第一章红外物理基础

英文缩写
波长范围（微米）
近红外/短波红 外
中红外/中波红 外
远红外/长波红 外/热红外
极远红外
NIR/SWIR MIR/MWIR FIR/LWIR/TIR XIR
0.75～3 3～6 6～15
15～1000
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➢红外大气窗口：大气对红外辐射基本是透明的
1～3微米﹑3～5微米﹑8～15微米
红外大气窗口
• 辐射特性：
Lower surface ≈ 0ºC Black Body
红外与微光技术
张艳
电子科技大学 光电信息学院
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➢课程特点
知识面广
红外物理﹑工程光学﹑半导体物理﹑图像处理， 检测技术等。
应用广泛
军事领域
民用领域
科学研究
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军事领域
➢ 搜索﹑跟踪﹑测距
导弹制导，导航和飞行控制，目标探测，入侵检测，飞机碰撞预警等
➢ 辐射测量
地形分析，毒气的探测，目标和背景的特性等
➢医学
皮肤温度测量，癌症早期探查，远距离生物传感 器，初期脑溢血的早期诊断，测定静脉堵塞的部 位，研究动物的夜间习性，监视愈合过程等
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科学研究
卫星探测 天体温度测量 气象情况的遥测 植物中热交换的研究 地球和星星大气成分的测定 其他行星上的植被或生命的探测 研究火山，侦察海面浮冰，石油勘探， 伪造品的探测，宝石鉴定，探测患病的农作物
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4.斯蒂芬-波耳兹曼定律（ Stefan-Boltzmann Law)
斯蒂芬和波尔兹曼先后于1879年和1884年分别从实验 测量和热力学推导中得出结论：黑体辐射的总能量与它 的绝对温度的四次方成正比。
Mb 0 Md12c552kh43T4T4
（1-4）
（在从零到无穷大的波长范围内,对普朗克公式（1-2）积分 ）
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
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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
温度计进行探测，发现在
红光外测温度计温度比红
3）选择性辐射体，
随波长而变。
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*同一种材料在不同波段的比辐射率的差异很大
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•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。
➢ 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
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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）
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•意义：
黑体辐射的特征：
• 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
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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
不同温度下黑体辐射出射度随波长的变化
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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）。
• 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。
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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。
M (T )
M bb (T )
（1-5）
式中，M（T）是实际物体在温度T的全辐射度， Mbb(T)是黑体在相同温度下的全辐出度
由基尔霍夫定律式（1-1），得
M(T) Mbb(T)
Mbb(T) Mbb(T)
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•根据光谱发射率，可将辐射体分为三类：
1）黑体或普朗克辐射体，其 ；1
2）灰体，其 ＝常数，但小于1；
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。
➢ 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
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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
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
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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》
太阳辐射很接近于黑体辐射
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2.月亮
Reflected Sunlight（太阳反射）
P1 0.5m
Thermal Emission（自身辐射） T400K P7m
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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
光区域高。
证明了红外线的存在。
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2. 红外线的本质
一切温度高于绝对零度的物体（有生命和 无生命）的物体时时刻刻都在不停的辐射 红外线
红外线无处不在
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3.红外线的主要效应
红外线的热效应
红外线的生物效应 医疗保健： 消炎﹑促进再生﹑免疫调节
不利影响： 波长0.8～1.2微米的短波红外，
•发射率是有方向性的。
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1.3.2 红外辐射源的分类
black body
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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
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• 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
• Semiconductor quantum wells and superlattices for longwavelength infrared detectors, M. O. Marasreh, Artech house, 1993.
• Intrsubband infrared photodetectors, V. Ryzhii, World Scientific, 2003
• 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。
式中 σ: 斯蒂芬-波耳兹曼常数, 5.6697×10-12 （ Wcm 2K4）
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➢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
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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
SPIE “INFRARED TECHNOLOGY AND APPLICATIONS”国际会议
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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
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第一章 红外物理基础
1.1 红外线的发现与本质
物理意义： 温度上升，辐射峰值总是朝着较短波长方向位移。
解释现象： 当物体温度升高时，它的颜色将跟着变化 。
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➢估算
（1）人体（T=310 K） （2）太阳（T=6000 K）
mT b23819 μ08m 9.μ4m mT b6 20 80 9 μ0 8 m 0.48 μm
思考： 有何实际意义？
• Comman sense approach to thermal imaging, Gerald C.
Holst, JCD, SPIE, 2000. A
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• Maldague, Xavier P. V., Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing, John Wliley & Sons, 2001
造成“红外线白内障”
光电效应等
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1.2 电磁波谱
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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：
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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
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➢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
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➢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
源自文库
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• 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
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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
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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。
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3.根据红外辐射产生的机理进行划分：
近红外区：0.75～2.5微米，对应于原子能级之间的
跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带
中红外区：2.5～25微米，对应分子转动能级和振动
能级之间的跃迁
远红外区：25～1000微米，对应分子转动能级之间
的跃迁
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4.红外辐射的特点
• 电磁波，具有与可见光相似的特性，如反射﹑折 射﹑干涉﹑衍射和偏振