第三章_红外辐射源.ppt

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1、第三章红外辐射源信息科学与工程学院冯传胜1原则上说，凡是温度高于绝对0度的物体都是红外辐射源。可分为人工辐射源和自然辐射源；又可分为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。2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33.1黑体3.1.1理想黑体理想黑体：黑体的吸收率α=1物体发射率定义为光谱发射率定义为根据基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律的另一描述形式：任何物体的发射率等于它在相同温度和相同条件下的吸

2、收率。M(T)：T温度下的辐射度;Mb(T)黑体在T温度下的辐射度。43.1.2实际黑体一、实际黑体的发射率吸收率α接近于1。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。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。Gouffé在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式：其中ε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(包括A)。F(x,Ω)是与开孔相对于腔底的立体角有关的一个值。5常用的

3、腔型有：球型腔、锥型腔、柱型腔。设g=R/L<<1为腔的几何因子，则锥型腔：柱型腔：球型腔：6二、实际黑体的结构及分类实际黑体，俗称黑体炉。其结构如图：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7按其工作温度来分可分为三类：低温黑体：小于100ºC中温黑体：100~1000ºC高温黑体：1000ºC以上。设计制作黑体时应考虑以下问题：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8三、等效辐射设图中虚线为“光轴”，光阑孔面积为As，

4、其法线与光轴的夹角为θs；探测器接收辐射面面积为Ad，其法线与光轴的夹角为θd，则探测器等黑体光阑黑体辐射经光阑后的辐射强度：黑体在探测器表面产生的辐照度：探测器接收辐射功率(θs=θd=0)：9四、黑体的鉴定对于实际的黑体，要根据有关热辐射理论，按各项技术指标，认真地进行鉴定，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、尺寸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。其次，对其性能进行实际测试。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

5、.5K/4h)。第三，检测实际黑体与斯帝芬-玻尔兹曼定律的符合程度。测量探测器信号与As的关系测量探测器信号与l2的关系测量探测器信号与T4的关系性能较好的黑体应得到很好的线性关系(尤其2,3)，通过测量其斜率可得到σ的实验值，可将其与斯帝芬-玻尔兹曼常数比较。考虑到环境温度T0，则探测器上接收到的黑体的辐射功率为：103.2能斯特灯(NernstLamp)能斯特灯是由氧化锆、氧化钍、氧化钇或氧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，典型尺寸为长30mm，直径1~3mm。能斯

6、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。主要缺点是机械强度低，稍受压，就会损坏。恒流电源供电：工作电流0.3~0.6A。工作温度：1700K~1800K。113.3硅碳棒用碳化硅(SiC)做成的圆棒。作为辐射测量的辐射源时，不能含有杂质。作为红外辐射源用的硅棒：典型尺寸为长5~10cm，直径为5mm。工作电源为50V，工作电流为3~5A。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，需要给装有硅碳棒的护罩通以冷水，以冷却电极。制作工艺

7、简单，价格也较低。123.4钨带灯是广为使用为红外辐射源。常用于红外辐射测量，作为3um以下的近红外辐射源使用。与日常照明用的钨丝灯一样，钨带灯也是通电加热钨带而发光的。钨带的典型尺寸为宽约2mm，厚约0.02mm，长约20mm。真空泡时可工作于1100ºC，充惰性气体(如氩气等)可工作于2700度。工作电压一般为10~20V，工作电流约20A。由于玻璃罩的存在(不透大于4um辐射)，一般工作波长范围为0.5~3um(近红外)。133.5汞灯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

8、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。按灯内汞蒸气压的不同，可分为低压、高压和超高压三种。汞灯的红外辐射谱线波长143.6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p-n结通以正向电流时，注入载流子，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。可工作于可见光波段，也可工作于红外波段。砷化镓(GaAs)的禁