第四章红外辐射源精选文档.ppt
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1、第四章红外辐射源本讲稿第一页,共六十七页2教学目的:对各种辐射源的了解在红外物理技术的应用实践和工程设计中起着非常重要的作用。本章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源。随后讨论了实验室常用的电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激光器等其他标准辐射源。教学方法:面授 教学手段:板书 学时分配:6 重点、难点:1.重点掌握黑体辐射源的空腔辐射理论和腔体结构。2.对电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激光器的特性有必要的了解。本讲稿第二页,共六十七页34.1 黑体型辐射源4.1.1 空腔辐射理论空腔辐射理论 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,主要有
2、哥福(Gouff)理论、德法斯(Devos)理论等。Gouff在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式。Devos在1954年给出了黑体辐射源腔孔有效发射率的计算公式。本讲稿第三页,共六十七页44.1.2 黑体辐射源黑体辐射源黑体型辐射源作为标准辐射源,广泛地用做红外设备的绝对标准。然而,黑体是一种理想化的概念,在自然界并不存在绝对的黑体。因此,我们也就不可能制作出一个绝对黑体。由前面的讨论可知,开有小孔的空腔很接近黑体,所以通常就把开有小孔的空腔叫做黑体辐射源(或标准黑体辐射源)。它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统。本讲稿第四页,共六十七页5典型的实用黑体型辐射源的构造
3、如图 4-1所示 图4-1 三种典型的腔体结构本讲稿第五页,共六十七页6如按辐射腔口的口径尺寸来分类,则可把黑体型辐射源分为以下三类:大型:100mm;中型:30 mm;小型:10 mm。如按工作温度的范围来分类,则可把黑体型辐射源分为以下三类:高温:30002000K;中温:900500K;低温:400200K。本讲稿第六页,共六十七页7在设计制造黑体型辐射源时,应考虑以下几个问题。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本讲稿第七页,共六十七页8黑体视场的示意图 图4-2 黑体视场的示意图本讲稿第八页,共六十七页94.2 其它红
4、外辐射源下面主要介绍实验室和光谱仪器中常用的红外辐射源,如能斯脱灯、硅碳棒、钨丝(带、管)灯、氙灯、汞灯和各种气体放电灯等等。本讲稿第九页,共六十七页104.2.1 电热固体辐射源电热固体辐射源 1能斯脱灯 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,黑体特性好和不需要水冷等特性。管子两端绕有铂丝,以作为电极与电路的连接。由于能斯脱灯都是细长的圆柱形,因而对分光光度计狭缝的照明特别有用。能斯脱灯的主要缺点是机械强度低,稍受压,就会损坏。典型能斯脱灯的各项参数如下:功率消耗为45W、工作电流为0.1A;工作温度为1980K;尺寸为3.1mm(直径)12.7mm(长度)。本
5、讲稿第十页,共六十七页112.硅碳棒 硅碳棒是用碳化硅(SiC)做成的圆棒。一般硅碳棒的直径为650 mm,长度为5100cm。在空气中的工作温度一般在12001400K,寿命约为250h。硅碳棒的主要缺点是最高工作温度较低,需要镇流的电源设备。同时,由于碳化硅材料的升华效应,会使材料粉末沉积在光学仪器表面上,因此它不能靠近精密光学仪器附近工作。另外,工作时需要水冷装置,耗电量较大等 本讲稿第十一页,共六十七页12硅碳棒硅碳棒本讲稿第十二页,共六十七页133 钨丝灯、钨带灯和钨管灯 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但由于玻璃泡透过区域的限制,这种灯的辐射波长通常在3m以下。钨带灯是将钨带通电
6、加热而使其发光的光源。钨带常做成狭长的条形,宽约为2mm,厚度约为0.05mm左右。钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热的钨管做成的。真空灯的温度可达1100,充氩灯的温度可达2700。本讲稿第十三页,共六十七页144乳白石英加热管 乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。乳白石英加热管是以天然水晶为原料,在以石墨电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融(1740)拉制而成的。在熔融过程中,使气体在熔体中形成大量的小气泡,故外观呈乳白色。乳白石英玻璃材料耐热性能好(可耐2001300高温),热膨胀系数低,有优良的抗热震性能和电绝缘性能,此外,还具有很好的化学稳定性,但机械强度和耐冲击性能较差。本讲稿第
7、十四页,共六十七页154.2.2 气体放电辐射源气体放电辐射源当电流通过气体媒质时,会产生放电现象,利用这种放电现象可制作辐射源。1水银灯 2氙气 3碳弧本讲稿第十五页,共六十七页164.2.3 红外激光器红外激光器激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型光源。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。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),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、非线性光学等。本节将简单介绍激光的特性及常用的红外激光器。本讲稿第十六页,共六十七页17 激光与普通光源相比
8、,有如下三个特点。1激光的方向性好 2激光光束具有高亮度 3单色性和相干性好本讲稿第十七页,共六十七页18任何种类的激光器,其基本结构必然包括以下三个主要组成部分:(1)工作物质:用来在特定能级间实现粒子数反转并产生受激发射。(2)抽运(泵浦)装置:用来激励工作物质,使其产生并维持特定能级间的粒子数反转和相应的受激发射。(3)光学谐振腔:其作用是保证受激发射光子在腔内产生持续的激光振荡,此外还对振荡光子的特征(频率、方向等)加以限制,以保证激光输出的高定向性和高单色性。本讲稿第十八页,共六十七页19激光就是由受激辐射产生的被放大了的激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。相干光。激光的英文名
9、为激光的英文名为“ightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一个字母的缩写。第一个字母的缩写。Laser本讲稿第十九页,共六十七页20一、激光的特性一、激光的特性1.方向性好方向性好本讲稿第二十页,共六十七页212.单色性好单色性好本讲稿第二十一页,共六十七页22在普通光源中,单色性最好的是作为长度基准器的在普通光源中,单色性最好的是作为长度基准器的氪灯(氪灯(K186);它的谱线宽度为);它的谱线宽度为4.710-3纳米,而激光谱线纳米,而激光谱线宽为宽为10-9纳米,为氪灯谱线宽度的纳米,为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频万分之一
10、。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。等技术还可以进一步提高激光的单色性。计量工作的计量工作的标准光源、激光标准光源、激光通讯等利用了单通讯等利用了单色性好的特点。色性好的特点。光缆光缆本讲稿第二十二页,共六十七页233.能量集中能量集中4.相干性好相干性好空间高度集中:空间高度集中:亮度比太阳表面高亮度比太阳表面高 倍。倍。时间高度集中:时间高度集中:功率峰值为功率峰值为 瓦。瓦。本讲稿第二十三页,共六十七页24时间和空间相干性时间和空间相干性激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米,毫米至几十厘米,激光可达几十公里。激
11、光可达几十公里。全息照相、全息全息照相、全息存储等就利用了相干存储等就利用了相干性好的特点。性好的特点。全息照相全息照相本讲稿第二十四页,共六十七页25二、辐射与跃迁二、辐射与跃迁跃迁:跃迁:原子从某一能级吸收或释放能量,变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量,变成另一能级。吸收跃迁:吸收跃迁:低低吸收能量吸收能量高高辐射跃迁:辐射跃迁:高高辐射能量辐射能量低低(自发辐射)(自发辐射)本讲稿第二十五页,共六十七页26自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射1.自发辐射自发辐射发光前发光前发光后发光后本讲稿第二十六页,共六十七页27普通光源普通光源(白炽灯、日光灯、高压水银灯
12、)的发光过程为自(白炽灯、日光灯、高压水银灯)的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立,频率、振动方向、发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立,频率、振动方向、相位不一定相同相位不一定相同为为非相干光非相干光。自发跃迁几率(自发跃迁爱因斯坦系数):自发跃迁几率(自发跃迁爱因斯坦系数):原子在能级原子在能级 的平均寿命的平均寿命只与原子本身性质有关,与辐射场无关只与原子本身性质有关,与辐射场无关本讲稿第二十七页,共六十七页282.受激吸收受激吸收吸收前吸收前吸收后吸收后受激吸收跃迁几率:受激吸收跃迁几率:受激吸收跃迁爱因斯坦系数:受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本
13、身性质有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关本讲稿第二十八页,共六十七页29发光前发光前发光后发光后3.受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时,使原子中处于高时,使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。:受激辐射跃迁爱因斯坦系数:受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率:受激辐射跃迁几率:与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关当光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时,总是同时存
14、在这三种过程当光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程本讲稿第二十九页,共六十七页30常用激光器由三部分组成:常用激光器由三部分组成:工作物质工作物质泵浦源泵浦源光学谐振腔光学谐振腔激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔激光器结构示意图激光器结构示意图三、激光工作条件三、激光工作条件本讲稿第三十页,共六十七页31受激辐射光放大简称为受激辐射光放大简称为激光。激光。粒子数反转粒子数反转在温度为在温度为T 的平衡态下,原子中的电子处于高、低两的平衡态下,原子中的电子处于高、低两个能级上的数目之比为个能级上的数目之比为讨论讨论正常分布:正常
15、分布:N1N2。光吸收比光辐射占优势。光吸收比光辐射占优势。粒子数反转:粒子数反转:N2N1。光通过物质得到光放大。光通过物质得到光放大。本讲稿第三十一页,共六十七页32粒子数反转必须具备的条件:粒子数反转必须具备的条件:能量的供应过程能量的供应过程激励(光泵浦)激励(光泵浦)工作物质内必须存在工作物质内必须存在亚稳态能级亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定,但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态,可实现粒子数反转。亚稳态亚稳态E2基态基态E1激发态激发态E3三能级系统示意图三能级系统示意图E1与与E2之间产生以之间产生以受激受激辐射为主的跃迁辐射为主的跃迁激励激励无辐射跃迁无辐
16、射跃迁本讲稿第三十二页,共六十七页33光学谐振腔光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强,其它方向、使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强,其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜全反射镜M1部分反射镜部分反射镜M2激光激光工作物质工作物质作用作用选选择择激激光光的的方方向向选选择择激激光光的的频频率率激励能源激励能源本讲稿第三十三页,共六十七页34He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本构成及激光的形成激光器的基本构成及激光的形成具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔光束在谐
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