红外物理与技术

近红外： 0.75μm ～ 3μm 中红外： 3μm ～ 6μm 远红外： 6μm ～ 15μm 极远红外： 15μm ～ 1000μm
)红外辐射主要是分子转动和振动所引 起的
)任何温度高于绝对零度(0K)的物体都 不停地发射着红外辐射
第五章 红外物理与技术
§5-0 概 述
第五章 红外物理与技术
1
视频：红外辐射
第五章 红外物理与技术
§5-1 红外辐射的物理基础
3
由辐射亮度的定义式，对朗伯面有
L = ∂2P = B ∂A cosθ∂Ω
Δ2P = B cosθ ΔAΔΩ
即朗伯辐射源的辐射亮度是一个与方向
无关的常量
对朗伯面有
∫ M =
L cosθdΩ
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§5-1 红外辐射的物理基础
3、朗伯余弦定律 黑体向半球空间发射辐射时，满足：
单位表面积向空间某方向单位立体角发 射（或反射）的辐射功率，和该方向与 表面法线夹角的余弦成正比
即
Δ2P = B cosθ ----朗伯余弦定律
ΔAΔΩ
B：与方向无关的常数
遵守朗伯余弦定律的辐射表面称为朗伯面
§5-1 红外辐射的物理基础
二、黑体辐射规律 1、维恩位移定律推导
MBλ (T)
=
2πhc2 λ5
⋅
1 ehc/ kλT
−1
普朗克公式
M Bλ (T )
=
C1 λ5
⋅
eC2
/
1
λT
−1
其中 C1 = 2πhc2 C2 = hc k 求极值，令 ∂M Bλ = 0
∂λ
M Bλ (T )
T4
且 x = C2 λT 则 (1− x )ex = 1
黑体的辐出度
∫ ∫ M B =
∞ 0
M
Bλ
dλ
=
∞ 0
C1 λ5
⋅
eC2
/
1
λT
dλ −1
令 x = C2 λT
∴ dx
=
−
1 λ2
⋅
C2 T
dλ
∫ 有
MB
=
C1T 4 C24
∞ 0
x3 ex −1
dx
=
C1π 4 15C2 4
T
4
=
σT
4
σ
= C1π 4 15C24
= 5.6697×10−8
(W⋅ m−2⋅ K−4 )
5 可解得 x = 4.9651
T3
T2 T1
λ1m
λ
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§5-1 红外辐射的物理基础
∴ C2 = 4.9651 λmT
其中 b = C2 4.9651
λmT = b
M Bλ (T ) T
x = 4.9651 x = C2 λT
= 2.897 ×10−3 m ⋅ K
λm
λ
由普朗克公式得黑体光谱辐出度峰值为
nv
Δ2 P
(1) M和L都表征辐射功率
θ
在表面上的分布特性
{ M：向半球空间 L：向单位立体角
ΔA ΔΩ
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§5-1 红外辐射的物理基础
(2) M和L的关系
L = ∂2P ∂A cosθ∂Ω
Q d2P = L cosθdΩdA
dA向半球空间发射的辐射功率
dP = ∫ L cosθdΩdA 半球空间
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§5-1 红外辐射的物理基础
一、基本辐射量
1、辐射功率(辐射通量)
Q：辐射能
P = ∂Q ∂t
单位：瓦(W)
2、辐射出射度(辐出度)
M = ∂P ∂A
单位：瓦/米2(W/m2)
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§5-1 红外辐射的物理基础
3、辐射强度
)立体角： Ω = ΔA 单位：球面度(sr)
R2
ΔA
dΩ
=
dA R2
=
sin θdθdϕ
对半球空间：
Ω
=
2πR 2 R2
=
2π
Ω
R
对全球空间： Ω =
4πR 2 R2
= 4π
I = ∂P ∂Ω
单位：瓦/球面度(W/sr)
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§5-1 红外辐射的物理基础
4、辐射亮度(面辐射强度)
L = ∂2P ∂A cosθ∂Ω
单位：瓦/米2.球面度(W/m2.sr) 讨论：
x 射线
长 中 短 TV
红外线 紫外线
波 波 波 FM 644474448
0.75×10−6 m ~ 10-3 m
0.75μm ~ 1000μm
λ /m
γ 射线
)红外线：波长介于可见光和微波之间 的电磁辐射
)现在一般地称其为“红外辐射”
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)根据在大气层中的传输特性时，一般将 红外辐射分为四个波段：
)从紫光到红光热效应逐渐增强，最大位
置在红光之外
----不可见光线
)1835年安培将它称作为“红外线”
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§5-0 概 述
电磁波谱
10 4 10 2 10 0 10 −2 10 −4 10 −6 10 −8 10 −10 10 −12 10 −14 10 −16
无线电波 微波
可见光
Ω = ΔA R2
∫ ∴ M = dP = L cosθdΩ
dA 2π
第五章 红外物理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ技术
§5-1 红外辐射的物理基础
5、辐照度 E = ∂P ∂A
S1 I
dΩ1 θ
S2 I
dΩ 2
单位：瓦/米2(W/m2) dA
法向：
En
=
dP1 dA
=
IdΩ1 dA
=
I dA
dA l2
=
I l2
θ方向：
Eθ
=
dP2 dA
=
IdΩ2 = dA
I dA
dA cosθ l2
=
I cosθ l2
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§5-1 红外辐射的物理基础
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说明：
(1)上述五种基本辐射量包含了波长从0 到∞的所有辐射的辐射量
(2) 五种基本辐射量有相应的光谱辐射量
设X为某辐射量
光谱辐射量：X在波长λ 附近的微小区 域 dλ 内的增量dX与 dλ 的比值
M Bλm (T ) b' = C1 ⋅
=
C1T b5
1
5
⋅
eC2
1
/b
−1
=
b'T 5
M Bλ (T )
= 1.2862×10−11
=
C1 λ5
⋅
1 eC2 / λT
−1
b5 eC2 /b −1 (W⋅ m−2⋅ μm−1 ⋅ K−5)
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2、斯特藩-玻耳兹曼定律推导
即
Xλ
=
dX dλ
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例：对辐出度而言，其光谱辐出度为
Mλ
=
dM dλ
某光谱范围的辐出度
∫ λ M λ1−λ 2 =
λ2 λ1
M
λ
d
整个光谱范围
Mλ (T) T
∫ M =
∞ 0
M
λ
dλ
λ λ+dλ λ
) 光谱辐射量反映在某波长附近区域内的
辐射特性
第五章 红外物理与技术
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§5-0 概 述
)牛 顿 实 验 ( 1 7 世 纪 中 叶)：发现白色的太 阳光通过一个玻璃三 棱镜后，在白色幕布 屏上出现的是红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫 的彩色光带 ----太阳光谱
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§5-0 概 述
)1800年英国天文学家赫歇尔 进行了太阳光谱热效应实验