第2章光学仪器中的常用光源

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1.辐射能 Qe 单位为J(焦耳) 2.辐射通量又称辐射功率 e 单位为W(瓦、焦耳每秒) 3.辐射强度 Ie , 描述点辐射源的辐射功率在不同 方向上的分布。
d e I e ( , ) d
单位: W sr (瓦每球面度)
4.辐射出射度 M e 与辐射亮度 Be ,
复利原则.ppt
(2)产生激光的条件
①粒子数反转(前提条件)
热平衡下,原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律: Ni=Aexp(-Ei/kT)于是:N2/N1=exp[-(E2-E1)/kT] 设 T=300K,E2-E1=10eV, 则 N2/N1=10-40。
故使受激辐射大于受激吸收, 必须: N2>N1 , 即粒子数 反转。
一、激光器概述
基激 本光 结器 构的
•电泵浦或光泵浦; •造成工作物质中粒子数反转分布 , 自发辐射引发受激辐射; •谐振腔对辐射光波选频放大。 (1)光与原子作用的三种跃迁 受激吸收 处于低能态E1(基态)的原子,受光照满 足hν=E2—E1原子可能吸收光子能量跃迁 到高能态E2(激发态)。 E2 E1
5)光照度 Lv 普适关系式:
d v 单位:lx(勒克斯) Lv dS 1lx = 1lm/m2
X V K m V ( ) X e ( ) d
0
1.2 热辐射光源
由于内部原子、分子的热运动而产 生辐射的光源 辐射光谱是连续光谱
一、理想的热辐射光源
α(λ,T)=1 在热平衡条件下 —绝对黑体
热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的 辐射光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该热辐射 光源的色温;如果不相同,就以发光颜色最相近的黑 体温度为它的相关色温。
二、实际的热辐射光源
1.太阳与黑体辐射器 非常接近于绝对黑体 黑体辐射器:
科学制作的小 孔空腔结构, 可以很好地实 现绝对黑体的 辐射功能。
1)光能 Qv 单位:lm· s(流明· 秒) 2)光通量 v 单位:lm (流明) d v 单位:cd(坎德拉) 3)发光强度 I v I v d 发光强度 I v 是光度量中最基本的单位。在明视觉时,规定: 555nm 时, 1lm 1
1cd
sr

683
W
sr
即:1W = 683 lm
1.1 辐射度学与光度学的 基础知识
介绍描述光辐射的一套参量 光辐射:以电磁波形式或粒子(光子)形 式传播的能量,可用光学元件反射、 成像或色散,这种能量及其传播过程 叫光辐射。
为了对光辐射进行定量描述,需引入 计量光辐射的物理量,有两套体系: 辐射度单位体系和光度单位体系。
一、辐射度的基本物理量
实现反转的物质叫激活介质(或者叫激光工作物)。
激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫 “泵浦”。
激活介质本身必需要有适当的能级结构。
例如激光的三能级系统:
E3 E2
泵浦
E1 泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3。 E3不稳定(平均寿命约10-8s),无辐射跃迁到亚稳态 E2 (平均寿命约10~3~1s)。 E2有可能积聚大量粒子,从而受激辐射。
5、激光能产生最大的信息量。目前已接近3T (Tera即1012)目标,即通信传输容量T bit/s, 运算速度T bit/s,三维立体存储密度T bit/cm3 ; 6、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目 前理论证明的最安全的通信系统,目前美国、日本、 瑞士等几个国家建立了量子通信系统; 7、激光能产生最低的温度。激光冷却可将原子冷却 到20nK,接近绝对零度,量子冷却到基态,为量子 光学和量子力学的实验研究准备了条件 。
三、金属卤化物灯 泡壳内充的是
通过金属 卤化物循环, 铊灯(碘化铊):绿光,峰值535nm。 提供足够的 镝灯(碘化镝、碘化铊):色温6000K。 金属原子 钠铊铟灯(碘化钠、碘化铊、碘化铟): 气体。 近白色光源, 色温5500K。 金属卤化物气体。
四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体—氙。
色温6000K,亮度高,被称为“小太阳”,寿命长。 长弧氙灯: 大范围照明 光源 短弧氙灯: 日光色点光源 脉冲时间极短(nS~pS),光很强,用于 光泵、光信号源、照相制版、高速摄影
1.3 气体放电光源
基 泡壳:用玻璃或石英等材料制造; 本 电极:阴极、阳极或不区分(交流灯) 结 泡壳内充入发光用的气体:金属蒸汽、 构 金属化合物蒸汽、惰性气体
发光机理:气体放电。 气体放电光源的特点:
1)发光效率高,节能。 2)电极牢固紧凑,耐震,抗冲击。 3)寿命长,比白炽灯长2~10倍。 4)辐射光谱可以选择,只要选用适当 的发光材料。
脉冲氙灯:
五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气
灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长, 常用作连续紫外光源(185~400nm)。
1.4 激光器
“Laser”: light amplification by stimulated emission of radiation “受激辐射光放大”。 20世纪激光的诞生标志着人类 对光子的掌握和利用进入了一个 崭新的阶段。
一、汞灯
泡壳内充汞蒸汽
1.低压汞灯: 作253.7nm紫外光源; 作荧光灯(…日光灯)。
2.高压汞灯: 可见辐射加强,呈带状 光谱,可作高效照明光源。
3.球形超高压汞灯: 很好的蓝绿光点光源。
二、钠灯
泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠滴。
低压钠灯:发出波长589nm、589.6nm 两条谱线的单色光源。 高压钠灯:接近白光,亮度高,用于照明光源。
I2 I3
于是, I2 = I1eGL I3 = r2I2 = r2I1eGL (r2是镜2 反射率) I4 = I3eGL = r2I1e2GL I5 = r1 I4 =r1 r2I1e2GL (r1是镜1 反射率)
必须,I5 > I1,即: r1 r2e2GL >1 r1 r2e2GL >1 即为产生激光的阈值条件。
Meb , T , T Leb , T
绝对黑体热辐射能力最强。
普朗克公式
M eb ( , T)
5 (e c
c1
2
T
1)
灰体:α(λ,T)<1的 热辐射光源, 具有与绝对黑体类似 的辐射规律。 色温;相关色温
绝对黑体的温度决定了它的 辐射光谱分布
第一章 光电系统的常用光源
1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源
1.3 气体放电光源
1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED)
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源
天然光源
人造光源
电磁波谱
太阳、黑体辐射器 热辐射光源 按照发光机理, 白炽灯、卤钨灯 光源的分类: 汞灯 钠灯 需要了解 气体放电光源 金属卤化物灯 氙灯 各类光源 光源 的发光机 氘灯 理、重要 气体激光器 特性、适 固体激光器 用场合, 激光器 以便正确 染料激光器 选用光源。 半导体激光器 发光二极管
②光学谐振腔(必要条件)
工作物两端对称地放置两反射镜。
无谐振腔的受激辐射方向 是随机的。
有谐振腔,偏离腔轴线的光子 来回几次后最终逸出腔外。
而沿轴线的光子来回反射,被 增益介质连锁式光放大。
③阈值条件(决定性条件)
有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光。 虽然激活介质能使光得到增益放大;但介质吸收、 散射;端面发射、透射等会产生光能损耗。 只有当光在腔内来回一次,增益大于损耗才能产生激光。 描述工作物对光的放大能力, 用 I=IoeGx (G是增益系数)。 I1 I4 I5
此时,V(λ)=1 1W <683 lm
555nm 时, V(λ)<1
可见, 555nm是明视觉曲线中人眼最敏 感波长,V(555nm)=1。
定义: K m 683Lm / W 为明视觉最大光谱 光视效能。 于是, 同一波长下,辐射通量与光通量之间的 换算关系: ( ) K V ( ) ( )
单位:
W
m2 (瓦每平方米)
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辐射量的光谱密度,辐射量随波长的变化率。
d e e ( ) d
光谱辐射通量e ( )与波长的关系
e e ( ) d
0

其它辐射度量都有类似关系。 dM e 光谱辐射出射度 M e ( ) d
光谱辐射亮度 光谱辐射照度
dBe Be ( ) d
1、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲 功率达13×1015 W,亿度以上高温,能焊接、加 工和切割最难熔的材料; 2、激光能产生最高的压强。光压强达3×1011大气压, 可以实现激光聚变点火; 3、激光能产生最短的脉冲。 780nm 达 4fs ,相当该 光1.5周期进入强场物理领域,用超短激光脉冲研究光 合作用,能看到皮秒(1ps = 10-12s)或飞秒(1fs = 10-15s)内发生的变化; 4、最精密光刻。能制造最小的光机电一体化设备, 加工的最小机械零件从几微米到几十微米,制作的大 规模集成线路的线宽已达到 0.18 μ m,纳米器件和量 子光学器件最终可达50nm,测量精度就更高了(测长 的精度达0.005μ m);
优激 高亮度、高方向性、高单色性 越光 和高度的时间空间相干性 性的 已有数百种激光器,输出波长从近紫外直到 远红外,辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。
激光将对21世纪的科技腾飞和产业 革命产生深远的影响!
激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通 道,在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹,在高 新科学技术记录中创造了许多之最:
d e Me dS
W 单位: m2
(瓦每平方米)
W 单位: sr m2
d 2e dI e ( , ) Be ( , ) dS cos d dS cos
(瓦每球面度平方米)
M e 的定义
Be , 的定义
5.辐射照度 Le d e Le dS 6.光谱辐射量
常用作标准光 源,最高工作 温度是3000K。 太阳的光谱分布
2.白炽灯与卤钨灯 灰体
白炽灯
钨丝做灯丝
玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4~3μm。 可见光占6~12%,用于照明; 加红外滤光片可作为近红外光源。
卤钨灯
石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 (如溴化硼);形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.25~3.5μm。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2~3倍), 作仪器白光源.
v m e
对含有多种波长的辐射通量,它对应的光通 量为:
v K m V ( ) e ( )d
0
4)光出射度 M v 与光亮度 Bv
dv Mv dS
2
单位:lm /m2 单位: cd/m2
实用单位:sb(熙提) 1sb = 104cd/m2
d v dI v Bv dS cos d dS cos
1.气体激光器
工作物质是气体或金属蒸汽,通过气体 放电实现粒子数反转。 工作物质(气体)均匀性好,输出光束 的质量相当高。
2.固体激光器
工作物质是掺杂的晶体 或光学玻璃,光泵浦。 有脉冲输出激光器和连 续输出激光器。 主要优点:能量大、峰值功率高、结构紧凑、 坚固可靠和使用方便。
3.染料激光器
工作物质是有机染料溶液,光泵浦。 输出激光波长可以在很宽范围内调谐, 有极好的光束质量。 有连续输出的激光器,也有脉冲输出的 激光器。 可产生超短光脉冲,峰值功率达几百 MW 。
激 机光 理形 成
自发辐射
处于高能态的原子不稳定 , 要自发从 E2 跃迁到 E1 ,并发 射一光子,光子能量满足 hν=E2—E1。
受激辐射
E2 E1
处于高能态的原子,在自发辐射之前,受外来光子 的诱发,在E2 跃迁到E1 的同时,发射一个与外来 光子全同的(同方向、同频、同相位、同偏振)光 子。依次不断地得到大量特征相同的光子,就实现 了相干光的放大。 E2 E1
dLe Le ( ) d
二、光度的基本物理量
1.光谱光视效率V(λ): 国际照明委员会( CIE ) 根据对许多人的大量观 察结果,确定了人眼对 各种光波长的相对灵敏 度,称为光谱光视效率, 或称视见函数,见图。
详见表1.1
2.光度量
光度量与辐射度量是一一对应的。 辐射度量是客观物理量, 光度量体现了人的视觉特性。
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