第二章 光辐射的传播
2.1 光辐射的电磁理论
光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律。由于引起生理视觉效应、光化学
效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的E
矢量，因此，光辐
射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场量E
的变化规律。
1. 光辐射的波动方程
在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以
得到场量E
所满足的微分方程
t J
t
P t E E ??-??-=??+???? μμμε22220 (2.1-1)
这就是光辐射普遍形式的波动方程。
方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。
对导体，t
J
??- μ项起主要作用。
对绝缘体（J =0），22t
P
??- μ项起主要作用
对于半导体，两项都起重要作用。
2. 光辐射场的亥姆霍兹方程
对于简谐波场，场量可表示为 t i e r E t r E ω=)(),( ， 则(2.1-1)式中场量E
的时间因子可以消去，得到
0)()()(0002
=--????r E i r E r r r σμωμεμεμω (2.1-2)
引入复相对介电系数
r
r r
r i i εεωεσ
εε'-=-=0
~ (2.1-3) (2.1-2) 式可改写为
0)(~)(02=-????r E r E r εμεω (2.1-4)
这就是光辐射满足的亥姆霍兹方程。
3. 均匀介质中的平面波和球面波
对于各向同性的无吸收介质， 0=??E
，利用矢量恒等式E E E 2
?-???=????，亥姆霍兹方程可改写为
0)(~)(022
=+?r E r E r εμεω (2.1-5)
上式平面波解的一般形式为
)
(00),(?ω+?-=r k
t i e E t r E (2.1-6) 球面波解的一般形式为
)
(00),(?ω+?-=r k t i e r
E t r E (2.1-7)
式中k
为波矢量，?0为初相。
5. 电磁场的边界条件
在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处ε、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。
如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得：
?
??
=-=-02121t t s n n E E D D σ (2.1-8)
式中σs 为界面面电荷密度。
在光学波段经常遇到的情况是σs 等于零，这时，界面两侧E
的切向分量以及D
的法向分量均连续。
σ2 图1 界面上电场的法向和切向分量
2.2 光波在大气中的传播
大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。
由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等因素影响的不稳定性，光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波的振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性，因此有必要研究激光大气传播特性。本节简要介绍一些激光大气传输的基本概念。
1. 大气衰减
激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。
设强度为I 的单色光辐射，通过厚度为dl 的大气薄层，如图2所示。不考虑非线性效应，光强衰减量dI 正比与I 及dl ，即dI/I =(I '-I )/I =-βdl 。积分后得大气透过率
??
? ??-==?L dl I I T 00exp /β (2.2-1) 假定上是可以简化为
)exp(L T β-= (2.2-2)
β为大气衰减系数（1/km ）。此即描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。
因为衰减系数β描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响，所以β可表示为
a a m m k k σσβ+++= (2.2-3)
k m 和σm 分别为分子的吸收和散射系数； k a 和σa 分别大气气溶胶的吸收和散射系数。
对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。 应用中，衰减系数常用单位为（1/km ）或（dB/km ）。二者之间的换算关系为
β(dB/km)=4.343?β
(2.2-4)
I I ' 图2
光波在大气中传播时，大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。
分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。
极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。
因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。
大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。
大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。
H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。
从表1不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。
大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离——密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一部分光辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。
在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。瑞利散射系数的经验公式为
43/827.0λσA N m ??= (2.2-5)
式中，σm 为瑞利散射系数为瑞利散射系数（cm -l ）；N 为单位体积中的分子数
（cm -1）；A 为分子的散射截面（cm 2
）；λ为光波长（cm ）。
由于分子散射波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。
⑶大气气溶胶的衰减
大气中有大量的粒度在 0.03 μm 到2000 μm 之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。
气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收。
当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米氏散射。米氏散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈。
气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响也十分大，不同天气类型的气溶胶粒子的密度及线度的最大值列于表2中。
① 晴朗、霾、雾大气的衰减
根据单色辐射衰减的朗伯定律，在大气水平均匀条件下，只考虑气溶胶衰减，（2.2-2）式可改写为
)exp(L T a λλβ-= (2.2-6)
式中，L 为水平传输距离。βa λ可写成
q a A -=λβλ (2.2-7)
两边取对数得λβλln ln ln q A a -=，可见(－q )是ln βa λ ~ln λ直线的斜率，q 值可通过实验确定。根据气象上对能见度V （km ）的定义可求得
q a V -?=)55.0/()/29.3(λβλ (2.2-8)
对于可见光，λ/0.55≈1，故有βa λ=3.91/V (km)。
对于近红外光，??
?
??≤=)
km 6 (585.0)(3
.1)(6.13/1V V q 当中等能见度能见度很大时。
② 雨和雪的衰减
雾与雨的差别不仅在于降水量不同，而主要是雾粒子和雨滴尺寸有很大差别。
雨天大气中水的含量（1g/m 3）为较浓雾（0.1g ／m 3）的10倍以上，可雾滴半径（微米量级）仅是雨滴半径（毫米量级）的千分之一左右，因此雨滴间隙要大得多，故能见度较雾高，光波容易通过。加之雨滴的前向散射效应强，这会显著地减小对直射光束的衰减。结果雨的衰减系数比雾小两个数量级以上。
由于雪的物理描述难度较大，又缺乏雪的折射率资料，目前还很难做出定量计算。一些实验研究表明，激光在雪中的衰减与在雨中相似，衰减系数与降雪强度有较好的对应关系。不同波长的激光在雪中的衰减差别不大，但就同样的含水量而言，雪的衰减比雨的大，比雾的小。
2. 大气湍流效应
在气体或液体的某一容积内，惯性力与此容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临界值时，液体或气体的有规则的层流运动就会失去其稳定性而过渡到不规则的湍流运动，这一比值就是表示流体运动状态特征的雷诺数Re ：
ηρ/ΔRe l v = (2.2-9) 式中，ρ 为流体密度（kg/m 3）；l 为某一特征线度（m ） ?v l 为在 l 量级距离上运动速度的变化量（m/s ）；η 为流体粘滞系数（kg/m ?s ）。雷诺数Re 是一个无量纲的数。
当Re 小于临界值Re cr （由实验测定）时，流体处于稳定的层流运动，而大
于Re cr 时为湍流运动。由于气体的粘滞系数η 较小，所以气体的运动多半为湍流运动。
大气湍流气团的线尺度l 有一个上限L 0和下限l 0，即L 0 所谓激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率起伏场中传输时的效应。湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2/3次方定律” 3/22221)()(r C i i r D i i =-= (2.2-10) 式中， i 分别代表速度（v ）、温度（T ）和折射率（n ）； r 为考察点之间的距离；C i 为相应场的结构常数，单位是m -1/3。 大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性，通常用折射率结构常数C i 的数值大小表征湍流强度，即 弱湍流 C n =8?10-9m -1/3 中等湍流 C n =4?10-8m -1/3 强湍流 C n =5?10-7m -1/3 ⑴ 大气闪烁 光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。 大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强I 的对数强度方差2I σ来表征 2202024)]/[ln(4)]/[ln(χσ===A A I I I (2.2-11) 式中，2χ可通过理论计算求得，而2I σ则可由实际测量得到。在弱湍流且湍流强度均匀的条件下： ???? ??? ? ??? ???>><<< ??>><<<<==对球面波 对平面波 )()2(28.1)()2(496.0)()2(8.12)()2(23.1406/117/62006 /117/6206 /117/62006 /117/622 2L L L C L L l L C L L L C L L l L C n n n n I λπλλπλλπλλπλχσ (2.2-12) 图-4 可见，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。然而，理论和实验都表明，当湍流强度增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。 ⑵ 光束的弯曲和漂移 接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为光束弯曲。 光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大气折射率的起伏。弯曲表现为光束统计位置的慢变化，漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。如忽略湿度影响，在光频段大气折射率n 可近似表示为 )/7910)1((/1079166T P n N T P n =?-=?=--或 (2.2-13) P 为大气压强； T 为大气温度（K ）。根据折射定律，在水平传输情况下不难证明，光束曲率为 dh dT T P dh dP T dh dN c 27979+-== (2.2-14) c 为正，光束向下弯曲；当∣dT /dh ∣< 35?C/km 时，c 为负，光束向上弯曲。实验发现，一般情况下白天光束向上弯曲；晚上光束向下弯曲。 对于光束漂移，理论分析表明，其漂移角与光束在发射望远镜出口处的束宽 W 0关系密切；漂移角的均方值3/102 275.1-=LW C n a σ。由此可见，光束越细，漂移 就越大。采用宽的光束可减小光束漂移。当C n >6.5?10-7 m -1/3/h ，c 值约为40μrad ， 不再按3/102275.1-=LW C n a σ式变化，表明漂移亦有饱和效应；漂移的频谱一般不超 过20Hz ，其峰值在5Hz 以下；漂移的统计分布服从正态分布。 上述讨论表明，光束弯曲与漂移二者不能混同。 ⑶空间相位起伏 如果不是用靶面接收，而是在透镜的焦平面上接收，就会发现像点抖动。这可解释为在光束产生漂移的同时，光束在接收面上的到达角也因湍流影响而随机起伏，即与接收孔径相当的那一部分波前相对于接收面的倾斜产生随机起伏。 光学辐射探测的应用 ——基于红外成像的生命探测仪1光学辐射探测简介 光学辐射是波长10nm～1mm之间的电磁辐射，包括紫外光、红外光以及可见光，可见光波长380～780nm，由于光波是电磁波的一种，因而它具有电磁波的基本特性。以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，可以用平面镜、透镜或棱镜之类的光学元件反射、成像或色散，这种能量传播的过程称为辐射。辐射度学：是一门测量电磁辐射的科学和技术。在整个电磁辐射波谱范围内，不同波段的辐射能可以用不同的测量方法进行测量[1]。 光辐射探测器是一种用来探测光辐射的器件（军用光学中最常用的是可见光和红外辐射），它通过把光辐射转换成易于测量的电量来实现对光辐射的探测，是光探测系统的重要组成部分。为了深入研究光辐射的探测过程以及对光探测系统的性能进行正确的分析计算，首先要了解光辐射探测器赖以工作的物理效应、光电转换的基本规律和光辐射探测器的特性参数。 从不同的角度出发可以将光辐射探测器分为不同的类型。按其是否成像可以分为成像型和非成像型辐射探测器，按工作方式可以分为相干探测和非相干探测，按其反应机理可以分为光子探测器和热探测器，按其结构可分为单元和多元探测器，下面就部分类型进行介绍： 热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。这是一类研究最早并且较早得到实际应用的探测器。由于其中的相当多探测器不需制冷，以及在全部波长上具有平坦响应两大特点，一直有广泛的应用。而另外由于其在红外热辐射领域具有较好的大气传输特性，因此，红外热辐射的探测近年已经成为军事及民用发展的重要方向。 2红外热成像技术 红外热成像技术最早在军事领域得到广泛应用，并且已经成为军事应用中具有重要战略地位的高新技术手段。除此之外，红外成像技术还应用于各个方面，比如：应用于卫星的侦查、遥感和预警，对国家安全和经济利益有重大的影响；应用于战场系统中，避免电磁干扰，获取战场信息优势，成为获得胜利的主要技术；服务于飞机、舰艇、车辆的夜间导航与侦查，现代装备大部分装有红外仪器；应用于导弹的精确制导方面，成为重要反坦克导弹和肩射地空导弹发射的热瞄具；广泛应用于海上巡逻与救援、编队航行等方面。 红外热成像技术还应用于国民经济领域。航天系统中，利用气象卫星等设备进行天气预报，对国民经济有重大影响。热成像技术不仅能够在灾难发生后进行生命的探测，而且还可以预报地震的发生，利用卫星的红外云图可以发现，地震之前，震区的上空空气的温度会急剧升高，可以判断出这片区域的异常以进行预测。在工业领域，已应用于输电线、变压器等装置的带电检测和检查炉体的温度分布。在飞机、轮船、汽车方面的安装，避免了雾天的相撞事故的发生，保证了夜间的行车安全。随着热成像技术水平的不断提高和科学技术不断发展，必将能应用于更多新领域[2]。 灾后现场环境极为复杂，传统的光学探生仪和声波/振动探生仪极易受到现 第26卷,第11期 光谱学与光谱分析Vol 26,No 11,pp2116 2119 2006年11月 Spectro sco py and Spectr al Analysis No vember ,2006 常压下低温等离子体光辐射特性测量 任庆磊,林 麒* 厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门 361005 摘 要 采用常压空气辉光放电(AP GD)技术在自行设计的电极板表面产生出一薄层低温等离子体,并利用光谱诊断光学系统对所产生的等离子体进行光辐射特性实验测量;实验获取了几种电极板在几个不同加 载功率下的辐射光谱,并对光谱的辐射强度进行平均化处理分析。分析结果表明此沿面A P GD 的光辐射强度与加载功率之间存在线性增加的关系,且随电极板静态电容的增加而增强。该方法可以为控制AP GD 等离子体的产生量提供一种简便可行的途径。 主题词 低温等离子体;常压空气辉光放电;光辐射特性;光谱测量 中图分类号:O 536 文献标识码:A 文章编号:1000 0593(2006)11 2116 04 收稿日期:2005 08 28,修订日期:2005 12 16 基金项目:福建省自然科学基金(A0410001)资助项目 作者简介:任庆磊,1981年生,厦门大学物理与机电工程学院硕士研究生 *通讯联系人 引 言 常压空气辉光放电(AP GD)等离子体在材料表面改性、环境保护、臭氧合成、医学和航空等诸多领域有着重要的应用价值[1],对其进行深入研究是非常有意义的。 为了有效地加以应用,有必要研究了解A PG D 等离子体的特性。目前对其电子温度和电子密度等特性参数的测量诊断还未见有相关文献,一直缺少一种有效的诊断方法。这在很大程度上影响了这种等离子体的有效定量应用。 注意到等离子体具有光辐射特性,这就使人们有希望从其光辐射特性中获得定量描述AP GD 低温等离子体的方法。由光谱测量分析得到的光谱强度和谱线的分布与等离子体的电子温度等参数之间肯定存在某种必然的关联性质[2,3],虽然人们一时还无法给出它们之间的这种关系,但光辐射特性仍然从一个侧面定量地反映了等离子体的强度。因此,本文采用光谱测量的方法对A PGD 等离子体进行光辐射特性研究,分析它的定量变化规律,试图对该类等离子体的测量诊断方法进行探讨。 1 APGD 装置及原理 A PGD 等离子体发生装置如图1所示,主要由放电电极板和高压电源组成。电极板的基板介质材料分别有两种:环氧树脂玻璃纤维和聚四氟乙烯玻璃布,其结构为约0.1mm 厚的铜膜覆于1mm 厚的介质板两侧作为电极,电极的形式一侧为细条状,一侧为片状(示意图见图1)。电极条在介质 板上均匀相间平行分布。 Fig 1 The illustration of APGD plasma device 当对两侧电极加载高压交流电时,电极条两侧便发生放电现象,产生低温等离子体,同时发出可见的紫色光芒。 图2为所摄沿其中一块电极板平面的AP GD 实验照片。 从本质上说,这种A PGD 等离子体产生的原理是沿面介质阻挡放电。它是一种非平衡态的、非稳定的和不均匀的放电。由于两放电电极之间有一绝缘介质板,当对两电极加上高电压时,绝缘介质板表面即感应出与附于板上同侧的电极极性相反的电荷,在绝缘板表面与电极条之间建立起足够强度的电场,从而使它们之间敞开在大气压下的空气发生电离放电。由于这种空气电离放电是在高频脉冲电压作用下发生的,所以沿面AP GD 实际上是由一系列的脉冲微放电组成的。对这种放电产生的等离子体,测量它的瞬态参数对于工程应用没有什么意义。因此,在光谱测量实验中和数据处理 第二章 光辐射的传播 2.1 光辐射的电磁理论 光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律。由于引起生理视觉效应、光化学 效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的E 矢量，因此，光辐 射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场量E 的变化规律。 1. 光辐射的波动方程 在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以 得到场量E 所满足的微分方程 t J t P t E E ??-??-=??+???? μμμε22220 (2.1-1) 这就是光辐射普遍形式的波动方程。 方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。 对导体，t J ??- μ项起主要作用。 对绝缘体（J =0），22t P ??- μ项起主要作用 对于半导体，两项都起重要作用。 2. 光辐射场的亥姆霍兹方程 对于简谐波场，场量可表示为 t i e r E t r E ω=)(),( ， 则(2.1-1)式中场量E 的时 间因子可以消去，得到 0)()()(0002 =--????r E i r E r r r σμωμεμεμω (2.1-2) 引入复相对介电系数 r r r r i i εεωεσ εε'-=-=0 ~ (2.1-3) (2.1-2) 式可改写为 0)(~)(02=-????r E r E r εμεω (2.1-4) 这就是光辐射满足的亥姆霍兹方程。 3. 均匀介质中的平面波和球面波 对于各向同性的无吸收介质， 0=??E ，利用矢量恒等式E E E 2 ?-???=????，亥姆霍兹方程可改写为 0)(~)(022 =+?r E r E r εμεω (2.1-5) 上式平面波解的一般形式为 ) (00),(?ω+?-=r k t i e E t r E (2.1-6) 球面波解的一般形式为 ) (00),(?ω+?-=r k t i e r E t r E (2.1-7) 式中k 为波矢量，?0为初相。 5. 电磁场的边界条件 在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处ε、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。 如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得： ? ?? =-=-02121t t s n n E E D D σ (2.1-8) 式中σs 为界面面电荷密度。 在光学波段经常遇到的情况是σs 等于零，这时，界面两侧E 的切向分量以及D 的法向分量均连续。 σ2 图1 界面上电场的法向和切向分量 太阳辐射的特性 昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈23°27′的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转15°。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23．5°。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化（见下图）。每天中午时分，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区（即在赤道南北纬度23°27′之间的地区），一年中太阳有两次垂直入射，在较高纬度地区，太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区（在南北半球大于90°~23°27′），冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间 长。 由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5 x 108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4％。 2.2 到达地面的太阳辐射 太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成——直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射，它由三部分组成：太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光），地平圈散射（地平圈周围的天空亮光或暗光），及其他的天空散射辐射。另外，非水平面也接收来自地面的反射辐射。直达日射、漫射日射和反射日射的总和即为总日射或环球日射。可以依靠透镜或反射器来聚焦直达日射。如果聚光率很高，就可获得高能量密度，但却损耗了漫射日射。如果聚光率较低，也可以对部分太阳周围的漫射日射进行聚光。漫射日射的变化范围很大，当天空晴朗无云时，漫射日射为总日射的10％。但当天空乌云密布见不到太阳时，总日射则等于漫射日射。因此聚式收集器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱，但当地面有冰雪覆盖时，垂直面上的反射日射可达总日射的40％。 到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。参看下图，A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。城阳位于S点时，其穿过大气层到达A 点的路径则为0A。 O，A与 OA之比就称之为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和O℃时海平面上太阳垂 光学常用的度量 1.辐射能Q e (单位J) 光源辐射出来的光的能量称为光源的辐射能. 2.辐射能通量φe (单位W) 光源在单位时间内辐射出去的总能量称为光源的辐射能通量.也可称为辐射功率. 3.辐射出射度M e (单位W/m2) 如果光源表面上的一个发光面积A在各个方向(在半个空间内的辐射能通量为φe,则该发光面的辐射出射度为M e=φe/A 4.光谱光视效率V(λ) 人眼在可见光谱范围内的视觉灵敏度是不均匀的,它随波长而变化.人眼对波长为555nm的黄绿光的感受效率最高,而对其他波长光的感受效率却较低,故称555nm为峰值波长,,以λm表示. 5.光谱光视效能K(λ) 光谱光视效能是用来度量由辐射能所引起的视觉能力.光谱光视效能的量纲描叙为流明每瓦(lm/W) 6.光通亮φ(单位流明lm) 人眼对各种不同波长的光的视觉灵敏度是不一样的.波长为555nm的V(λ)最大,等于1,其他波长的V(λ)都小于1.如果在很小的波长间隔内,光源的辐射能通量是dφ,那么在人眼中引起的光通量为dφ= K(λ) dφ e 流明是国际单位制和我国法定单位制的基本单位之一.在照明工程中,光通量是说明光源发光能力的基本量.例如,一只220V /40W的白炽灯发射的光通量为350lm,而一只220V/36W(T8管)荧光灯发射的光通量为2500ml ,为白炽灯的7倍之多. 7.发光强度(单位坎德拉cd) 若光源辐射的光通量φω是均匀的,则在立体角内的 平均光强I=φω/ω 8.照度(单位为勒克斯lx) 照度是用来表示被照面上的光的强度,它是以被照场所光通量的面积密度来表示的.即表面上的一点照度E定义为入射光通量dφ与该单元面积dA之比,其表达式为E=dφ/dA.例如,晴朗的满月夜地面照度约为0.21lx,白天采光良好的室内照度为100~500 lx,晴天室外太阳散射光(非直射)下的地面照度约为1000 lx,中午太阳光照射下的地面照度可达105 lx. 9.光出射度M (单位为勒克斯lx) 对于任意大小的发光表面A,若发射的光通量为φ,则表面A上的平均光出射度M=φ/A.光出射度M与照度E之间的关系:光出射度表示发光体发出的光通量表面密度,而照度表示被照物体所接受的光通量表面密度. 10.亮度L (单位为坎德拉每平方米cd/m2或者尼特nt). 在一个广光源上取一个单元面积dA,从与表面法线成θ角的方向上去观察,在这个方向上的光强与人眼”见到”的光源面积之比,定义为光源在这个方向的亮度. 光电检测常用光源调研报告 光信092 黄坚保0911030005 前言 由于生产技术的发展和对产品质量的保证，对产品进行检测就成了一个必须的环节。检测技术发展到今天，已经是种类繁多技术全面了。这里主要是以光电检测为对象进行调研的。 重点词汇光电检测光源LED LD 正文 在光电检测领域，比较关键的就是光源的选取。光的产生可以分为电致发光、光致发光、化学发光、热发光、生物发光和阴极射线发光。常用光源有热辐射光源（如太阳光、白炽灯、卤素灯等）、气体放电光源、金属卤化物灯、电致发光光源（如EL型和TFEL型、半导体发光器件）以及激光光源。 对光源选择的基本要求包括：对光源发光光谱特性的要求，对光源发光强度的要求，对光源稳定性的要求和其他方面的要求。 光源的基本参数有发光效率（单位lm/W），寿命（单位h），光谱功率谱分布，空间光强分布特性，光源光辐射的稳定性以及光源的色温和显色性。 以下是个常用光源的产生原理、特性以及应用 一、热辐射光源 1、太阳光太阳光是热核聚变辐射产生的光，是复色光，其照度值在不同光谱区不同，紫外光约占6.46%，可见光占46.25%和红外光区占47.29%。太阳光因为是很好的照明光源，所以它是被动光电测量的主要光源，又是很好的平行光源。 2、白炽灯它靠电能将灯丝加热至白炽而发光，主要的灯丝材料为钨。钨的蒸发率随温度不同而改变，而使用时间随工作温度升高而变短。 3、卤素灯溴、碘、氯、氟各种卤素都能产生钨的再生循环，就可以使灯的光效和寿命大大增加。国内生产的主要是碘钨灯和溴钨灯，一般用作一般照明、投影仪照明、放映照明、汽车前灯照明、舞台灯光影视照明等。 二、气体放电光源 这类光源是利用气体放电原理来发光的。将氢、氘、氪等气体或汞、钠、硫等金属蒸汽充入灯内，在电场等能源的激励下，从灯的阴极发射出电子，电子将奔向阳极，由于阴阳极之间充满的气体或金属蒸汽因为激发辐射而发光。 气体放电光源的特点有： 1、发光效率高，比白瓷灯高2-10倍； 2、结构尺寸较大； 3、寿命长，大约为白炽灯的2-啊10倍； 4、光色范围宽； 5光源的功率稳定性较差 由于以上特点，气体放电灯主要用于工程照明，在光电测量中主要用于对光源稳定性要求不太高的强光主动测量场合。 第八章 光波调制 1、什么是光辐射的调制？根据被调制的载波参数不同，分别有什么调制方式？ 2、什么是“外调制”、“内调制”？ 3、晶体的主轴坐标系如何定义？ 4、“电光效应”、“线性电光效应”和“非线性电光效应”如何定义？ 5、在利用电光效应的过程中，加电场的方式通常有哪两种方式？给出其具体的 概念。 6、KDP 晶体沿Z 轴引入电场后，主轴坐标系的偏转角数值是否和电场强弱有 关？其折射率改变量大小是否和电场强度数值有关？ 7、在LiNbO 3晶体主轴坐标系中沿x 方向引入电场x E ，在原主轴坐标系中写出 引入电场后的折射率椭球方程。引入电场后其主轴坐标系方向是否发生改变？ 8、（1）在KDP 晶体的纵向电光效应中，晶体的半波电压如何定义？半波电压 由晶体的哪些参数决定？ （2）在选择晶体制作电光强度调制器时，是选择πV 数值大的材料好，还是 选择πV 数值小的材料好？为什么？ 9、 （1）画出利用KDP 晶体一次电光效应的纵向电光强度调制器的装置图，说 明各器件的作用。 （2） 说明调制器的工作原理。 （3） 为实现线性调制，常用的方法有哪两种？ （4） 若在KDP 晶体上加调制电压t U U m ωsin =，U 在线性区内，写出强 度调制后输出光强的表达式。 10、电光强度调制器的“消光比”如何定义？ 11、纵向电光调制和横向电光调制相比，主要区别有哪些？ 12、画出利用KDP 晶体实现电光相位调制的装置图，并说明其工作原理。 13、（1）简述‘拉曼-纳斯衍射’和‘布喇格衍射’的发生条件、衍射过程及衍 射光特点。 （2）为实现“声光强度调制”，利用哪种声光衍射效应较为理想？ （3）画出声光强度调制器的结构图，说明其工作原理。 （4）在布喇格衍射过程中，声光衍射效率如何定义？ 1.2太赫兹辐射的主要特征与应用 THz位于亚毫米波与远红外线之间，显然低端THz波具有微波辐射特性，高端THz波具有光波辐射特性，加上它是非离子化辐射和占有极宽波谱，它的应用前景是非常可观的。 首先THz具有很多独特的性质： (1)黑体温度很低，室温下(3000K左右)。一般物体有热辐射，这一辐射大约对 应6THz。从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射有1/2都在光谱中的THz部分。 10倍)，不会THz光子有较低的量子能量(4mev@1THz，比x射线的光了弱6 在生物组织中引起光损伤及光化电离[6]。THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多[7]。 (2)从GHz到THz频段，许多有机分子表现出较强的吸收和色散特性，这是由 于分子旋转和震动的跃迁造成的。这种跃迁是一种特殊的标志，物质的THz 光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息，并使得THz波有类似指纹一样唯一性的特点[8-11]。THz波光谱通过介电函数的实部和虚部来描述分子的转动和振动光谱(100GHz--10THz)。 (3)THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，因 此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用[12-13]。利用这一特点，结合断层扫描原理可以实现计算机层析成像，从而获得样品的三维信息，一个重要的应用就是THz三维断层扫描成像技术[14]。 (4)THz的时域频谱信噪比很高，在10G H—4THz频率范围内，THz时域光谱 (THz-TDS)的信噪比可以达到4 10了，非常适用于成像应用，而传统的傅立叶变换红外光谱(FTIR)的信噪比只有300左右。但当带宽增加到40THz时，THz-TDS的信噪比将显著下降[15-17]。 (5)带宽很宽(0.1-10THZ)，对人类而言是非常丰富的频率资源库。 (6)可形成很窄的脉冲(皮秒甚至飞秒级)，可以方便的对各种材料 (7)(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究。 第４６卷 第１１期 激光与红外 Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１１ ２０１６年１１月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤＮｏｖｅｍｂｅｒ，２０１６ 文章编号：１００１-５０７８（２０１６）１１-１３０５-０６·综述与评论· 军用ＵＡＶ光辐射特征研究现状 黄章斌１，李晓霞１，２，郭宇翔１，马德跃１，赵 亮１ （１.脉冲功率激光技术国家重点实验室，电子工程学院，安徽合肥２３００３７； ２.安徽省红外与低温等离子体重点实验室，安徽合肥２３００３７） 摘 要：在现代战场上，军用无人机（ＵＡＶ）日益成为空中作战的主力航空武器装备，实现多波 段隐身是提高其战场生存能力的重要途径。军用ＵＡＶ的光辐射特征是其典型的可探测特征， 掌握这些光辐射特征并对其进行相应的控制，是实现ＵＡＶ光电隐身的关键。本文在概述军用 ＵＡＶ的战场应用以及面临的威胁的基础上，重点分析和综述当前军用ＵＡＶ光辐射特征方面 的研究现状，在借鉴有人驾驶飞机与导弹光辐射特征研究的基础上，归纳了军用ＵＡＶ光辐射 特征的研究方法，并展望了其发展趋势。 关键词：军用ＵＡＶ；可见光光谱特征；光谱反射率；红外辐射特性；红外仿真 中图分类号：Ｖ２７９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０７８．２０１６．１１．００１ ＲｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｎｏｐｔｉｃａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｌｉｔａｒｙＵＡＶ ＨＵＡＮＧＺｈａｎｇ-ｂｉｎ１，ＬＩＸｉａｏ-ｘｉａ１，２，ＧＵＯＹｕ-ｘｉａｎｇ１，ＭＡＤｅ-ｙｕｅ１，ＺＨＡＯＬｉａｎｇ１ （１.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｕｌｓｅｄＰｏｗｅｒＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３７，Ｃｈｉｎａ； ２.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰｌａｓｍａｏｆＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＡＶ）ｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｂｅｃｏｍｉｎｇｔｈｅｍａｉｎａｖｉａｔｉｏｎｗｅａｐｏｎｉｎｍｏｄｅｒｎａｉｒｆｉｇｈｔ.Ｉｔ ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｗａｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｕｒｖｉｖａｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＵＶＡｉｎｔｈｅｂａｔｔｌｅｆｉｅｌｄｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｍｕｌｔｉｂａｎｄｓｔｅａｌｔｈ.Ｔｈｅｏｐ- ｔｉｃａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＵＡＶａｒｅｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｄｅｔｅｃｔａｂｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ｔｈｅｇｒａｓｐａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｅｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｔｈｅｋｅｙｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｔｅａｌｔｈ.Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆａｃｅｄｔｈｒｅａｔｏｆｍｉｌｉｔａｒｙＵＡＶ ｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ.Ａｎｄｔｈｅｎ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｎｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＵＡＶｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｒｅ- ｖｉｅｗｅｄ.Ｆｉｎａｌｌｙ， ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｏｐｔｉｃａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐｌａｎｅａｎｄｍｉｓｓｉｌｅ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｌｉｔａｒｙＵＡＶｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｗａｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｌｉｔａｒｙＵＡＶ；ｓｐｅｃｔｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＶＩＳ；ｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ；ｉｎｆｒａｒｅｄｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｉｎｆｒａ- ｒｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 作者简介：黄章斌（１９９１－），男，硕士，主要从事光电对抗方面的研究工作。Ｅ-ｍａｉｌ：４０８８６７０７９＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯作者：李晓霞（１９６９－），女，教授，博士生导师，主要从事光电对抗技术及材料的研究。 收稿日期：２０１６-０３-０３；修订日期：２０１６-０４-０９ １ 引 言 随着航空航天技术、遥测遥控技术、任务载荷技 术以及人工智能技术等高新技术的不断发展，无人 机（ ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）技术得到了迅速发展。尤其是军用ＵＡＶ已经在现代信息化战场上 得到广泛应用和发展，从海湾战争、科索沃战争，到阿富汗战争、伊拉克战争，再到反恐战争，ＵＡＶ承担着侦察、干扰、欺骗、评估、中继、对地支援以及对地攻击等多种任务，为美国和北约最终赢得每场战争发挥了无可替代的作用。２０１０年之后，美国相继推出了Ｘ－３７Ｂ、Ｘ－４５、Ｘ－４７等型ＵＡＶ，２０１２年和２０１３年欧洲的“神经元”（ｎＥｕｒｏｎ）以及英国的“雷 万方数据 光电子技术复习知识点 备注： 1、考试时间：初步定于2013年1月5日，最终以网上公布为准。 2、以下内容打“*”的可以只做一般了解。 3、以下知识点请结合教材、课件和作业重点复习，请勿投机！ 第1章光辐射、发光源与光传播基本定律 1.1. 电磁波谱与光辐射； 电磁波的基本特性 1.2. 辐射度学与光度学基本知识； 辐射能、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度的概念、单位、意义 单色辐射出射度余弦辐射体余弦辐射体的亮度和辐射出射度 光量、光通量、光出射度、发光强度、光亮度、光照度的概念、单位、意义 光度量和辐射度量之间的关系单色光视效能最大单色光视效能单色光视效率函数1.3. 热辐射基本定律 黑体基尔霍夫辐射定律 普朗克公式反映的物理规律 1.4 激光原理 激光器的基本结构 产生激光的必要条件 谐振腔的作用 激光的横模和纵模 1.5 典型激光器 典型激光器及其特点、应用 红宝石激光器的系统结构、能级结构、原理 半导体激光器、半导体发光二极管的特点 1.6 光频电磁波的基本理论和定律 相速度、群速度及其关系 第2章光辐射的传播 2.1 光波在大气中的传播 朗伯定律，大气衰减的原因，瑞利散射定律，气溶胶的散射特点 什么是大气湍流效应？ 2.2光波在电光晶体中的传播 泡克耳效应和克尔效应 折射率椭球，电光张量 KDP晶体在z方向施加电场时，其折射率椭球的变化分析 纵向电光效应的结构、相位变化特点、光的偏振特性变化特点 纵向电光效应的结构、相位变化特点、光的偏振特性变化特点 2.3 光波在声光晶体中的传播 声波在介质中传播的特点，声光相互作用类型 拉曼-纳斯衍射条件、特点，布拉格衍射条件、布拉格方程、布拉格角、布拉格衍射的 第一章 光辐射与发光源 1. 辐射量、光度量及其单位 1）了解辐射量、光度量的定义及其单位（辐射通量、光通量、发光 强度、亮度） 2）掌握视见函数的定义和规律 辐射度量:只与辐射客体有关,适用于电磁波全波段。 基本量: 辐射通量(即辐射功率） 基本单位:瓦特(W) 光度量: 反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度，只适用于可见光 波段。 基本量: 发光强度 基本单位: 坎德拉(cd) 用下标“e ”表示辐射度量，下标“v ”表示光度量。 辐射通量（辐射功率）: 单位：瓦特（W ） 含义：为单位时间内流过某面积的辐射能量 光通量: d =Id 单位：lm=cd sr 发光强度：I(基本量) 单位：cd (光)亮度：L=dI/(dScos ) 单位：nt=cd/m2 dt dQ e e =Φ683 λλλK K K V m == 光视效率(视见函数)V ：是归一化的光视效能: ＝555nm 的单色光视效率V =1, 为最大值. 光通量(lm )与辐射通量(辐射功率,W)的换算： )()/(683)(,,W W lm V lm e λλλνΦ??=Φ 例题： 点光源均匀发光( =500nm), 发光强度I ν=100cd,则总光通量ν = ,总辐射功率为e, = 解：总光通量ν = I νd =4I ν =400(lm ), 总辐射功率e,=ν,/683V =400/(683 =(W) 2. 光源的分类 了解光源器件的分类，相干光源与非相干光源的区别（激发机制 与特点）。 光源器件的分类：3大类 热辐射光源（卤钨灯）；气体放电光源（低压和高压,自吸收）；电致 发光源（LED ） 3. 热辐射描述与热辐射光源 （1）掌握黑体辐射特点，色温与相关色温的概念 光辐射与发光源 任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐射源。 1.1电磁波谱与光辐射 1.电磁波的性质与电磁波谱 光使电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E （或 变化磁场H ），在邻近区域将产生变化的磁场H （或变化电场E ），这种变化的电 场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。电磁波具有以下性质： ⑴ 电磁波的电场E 和磁场H 都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电 磁波是横波。H E 、和传播方向构成右手螺旋系。 ⑵ 沿给定方向传播的电磁波，E 和H 分别在各自平面内振动，这种特性称为 偏振。 ⑶ 空间各点E 和H 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时 减到最小。 ⑷ 任一时刻，在空间任一点，E 和H 在量值上的关系为H E με=。 ⑸ 电磁波在真空中传播的速度为0 01 με= c ，介质中的传播速度为εμ 1 = v 。 电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X 射线到γ 射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m 以上的，也有波长短到10-5nm 以下的。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）。 2. 光辐射 以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm~1mm ，或频率在3?1016Hz~3?1011Hz 范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm 、在红外波段波长用μm 表示。波数的单位习惯用cm -1。 可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390~770nm 范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。 紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1~390nm 。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收， 1014 1012 1010 108 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 λ/μm 声频电磁振荡 无线电波 毫米波 红外光 紫外光 X 射线 γ射线 宇宙射线 λ/nm 1?106 4?104 6?103 1.5?106 770 622 597 577 492 455 390 300 200 10 极远 远 中 近 红 橙 黄 绿 蓝 紫 近 远 极远 可 见 光 图1 电磁辐射波谱 第二章 光辐射的传播 2.1 光辐射的电磁理论 光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律。由于引起生理视觉效应、光化学效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的E 矢量，因此，光辐射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场量E 的变化规律。 1. 光辐射的波动方程 在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以得到场量E 所满足 的微分方程 t J t P t E E ??-??-=??+???? μμμε22220 (2.1-1) 这就是光辐射普遍形式的波动方程。 方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。 对导体，t J ??- μ项起主要作用。 对绝缘体（J =0），22t P ??- μ项起主要作用 对于半导体，两项都起重要作用。 2. 光辐射场的亥姆霍兹方程 对于简谐波场，场量可表示为 t i e r E t r E ω=)(),( ， 则(2.1-1)式中场量E 的时间因子可以消去，得到 0)()()(0002=--????r E i r E r r r σμωμεμεμω (2.1-2) 引入复相对介电系数 r r r r i i εεωεσεε'-=-=0 ~ (2.1-3) (2.1-2) 式可改写为 0)(~)(02=-????r E r E r εμεω (2.1-4) 这就是光辐射满足的亥姆霍兹方程。 3. 均匀介质中的平面波和球面波 对于各向同性的无吸收介质， 0=??E ，利用矢量恒等式E E E 2?-???=????，亥姆霍 兹方程可改写为 0)(~)(022 =+?r E r E r εμεω (2.1-5) 上式平面波解的一般形式为 )(00),(?ω+?-=r k t i e E t r E (2.1-6) 球面波解的一般形式为 )(00),(?ω+?-=r k t i e r E t r E (2.1-7) 式中k 为波矢量，?0为初相。 4. 电磁场的边界条件 在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处ε、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。 如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得： ? ??=-=-02121t t s n n E E D D σ (2.1-8) 式中σs 为界面面电荷密度。 在光学波段经常遇到的情况是σs 等于零，这时，界面两侧E 的切向分量以及D 的法向分量均连 续。 2.2 光波在大气中的传播 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。 E t E n ε1，μ1，σ1 ε2，μ2，σ2 图1 界面上电场的法向和切向分量 光辐射的调制 第3章 §3 光辐射的调制?光辐射的调制 将信息加载到光波的过程 ?主要内容 3.1光辐射调制原理 3.2电光调制 3.3声光调制 3.4磁光调制 3.5直接调制 §3.2 电光调制 共有五个方面的内容 ⑥电光效应 ⑥电光强度调制 ⑥电光相位调制 ⑥电光调制器设计考虑 ⑥电光器件 §3.2.1 电光效应 电光效应 ⑥介质在外加直流或低频电场作用下，由于极化而出现 光学特性（各向异性）的改变，进而影响到光波在介质中的传播特性的性质 ⑥本质：某些晶体在光波电场与外电场的共同作用下出 现非线性的极化，从而引起介质折射率变化 可以是静电场、射 频场，直至微波场， 但不考虑频率更高 甚至光频的电磁场 主要有四个方面的内容 1.电场作用下材料的非线性极化 2.电光系数张量 3.电场作用下折射率椭球的形变 4.电光相位延迟 1.电场作用下材料的非线性极化 ? 介质受光频电场（入射光场）和射频电场（外加电场，低频或直流）的 共同作用，应同时考虑电子的受迫振动和离子的受迫振动；（位能函数， 运动方程） +++==232'E E dE dD βαεε斜率，代表介质材料对电场响应的大小? E 为光频时，相当于光频折射率；? E 为射频时，相当于射频介电系数； ?同时存在射频和光频时，相当于工作点设在，并对光频产生响应。 'ε'εo E ' εE 线性 射频 光频 D E o E E D ~?考虑关系，（为简化，设外加电 场// 晶体某主轴，则，标量关系）； +++=3 2 E E E D βαεD//E 若外加电场不在主轴 方向，是张量 ' εP E D +=0ε∑ ?=i i V P P E P L L χε0=l e p i = 1.光谱辐射谱域的划分及各区域的应用（请举例说明） 2.可见光区特征光谱线对应波长各为多少？ 3.光辐射度学研究的范畴包含哪些内容？ 4.各向同性辐射源辐射强度为Ie，试计算半个球面的辐射通量为多 少？ 5.请列表对比辐射度学与光度学的异同点？ 1.名词解释： 色温显示指数光谱光视效率 2.请写出光度学中的三大定律或定则及其满足的特性和条件？ 3.在图中，灯离地面3m高，要在P处产生12lx的照度，问光源的 光强应为多大？（P离点光源5m）(500cd) 4.已知光照度为20lx的普泡，照射到距离灯2m的桌面，此桌面是 半径为1m的圆形，试求桌子边沿各点的照度？ 5.有一点光源放在半径是2m的球心上，已知这个球每4m2的面积所 得到的光通量是8lm，试求光源的发光强度，光源的总光通量和球面上的照度？ 1.物理测量法所用的探测器有，热电探测器有，化学效应探测器有。 2.外光电效应探测器探测到的波长极限λ0 ，决定了光电管和光电倍增管只能对、和进行探测。 3.光电管分和两种，其积分响应度比较（高、低）响应时间（长、短），一般在左右，可测量光。 4.光电管产生的暗电流由和两部分组成，其中热电流是由产生的，漏电流是由产生的，光电管的暗电流主要由决定。 5.光电倍增管的响应度包括和两部分，光谱响应度由决定，积分响应度分和两部分，响应度光电倍增管主要由决定，而光电管由决定。 6.光电倍增管各级由高压电源用电压供电，一般设计成和两种。 7.光电倍增管暗电流由决定，以为主，减小暗电流应降低倍增管的。 二、名词解释 长波极限波长二次电子发射疲劳现象 三、请写出常用探测器工作原理及各种探测器均属于何种效应探测器？ 1、自发辐射与受激辐射的区别 自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。 受激辐射：当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量（这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。 区别： 与自发辐射不同，辐射一定要在外来光作用下发生并发射一个与外来光子完全相同的光子。受激辐射光是相干光。受激辐射光加上原来的外来光，使光在传播方向上光强得到放大。 自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。 2、试总结激光的原理、特点、分类 1）原理 激光是光受激辐射的放大，它通过辐射的受激放射而实现光放大。光放大即是一个光子射入一个原子体系之后，在离开此原子体系时，成了两个或更多个特征完全相同的光子。但光子射入原子体系后与原子体系的相互作用时，总总包含吸收、自发辐射与受激辐射三种过程。要得到激光必须使受激辐射胜过吸收和自发辐射在三个过程中居主导地位。 2）特点 主要特点：定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量密度极高 其他特点： 激光是单色或单频的； 激光是相干光，其所有的光波都同步，整束光就好像一个“波列”； 激光是高度集中的，即它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。 3）分类 按工作介质的不同来分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。 按激光输出方式的不同分类：连续激光器和脉冲激光器。（其中脉冲激光的峰值功率可以非常大） 按发光的频率和发光功率大小分类等。 第二章辐射 一、名词解释题： 1. 辐射：物体以发射电磁波或粒子的形成向外放射能量的方式。由辐射所传输的能量称为辐射能，有时把辐射能也简称为辐射。 2. 太阳高度角：太阳光线与地平面的交角。是决定地面太阳辐射通量密度的重要因素。在一天中，太阳高度角在日出日落时为0，正午时达最大值。 3. 太阳方位角：太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的交角。以正南为0，从正南顺时钟向变化为正，逆时针向变化为负，如正东方为－90°，正西方为90°。 4. 可照时间：从日出到日落之间的时间。 5. 光照时间：可照时间与因大气散射作用而产生的曙暮光照射的时间之和。 6. 太阳常数：当地球距太阳为日地平均距离时，大气上界垂直于太阳光线平面上的太阳辐射能通量密度。其值为1367瓦?米-2 。 7. 大气质量数：太阳辐射在大气中通过的路径长度与大气铅直厚度的比值。 8. 直接辐射：以平行光线的形式直接投射到地面上的太阳辐射。 9. 总辐射：太阳直接辐射和散射辐射之和。 10. 光合有效辐射：绿色植物进行光合作用时，能被叶绿素吸收并参与光化学反应的太阳辐射光谱成分。 11. 大气逆辐射：大气每时每刻都在向各个方向放射长波辐射，投向地面的大气辐射，称为大气逆辐射。 12 . 地面有效辐射：地面辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，即地面净损失的长波辐射。 13. 地面辐射差额：某时段内，地面吸收的总辐射与放出的有效辐射之差。 二、填空题： 1. 常用的辐射通量密度的单位是 (1) 。 2. 不透明物体的吸收率与反射率之和为 (2) 。 3. 对任何波长的辐射，吸收率都是1的物体称为 (3) 。 4. 当绝对温度升高一倍时，绝对黑体的总辐射能力将增大 (4) 倍。 5. 如果把太阳和地面都视为黑体，太阳表面绝对温度为6000K，地面温度为300K，则太阳表面的辐射通量密度是地表面的 (5) 倍。 6. 绝对黑体温度升高一倍时，其辐射能力最大值所对应的波长就变为原来的 (6) 。 7. 太阳赤纬在春秋分时为 (7) ，冬至时为 (8) 。 8. 上午8时的时角为 (9) ，下午15时的时角为 (10) 。 9. 武汉(30°N)在夏至、冬至和春秋分正午时的太阳高度角分别为 (11) ， (12) 和 (13) 。 10. 冬半年，在北半球随纬度的升高，正午的太阳高度角 (14) 。 11. 湖北省在立夏日太阳升起的方位是 (15) 。 12. 在六月份，北京的可照时间比武汉的 (16) 。 13. 在太阳直射北纬10°时，北半球纬度高于 (17) 的北极地区就出现极昼。 14. 由冬至到夏至，北半球可照时间逐渐 (18) 。 15. 光照时间延长，短日照植物的发育速度就会 (19) 。 16. 在干洁大气中，波长较短的辐射传播的距离比波长较长的辐射传播距离(20) 。 17. 随着太阳高度的降低，太阳直接辐射中长波光的比 (21) 。光学辐射探测
常压下低温等离子体光辐射特性测量
光辐射的传播
太阳辐射的特性
光学常用的度量
光电检测常用光源
第八章 光波调制
太赫兹辐射的主要特征与应用
军用UAV光辐射特征研究现状
光电子技术复习知识点
光电子技术总复习
光辐射与发光源
第二章光辐射的传播
§3光辐射的调制
(整理)光辐辐射量作业最后一次.
自发辐射与受激辐射的区别并总结激光的原理、特点、分类
第2章 辐射
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