光源光学测试技术主要内容一,光的电磁本质二,有关光测试的基本概念三,发光机制一、光的电磁本质
Maxwell方程组
0
t
t
B
E
DE
D
HJ BH
JE
D
B
均匀光学介质中的波动 方程
2
2
2
2
0
0
t
t
E
E
H
H
均匀光学介质中 光波表示
00
0
c os e xp
e xp 2
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it
k
E E k r E k r
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E
1 e x p i k r t
r
EE
光频谱范围
射线
x
射线紫外光红外光微波无线电波
10-3 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm
可 见 光光的频谱与对应跃迁光谱名称 波长范围 跃迁类型 辐射源
γ射线 5-140pm 核跃迁
X射线 0.001-10nm 内层 (K,L)电子 X射线管远紫外 10-200nm 中层电子 氢、氘、氙灯近紫外 200-400nm 阶电子 氢、氘、氙灯可见光 400-750nm 阶电子 钨灯近红外 0.75-2.5μm 分子振动 SiC热棒中红外 2.5-5.0μm 分子振动 SiC热棒远红外 5.0-1000μm 分子振动和转动 SiC热棒微波 0.1-100cm 分子转动无线电 1-1000m 电子自旋、核自旋二、有关光测试的基本概念
1,光辐射度量；
2,光谱辐射度量；
3,光度量。
光辐射度量
1,辐射能：以辐射的形式发射、传播或接收的能量。
(符号,Qe，单位,J)
2,辐射功率：单位时间内的辐射能。 (符号,Pe，单位：
W)
3,辐射能密度：光源单位体积内的辐射能。 (符号,we，
单位,J m-3)
d
d
e
e
QP
t?
d
d
e
e
Qw
V?
光辐射度量
4,辐射通量：单位时间内通过某面积的辐射能 (辐射功率或辐射能流 )。 (符号,Φe，单位,W)
5,辐射强度：点光源发出的、在单位时间内、单位立体角内的辐射能。 (符号,Ie，单位：瓦 /球面度，
W/sr)
d
d
e
e
Q
t
2dd
d d d
ee
e
QI
t
光辐射度量
6,辐射出射度：辐射体在单位面积内所辐射出的通量或功率。 (辐射本领 )。 (符号,Me，单位,W /m2)
7,辐射亮度：由辐射表面定向发射的辐射强度。取决于单位辐射表面的辐射通量之空间分布 (符号,Le，
单位：瓦 /球面度,W/m2/sr)
d
d
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IL
A
辐射亮度与余弦辐射体
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IL
A
如果辐射亮度不随辐射角变化，则要求辐射强度：
满足上式的辐射体称作余弦辐射体 (均匀漫反射体或朗伯体 )，如：黑体、灰体、毛玻璃的透射光或反射光。
0 c o seII
光辐射度量
8,辐照度：辐射在单位面积上的辐射通量。 (符号,Ee，
单位,W /m2)
d
d
e
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光谱辐射度量
光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量称为光谱辐射通量 (辐射通量的光谱密度或单色辐射通量 )。
0
d
d
dd
e
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光谱辐射度量
2
2
2
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d d m μ m
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d d m sr μ m
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e
e
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W
W
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L L W
光 谱 辐 射 通 量光 谱 辐 射 通 量光 谱 辐 射 出 射 度光 谱 辐 射 照 度光 谱 辐 射 强 度光 谱 辐 射 亮 度光度量
光谱光视效率 (视见函数 )：
最大光谱光视效能：辐射度量与光度量之间的比例系数
1 5 5 5 n m< 1 e l s eV
6 8 3 l mmKW?
光度量
780
,
380
2
2
2
0
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T
KV
MA
EA
I
L I A
Qt
光 通 量光 出 射 度光 照 度发 光 强 度光 亮 度光 量三、发光机制
1,热辐射；
2,原子辐射；
3,分子辐射；
4,激光原理；
5,常用光源。
一般的电磁辐射
载有高频交流电的导体发射无线电波；
热的固体或液体发出热辐射；
放电气体可以发射可见光或紫外辐射；
金属板受到高速电子轰击而发射 χ射线；
放射性物质可以释放 γ射线；
暴露于外源辐射下的物体有可能放出荧光；
所有这些辐射都是电磁波，区别仅在于波长。
发光机制与光源：
P l a nc k
非 温 度 辐 射基 尔 霍 夫 定 律光 辐 射 热 辐 射 黑 体 辐 射量 子 假 设受 激 辐 射 激 光,非 线 性 光 学非热光源：
气体放电光源：原子从较高的能级跃迁到较低的能级时，
以辐射的方式释放能量，获得单色性优良的光波。
金属蒸气电弧光源：在放电管中注入少量低熔点的金属元素如 Na,Hg,Cs,金属原子将参与放电而被激励到高能级上，随后又自发地跃迁到基态或其他低能级而发光。
固态发光体：固体材料受到外界激励后可产生光辐射。
电致发光、光致发光 (荧光、磷光 )。
同步辐射光源：加速运动的电荷以电磁波的形式辐射能量。电子加速后进入“贮存环”中，电子在受磁场作用改变运动方向时，可发射各波段的同步辐射。
热光源：
物体中的各类原子、分子可因热运动而改变其能量状态并辐射出各种波长的光波。光波为连续谱。
由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。
热光源与非热光源的区别：
在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。
两者光谱不同。热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光 (分立的线光谱 )或者分子发光 (带光谱 )。
热光源辐射的光谱与物质无关，其强度与物质的表面状态有关。
1、热辐射热辐射本质及特点
热辐射定义：由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播，就称热辐射。
热辐射特点：
1,不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，
而且在真空中辐射能的传递最有效。
2,在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的 转化。
辐射：辐射体内热能 → 辐射能；
吸收：辐射能 → 受射体内热能
3,只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能；
4,物体的辐射能力与其温度性质有关。与绝对温度的四次方成正比。
物体对热辐射的吸收、反射和穿透
1
1
Q
Q
Q
Q
Q
Q
QQQQ
吸收、反射和穿透系数
对于大多数的固体和液体：
对于不含颗粒的气体：
为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：
黑体：
白体：
透明体：
1,0
1,0
0,1
0,1
0,1
黑体与人工黑体
黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体。
黑体具有最大的吸收系数 (α=1)，同时亦具有最大的辐射系数
(ε=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。
具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。
认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，
小孔非常接近黑体的性质。
黑体辐射第一定律 (Planck定律 )
黑体一般采用下标 b表示，如黑体的辐射本领
(单位面积辐射功率 )为 Eb，黑体的光谱辐射本领 (辐射功率谱密度 )为 Ebλ 。
2
5/
21
1b c h K T
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0 2 4 6 8 10
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2,0 x 1 0
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(
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-2
m
-1
)
(? m )
T =600K
T =700K
T =800K
T =900K
T =2.898 mm K
分析：
1,在一定温度下，黑体在不同波长范围内辐射能量各不相同。
2,维恩位移定律：随着温度 T增高，最大单色辐射力
Ebλ,max所对应的峰值波长 λmax逐渐向短波方向移动,
λmax T=2.898mmK。
3,黑体 T<1400K，辐射大部分能量集中在 λ=0.76-10μm
内，从而可以忽略可见光。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。
维恩 Wien位移定律
维恩位移定律的发现在普朗克定律之前，
但可以通过将普朗克定律对 λ求导得到：
3m a x 2,8 9 8 1 0T m K
The Nobel Prize in Physics 1911
Wilhelm Wien
1864— 1928
黑体辐射第二定律：
斯蒂芬 -波耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann
黑体的辐射本领 (单位面积辐射功率 ),54
44
23
0
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2
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15
S te f a n- B ol tz m a nn
5.66 7 10
bb
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常 数,
Josef Stefan
1835— 1893 Ludwig Boltzmann1844— 1906
黑体辐射的第三个基本定律朗伯定律 Lambert (余弦定律 )
由黑体表面发射的辐射强度满足：
黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀,法向最大，切向最小（为零）。
因此,从不同方向看过去，其亮度都是一样的。
0
d (,) c o s
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eII
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d c o s
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e
IL
A
实际固体和液体的辐射特性
黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；
真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；
黑度 (发射率 ),相同温度下，实际物体的总辐射本领与黑体总辐射本领之比：
a c tua l a c tua l
4 1
b
EE
ET
黑体、灰体与一般辐射体的比较：
基尔霍夫定律 Kirchhoff
发射本领：即物体的辐射出射度 M，通常写成 MλT；
吸收本领：即物体的吸收比 α，与波长和温度有关，故写成 αλT 。
描述二者之间关系,一个好的吸收体一定也是一个好的发射体。
G.R,Kirchhoff
1824— 1887
基尔霍夫定律的表述：
所有的物体，它们的发射本领与吸收本领之比都是相同的：
式中 MbλT是黑体的辐射出射度。
αbλT——黑体的吸收比，等于 1(黑体的定义 )
12
12
(,)
1
TT
bT
TT
bT
MM
f T M
基尔霍夫定律的描述
在给定温度下，对某一波长来说，物体的吸收本领和发射本领的比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒量。即 MλT/αλT对所有物体都是一个普适函数（即黑体的发射本领），而 MλT和 αλT两者中的每一个都随着物体而不同。
,发射大的物体必吸收大”，或“善于发射的物体必善于接收”，反之亦然。
基尔霍夫定律的说明
基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关，
(当然对黑体也适用 )；
吸收和辐射的多少应在同一温度下比较；
任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表面性质决定的，还是由系统的构造决定的；
基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，不与人眼的视觉特性和光度量有关；
基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立。
2、原子辐射玻尔的氢原子理论
H 22
HH
22
1 1 1
mn
R
mn
h c R h c Rhc
h E E
mn
The Nobel Prize in Physics 1922
Niels Bohr
1885-1962
玻尔假设 (玻尔理论 ):
定态 (stationary state)假设：电子在原子中沿一组特殊轨道运动，并处于稳定的能量状态。
频率定则：当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁 (transition)时，要发射或吸收光子。
轨道角动量量子化：
),3,2,1(2 π nnhnrmL v
氢原子能级图
3、分子辐射分子的能级
分子内部运动可分为三种，即转动、振动和电子运动。对应的能量为 Er,Ev、
Ee,对应的能态组成了分子能级的精细结构。
分子的各能级之间跃迁时吸收或发射光子形成了分子光谱。
分子能级关系分子光谱的形成
能级组成：除了电子能级 (Electron energy level)外，
分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动 (Vibration)能级和转动 (Rotation)能级的跃迁！
据量子力学理论，分子的振 -转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化 E为各种形式能量变化的总和：
其中,ΔEe最大,1-20 eV； ΔEv次之,0.05-1 eV；
ΔEr最小,<0.05 eV
rve ΔΕΔΕΔΕΔΕ
分子光谱的波段
电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大
1~2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振 -转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。电子能级之间跃迁对应的辐射处于可见光和紫外区 (光谱为 带状结构 )；
振动能级之间 (伴随着转动能级 )的跃迁对应近红外和中红外区 (光谱为 带状结构 )。
转动能级之间的跃迁对应远红外和微波区 (光谱为线状结构 )。
4、激光辐射微波激射器（ maser——“Microwave Amplification
by Stimulated Emission of Radiation”
受激吸收和自发辐射
吸收
(Stimulated Absorption)
自发辐射
(Spontaneous Radiation)
受激辐射 (Stimulated Radiation)
受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态，受激辐射而得到的光是相干光。
激光原理
粒子数反转 (population inversion)：产生激光的必要条件是实现粒子数反转。
kT
E
k
k
n e 21
NN?
红宝石激光器 (三能级系统 )
泵浦 ( pumping)：具有亚稳态 (metastable state)
的原子结构，才能实现粒子数反转。
He— Ne激光器 (四能级系统 )
光学谐振腔 (Optical cavity)
谐振腔的作用：维持光振荡，起到光放大作用；
使激光产生极好的方向性；使激光的单色性好。
激光器组成和分类
激光器组成：工作物质；激励源；光学谐振腔。
激光器分类,固体激光器 (红宝石,YAG)；液体激光器 (染料 )；气体激光器 (He-Ne,CO2,Ar离子 )；半导体激光器。
LQ系列脉冲纳秒 Nd:YAG激光器 可调谐染料激光器半导体激光器激光的特点
单色性好：谱线宽度窄 (稳频技术 )；
方向性好：气体激光器 10-4rad，固体激光器
10-2rad，半导体激光器 5-10度；
亮度高：脉冲激光输出 (调 Q激光器、飞秒激光 )；
相干性高：单色性好导致好的相干性。
5、常用光源
热辐射光源；
气体放电光源；
固体发光光源；
激光器。
热辐射光源
特点：发光光谱特性可由 Planck公式估算；光谱范围宽；可通过稳压或恒流源控制，形成稳定光源。
通常热辐射光源：人造黑体、白炽灯等。
气体放电光源
描述：密封的气体或金属气体在电场作用下被激励出电子和离子，电子和离子受电场作用运动时与气体碰撞又会激励出新的电子和离子，该过程引起气体中原子激发，激发的发原子回到低能级时发光；
特点：发光效率高、结构紧凑、寿命长等；
通常气体发光光源：汞灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯、氘灯、氢灯、氦灯等。
固体发光光源
描述：固体在电场作用下发光，称作电致发光或场致发光。
粉末场致发光：有交流和直流二种；
薄膜场致发光：在显示方面有很好的应用前景；
结型场致发光 (发光二极管 ),主要特点是电压低 (1-2V)、电流小 (10mA)，响应速度快
(10-7-10-9sec)。
Maxwell方程组
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均匀光学介质中的波动 方程
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均匀光学介质中 光波表示
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光频谱范围
射线
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射线紫外光红外光微波无线电波
10-3 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm
可 见 光光的频谱与对应跃迁光谱名称 波长范围 跃迁类型 辐射源
γ射线 5-140pm 核跃迁
X射线 0.001-10nm 内层 (K,L)电子 X射线管远紫外 10-200nm 中层电子 氢、氘、氙灯近紫外 200-400nm 阶电子 氢、氘、氙灯可见光 400-750nm 阶电子 钨灯近红外 0.75-2.5μm 分子振动 SiC热棒中红外 2.5-5.0μm 分子振动 SiC热棒远红外 5.0-1000μm 分子振动和转动 SiC热棒微波 0.1-100cm 分子转动无线电 1-1000m 电子自旋、核自旋二、有关光测试的基本概念
1,光辐射度量；
2,光谱辐射度量；
3,光度量。
光辐射度量
1,辐射能：以辐射的形式发射、传播或接收的能量。
(符号,Qe，单位,J)
2,辐射功率：单位时间内的辐射能。 (符号,Pe，单位：
W)
3,辐射能密度：光源单位体积内的辐射能。 (符号,we，
单位,J m-3)
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光辐射度量
4,辐射通量：单位时间内通过某面积的辐射能 (辐射功率或辐射能流 )。 (符号,Φe，单位,W)
5,辐射强度：点光源发出的、在单位时间内、单位立体角内的辐射能。 (符号,Ie，单位：瓦 /球面度，
W/sr)
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光辐射度量
6,辐射出射度：辐射体在单位面积内所辐射出的通量或功率。 (辐射本领 )。 (符号,Me，单位,W /m2)
7,辐射亮度：由辐射表面定向发射的辐射强度。取决于单位辐射表面的辐射通量之空间分布 (符号,Le，
单位：瓦 /球面度,W/m2/sr)
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辐射亮度与余弦辐射体
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如果辐射亮度不随辐射角变化，则要求辐射强度：
满足上式的辐射体称作余弦辐射体 (均匀漫反射体或朗伯体 )，如：黑体、灰体、毛玻璃的透射光或反射光。
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光辐射度量
8,辐照度：辐射在单位面积上的辐射通量。 (符号,Ee，
单位,W /m2)
d
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光谱辐射度量
光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量称为光谱辐射通量 (辐射通量的光谱密度或单色辐射通量 )。
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光 谱 辐 射 通 量光 谱 辐 射 通 量光 谱 辐 射 出 射 度光 谱 辐 射 照 度光 谱 辐 射 强 度光 谱 辐 射 亮 度光度量
光谱光视效率 (视见函数 )：
最大光谱光视效能：辐射度量与光度量之间的比例系数
1 5 5 5 n m< 1 e l s eV
6 8 3 l mmKW?
光度量
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光 通 量光 出 射 度光 照 度发 光 强 度光 亮 度光 量三、发光机制
1,热辐射；
2,原子辐射；
3,分子辐射；
4,激光原理；
5,常用光源。
一般的电磁辐射
载有高频交流电的导体发射无线电波；
热的固体或液体发出热辐射；
放电气体可以发射可见光或紫外辐射；
金属板受到高速电子轰击而发射 χ射线；
放射性物质可以释放 γ射线；
暴露于外源辐射下的物体有可能放出荧光；
所有这些辐射都是电磁波，区别仅在于波长。
发光机制与光源：
P l a nc k
非 温 度 辐 射基 尔 霍 夫 定 律光 辐 射 热 辐 射 黑 体 辐 射量 子 假 设受 激 辐 射 激 光,非 线 性 光 学非热光源：
气体放电光源：原子从较高的能级跃迁到较低的能级时，
以辐射的方式释放能量，获得单色性优良的光波。
金属蒸气电弧光源：在放电管中注入少量低熔点的金属元素如 Na,Hg,Cs,金属原子将参与放电而被激励到高能级上，随后又自发地跃迁到基态或其他低能级而发光。
固态发光体：固体材料受到外界激励后可产生光辐射。
电致发光、光致发光 (荧光、磷光 )。
同步辐射光源：加速运动的电荷以电磁波的形式辐射能量。电子加速后进入“贮存环”中，电子在受磁场作用改变运动方向时，可发射各波段的同步辐射。
热光源：
物体中的各类原子、分子可因热运动而改变其能量状态并辐射出各种波长的光波。光波为连续谱。
由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。
热光源与非热光源的区别：
在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。
两者光谱不同。热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光 (分立的线光谱 )或者分子发光 (带光谱 )。
热光源辐射的光谱与物质无关，其强度与物质的表面状态有关。
1、热辐射热辐射本质及特点
热辐射定义：由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播，就称热辐射。
热辐射特点：
1,不需要物体直接接触。热辐射不需中间介质，可以在真空中传递，
而且在真空中辐射能的传递最有效。
2,在辐射换热过程中，不仅有能量的转换，而且伴随有能量形式的 转化。
辐射：辐射体内热能 → 辐射能；
吸收：辐射能 → 受射体内热能
3,只要温度大于零就有能量辐射。不仅高温物体向低温物体辐射热能，而且低温物体向高温物体辐射热能；
4,物体的辐射能力与其温度性质有关。与绝对温度的四次方成正比。
物体对热辐射的吸收、反射和穿透
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吸收、反射和穿透系数
对于大多数的固体和液体：
对于不含颗粒的气体：
为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：
黑体：
白体：
透明体：
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黑体与人工黑体
黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体。
黑体具有最大的吸收系数 (α=1)，同时亦具有最大的辐射系数
(ε=1)。在实际物体中不存在绝对黑体，为此引出人工黑体，如图所示。
具有一个小孔的等温空腔表面，若有外部投射辐射从小孔进入空腔内，必将在其内表面经历无数次的吸收和反射，最后能够从小孔重新选出去的辐射能量必定微乎其微。
认为几乎全部入射能量都被空腔吸收殆尽。从这个意义上讲，
小孔非常接近黑体的性质。
黑体辐射第一定律 (Planck定律 )
黑体一般采用下标 b表示，如黑体的辐射本领
(单位面积辐射功率 )为 Eb，黑体的光谱辐射本领 (辐射功率谱密度 )为 Ebλ 。
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分析：
1,在一定温度下，黑体在不同波长范围内辐射能量各不相同。
2,维恩位移定律：随着温度 T增高，最大单色辐射力
Ebλ,max所对应的峰值波长 λmax逐渐向短波方向移动,
λmax T=2.898mmK。
3,黑体 T<1400K，辐射大部分能量集中在 λ=0.76-10μm
内，从而可以忽略可见光。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。
维恩 Wien位移定律
维恩位移定律的发现在普朗克定律之前，
但可以通过将普朗克定律对 λ求导得到：
3m a x 2,8 9 8 1 0T m K
The Nobel Prize in Physics 1911
Wilhelm Wien
1864— 1928
黑体辐射第二定律：
斯蒂芬 -波耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann
黑体的辐射本领 (单位面积辐射功率 ),54
44
23
0
8 2 4
2
d
15
S te f a n- B ol tz m a nn
5.66 7 10
bb
k
E E T T
ch
W m K
常 数,
Josef Stefan
1835— 1893 Ludwig Boltzmann1844— 1906
黑体辐射的第三个基本定律朗伯定律 Lambert (余弦定律 )
由黑体表面发射的辐射强度满足：
黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀,法向最大，切向最小（为零）。
因此,从不同方向看过去，其亮度都是一样的。
0
d (,) c o s
d
e
eII
d
d c o s
e
e
IL
A
实际固体和液体的辐射特性
黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；
真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；
黑度 (发射率 ),相同温度下，实际物体的总辐射本领与黑体总辐射本领之比：
a c tua l a c tua l
4 1
b
EE
ET
黑体、灰体与一般辐射体的比较：
基尔霍夫定律 Kirchhoff
发射本领：即物体的辐射出射度 M，通常写成 MλT；
吸收本领：即物体的吸收比 α，与波长和温度有关，故写成 αλT 。
描述二者之间关系,一个好的吸收体一定也是一个好的发射体。
G.R,Kirchhoff
1824— 1887
基尔霍夫定律的表述：
所有的物体，它们的发射本领与吸收本领之比都是相同的：
式中 MbλT是黑体的辐射出射度。
αbλT——黑体的吸收比，等于 1(黑体的定义 )
12
12
(,)
1
TT
bT
TT
bT
MM
f T M
基尔霍夫定律的描述
在给定温度下，对某一波长来说，物体的吸收本领和发射本领的比值与物体本身的性质无关，对于一切物体都是恒量。即 MλT/αλT对所有物体都是一个普适函数（即黑体的发射本领），而 MλT和 αλT两者中的每一个都随着物体而不同。
,发射大的物体必吸收大”，或“善于发射的物体必善于接收”，反之亦然。
基尔霍夫定律的说明
基尔霍夫定律是平衡辐射定律，与物质本身的性质无关，
(当然对黑体也适用 )；
吸收和辐射的多少应在同一温度下比较；
任何强烈的吸收必发出强烈的辐射，无论吸收是由物体表面性质决定的，还是由系统的构造决定的；
基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关，不与人眼的视觉特性和光度量有关；
基尔霍夫定律只适用于温度辐射，对其它发光不成立。
2、原子辐射玻尔的氢原子理论
H 22
HH
22
1 1 1
mn
R
mn
h c R h c Rhc
h E E
mn
The Nobel Prize in Physics 1922
Niels Bohr
1885-1962
玻尔假设 (玻尔理论 ):
定态 (stationary state)假设：电子在原子中沿一组特殊轨道运动，并处于稳定的能量状态。
频率定则：当电子从一个能态轨道向另一个能态轨道跃迁 (transition)时，要发射或吸收光子。
轨道角动量量子化：
),3,2,1(2 π nnhnrmL v
氢原子能级图
3、分子辐射分子的能级
分子内部运动可分为三种，即转动、振动和电子运动。对应的能量为 Er,Ev、
Ee,对应的能态组成了分子能级的精细结构。
分子的各能级之间跃迁时吸收或发射光子形成了分子光谱。
分子能级关系分子光谱的形成
能级组成：除了电子能级 (Electron energy level)外，
分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动 (Vibration)能级和转动 (Rotation)能级的跃迁！
据量子力学理论，分子的振 -转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化 E为各种形式能量变化的总和：
其中,ΔEe最大,1-20 eV； ΔEv次之,0.05-1 eV；
ΔEr最小,<0.05 eV
rve ΔΕΔΕΔΕΔΕ
分子光谱的波段
电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大
1~2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振 -转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。电子能级之间跃迁对应的辐射处于可见光和紫外区 (光谱为 带状结构 )；
振动能级之间 (伴随着转动能级 )的跃迁对应近红外和中红外区 (光谱为 带状结构 )。
转动能级之间的跃迁对应远红外和微波区 (光谱为线状结构 )。
4、激光辐射微波激射器（ maser——“Microwave Amplification
by Stimulated Emission of Radiation”
受激吸收和自发辐射
吸收
(Stimulated Absorption)
自发辐射
(Spontaneous Radiation)
受激辐射 (Stimulated Radiation)
受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态，受激辐射而得到的光是相干光。
激光原理
粒子数反转 (population inversion)：产生激光的必要条件是实现粒子数反转。
kT
E
k
k
n e 21
NN?
红宝石激光器 (三能级系统 )
泵浦 ( pumping)：具有亚稳态 (metastable state)
的原子结构，才能实现粒子数反转。
He— Ne激光器 (四能级系统 )
光学谐振腔 (Optical cavity)
谐振腔的作用：维持光振荡，起到光放大作用；
使激光产生极好的方向性；使激光的单色性好。
激光器组成和分类
激光器组成：工作物质；激励源；光学谐振腔。
激光器分类,固体激光器 (红宝石,YAG)；液体激光器 (染料 )；气体激光器 (He-Ne,CO2,Ar离子 )；半导体激光器。
LQ系列脉冲纳秒 Nd:YAG激光器 可调谐染料激光器半导体激光器激光的特点
单色性好：谱线宽度窄 (稳频技术 )；
方向性好：气体激光器 10-4rad，固体激光器
10-2rad，半导体激光器 5-10度；
亮度高：脉冲激光输出 (调 Q激光器、飞秒激光 )；
相干性高：单色性好导致好的相干性。
5、常用光源
热辐射光源；
气体放电光源；
固体发光光源；
激光器。
热辐射光源
特点：发光光谱特性可由 Planck公式估算；光谱范围宽；可通过稳压或恒流源控制，形成稳定光源。
通常热辐射光源：人造黑体、白炽灯等。
气体放电光源
描述：密封的气体或金属气体在电场作用下被激励出电子和离子，电子和离子受电场作用运动时与气体碰撞又会激励出新的电子和离子，该过程引起气体中原子激发，激发的发原子回到低能级时发光；
特点：发光效率高、结构紧凑、寿命长等；
通常气体发光光源：汞灯、钠灯、金属卤化物灯、氙灯、氘灯、氢灯、氦灯等。
固体发光光源
描述：固体在电场作用下发光，称作电致发光或场致发光。
粉末场致发光：有交流和直流二种；
薄膜场致发光：在显示方面有很好的应用前景；
结型场致发光 (发光二极管 ),主要特点是电压低 (1-2V)、电流小 (10mA)，响应速度快
(10-7-10-9sec)。
