22

Источники и приемники оптического излучения

Часть I источники излучения

Содержание

I. Общие вопросы

II. Спектральные характеристики

III. Основные законы теплового излучения

IV. Некогерентные источники излучения:

1.Лампы накалывания

2. Глобары

3. Газоразрядные ИИ

4. Полупроводниковые ИИ

5. Естественные ИИ

V. Источники когерентного излучения:

1. Принцип работы лазера

2. Газовые лазеры

3. Твердотельные лазеры

4. Жидкостные лазеры

5. Полупроводниковые лазеры

6. Режимы работы лазеров

7. Применение лазеров.

1.Общие вопросы.

Волновая теория

E_o – амплитуда

ω – частота

φ - фаза

λмкм 10^-8 10^-5 10^-3 10^-1 1 10³ 10⁵

Космические лучи

 лучи

рентген

УФ

видимое

ИК

радиоволны

υ Гц 10²³ 10²¹ 10¹⁹ 10¹⁷ 10¹⁶ 10¹⁵ 10¹³ 10¹¹ 10⁹

Квантовая теория – порция энергии

Е=hυ =hс/λ

1. Основные энергетические и световые единицы.

энергетические световые

П

оток Световой

излучения поток

Э

нергия Световая

Излучения энергия

С

ила Сила

излучения света

Э

нергетическая Светимость

с

ветимость

Э

нергетическая Яркость

я

ркость

О

блученность Освещенность

А₁ – площадь излучателя

А₂ – площадь облучаемая

К_m= 680 лм/Вт ( при λ=0,555)

V_λ – относительная спектральная световая эффективность

Кд – сила света, излучаемая 1/60 см² черного тела при температуре затвердевания платины (2047 К). Свеча=1,005 кд.

Лм – световой поток источника в 1 кд в телесном угле 1 ср.

Кривая видности человеческого глаза (относительная спектральная световая эффективность)

V_

_max=0,555

Метод малых ступеней

При сумерках _max =0,51 (работают только палочки)

0,3

0,1

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,6

 мкм

Монохроматическому потоку dФ_e, λ соответствует световой поток dФ_v, λ.

Полный световой поток (интегральный)

Глаз

10⁵ ÷10^-6 лк

10^-17 ÷10^-5 Вт

2.Спектральные характеристики излучателей.

В

Полосовой

(молек.- ксеноновая лампа)

иды спектров

Сплошной

(тепловой ист.)

Линейчатый

(атомные-ртутн. лампа)

λ λ λ

3. Основные законы теплового излучения

Тело, полностью поглощающее весь падающий поток, независимо от направления, спектрального состава и поляризации, называется черным телочерное тело. ε_.т= 1 (при любых  и т).

ε_.т  1 – серое тело ( =0 идеальное зерк.)

Излучение черных тел подчиняется ряду законов, которые с поправками на коэффициент теплового излучения применяются для серых.

а) Закон Кирхгофа.(1859г.)

Отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и является универсальной функцией только частоты и температуры ε_.т.

Т.е. коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения для противоположно-направленного излучения (при любой температуре и любой )

Или: отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральному коэффициенту поглощения есть величина постоянная.

Для черного тела _,т=1

Поэтому для любого тела:

Модель черного тела

D



 15

При  = 5

 = 0,7

эффективный

коэффициент

излучения ≥ 0,99

Рис. 3.

б) Закон Стефана-Больцмана (1879).

(полная энергетическая светимость)

 - постоянная Стефана –Больцмана (5,610^-12вт/см²град^-4)

т.к. черное тело одновременно поглощает падающую энергию от окружающей среды:

Доказывается теоретически применением цикла Карно для черного излучения.

в) Закон смещения Вина (1894) Второй закон Вина

_maxТ=2898 мкмК

на практике:

г)Закон Планка (1900)

h – постоянная Планка

k – постоянная Больцмана

с – скорость света

Чаще не через v, а через .

С₁ = 2hc²

C² = hc/k

k- постоянная Больцмана.

С₁ = 3,7410^-16Втм², С₂ = 1,4410^-2м.К.

3000К

3

2400К

2

1



1

2

3

Рис. 4.

Закон Вина (смещения) можно получить, продифференцировав формулу Планка по  и приравняв ее к нулю. Закон Стефана-Больцмана может быть получен интегрированием формулы Планка по  от 0 до ∞.

Если в формулу Планка подставить _max от М_е^ч.т. (_max) = Ст⁵ - второй закон Вина.

Пользоваться формулой Планка для расчетов не очень удобно. Чаще пользуются приведенной формулой Планка (в относительных единицах)

x = /_max

y = M_e,/ M_e,_max

y

д) Тепловые излучения реальных тел.

У реальных тел _,т 1 (коэффициент излучения)

• Тела с селективным излучением (газы, металлы)

• Тела с серым излучением (графит, сажа, железо и др.)

_т - интегральный коэффициент излучения.

_,т – спектральный коэффициент излучения.

;

Закон Кирхгофа  = т _,т = _т

Закон Стефана-Больцмана для реальных тел. M_e = _т Т⁴

Эквивалентная температура - температура черного тела, при которой одна из характеристик его излучения совпадает с соответствующей характеристикой излучения реального тела при той же Т.

- радиационная (энергетическая ) температура (Тм) это температура черного тела, при которой суммарная энергетическая яркость совпадает с яркостью исследуемого тела.

(из закона Стефана-Больцмана) Т_м всегда  Т

• Яркостная температура (Т_L):

Температура черного тела, при которой яркость в пределах узкого участка спектра равна яркости исследуемого тела. Обычно определяемой вблизи

 = 0,655

Т_L также  Т

• цветовая (Т_с)

температуру черного тела, при которой в видимой области спектра относительное распределение спектральной плотности энергетической светимости черного тела и реального тела при данной Т максимально близки.

Т_с может быть и меньше и больше Т.

Для большинства излучений Т_с ближе к Т чем к Т_L и Т_м.

Обычно определяют Т_с по ₁ = 0,655 и ₂ = 0,467