装备、装 甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及 武器制导等各个领域
《红外探测器》：探测器机理、探测原理、典型红外探 测器介绍、测试、计算等。
《红外电子学》：弱信号处理、低噪声电子电路、放大、 调制、解调、红外系统中常用的特殊电子电路。
《红外系统》：整个红外系统的设计、各部分的衔接、 典型系统的设计、红外仪器等。
《随动系统》：执行机构。执行探测到信号后要执行的 动作。如显示（数字或图像）、驱动（继电器、控制其 它系统的电路、报警等）、动作（尾舵、转盘、自动瞄 准、跟踪等，由电磁机构组成，电机电磁铁等）
红外技术的基本概念 红外技术是研究红外波段内电
磁波的特性、变化规律并使其应用 的一门现代技术。
6
“现代技术”：
当前电子技术的新领域是空间电子技术、 固体电子技术、自由电子激发技术和光电子技 术。而红外、激光和光通信是光电子技术的主 要内容。
7
众所周知，从波长很长的无线电波到波长很短的 宇宙射线都是不同波长的电磁波，或称为电磁辐射。 波长的单位在行业内习惯用微米(µm) 。频率ν和波 长λ的关系为 λν= c （光速）；也有用波数σ表示波 长的 σ=1/λ(cm-1) 。
红外成像二代前视红外系统热源探测医学应用激光红外光学成像技术应用于探测sf6气体泄漏红外探测技术用于预测煤与瓦斯突出我国红外技术发展较晚在五十年代末六十年代初至今发展有四十多年历史
红外光谱 (1)
(六)双键的对称伸缩振动区(1680~1500 cm-1)
(七)C-H弯曲振动区(面内)(1475~1300 cm-1)
(八)C-O伸缩振动区(1300~1000 cm-1)
(九)C-H弯曲振动区(面外)(1000~650 cm-1)
四、芳香族化合物的特征吸收
乙基苯的红外光谱图
νC-H
990~970
690
990、910两个强峰
倍频峰：1850 ~1800 cm-1 和 1800 ~1780 cm-1
1-辛烯
as CH 2960 3 s CH 2870
3
s CH 1379
3
as CH 2925 2
(CH ) n 725
2
CC-H 3079
s CH 2850 2
CC1642
as CH 3
1450
CH CH 910
2
CH CH 994
2
炔烃
CCH：3300 ~3200cm-1 炔烃的特征
CC：2300~2100 cm-1 较弱的尖细峰
末端： 2140~2100 cm-1 不对称二取代： 2260~2190 cm-1
δCCH：700 ~600cm-1 强宽峰 δCCH：1300 ~1220cm-1 倍频峰 CC 与其它基团共轭时，吸收峰向低频方向移动
第一章 红外光谱
第一节 概述
1
红外光与红外光谱
2
红外光谱图
3
IR与UV的区别
一、红外光与红外光谱
1.红外光：波长介于可见光与微波之间的光。
x
紫外光区 可见光区 近红外光区
中红外光区 远红外光区
0.005 nm 0.1nm 4nm
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造成“红外线白内障”
光电效应等
Aห้องสมุดไป่ตู้
15
1.2 电磁波谱
A
16
1.电磁波的分类
• Gamma 射线：
• X射线：
• 紫外线：
• 可见光: 0.38～0.75微米
• 红外线： 0.75～1000微米
• 微波：
• 射频：
A
17
2. 红外辐射的光谱划分
• 根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分：
名称
SPIE “INFRARED TECHNOLOGY AND APPLICATIONS”国际会议
A
10
主要内容
➢ 第一章 红外物理基础
➢ 第二章 红外探测器
➢ 第三章 红外探测器的参数测试
➢ 第四章 微光探测技术
➢ 第五章 制冷技术
➢ 第六章 红外与微光技术应用
A
11
第一章 红外物理基础
1.1 红外线的发现与本质
A
22
1.3 红外辐射源
1.3.1 热辐射的基本定律 1. 基尔霍夫定律(Kirchhoff’s Law)
热平衡时，必有：
T
ME
EM
（1-1）
A
其中，M是物体A的辐出度；
α是物体A的吸收率；
E是物体A上的辐照度
表述：
在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收率的比值等
于空腔中的辐射照度，这与物体的性质无关。
➢ 热成像
侦察和监视，热测绘，潜艇探测，导弹的地下发射阱、人员、车辆、武器野 营吹火以及战地营房的探测等
➢ 反射通量测量
夜间驾驶，冲锋枪的射击，入侵检测，伪装探测，基地保卫，停泊和着陆等
➢ 合作光源
地面通讯，红外系统对抗，无人驾驶飞机的指令联络
A
3
民用领域
➢工业
森林火灾探测，铁路车辆过热轴颈箱的探测，工 艺控制，探测晴空大气湍流，空气污染分析，环 境检测，非破坏性实验，车速探测等
•发射率是有方向性的。
A
35
1.3.2 红外辐射源的分类
black body
A
36
1.3.3自然（红外）源
太阳、地球表面、天空、外层空间和星体等都是自然辐射源 1.太阳
T≈ 5600K
P
2897 T
0.5m
太阳辐射的光谱分布可以用5600 K的黑体的辐射来近似表示
A
37
• 曲线1： 温度为6000K的黑体； • 曲线2：太阳在大气层外的辐出度光谱分布 • 曲线3：太阳在海平面上的辐出度光谱分布
A
5
➢学习本课程的意义
拓宽知识面 将理论知识用于实践，融会贯通，提高解决实际
问题的能力 了解红外与微光技术实际应用水平和最新发展动
态 为以后的工作和科研提供参考
A
6
➢主要参考书目
吴宗凡等，《红外与微光技术》，国防工业出版社， 1998年
张建奇等，《红外物理》，西安电子科技大学出版社， 2004年
• 辐射特性：
Lower surface ≈ 0ºC Black Body
太阳辐射很接近于黑体辐射
A
38
2.月亮
Reflected Sunlight（太阳反射）
P1 0.5m
Thermal Emission（自身辐射） T400K P7m
A
39
3.云层
•与对太阳和地球的反射和散射有关
3m(Day, sun light)
P1 0.5m
4m(Night, terrain radiation) P2 9.6m
➢ 一个理想化的概念 ➢ 是一个比较标准
黑体模型
在一个密闭的空腔上开一个小孔， 腔孔的辐射就相当于 一个面积等于腔孔面积的黑体辐射
A
25
2.普朗克公式—黑体辐射理论最基本的公式
描述了黑体辐射的光谱分布：
M
2h5
c2 1 ech/kT1
又可表示为：
M
c15
1 ec2/T
1
（1-2）
A
26
•意义：
黑体辐射的特征：
A
23
• 结论：
1. 好的吸收体必是好的发射体 （ E M ）；
2. 对于不透明物体（透过率 0），好的发射体必 是弱的反射体（ 1）；
3. 3. 如果反射率和透射率均为零，则吸收率等 于1
黑体
A
24
黑体（black body） ：
➢ 任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体
bb bb 1
A
8
• Elements of infrared technology, generation,transmission, and detection, Paul W. Kruse, et al. John Wiley & Sons, 1962
• Infrared optoelectronics, device and applications, William Nunley, et al., Marcel Dekker, 1987
• Comman sense approach to thermal imaging, Gerald C.
Holst, JCD, SPIE, 2000. A
9
• Maldague, Xavier P. V., Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing, John Wliley & Sons, 2001
1）光谱辐射出射度随波长连续变化， 每条曲线只有一个极大值。 2）曲线随黑体温度的升高而整体提高。 在任意指定波长处，与较高温度对应 的光谱辐射出射度也较大。 3）每条曲线彼此不相交，故温度越高， 所有波长的光谱辐射出射度也越大。 4）温度升高，峰值波长减小，黑体辐 射中包含的短波成分所占比例增加。 5）黑体的辐射只与黑体的绝对温度有 关。
式中 σ: 斯蒂芬-波耳兹曼常数, 5.6697×10-12 （ Wcm 2K4）
A
30
➢意义：红外辐射测温的理论基础
Mb T4
•辐出度与绝对温度的四次方成正比。
Mb 4T3T
•相当小的温度变化， 就会引起辐射功率很大的变化。
容易探测
A
31
5.发射率（比辐射率）
• 发射率ε：
辐射源的辐出度与具有同一温度的黑体的辐出度之比
• 人眼对红外辐射不敏感，需用红外探测器才能探 测到；
• 红外辐射的热效应比可见光要强很多； • 红外辐射更容易被物质吸收，但对薄雾来说，长
波红外辐射更容易通过。
A
21
红外技术：研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应 用的技术科学
主要内容：
• 红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、 强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折 射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。
• Irving J. Spiro, Monroe Schlessinger, Infrared technology fundamentals, MARCEL DEKKER,INC., 1989
• A. R. JHA, Infrared Technology, Applications to Electrooptics, Photonic Devices, and Sensors， 2000
3）选择性辐射体，
随波长而变。
A
33
*同一种材料在不同波段的比辐射率的差异很大
A
34
•金属材料的发射率均较低,但随温度而增加,并且当表面形成 氧化层后,发射率成十倍或更大倍数增加。
•非金属的发射率要高些，一般大于0.8,并随温度的增高而减 小。
•金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,发 射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆 对发射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起发 射率测量值的变化。
• 红外元件、部件的研制，包括辐射源、红外探测器、微型 制冷器、红外窗口材料和滤光片等。
• 把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。 • 红外技术在军事上和国民经济中的应用。
红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，
又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。
不同温度下黑体辐射出射度随波长的变化
A
27
3.维恩位移定律(Wien displacement formula)
黑体光谱辐射出射度的峰值波长m与绝对温度T的关系：
mT b
（1-3）
（可由普朗克公式（1-2）对波长求导，然后再令导数等于零求得）
式中，λm是光谱辐射出射度的峰值波长 ； b是维恩位移常数 ，b=(2897.8±0.4)(μm·K)； T是绝对温度（K）。
• Semiconductor quantum wells and superlattices for longwavelength infrared detectors, M. O. Marasreh, Artech house, 1993.
• Intrsubband infrared photodetectors, V. Ryzhii, World Scientific, 2003
1.2 电磁波谱
1.3 红外辐射源
1.3.1 基本定律
1.3.2 红外辐射源的分类
1.3.3 自然源
1.3.4 标准源
1.3.5 人造源
1.4红外系统
A
12
1.1红外线的发现与本质
1. 1800年，英国天文学 家 Herschel 用棱镜将太 阳光色散，并利用灵敏的