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最新二章光辐射与光源

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《光辐射与发光源》课件

《光辐射与发光源》课件

灯光包括白炽灯、荧光灯、
激光是一种高亮度、单色、
彩柔和、温暖，给人以温馨
LED 灯和氙气灯等多种类型，
聚光度高、方向性好、相干
浪漫之感。
其中 LED 灯在照明领域得到
性强的光源，用途广泛，是
了广泛应用。
现代通讯、信息处理、制造
业、医学等领域的重要工具。
光辐射的应用领域和重要性
1
通讯
2
医学 ⚕️
量的刺激，主动发射出一个与激励光子频率、相位、方向等完全相同的光子，
累积后形成发光体。
3
光致发光理论
光致发光是指在外界光激射下发生的发光现象。它是发光材料中用外界能量激
发材料的低能态至其高能态，从而引起的内部能级跃迁而发生的现象。
不同类型的发光源
火焰
灯光
激光
火焰是一种光的源头，其色
《光辐射与发光源》PPT
课件
欢迎来到《光辐射与发光源》PPT课件！本课程将带你深入了解光的世界，探
讨发光机制和各种光源的特征，以及光的应用。让我们一起开始吧！
什么是光辐射？
定义
概述
意义
光辐射是指光的辐射现
光辐射是光的基本性质
了解光辐射对于深入了
象，包括发光体发出的
之一，广泛应用于光学、
优势，已经成为了现代照明领域最流行的发
件和技术持续创新发展，逐渐被广泛用于各
光体之一。
个领域，如工业、医疗、科学甚至越来越多
的家庭产品中。
光辐射与环境保护的关系
国内绿色照明政策
景观照明的技术发展
夜间光污染治理
限制高耗能光源
照明设计趋向节能与环保
防止光污染影响野生动植

光辐射与光源

光辐射与光源
光辐射与光源是光电探测技术的基础。光辐射，作为电磁波的一种表现形式，包括紫外辐射、可见光和红外辐射。为了定量描述光辐射，引入了辐射度学和光度学两套度量体系。辐射度学客观计量电磁辐射能量，适用于整个电磁波段，其关键物理量包括辐射能、辐射通量、辐射出射度、辐射强度和辐射亮度等。而光度学则考虑到人眼的主观视觉效应，其计量单位仅适用于可见光波段，与辐射度学的物理量存在一一对应关系。这些物理量的定义、单位Байду номын сангаас及它们之间的关系，在文档中都得到了详细的阐述。通过理解这些基本概念和原理，可以更好地掌握光电探测技术中光辐射与光照的应用。

第二章 光辐射的调制 光电技术教学课件

第二章 光辐射的调制 光电技术教学课件

l 1, 2, 3, 4,
5,
6
1 n2
, l
有6个独立的分量。
无电场时，E0，于是
1
n
2
0
1
1
n
2 x
1
n
2
0
2
1
n
2 y
1
n
2
0
3
1
n
2 z
1
0
n 2021/11/20
2 4
1 n2
0
5
1 n2
0
6
0
x2 n2x
y2 n2y
z2 n2z
1
10
施加电场时 E0 ，折射率椭球系数的改变量
和（x2 y）（x2' y）' 绕
z
轴逆时针旋转了45角。
2021/11/20
图. 沿KDP晶体光轴方向加电时，在 垂直光轴的平面内折射率主轴发生旋转
15
在新的感应折射率主轴座标系 x ' y ' z下，
折射率椭球方程变为
x'2 y'2 z'2 1
n2 x'
n2 y'
n2 z'
三个感应主轴的折射率分别为
二氢氨 ADP ，铌酸锂 LiNbO3 (记为 LN)等。以 下结合KDP加以说明。
KDP为单轴晶体，属立方晶系的点群。有
nx ny no ， nz ne 。
Z
x
光轴: 晶体中有一个方向，光沿这个 y
方向传播不发生双折射，这个方向
叫做光轴。
2021/11/20
13
1. KDP的纵向电光效应
如果沿晶体光轴方向加电场，由于

二章光辐射与光源-精品

二章光辐射与光源-精品

2019/11/5
1
§2.1 电磁波与光辐射
2.1.1 电磁波的性质与电 磁波谱 麦克斯维证明光是电磁波的 一种表现形式。
电磁波包括的范围很广，从 无线电波到光波，从X射线 到 射线，都属于电磁波的 范畴，波长覆盖很宽。光辐 射仅占电波谱的一极小波段 。
2019/11/5
2
2.1.2 光辐射
按辐射波长及人眼的生理视觉效应，光辐射被分成三个 波段：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作单位、在红外波段波长用m作单位。
长期、短期稳定性，预热时间 使用寿命、存放时间 点光源、扩展光源 相干性
2019/11/5
24
2.4.2 几种典型的光源
2.4.2.1 连续谱光源
连续谱光源在较宽的波长范围内发出连续的辐射。典型的连续谱 光源有白炽灯、能斯特辉光灯、碳化硅炽热棒、钨灯、石英碘灯 (<3600K)、氢灯或氘灯、氙灯，等等。表2.4-2示它们的一些技术 参数。 表2.4-2 常见连续谱光源
人造光源则主要是电能转换而来的电光源，如白炽灯、 汞灯、氙灯、黑体模拟器、激光器，等等。
2019/11/5
23
2.4.1 光源特征及描述
表2.4-1 一些重要的光源特性
特征
举例
光谱输出 波长范围 时间行为 辐射度或光谱辐射度 稳定性 寿命 发射面积 空间行为
连续谱光源、线光源、连续加线光源 紫外光源、可见光源、红外光源 连续光源、脉冲光源、正弦波光源、相干光源
2019/11/5
25
2.4.2.2 线光源
在多数原子光谱法仪器中应用的线光源包括低压弧光灯、 空心阴极放电管、无极放电灯及热梯度灯。 (1) 低压弧光灯
即低压弧光放电管。 (2) 空心阴极灯

光辐射与光源_基本概念

光辐射与光源_基本概念

E L
2
d
0
0 sin cos d
0
L sin2 0
M sin2 0
2.4.4 朗伯辐射体产生的辐照度
扩展源近似为点源的条件
sin2
0
R2 R2 l02
R2 l02
1 1 (R / l0 )2
E
LA l02
1
1 (R / l0 )2
LA E0 l02
相对误差：
E
E0 E
( R)2 l0
w dQ dv
(3) 辐射通量(, P, 单位W) :以辐射形式发射、传输或接收的 功率，用以描述辐能的时间特性。实际应用中，对于连续辐 射体或接收体，以单位时间内的辐射能，即辐射通量表示。
dQ dt
2.1 辐射度量
(4) 辐射强度(I，单位Wsr-1): 在给定传输方向上的单位立体角 内光源发出的辐射通量，即
义通((为量23))为1光光流=明4能 通π（密量IＶlm(度＝）1(vw2,。.单v5,发6单位6光l位m流强。l度明m为·lsm1/c)md-的3 )点光w源v在整d个dQ球vv空间所发v 出 的dd总Qt光v
(4) 发光强度(Iv, 单位坎德拉, cd, lm·sr-1)
I
d d
(5) 亮度 (Lv, 单位cd·m-2): L d 2 / ddAcos dI / dAcos
E
L0
n12 n02
sin2 u1
一般光电成像系统，由于n0=n11，且光瞳放大率p=D/D=1，
其中D和D为物镜物方和像方孔径。于是
E
L0
(
D 2
)2
/[(
D 2
)2
l2
]
1 4

第二章_热辐射定律及标准光源

第二章_热辐射定律及标准光源
光束发散角极小 0.1mrad 单色性好 相干长度长 功率密度高 如何实现？ 首先要有能实现能级粒子束反转的工作物
质 还必须建立谐振腔 造成连锁反应 雪崩放大
常用的激光器
气体激光器：He-Ne激光器、氩离子激光器、 二氧化碳激光器等
固体激光器：红宝石激光器、玻璃激光器、 YAG激光器等
待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某 一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则 称Tc为该辐射体光源的颜色与色温的色温 度。简称色温Tc(单位:Ｋ)
２.相关色温：
在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体 色品最接近的色温度称之为相关色温用Ｔ 表示（单位：Ｋ）
各光源的色温
u-v色度图中黑体轨迹和等色温线
第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用
储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实 验室（HLS）；第三代同步辐射光源是基
于性能更高的同步辐射专用储存环的专用 机，如上海光源(SSRF)。
上海光源的先进性
性能价格比高：储存环的能量3.5GeV，在中能区光源中能量最高，性能优化 在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展，不仅可在光子能 量为1~5keV产生最高耀度的同步辐射光，而且在5~20keV光谱区间可产生性 能趋近6~8GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光；
全波段：波长范围宽，从远红外直到硬X射线，且连续可调。利用不同波长的 单色光，可揭示用其他光源无法得知的科学秘密；
高强度：总功率为600千瓦，是Ｘ光机的上万倍。光通量大于1015光子/ （S.10－3bw）。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以 控制的实验以及医学、工业应用提供了可能;
4.光谱辐射本领: Me(,T )
面元s在单位面M积e (,单,T位) 波 d长d范e(d围s) 内辐射量:

第二章光辐射与光源

2018/7/28 8
⑹ 辐射照度 辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元 面积dA之比。即
(2.2-8) 单位：瓦特· 米-2（W/m2）。 ⑺ 单色辐射度量 对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定 义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单 色辐射度量Xe,λ与辐射度量Xe之间均满足 (2.2-9)
2018/7/28
15
(3) 人工黑体 作为一种理想化模型，人工黑体是人工制作的、接近于黑体 的模拟物。 对于不透明的物体，当反射系数为1时，称为白体或镜（面反 射）体。现实中的物体介于黑体、白体之间。
(4) 灰体 当某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下所有各 波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之 比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。实际 物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此不是 灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看作是灰体， 其发射率为介于0与1之间的正数。
2018/7/28 21
§2.4 光源
光源是光辐射源的简称。光源可以分为天然光源和人造光源。 自然界光源按产生原理只有两大类， 第一类是热效应光源（细分为3种）： 一种是摩擦、颤振等物理效应，如飞机蒙皮辐射； 一种是化学燃烧，如飞机、车辆发动机中化学反应，陨石坠落过 程的燃烧； 一种是热核反应，如太阳、核反应堆。 第二大类为生物能光源： 如人体、动物发出的红外辐射，萤火虫、海洋生物发出可见光。
2018/7/28 9
2.2.2 光度量
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区 域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完 全一一对应，其关系如表2.2-1所示。

第二章 光辐射与光源_基本概念


2.1 辐射度量
(6) 辐射出射度 (M，单位Ｗm-2): 离开光源表面单位面元的辐射 通量
d M dA
面元所对应的立体角是辐射的整个半球空间。平面与球面辐射 出射度的表面积。 (7) 辐照度 (E，单位Ｗm-2): 单位面元被照射的辐射通量 d E dA 辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用 来描述微面元发射和接收辐射通量的特性。
Hale Waihona Puke MLML

2.4 几种典型光辐射量的计算公式
2.4.1 点源对微面元的照度
设受照微面元dA距点源O的距离为l，其平面法线n与辐射 方向夹角为，dA对点源O所张立体角为若点源在该方向的辐 射强度为I，则向立体角d发射的通量dP为 IdA cos dP Id 2
l
如果不考虑能量传播损失，则微面元照度为 n
如果R /l01/10，即当l0>10R或0 ≤5.7°时，相对误差<1%。
物理意义：目标点与圆盘朗伯辐射体的距离大于10倍 圆盘半径时，按点源测量的辐照度相对误差小于1%。
2.4.5 成像系统像平面的辐照度
物空间亮度L0的微面元ds0经过成像物镜成像在像空间ds1微 面元上，确定ds1上的照度。微面元向透镜口径D所张立体角发 射的辐射通量为
2.2 光度量
dv
(3) 光通量(v, 单位流明lm) (4) 发光强度(Iv, 单位坎德拉, cd, lm· -1) sr
d I d
dQv v dt
2 (5) 亮度 (Lv, 单位cd· -2): L d / d dA cos dI / dA cos m
(6) 光出射度(Mv ,lm· -2) m (7) 照度(Ev ,lm· -2) m

第二章-光辐射与光源精选版

红外辐射 是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射，波 长范围为0.77~1000 m。
yyty
3
§2.2 光辐射的度量
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光 辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 （物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量，脚 标“v”表示光度物理量）。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科，其适用性局限于可 见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量， 适用于整个电磁波段。
单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次 数），称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是[长 度]-1，单位惯常采用cm-1。
可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。 390~770 nm范围的范围内；
紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长 范围是10~400 nm。
第二章 光辐射与光源
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[产生光辐射的物体， 即光源]与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性，等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。
yyty
5
⑶ 辐射出射度 简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 (2.2-2)
单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑷ 辐射强度 辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位
立体角内的辐射通量，用Ie表示，即

高二物理竞赛课件：光辐射与发光源


坎德拉定义：点光源沿某方向发出555nm的光， 其辐射强度为(1/683)W/sr时, 其发光强度就是1cd.
三、光度量与辐射度量之间的关系
为了描述一定的光辐射通量可以产生多少的 光通量，定义光视效能和光视效率。
光视效能:
K
v (lm) e (W )
(1 12)
含 义 ： 1W 的 单 色 辐 射 通 量 所 对 应 的 单 色 光 通 量
(即功光当量, 是两套单位的换算因子)
单位：流明/瓦特（lm/W）。
(对比:J＝W/Q=4.1868焦／卡称为热功当量,表示1卡 热量对应的功。)
光视效能
K
v e
(1 12)
对标准光度观察者，在辐射频率5401012Hz(波长
555nm)处，K有最大值，其数值为Km=683lm/W。 说明人眼对这频率的光辐射的视觉是最灵敏的。
回顾:
1.0
坎德拉定义中的 (1/683)W/sr 的 辐 射 强 度 ， 对 555nm 的 光而言，就是1lm/sr, 即:1cd.
光视 效 率
0.8
V' 510nm 555V nm
0.6
0.4
暗视觉
0.2
明视觉
0.0
400
500
600
700
800
波 长 (nm)
I e
e 4
(1 4)
R
d
⑸ 辐射亮度
dI
Le
e
dS cos
d 2
e
ddS cos
(1 5)
(是给定方向与辐射面元dS法线间的夹角)
定义：面辐射源的单位表观面积在某一给定方向上的 辐射强度。
d
单位：(瓦特/球面度)/米2,即W/(sr·m2) 。
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辐射度物理量
对应的光度量
物理量名符 称
定义或定
号
义 式
单位
物理 量符 名 称定义或定 Nhomakorabea号
义 式
单位
辐射能
辐射通
量
辐射出 Qe 射e 度M
e＝dQe/dt Me=dedS Ie=de/d
辐辐0射射9.强亮03度 度.2ELI0eee 21
e Le=dIe/(dSc os)
Ee=de/dA
辐射照
度
光量
J 光通
比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用表
示。
09.03.2021
14
(2) 反射比
反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长 到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用表示。对于不透
明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即 (2.3-1)
若物体在任何温度下，对任何波长的 辐射能的吸收比都等于1，即，则称 该物体为绝对黑体（简称黑体）。它 没有反射，也没有透射( 当然黑体仍 然要向外辐射)。黑体具有最大的发 射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。 图2.3-1 黑体模型
(2.2-8)
单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑺ 单色辐射度量
对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定 义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单 色辐射度量Xe,λ与辐射度量Xe之间均满足
(2.2-9)
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9
2.2.2 光度量
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区 域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完 全一一对应，其关系如表2.2-1所示。
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(3) 人工黑体 作为一种理想化模型，人工黑体是人工制作的、接近于黑体
的模拟物。 对于不透明的物体，当反射系数为1时，称为白体或镜（面反
射）体。现实中的物体介于黑体、白体之间。
(4) 灰体 当某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下所有各
波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之 比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。实际 物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此不是 灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看作是灰体， 其发射率为介于0与1之间的正数。
2.3.1 单色吸收比和单色反射比。
当辐射从外界入射到“不透明”（不限于可见光不透明） 的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面 反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。需要 强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物 体发射的辐射能。
(1) 吸收比 被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收
二章光辐射与光源
§2.1 电磁波与光辐射
2.1.1 电磁波的性质与电 磁波谱 麦克斯维证明光是电磁波的 一种表现形式。
电磁波包括的范围很广，从 无线电波到光波，从X射线 到 射线，都属于电磁波的 范畴，波长覆盖很宽。光辐 射仅占电波谱的一极小波段 。
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2
⑹ 辐射照度 辐照度定义为投射到接收器面元上的辐射通量与该面元 面积dA之比。即
第一辐射常数，
第二辐射常数。
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18
图2.3-2为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随 波长的变化曲线。可见： ① 对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个 峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐 射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。 ② 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。w/
(2.3-6)
在
区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
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20
2.3.4 维恩位移定律
维恩位移定律定量地描述单色辐射出射度的峰值随温度的升 高向短波方向移动。设为峰值辐出度对应的波长，有
12
§2.3 黑体辐射
任何0 K温度以上的物体，都会由于其中的分子、 原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电 磁波，这种现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐 射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波 长的分布主要决定于物体的温度。下面简要介绍热 辐射的一些基本定律。
09.03.2021
13
17
2.3.3 普朗克公式
1900年，普朗克假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一 个最小能量的整数倍。由此创立了量子理论。黑体处于温度T时，
在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出
(2.3-3)
式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。
令
，则(2.3-3)式可改写为
(2.3-4)
(2.2-10)
单位：流明/瓦特（lm/W）。 通过对标准光度观察者的实验测定，白天在辐射波长555 nm
（夜晚则为507 nm）处，K有最大值，其数值为Km=683 lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，其定义为
(2.2-11)
09.03.2021
11
图2.2-2 光谱光视效率曲线
09.03.2021
W
量
W/m 光出
2
射
W/sr
度
W/m
2
发光
·
强
s
度
r (光)亮
W/m
度
2 (光)照
Qv v Mv Iv Lv Ev
Qv=v dt v=Iv d Mv=dv/d
S
基本量
lm·s lm lm/m
2
Lv=dIv/(dS cos
cd cd/m2
) lx
Ev=dv/dA
10
光视效能 光视效能是人眼对某一波长下单位辐射通量的产生的光 通量，即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量 的比之，即
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16
2.3.2 基尔霍夫辐射定律
1859年，德国物理学家基尔霍夫指出：在热平衡状态下，任 何辐射体的光谱辐出度与光谱吸收率的比值只是辐射波长和温度 的函数，而与辐射体本身性质无关，即
(2.3-2)
式中为黑体的单色辐射出射度。这说明黑体必然是辐射本领 最大的物体。
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(m2·µm) ③ 单色辐射出射度的
峰值随温度的升高 向短波方向移动。
图2.3-2 黑体辐射单色 辐射出射度的波长分布
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19
(1) 瑞利-琼斯近似 当很大时，
，可得到适合于长波长区的瑞利-琼斯公式
(2.3-5)
在 (2) 维恩近似 当λT很小时，
时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。 ，可得到适合于短波长区的维恩公式