光学仪器中常用光源.ppt
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1、关于光学仪器中的常用光源第一张,PPT共七十一页,创作于2022年6月一切能产生光辐射的辐射源都称为光源一切能产生光辐射的辐射源都称为光源天然光源天然光源人造光源人造光源电磁波谱电磁波谱第二张,PPT共七十一页,创作于2022年6月按照发光机理,按照发光机理,光源的分类:光源的分类:需要了解需要了解各类光源各类光源的发光机的发光机理、重要理、重要特性、适特性、适用场合,用场合,以便正确以便正确选用光源。选用光源。第三张,PPT共七十一页,创作于2022年6月1.1 1.1 辐射度学与光度学的辐射度学与光度学的基础知识基础知识为了对光辐射进行定量描述,需引入为了对光辐射进行定量描述,需引入计量光
2、辐射计量光辐射的物理量,有两套体系:的物理量,有两套体系:辐射辐射度度单位体系和单位体系和光度光度单位体系。单位体系。介绍描述光辐射的一套参量介绍描述光辐射的一套参量光辐射光辐射:以电磁波形式或粒子以电磁波形式或粒子(光子光子)形式形式传播的能量传播的能量,可用光学元件反射、成像或可用光学元件反射、成像或色散,这种能量及其传播过程叫光辐射。色散,这种能量及其传播过程叫光辐射。第四张,PPT共七十一页,创作于2022年6月一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量 1.1.辐射能辐射能 单位为单位为J J(焦耳)(焦耳)2.2.辐射通量辐射通量又称辐射功率又称辐射功率 单位为单位为W W(瓦、
3、焦耳每秒)(瓦、焦耳每秒)3.3.辐射强度辐射强度 描述点辐射源的辐射功率在不同方向描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。上的分布。第五张,PPT共七十一页,创作于2022年6月单位单位:(瓦每球面度)(瓦每球面度)4.4.辐射出射度辐射出射度 与辐射亮度与辐射亮度单位:单位:(瓦每平方米)(瓦每平方米)单位:单位:(瓦每球面度平方米(瓦每球面度平方米)第六张,PPT共七十一页,创作于2022年6月 的定义的定义 的定义的定义5.5.辐射照度辐射照度 单位:单位:(瓦每平方米)(瓦每平方米)6.6.光谱辐射量光谱辐射量 辐射量的光谱密度,辐射量随波长的变化率辐射量的光谱密度,辐射量随波长的
4、变化率。第七张,PPT共七十一页,创作于2022年6月光谱辐射通量光谱辐射通量 与波长的关系与波长的关系其它辐射度量都有类似关系其它辐射度量都有类似关系。光谱辐射出射度光谱辐射出射度光谱辐射亮度光谱辐射亮度光谱辐射照度光谱辐射照度第八张,PPT共七十一页,创作于2022年6月二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量1.1.光谱光视效率光谱光视效率V():V():详见表详见表1.11.1国国际际照照明明委委员员会会(CIE)根根据据对对许许多多人人的的大大量量观观察察结结果果,确确定定了了人人眼眼对对各各种种光光波波长长的的相相对对灵灵敏敏度度,称称为为光光谱谱光光视视效效率率,或或称称视见函数
5、视见函数,见图。,见图。第九张,PPT共七十一页,创作于2022年6月 2.2.光度量光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度辐射度量量是客观物理量,是客观物理量,光度量体现了人的视觉特性。光度量体现了人的视觉特性。1 1)光能)光能 单位:单位:lmlms(流明(流明秒秒)2 2)光通量)光通量 单位:单位:lm lm(流明)(流明)3 3)发光强度)发光强度 单位:单位:cdcd(坎德拉)(坎德拉)发光强度发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时,规定:是光度量中最基本的单位。在明视觉时,规定:时,时,即:即:1W=683 lm 1W=683 lm 此时
6、,此时,V(V()=1=1 V(V()1 1W 1 1W 683 lm683 lm 时,时,第十张,PPT共七十一页,创作于2022年6月可见,可见,555nm是明视觉曲线中人眼最敏感波是明视觉曲线中人眼最敏感波长,长,V(555nm)=1。定义:定义:为明视觉最大光谱为明视觉最大光谱光视效能。光视效能。于是于是,同一波长下,辐射通量与光通量之间的换同一波长下,辐射通量与光通量之间的换算关系:算关系:对含有多种波长的辐射通量,它对应的光通量对含有多种波长的辐射通量,它对应的光通量为:为:第十一张,PPT共七十一页,创作于2022年6月4 4)光出射度)光出射度 与光亮度与光亮度 单位:单位:l
7、mlm/m/m2 2单位:单位:cd/mcd/m2 2实用单位:实用单位:sb(sb(熙提熙提)1sb=1sb=10104 4cd/mcd/m2 25)5)光照度光照度 单位:单位:lxlx(勒克斯)(勒克斯)1lx=1lm/m1lx=1lm/m2 2普适关系式:普适关系式:第十二张,PPT共七十一页,创作于2022年6月1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源一、理想的热辐射光源一、理想的热辐射光源 (,T)=1 T)=1 绝对黑体绝对黑体在热平衡条件下在热平衡条件下绝对黑体热辐射能力最强。绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产生辐由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源射的光
8、源辐射光谱是连续光谱辐射光谱是连续光谱第十三张,PPT共七十一页,创作于2022年6月普朗克公式普朗克公式绝对黑体的温度决定了它的辐射绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱光谱分分布布灰体:灰体:(,T)T)1 1的热辐的热辐射光源,射光源,具有与具有与绝对黑体绝对黑体类似的类似的辐射规律。辐射规律。色温;相关色温色温;相关色温热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该热辐射光源的的颜色相同,则黑体的这一温度称为该热辐射光源的色温色温;如果不相同,就以发光颜色最相近的黑体温度为它的相关色温。如果不相同,就
9、以发光颜色最相近的黑体温度为它的相关色温。第十四张,PPT共七十一页,创作于2022年6月1.1.太阳与黑体辐射器太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布太阳的光谱分布非常接近于非常接近于绝对黑体绝对黑体黑体辐射器:黑体辐射器:科学制作的小孔科学制作的小孔空腔结构,可以空腔结构,可以很好地实现绝对很好地实现绝对黑体的辐射功能。黑体的辐射功能。常用作标准光源,常用作标准光源,最高工作温度是最高工作温度是3000K3000K。第十五张,PPT共七十一页,创作于2022年6月2.2.白炽灯与卤钨灯白炽灯与卤钨灯 灰体灰体 钨丝做灯丝钨丝做灯丝玻璃泡壳玻璃泡壳;色温约色温
10、约2800K,2800K,辐射光谱约辐射光谱约0.40.43 3m m。可见光占可见光占6 612%12%,用于照明;,用于照明;加红外滤光片可作为近红外光源。加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 (如溴化硼)(如溴化硼);形成卤钨循环。形成卤钨循环。色温色温3200K3200K以上以上,辐射光谱为辐射光谱为0.250.253.5m3.5m。发光效率可达发光效率可达30lm/W(30lm/W(为白炽灯的为白炽灯的2 23 3倍倍),作仪器白光源作仪器白光源.卤钨灯卤钨灯 白炽灯白炽灯第十六张,PPT共七十一页,创作于2
11、022年6月1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源发光机理:发光机理:气体放电。气体放电。泡壳:用玻璃或石英等材料制造;泡壳:用玻璃或石英等材料制造;电极:阴极、阳极或不区分(交流灯)电极:阴极、阳极或不区分(交流灯)泡壳内充入发光用的气体:金属蒸汽、泡壳内充入发光用的气体:金属蒸汽、金属化合物蒸汽、惰性气体金属化合物蒸汽、惰性气体基基本本结结构构气体放电光源的特点:气体放电光源的特点:1 1)发光效率高)发光效率高,节能。节能。2 2)电极牢固紧凑,耐震,抗冲击。)电极牢固紧凑,耐震,抗冲击。3 3)寿命长,比白炽灯长)寿命长,比白炽灯长2 21010倍。倍。4 4)辐射光谱可以选择,只要
12、选用适当的发)辐射光谱可以选择,只要选用适当的发光材料。光材料。第十七张,PPT共七十一页,创作于2022年6月一、汞灯一、汞灯 泡壳内充汞蒸汽泡壳内充汞蒸汽1.1.低压汞灯:低压汞灯:作作253.7nm253.7nm紫外光源;紫外光源;作荧光灯(作荧光灯(日光灯)。日光灯)。2.2.高压汞灯:高压汞灯:可见辐射加强,呈带状可见辐射加强,呈带状 光谱,可作光谱,可作高效照明光源。高效照明光源。3.3.球形超高压汞灯:球形超高压汞灯:很好的蓝绿光点光源。很好的蓝绿光点光源。第十八张,PPT共七十一页,创作于2022年6月二、钠灯二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠
13、滴。与金属钠滴。低压钠灯:低压钠灯:发出波长发出波长589nm589nm、589.6nm 589.6nm 两条谱线的单色光源。两条谱线的单色光源。高压钠灯:高压钠灯:接近白光,亮度高,用于照明光源。接近白光,亮度高,用于照明光源。三、金属卤化物灯三、金属卤化物灯 泡壳内充的是泡壳内充的是 金属卤化物气体。金属卤化物气体。通过通过金属金属 卤化物循环,卤化物循环,提供足够的提供足够的 金属原子金属原子 气体。气体。铊灯(碘化铊):铊灯(碘化铊):绿光,峰值绿光,峰值535nm535nm。镝灯(碘化镝、碘化铊):镝灯(碘化镝、碘化铊):色温色温6000K6000K。钠铊铟灯(碘化钠、碘化铊、碘化铟
14、):钠铊铟灯(碘化钠、碘化铊、碘化铟):近白色光源近白色光源,色温色温5500K5500K。第十九张,PPT共七十一页,创作于2022年6月四、氙灯四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体泡壳内充的是是惰性气体氙。氙。色温色温6000K6000K,亮度高,被称为,亮度高,被称为“小太阳小太阳”,寿命长。,寿命长。长弧氙灯长弧氙灯:短弧氙灯短弧氙灯:脉冲氙灯脉冲氙灯:日光色点光源日光色点光源大范围照明光大范围照明光源源脉冲脉冲时间极短(时间极短(nSnSpS)pS),光很强,光很强,用于光泵、用于光泵、光信号源、光信号源、照相制版、高速摄影照相制版、高速摄影第二十张,PPT共七十一页,创作于2022年6
15、月五、氘灯五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气泡壳内充有高纯度的氘气灯灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长,常用作的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长,常用作连续紫外光源(连续紫外光源(185185400nm400nm)。)。第二十一张,PPT共七十一页,创作于2022年6月1.4 1.4 激光器激光器 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类对光激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。段。“Laser”:light amplification by stimulated emission of radiation“受激辐射光放大受激辐射光放大”。第二
16、十二张,PPT共七十一页,创作于2022年6月一、激光器概述一、激光器概述 激激光光器器的的基基本本结结构构第二十三张,PPT共七十一页,创作于2022年6月 激激光光形形成成机机理理电泵浦或光泵浦;电泵浦或光泵浦;造成工作物质中粒子数反转分布造成工作物质中粒子数反转分布,自发辐射引发受激辐射;自发辐射引发受激辐射;谐振腔对辐射光波选频放大。谐振腔对辐射光波选频放大。(1)光与原子作用的三种跃迁)光与原子作用的三种跃迁v受激吸收受激吸收处于低能态处于低能态E1(基态)的原子,受光照满足(基态)的原子,受光照满足h=E2E1原子可能吸收光子能量跃迁到高原子可能吸收光子能量跃迁到高能态能态E2(激
17、发态)。(激发态)。E2E1第二十四张,PPT共七十一页,创作于2022年6月v自发辐射自发辐射处处于于高高能能态态的的原原子子不不稳稳定定,要要自自发发从从E2跃跃迁迁到到E1,并并发发射射一一光光子子,光子能量满足光子能量满足h=E2E1。E2E1E2E1v受激辐射受激辐射处于高能态的原子,在自发辐射之前,受外来光子的诱处于高能态的原子,在自发辐射之前,受外来光子的诱发,在发,在E2 跃迁到跃迁到E1 的同时,发射一个与外来光子全同的同时,发射一个与外来光子全同的(同方向、同频、同相位、同偏振)光子。依次不的(同方向、同频、同相位、同偏振)光子。依次不断地得到大量特征相同的光子,就实现了相
18、干光的放断地得到大量特征相同的光子,就实现了相干光的放大。大。复利原则复利原则.ppt第二十五张,PPT共七十一页,创作于2022年6月(2)产生激光的条件)产生激光的条件v粒子数反转(前提条件)粒子数反转(前提条件)故使受激辐射大于受激吸收故使受激辐射大于受激吸收,必须必须:N2N1,即粒子数反转。即粒子数反转。热平衡下,原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律:热平衡下,原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律:Ni=Aexp(-Ei/kT)于是:)于是:N2/N1=exp-(E2-E1)/kT设设 T=300K,E2-E1=10eV,则则 N2/N1=10-40。实现反转的物质叫激活介质(或者叫
19、激光工作物)。实现反转的物质叫激活介质(或者叫激光工作物)。激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫“泵泵浦浦”。激活介质本身必需要有适当的激活介质本身必需要有适当的能级结构能级结构。第二十六张,PPT共七十一页,创作于2022年6月例如激光的三能级系统例如激光的三能级系统:泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3。E3不不稳稳定定(平平均均寿寿命命约约10-8s),无无辐辐射射跃跃迁迁到到亚亚稳稳态态E2(平平均寿命约均寿命约1031s)。)。E2有可能积聚大量粒子,从而受激辐射。有可能积聚大量粒子,从而受激辐射。E
20、1E2E3泵浦泵浦第二十七张,PPT共七十一页,创作于2022年6月v光学谐振腔(必要条件)光学谐振腔(必要条件)工作物两端对称地放置两反射镜。工作物两端对称地放置两反射镜。有谐振腔,偏离腔轴线的光子来有谐振腔,偏离腔轴线的光子来回几次后最终逸出腔外。回几次后最终逸出腔外。而沿轴线的光子来回反射,被增而沿轴线的光子来回反射,被增益介质连锁式光放大。益介质连锁式光放大。无谐振腔的受激辐射方向是无谐振腔的受激辐射方向是随机的。随机的。第二十八张,PPT共七十一页,创作于2022年6月v阈值条件(决定性条件)阈值条件(决定性条件)有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光。有了激活介质和谐振腔还不一定输出
21、激光。只有当只有当光在腔内来回一次,增益大于损耗才能产生激光。光在腔内来回一次,增益大于损耗才能产生激光。虽然激活介质能使光得到增益放大;但介质吸收、散虽然激活介质能使光得到增益放大;但介质吸收、散射;端面发射、透射等会产生光能损耗。射;端面发射、透射等会产生光能损耗。描述工作物对光的放大能力描述工作物对光的放大能力,用用 I=IoeGx (G是增益系数是增益系数)。于是于是,I2=I1eGL I1I2I3I4I5I3=r2I2=r2I1eGL (r2是镜是镜2 反射率反射率)I4=I3eGL=r2I1e2GL I5=r1 I4=r1 r2I1e2GL(r1是镜是镜1 反射率反射率)必须,必须
22、,I5 I1,即,即:r1 r2e2GL 1r1 r2e2GL 1 即为产生激光的阈值条件。即为产生激光的阈值条件。第二十九张,PPT共七十一页,创作于2022年6月激激光光的的优优越越性性高亮度、高方向性、高单色性和高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性高度的时间空间相干性 已有数百种激光器,输出波长从近紫外直到远红已有数百种激光器,输出波长从近紫外直到远红外,辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。外,辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。激光将对激光将对2121世纪的科技腾飞和产业革世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响!命产生深远的影响!激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通道,激光技
23、术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通道,在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹,在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹,在高新科学技在高新科学技术记录中创造了许多之最:术记录中创造了许多之最:第三十张,PPT共七十一页,创作于2022年6月、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲功率、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲功率达达131015 W,亿度以上高温,能焊接、加工和切割最,亿度以上高温,能焊接、加工和切割最难熔的材料;难熔的材料;、激光能产生最高的压强。光压强达、激光能产生最高的压强。光压强达31011大气压,可以大气压,可以实现激光聚变点火;实现激光聚变点火;、激激光光能能产产生生
24、最最短短的的脉脉冲冲。780nm达达4fs,相相当当该该光光1.5周周期期进进入入强强场场物物理理领领域域,用用超超短短激激光光脉脉冲冲研研究究光光合合作作用用,能能看看到到皮皮秒秒(1ps=10-12s)或或飞飞秒秒(1fs=10-15s)内内发发生生的变化;的变化;、最最精精密密光光刻刻。能能制制造造最最小小的的光光机机电电一一体体化化设设备备,加加工工的的最最小小机机械械零零件件从从几几微微米米到到几几十十微微米米,制制作作的的大大规规模模集集成成线线路路的的线线宽宽已已达达到到0.18 0.18 mm,纳纳米米器器件件和和量量子子光光学学器器件件最最终终可可达达50nm50nm,测量精
25、度就更高了(测长的精度达,测量精度就更高了(测长的精度达0.005m0.005m););第三十一张,PPT共七十一页,创作于2022年6月、激光能产生最大的信息量。目前已接近、激光能产生最大的信息量。目前已接近3T(Tera即即1012)目标,即通信传输容量)目标,即通信传输容量T bit/s,运算速度,运算速度T bit/s,三维立体存储密度,三维立体存储密度T bit/cm3;、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目前、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目前理论证明的最安全的通信系统,目前美国、日本、瑞士理论证明的最安全的通信系统,目前美国、日本、瑞士等几个国家建立了量子通信系统
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