第三章 红外辐射源

ε 0σ (T T ) P= As Ad 2 πl
4 4 0
1. 测量探测器信号与 s的关系 测量探测器信号与A 2. 测量探测器信号与 2的关系 测量探测器信号与l 3. 测量探测器信号与 4的关系 测量探测器信号与T 性能较好的黑体应得到很好的线性关系(尤其 尤其2, , 性能较好的黑体应得到很好的线性关系 尤其 3),通过测量 其斜率可得到σ的实验值 可将其与斯帝芬-玻尔兹曼常数 的实验值, 其斜率可得到 的实验值,可将其与斯帝芬 玻尔兹曼常数 比较. 比较.
– 任何物体的发射率等于它在相同温度和相同条件下的 吸收率. 吸收率.
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3.1.2 实际黑体
一,实际黑体的发射率
吸收率α接近于 . 吸收率 接近于1. 接近于 用其作为标准来校正其它红外辐射源或红外系统. 用其作为标准来校正其它红外辐射源或红外系统. 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射. 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射. 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础, 腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础,主要有古费 (Gouffé)理论,德法斯(Devos)理论等. )理论,德法斯( )理论等. Gouffé在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表 在 年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表 达式: 达式:
第三章 红外辐射源
信息科学与工程学院 冯传胜
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– 原则上说,凡是温度高于绝对 度的物体都 原则上说,凡是温度高于绝对0度的物体都 是红外辐射源. 是红外辐射源. – 可分为人工辐射源和自然辐射源;又可分为 可分为人工辐射源和自然辐射源; 相干辐射源和非相干辐射源. 相干辐射源和非相干辐射源. – 本章主要介绍红外辐射实验或红外技术研究 中常用的辐射源. 中常用的辐射源.
1 F ( x, ) = g ( ) ≈ g2 1+ g2
2
A 1 = g( ) ≈ g (1 g ) – 锥型腔: S 锥型腔: 2 g + 1+ g t
A 1 1 1 = g( ) ≈ g (1 g ) – 柱型腔: 柱型腔: St 2 1 + g 2
– 球型腔: 球型腔:
A 1 2 =g ( ) ≈ g2 St 1+ 2g 2
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3.7 红外激光器
– 激光器是 世纪60年代发展起来的一种新型 激光器是20世纪 年代发展起来的一种新型 世纪 光源.与普通光源相比,激光具有方向性好, 光源.与普通光源相比,激光具有方向性好, 亮度高,单色性和相干性好等特性. 亮度高,单色性和相干性好等特性.激光器 的出现从根本上突破了以往普通光源的种种 局限性(如亮度低,方向性和单色性差等), 局限性(如亮度低,方向性和单色性差等), 赋予古老光学技术以新的生命力, 赋予古老光学技术以新的生命力,产生了许 多新的分支学科,如全息照相,光信息处理, 多新的分支学科,如全息照相,光信息处理, 非线性光学等. 非线性光学等. – 红外波段的激光器,已成为红外技术中的重 红外波段的激光器, 要辐射源,并在红外通讯,主动式红外雷达, 要辐射源,并在红外通讯,主动式红外雷达, 测距, 测距,目标显示等红外系统中得到了广泛应 用.
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3.2 能斯特灯 能斯特灯(Nernst Lamp)
– 能斯特灯是由氧化锆,氧化钍,氧化钇或氧 能斯特灯是由氧化锆,氧化钍, 化铍的混合物烧结成的一种很脆的空心圆柱 体或圆棒,两端以铂丝作为电源的引出线, 体或圆棒,两端以铂丝作为电源的引出线, 典型尺寸为长30mm,直径 典型尺寸为长 ,直径1~3mm. . – 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐 射源.它有寿命长,工作温度高, 射源.它有寿命长,工作温度高,黑体特性 好和不需要水冷等特性. 好和不需要水冷等特性.主要缺点是机械强 度低,稍受压,就会损坏. 度低,稍受压,就会损坏. – 恒流电源供电:工作电流 恒流电源供电:工作电流0.3~0.6A. . – 工作温度:1700K~1800K. 工作温度: .
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– 激光器的分类: 激光器的分类:
按工作物质分类: 按工作物质分类:
– – – – 气体激光器 液体激光器 固体激光器 半导体激光器
按工作方式分类: 按工作方式分类:
– 连续激光器 – 脉冲激光器
– 气体激光器的增益介质是气态的,特点: 气体激光器的增益介质是气态的,特点:
– 硅碳棒也是分光计中常用的光源之一. 硅碳棒也是分光计中常用的光源之一. – 由于直接工作于大气中,表面升华较大,需 由于直接工作于大气中,表面升华较大, 要给装有硅碳棒的护罩通以冷水, 要给装有硅碳棒的护罩通以冷水,以冷却电 制作工艺简单,价格也较低. 极.制作工艺简单,价格也较低.
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3.4 钨带灯
黑体的吸收率 黑体的吸收率α=1
M(T):T温度下的 : 温度下的 辐射度; 辐射度 Mb(T)黑体在 温度 黑体在T温度 黑体在 下的辐射度. 下的辐射度.
– 根据基尔霍夫辐射定律
M λ (T ) M λ (T ) ε (λ , T ) = = = α (λ , T ) M λb (T ) Eλ (T ) 基尔霍夫辐射定律的另一描述形式: 基尔霍夫辐射定律的另一描述形式:
设计制作黑体时应考虑以下问题: 设计制作黑体时应考虑以下问题:
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三,等效辐射
黑体 光阑 设图中虚线为"光轴" 光阑孔面积为 设图中虚线为"光轴",光阑孔面积为As,其法 线与光轴的夹角为θ 线与光轴的夹角为 s;探测器接收辐射面面积为 Ad,其法线与光轴的夹角为 d,则 其法线与光轴的夹角为θ
黑体辐射经光阑后的辐射强度:
汞灯的红外辐射谱线波长
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3.6 发光二极管
– 发光二极管是光电子技术领域中重要的发光器件之 一. – 这类辐射源是在半导体 结通以正向电流时,注 这类辐射源是在半导体p-n结通以正向电流时 结通以正向电流时, 入载流子,并利用注入载流子复合而发光的器件. 入载流子,并利用注入载流子复合而发光的器件. 属于非热辐射辐射源. 属于非热辐射辐射源. – 可工作于可见光波段,也可工作于红外波段. 可工作于可见光波段,也可工作于红外波段.
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二,实际黑体的结构及分类
实际黑体,俗称黑体炉.其结构如图: 实际黑体,俗称黑体炉.其结构如图:
结构组成: 结构组成:
黑体芯子 加热绕阻 测量与控制腔 体温度的温度计 和温度控制器
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
按其工作温度来分可分为三类: 按其工作温度来分可分为三类:
– – – – – – – – 低温黑体:小于 低温黑体:小于100C 中温黑体: 中温黑体:100~1000C 高温黑体:1000C以上. 高温黑体: 以上. 以上 1.腔形的选择 . 2.对腔芯材料加热的要求 . 3.腔体的等温加热 . 4.腔体的温度控制和测量 . 5.降低黑体前表面的辐射 .
– 是广为使用为红外辐射源.常用于红外辐射 是广为使用为红外辐射源. 测量,作为3um以下的近红外辐射源使用. 以下的近红外辐射源使用. 测量,作为 以下的近红外辐射源使用 – 与日常照明用的钨丝灯一样,钨带灯也是通 与日常照明用的钨丝灯一样, 电加热钨带而发光的. 电加热钨带而发光的. – 钨带的典型尺寸为宽约 钨带的典型尺寸为宽约2mm,厚约 ,厚约0.02mm, , 长约20mm.真空泡时可工作于1100C,充 长约 .真空泡时可工作于 , 惰性气体(如氩气等 可工作于2700度. 如氩气等)可工作于 惰性气体 如氩气等 可工作于 度 – 工作电压一般为 工作电压一般为10~20V,工作电流约 ,工作电流约20A. . – 由于玻璃罩的存在 不透大于 由于玻璃罩的存在(不透大于 不透大于4um辐射 ,一 辐射), 辐射 般工作波长范围为0.5~3um(近红外 . 近红外). 般工作波长范围为 近红外
砷化镓 砷化镓(GaAs)的禁带宽度为 的禁带宽度为1.43eV,则电子和空穴复合时 的禁带宽度为 , 发光的峰值在900nm~940nm的近红外波段. 的近红外波段. 发光的峰值在 的近红外波段
– 特点是当谱带窄,在30nm~50nm之间.时间响应短 特点是当谱带窄, 之间. 之间 (<1us),体积小,体格便宜. ,体积小,体格便宜. – 工作电压 工作电压1.2~2V,电流 ,电流20~100mA.驱动方式有交 . 直流和脉冲三种. 流,直流和脉冲三种.
A ε 1 + (1 ε ) F ( x, ) St ε0 = A A ε 1 + St St
其中ε是腔内表面的发射率; 是开孔面积; 腔体内表面总面积(包 其中 是腔内表面的发射率;A是开孔面积;St是腔体内表面总面积 包 是腔内表面的发射率 是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值. 括A).F(x, )是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值. . 是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值
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四,黑体的鉴定
对于实际的黑体,要根据有关热辐射理论, 对于实际的黑体,要根据有关热辐射理论,按各项技术 指标,认真地进行鉴定, 指标,认真地进行鉴定,以确定它与理想黑体的偏离程 度. 首先,从理论上,根据相关理论,由腔体的形状, 首先,从理论上,根据相关理论,由腔体的形状,尺寸 及温场分布来计算它的发射率, 及温场分布来计算它的发射率,以估计它与理想黑体的 偏离程度. 偏离程度. 其次,对其性能进行实际测试. 其次,对其性能进行实际测试.
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3.5 汞灯
– 是光学实验室中常用的一种辐射源. 是光学实验室中常用的一种辐射源. – 相对于前面介绍的辐射源(能斯特灯,硅碳 相对于前面介绍的辐射源 能斯特灯, 能斯特灯 钨带灯等),汞灯是一种气体辐射源. 棒,钨带灯等 ,汞灯是一种气体辐射源. 是利用汞蒸气放电发光面制成的辐射源. 是利用汞蒸气放电发光面制成的辐射源. – 按灯内汞蒸气压的不同,可分为低压,高压 按灯内汞蒸气压的不同,可分为低压, 和超高压三种. 和超高压三种.
探测器等
ε 0σ T 4 I = LAs cos θ s = As cos θ s = As cos θ s π π
Mb
探测器接收辐射功率(θs = θd =0):
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黑体在探测器表面产生的辐照度:
I cos θ d ε 0σ T E= = As cos θ s cos θ d 2 2 l πl
ε 0σ T 4 P = EAd = As Ad 2 πl
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3.3 硅碳棒
– 用碳化硅 用碳化硅(SiC)做成的圆棒.作为辐射测量 做成的圆棒. 做成的圆棒 的辐射源时,不能含有杂质. 的辐射源时,不能含有杂质. – 作为红外辐射源用的硅棒: 作为红外辐射源用的硅棒:
典型尺寸为长 典型尺寸为长5~10cm,直径为 ,直径为5mm. . 工作电源为50V,工作电流为3~5A. 工作电源为50V,工作电流为3~5A.
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本章目录
3.1 黑体 3.2 能斯特灯 3.3 硅碳棒 3.4 钨带灯 3.5 汞灯 3.6 发光二极管 3.7 红外激光器 3.8 太阳辐射
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3.1 黑体
3.1.1 理想黑体
– 理想黑体: 理想黑体:
M (T ) – 物体发射率定义为 ε (T ) = M (T ) b M λ (T ) 光谱发射率定义为 ε λ (T ) = M (T ) λb
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F ( x, ) =
1
π
∫ cos θ d =
1
π
∫
2π
0
d ∫ cos θ sin θ dθ = sin 2 θ = R 2 /( L2 + R 2 )
0
θ0
常用的腔型有:球型腔,锥型腔,柱型腔. 常用的腔型有:球型腔,锥型腔,柱型腔. 设g=R/L<<1为腔的几何因子,则 为腔的几何因子, 为腔的几何因子
– – 首先,检测黑体腔内温度的均匀程度 首先,检测黑体腔内温度的均匀程度(<1K). . 其次,检测温度其稳定性(<0.5K/4h). 其次,检测温度其稳定性 .
第三,检测实际黑体与斯帝芬 玻尔兹曼定律的符合程度 玻尔兹曼定律的符合程度. 第三,检测实际黑体与斯帝芬-玻尔兹曼定律的符合程度.
考虑到环境温度T 考虑到环境温度 0,则探测器 上接收到的黑体的辐射功率为: 上接收到的黑体的辐射功率为: