第02章 常用光辐射源 讨论：研究光辐射源的意义 光电探测系统的基本组成：

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1 第02章 常用光辐射源 讨论：研究光辐射源的意义 光电探测系统的基本组成：
第02章 常用光辐射源 讨论：研究光辐射源的意义 光电探测系统的基本组成： 光源、光学系统、调制器、传输介质、光电探测器和电子系统等基本环节。

2 第02章 常用光辐射源 光辐射源 光电探测器 讨论：研究光辐射源的意义 辐射强度 辐射光谱 ··· ··· 灵 敏 度 响应光谱
第02章 常用光辐射源 讨论：研究光辐射源的意义 光辐射源 光电探测器 辐射强度 辐射光谱 ··· ··· 灵 敏 度 响应光谱 ··· ···

3 第02章 常用光辐射源 光辐射源分类: 自然光源 --被动探测系统 人工光源 --主动探测系统 讨论： 举例说明

4 漆黑环境中的人和铁丝网的温差 温度低 温度高
－－自然光源，如太阳、导弹尾焰、人体等，可组成被动探测系统，其信息源直接来自目标自身的辐射或外来光辐射，它没有人为的光发射系统，如天文光电探测、红外跟踪制导、微光夜视仪······

5 半导体激光器 －－人工光源，如黑体辐射器、白炽灯、激光器等，可组成主动探测系统，其信息源来自人造光源对目标的反射、透射和散射等光辐射，它一般需要人为精心设计光发射系统，如激光制导、光电精密微小尺寸测量、光电磁场测量······

6 第02章 常用光辐射源 自然光源 人工光源 --被动探测系统 --主动探测系统 光辐射源分类: 本章介绍：热辐射光源 气体放电光源
第02章 常用光辐射源 光辐射源分类: 自然光源 --被动探测系统 人工光源 --主动探测系统 本章介绍：热辐射光源 气体放电光源 激光器 发光二极管

7 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4* 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管
第02章 常用光辐射源 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4* 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管

8 2.1 黑体辐射 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体－－简称黑体 辐射出度 辐射照度 －－其他物体 －－黑体

9 2.1 黑体辐射 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体－－简称黑体 入射辐射 辐射出度 例如： 远处开着的窗户 黑体模拟器

10 2.1 黑体辐射 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体－－简称黑体 绝对黑体是理想热辐射源，自然界并不存在！！
2.1 黑体辐射 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体－－简称黑体 绝对黑体是理想热辐射源，自然界并不存在！！ 研究黑体辐射意义：－－比较基准 ▲ 黑体模拟器 ▲ 近似黑体，如太阳、地球、海水······ ▲ 用黑体某些特性表征光源和辐射体

11 2.1 黑体辐射 1.发射率和基尔霍夫定律 光谱发射率： 一般辐射体： 黑体：

12 发射率的意义： 例： 地面物体发射率近似值 卫星红外遥感原理：
2.1 黑体辐射 发射率的意义： 例： 地面物体发射率近似值 土质 黑土 稀草 麦田 砂 石灰岩 砂砾 雪 海水 ε 0.87 0.84 0.93 0.89 0.9l 0.91 0.095 0.99 卫星红外遥感原理： 根据地面物体发射率的差别及对环境辐射的反射率的差别，遥感系统能把道路、河流等地形区分开来。

13 例1 X国卫星监视YYY潜艇基地 海面冰封 潜艇出航 December 25, 2001 Russia
Kamchatka Submarine Base

14 例2 红外遥感 红外遥感热像光谱辐射仪 重庆红外遥感地图

15 例2 红外遥感 伪彩色图： 颜色—温度

16 2.1 黑体辐射 1.发射率和基尔霍夫定律 光谱发射率： 基尔霍夫定律： －－强吸收体必是强发射体！！！

17 2.1 黑体辐射 2．普朗克辐射公式 黑体光谱辐出度与波长、绝对温度之间关系 峰值波长和温度关系： 温度升高 向短波方向移动

18 峰值波长和温度的关系： 温度升高 向短波方向移动 例1：烧红的火钳 温度高－－通红 温度低－－暗红 2．普朗克辐射公式
0.6 微米 微米 ~5微米 ~14 微米 温度高－－通红 温度低－－暗红

19 2．普朗克辐射公式 例2：典型军事目标辐射 高温体热辐射 1~5 微米 常温体热辐射 8~14 微米 温度升高，辐射的峰值波长向短波方向移动

20 重要概念－－灰体 某一温度下灰体的辐射具有与同温度下黑体相似的光谱能量分布特性。 问题：灰体与同温度的黑体是否具有相同的峰值波长？
2．普朗克辐射公式 重要概念－－灰体 某一温度下灰体的辐射具有与同温度下黑体相似的光谱能量分布特性。 问题：灰体与同温度的黑体是否具有相同的峰值波长？

21 黑体 海水 灰体的意义 如何计算？ 目标－－舰艇 背景－－海水 例 计算常温下T=300K的海水在8～14μm的辐射出度Me8～14。
2．普朗克辐射公式 灰体的意义 目标－－舰艇 背景－－海水 例 计算常温下T=300K的海水在8～14μm的辐射出度Me8～14。 黑体 海水 如何计算？

22 例3：常见的三类辐射体 灰体的光谱辐射分布与黑体的光谱辐射分布形状相似，最大值的位置也一致－－常将热辐射体按灰体或黑体计算。
2．普朗克辐射公式 例3：常见的三类辐射体 灰体的光谱辐射分布与黑体的光谱辐射分布形状相似，最大值的位置也一致－－常将热辐射体按灰体或黑体计算。

23 2.1 黑体辐射 3．维恩位移定律 峰值波长 红外技术中，用维恩定律计算出某一温度的峰值波长，以确定红外探测器工作的峰值波长．

24 2.1 黑体辐射 3．维恩位移定律 例：直升机的排气温度为540°C，宜选用峰值波长为 多少的探测器？ 表中哪种探测器合适？

25 2.1 黑体辐射 4．斯蒂芬——玻尔兹曼定律 例：黑体的全光谱辐射出射度与温度成4次方的关系．在红外隐身技术中，第一要素就是如何降低武器平台的温度，以最大限度的减少向环境的红外辐射能。

26 4．斯蒂芬——玻尔兹曼定律 例：红外隐身效果评估 2.1 黑体辐射
2.1 黑体辐射 4．斯蒂芬——玻尔兹曼定律 例：红外隐身效果评估 降低武器平台的温度后，红外辐射的峰值波长的辐出度将按温度5次方的关系向长波方向偏离．根据降低的温度数值，可以具体计算武器平台红外辐射的峰值是否移出红外探测器的探测范围，进而评估红外隐身的效果． 斯蒂芬—玻尔兹曼定律的一个特殊形式 ——黑体光谱辐射出射度峰值的表达式：

27 2.1 黑体辐射 比 较： 普朗克辐射公式 －－光谱辐射能分布 维恩位移定律 －－峰值波长 斯蒂芬－玻尔兹曼定律 －－总辐射出度

28 黑体辐射定律的应用 例1. 便携式辐射测温仪 可用于电力系统中电接头的温度检查······· 测温范围
2.1 黑体辐射 黑体辐射定律的应用 例1. 便携式辐射测温仪 可用于电力系统中电接头的温度检查······· 测温范围   PT120:-20℃～1200℃ 瞄准方式：激光瞄准、 望远镜瞄准 讨论：测温仪的工作原理 --斯蒂芬－玻尔兹曼定律 -- 测量对象的发射率

29 黑体辐射定律的应用 例2. 工业冶炼中的应用 讨论： 1.这种方法的缺点？（主观） 2.黑体辐射定律 （客观）
2.1 黑体辐射 黑体辐射定律的应用 例2. 工业冶炼中的应用 工业上冶炼金属镍，出炉时间依靠有经验的工人师傅发现炉火为“孔雀蓝”(称标识色)时，即是出炉的最好时机。 讨论： 1.这种方法的缺点？（主观） 2.黑体辐射定律 （客观） 提示：维恩位移定律 黑体辐射在工业冶炼金属镍中应用

30 第二章 常用光辐射源 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管

31 2.2 光源的基本特性参数 1. 辐射效率和发光效率 2. 光谱功率分布 3. 光强的空间分布 4. 光源的色温

32 2.光谱功率分布 在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致 连续光谱 线状光谱 带状光谱 混合光谱
2.2 光源的基本特性参数 2.光谱功率分布 连续光谱 线状光谱 带状光谱 混合光谱 在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致

33 2.2 光源的基本特性参数 2.光谱功率分布 实验测得的He-Ne 激光谱线 －－带状光谱

34 2.2 光源的基本特性参数 2.光谱功率分布 实验中测得的溴钨灯谱线 －－连续光谱

35 2.2 光源的基本特性参数 2.光谱功率分布 实验中测得的荧光灯谱线 －－混合光谱

36 4.光源的色温 色温的意义 如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。
在一定温度下，黑体的光谱辐射分布曲线是唯一的。 －－比较基准

37 4.光源的色温 色温的实例 连续光谱： ---可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5％ ---整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2％
如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 色温的实例 连续光谱： ---可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5％ ---整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2％ ---色温为2856K的白炽灯代表什么意义？ 白炽灯：

38 4.光源的色温 色温的实例 如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 太阳的色温
K 太阳：

39 4.光源的色温 色温图 色 温 升 高

40 4.光源的色温 色温与生活 如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。
沉稳、恬静的人适合选择6500～9000K的色温 色温高 热情奔放的人适于选用4000～5600K的色温 色温低

41 同色异谱 4.光源的色温 问题： 如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。
1. 发出连续光谱的白炽灯 2. 发出带状光谱的光源 同色异谱

42 4. 光源的色温 同色异谱 即同一色温可由不同的光谱能量 分布构成 荧光灯谱线 白 光 红绿蓝

43 第二章 常用光辐射源 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管

44 2.3 热辐射光源 物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。 可见光波段 热辐射波段 热辐射又名 “红外辐射”， 是一种肉眼不可见光。

45 地下热源引起地表温差 管道 海湾战争中，此原理用于探测沙堆下的坦克。

46 2.3 热辐射光源 物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。 1. 自然辐射源 2. 黑体辐射器 3. 白炽灯与卤钨灯

47 1. 自然辐射源 1. 自然辐射源 太阳：黑体 色温 5900K 峰值波长 ？

48 1. 自然辐射源 1. 自然辐射源 人体： 近似灰体 能量分布8～12μm 红外被动成像

49 1. 自然辐射源 红外告警 飞行器： 近似灰体 选择性发射 1. 自然辐射源 尾焰的光谱特征 ‘红’峰 ‘蓝’峰 波长(微米) 2.7
飞行器： 近似灰体 选择性发射 波长(微米) 2.7 4.2 尾焰的光谱特征 4.4 ‘红’峰 ‘蓝’峰

50 1. 自然辐射源 飞行器与天空 －－目标与背景的辐射对比度 目标辐射出射度： 背景辐射出射度：

51 飞行器与天空 设TT=310K,TB=300K 全光谱： C≈0.0625 1~2.5μm： C≈0.3174
1. 自然辐射源 飞行器与天空 －－目标与背景的辐射对比度 设TT=310K,TB=300K 全光谱： C≈0.0625 1~2.5μm： C≈0.3174 3~5μm： C≈0.1742 8~12μm： C≈0.0793

52 飞行器与天空 －－目标与背景的辐射对比度 短波红外图像有最好的对比度 发展方向－－红外多光谱成像光谱仪

53 2. 黑体辐射器 人工模拟绝对黑体 －－黑体模拟器 －－恒温 －－所有波长入射 －－多次漫射及吸收
2.3 热辐射光源 2. 黑体辐射器 人工模拟绝对黑体 －－黑体模拟器 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体 －－恒温 －－所有波长入射 －－多次漫射及吸收 空腔黑体辐射

54 2.黑体辐射器 应用： 标准光源 --- 红外光谱区 0.75μm～2.5μm 0.75μm～6μm
2.3 热辐射光源 2.黑体辐射器 一种人造黑体 辐射器结构示意图 应用： 标准光源 红外光谱区 0.75μm～2.5μm 0.75μm～6μm 最高工作温度：3000 K，实际<2000 K. 为什么？

55 3. 白炽灯与卤钨灯 白炽灯特点： 卤钨灯特点： （自读） 可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5％
2.3 热辐射光源 3. 白炽灯与卤钨灯 白炽灯特点： 可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5％ 整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2％ 色温限制：～ 2800K 光谱范围：0.4~3 μm 光电技术常用测试光源：色温2856K白炽钨丝灯 卤钨灯特点： （自读）

56 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管
第02章 常用光辐射源 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管

57 2.5 激光器

58 例：氦氖激光器, 波长为632．8nm的红光，频率为4.74 × 1014Hz，谱线宽度只有9X 10-2Hz；
2.5 激光器 高单色性： 例：氦氖激光器, 波长为632．8nm的红光，频率为4.74 × 1014Hz，谱线宽度只有9X 10-2Hz； 普通的氦氖气体放电管, 同样频率的光，其谱 线宽度达1.52×109Hz 高方向性： 例：定向性好的探照灯，直径一米左右的光束，不出十公里就扩大为直径几十米的光斑了。 氦氖气体激光器，一条细而亮的笔直光束，光束的发射角3 X 10－4rad，十分接近于衍射极限(2X 10－4rad)

59 2.5 激光器 激光器由工作物质、谐振腔和泵浦源组成：

60 2.5 激光器 产生激光的必要条件 ： 粒子数反转 谐 振 腔 泵 浦 源

61 2.5 激光器 1. 气体激光器 2*. 固体激光器 3*. 染料激光器 4. 半导体激光器（LD）

62 1. 气体激光器 特点：光束质量高，单色性和方向性优于固体和 半导体激光器 He-Ne 激光器：
2.5 激光器 1. 气体激光器 特点：光束质量高，单色性和方向性优于固体和 半导体激光器 He-Ne 激光器： 峰值波长632.8 nm，波长稳定度10－6，用于精密计量、全息术、准直测量、激光陀螺等 CO2激光器： 典型的波长为10.6 μm ，脉冲放电方式，峰值功率可达千兆瓦，用于金属材料的切割、宝石加工、手术治疗、自由空间激光通信等

63 4. 半导体激光器（LD） LD 在电子线路中的符号
2.5 激光器 4. 半导体激光器（LD） 半导体激光器。常用的是PN结注入式，也称激光二极管（Laser Diode， 简称LD ）。 LD 在电子线路中的符号

64 4. 半导体激光器（LD） 谐 振 腔 ：－－晶体解理面 泵浦源－－外电源 粒子数反转： ？？？ 必须满足上述三个激光产生的条件：
2.5 激光器 4. 半导体激光器（LD） 必须满足上述三个激光产生的条件： 谐 振 腔 ：－－晶体解理面 泵浦源－－外电源 粒子数反转： ？？？

65 4. 半导体激光器 谐振腔： 利用半导体晶体的自然解理面，作为激光器的谐振腔。 GaAs注入式半导体激光器结构示意图

66 粒子数反转： 重掺杂 加正向电压－注入电流－ 注入 --导带中电子数目>价带中电子数目粒子数反转 4. 半导体激光器
结区粒子数反转 加正向电压－注入电流－ 注入 --导带中电子数目>价带中电子数目粒子数反转

67 4. 半导体激光器（LD） 高能电子与空穴相遇－－发光，解理面谐振腔的共振放大，定向发射－－激光。

68 4. 半导体激光器（LD） 摘自国家精品课程《光纤通信技术》 --深圳职业技术学院制作

69 4. 半导体激光器 半导体激光器的P－I 特性 自发辐射 －－荧光 受激辐射 －－激光

70 4. 半导体激光器 调制特性 调制频率高达10 GHz，可应用于光通信 LD的重要特性：直接调制（光源内部调制）

71 4. 半导体激光器（LD） 应用举例 嫦娥激光高度计 输出功率： 连续波几mW到数百mW 脉冲波可达数W 阵列式达到几十W
应用举例 嫦娥激光高度计 ① 通讯，作光源 100亿路电话，全世界人同时通话 ② 光计算机，1000亿次/秒 ③ 激光全息；DCD；激光雷达；火炮自动瞄准

72 4. 半导体激光器 半导体激光器尺寸

73 4. 半导体激光器 半导体激光器功率

74 4. 半导体激光器 激光器军事应用举例： 据俄罗斯纽带新闻网2005年11月1日报道，美国军方研制出世界第一款实用型激光步枪－－ “PhaSR”激光步枪 最大特点： 暂时使人失明，被照射者的视力可以自然恢复 激光不会给人体眼球带来永久性损伤

75 4. 半导体激光器 激光器军事应用举例： 中国新型激光眩目器 WJG-2002激光枪 来源：网易军事 war.163.com

76 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管
第02章 常用光辐射源 2.1 黑体辐射 2.2 光源的基本特性参数 2.3 热辐射光源 2.4 气体放电光源 2.5 激光器 2.6 发光二极管

77 2.6 发光二极管 LED (LD) 在电子线路中的符号
发光二极管，简称LED（Light Emitting Diode），也叫做注入型电致发光器件。 LED (LD) 在电子线路中的符号

78 2.6 发光二极管 1．发光原理与结构 2．伏安特性和时间响应 3. 超高亮度发光二极管

79 2.6 发光二极管 1．发光原理与结构 发光原理： 与半导体激光器类似，PN结，无谐振腔等要求，不是激光，而是荧光

80 1．发光原理与结构 峰值波长： 峰值波长范围：255nm～1670nm 近年来，GaN蓝、紫LED－－白光 2.6 发光二极管
2.6 发光二极管 1．发光原理与结构 峰值波长： 峰值波长范围：255nm～1670nm 近年来，GaN蓝、紫LED－－白光 注：中央台，2003科学与教育“研究生论文” ——新材料“蓝光、紫光”

81 2.6 发光二极管 2．伏安特性和时间响应 开启电压：1～2V 工作电流：5~50mA

82 (a)稳定发光 (b)脉冲调制发光 (c) 模拟调制发光
2.6 发光二极管 时间响应： (a)稳定发光 (b)脉冲调制发光 (c) 模拟调制发光 InGaAsP LED，时间响应2～5 ns，调制带宽50～140 MHz。直接调制技术，相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中获得应用。

83 应用举例： ① 仪表指示 ② 大屏幕（高亮度）公告牌 ③ 双色发光二极管，变色发光二极管 ④ 构成组合器件——光耦 ⑤ LED数码管
2.6 发光二极管 应用举例： ① 仪表指示 ② 大屏幕（高亮度）公告牌 ③ 双色发光二极管，变色发光二极管 ④ 构成组合器件——光耦 ⑤ LED数码管

84 2.6 发光二极管 LED数码管

85 白光LED用于照明 3.超高亮度发光二极管 超高亮度LED： 发光强度－－1000 mcd 发光效率－－50～100 lm/W
2.6 发光二极管 3.超高亮度发光二极管 超高亮度LED： 发光强度－－1000 mcd 发光效率－－50～100 lm/W 室外－－不低于1000 mcd 室内－－ 500～1000 mcd 白光LED用于照明

86 2.6 发光二极管 石家庄市水上公园—LED照明

87 红色LD和蓝色LED照射下的新型植物工厂
2.6 发光二极管 红色LD和蓝色LED照射下的新型植物工厂 滨松研究人员发现了一种提高粮食产量的新方法：红色激光可以显著刺激水稻的生长：蓝光可以刺激开花并使稻穗饱满。合理结合红色激光和蓝光可以既提高水稻生长速度又增加产量。

88 本章小结 1.光源 一切能产生光辐射的辐射源，都称为光源。可分为：自然光源和人造光源。
1.光源 一切能产生光辐射的辐射源，都称为光源。可分为：自然光源和人造光源。 2.黑体 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体。它可用普朗克公式、基尔霍夫定律、维恩位移定律和斯蒂芬－玻尔兹曼定律等来描述。黑体模拟器、太阳、白炽灯等光谱辐射特性非常接近黑体；多数辐射源可看成灰体，具有与黑体类似的辐射规律。 3.标准光源 色温2856K白炽灯 --可见光区和近红外区 色温500K黑体 --红外光谱区 高压汞灯和氘灯 --紫外光谱区 4.激光器 ··· He-Ne激光器、CO2激光器、激光二极管 5.发光二极管 PN结发光器件，对光源直接调制