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第九章 光源和光探测器,§1 辐射度量和光度量 §2 光源 §3 黑体辐射 §4 光量子 光的波粒二象性 §5 光的辐射过程 §6 激光器,辐射度学：是一门量度电磁辐射能的科学技 术，它不受人眼主观视觉限制， 建立在物理测量基础上，辐射度 量适用于整个电磁波谱范围。 光度量：以人眼对入射辐射刺激所产生的视 觉为基础，反映人眼视觉特性的光 辐射量，只适用于可见光部分。,§1辐射度量和光度量,1.1辐射度量,辐射度量的各个物理量定义如下:,（1）辐射通量(又称辐射功率) 定义：单位时间内通过某一截面的辐射能。,（2）辐射强度 I 描述点源辐射的量 定义：点辐射源在给定方向上单位立体角内 的辐射通量。,单位：瓦 / 球面度 W / sr ,（3）辐射亮度B,描述面源辐射的量,定义：面辐射源在某方向上单位投影面积 单位立体角发出的辐射通量。,I = d / dt,一般:辐射亮度的大小与 源面上的位置及方向有关。,单位： W / sr .m2,B = d / ddscos =I /dscos,（4）辐射出射度 R,描述面源辐射的量,定义：辐射源单位面积上发出的辐射通量。,单位：瓦 /米2 W / m2,光谱辐出度 r (),定义：单位间隔内的辐出度。 称为光谱辐出度，常用r表示， r 一般与波长有关，记为r（ ）,R = d / ds,（5）辐射照度 E,辐射照度 E是描述受照物体的量,它表示入射到单位面积上的辐射通量的大小。 如图所示，照射到受照面上某元面积ds的辐射 通量为d ，则面积ds的辐照度定义为,单位：瓦 /米2 W / m2,R = d / ds,1.2 光度量,在可见光范围内，人眼的视觉细胞对不同波长的辐射有不同的响应。有辐照度量描述可见光辐射不能反映人眼的亮暗感觉。例如用辐射亮度相同的蓝光和黄光照射人眼，人会感觉到黄光要比蓝光亮得多。在白天，人眼对波长为555nm（频率为540*1012Hz）的绿光最敏感，也就是说，在引起相同亮暗感觉的条件下，对555nm的光所需的辐射通量 （555nm）最小，而对其它波长的光所需的辐射通量 （ ）则较大。,我们定义光视效率V（ ）为：,光视效率V（ ）是用来表示人眼对各种波长光 的相对灵敏度的物理量。,V（ ）= （555）/ （ ）,白天：555nm 夜晚：507nm V（ ）= 1,光谱光视效率, V （ ）= Km V （ ） （ ）,光视效能 K（ ）定义为波长为的光通量 V （ ） 与相应辐射通量 （ ）的比值： K（ ）= V （ ）/ （ ）,当= 555nm， K（ ）有最大值： Km= 683 lm / W,为了客观描述辐射通量引起的视觉强度，引入一个新的物理量光通量。 设波长为的辐射通量为 （ ），对应的光通量为 V （ ），则两者的关系为,1 W = 683 V（ ）lm,光通量的SI单位为流明（lumen，记做lm）。 而辐射通量的单位则为W（瓦），二者的关系为：,对于555nm的单色光，则有 1W=683lm 即是说，其辐射通量为1W时，其光通量为638lm。,§3 黑体辐射,3.1 热辐射的基尔霍夫定律,实验表明：物体的单色辐出度和单色吸收率 之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射 本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。,在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它 吸收的能量。,任何物体在热辐射的同时，也吸收从周围物体发出的辐射能。被物体吸收的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比，称为吸收率。在单位波长间隔内的吸收率称为光谱吸收率，它与波长有关，记做,为了描述物体的辐射与吸收的关系，德国物理学家基尔霍夫与1859年提出了下列定律：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,其中,3.3 斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律,1. 斯特藩玻耳兹曼定律,黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比。,2. 维恩位移定律,黑体的光谱辐出度的极大值所 对应的波长与绝对黑体温度成正比。,测定黑体辐出度的实验简图,A为黑体,B1PB2为分光系统,C为热电偶,黑体辐射谱实验曲线,根据维恩位移定律计算,人体辐射的峰值波长为 9.4微米（T=310K）,太阳辐射的峰值波长为0.48微米（T=6000K）,太阳辐射的能量50%在可见和紫外区。,人体辐射的能量几乎全部在红外区。,3.4 黑体辐射的经典理论遇到困难,1.维恩公式,在波长较短，温度较低时与实验结果相符。,2.瑞利-金斯公式,在波长很长，温度较高时与实验结果相符。,3.5 热辐射的量子理论-普朗克黑体辐射公式,普朗克公式给出了黑体辐射的光谱分布公式 黑体的光谱辐出度表达式,从普朗克公式可以得到斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律，且维恩公式、瑞利-金斯公式是普朗克公式在特殊情况下的近似。,