第一章红外物理基础ppt课件

红外与微光技术张艳电子科技大学光电信息学院.课程特点知识面广红外物理﹑工程光学﹑半导体物理﹑图像处理，检测技术等。应用广泛军事领域民用领域科学研究.军事领域搜索﹑跟踪﹑测距导弹制导，导航和飞行控制，目标探测，入侵检测，飞机碰撞预警等辐射测量地形，毒气的探测，目标和背景的特性等热成像侦察和监视，热测绘，潜艇探测，导弹的地下发射阱、人员、车辆、武器野营吹火以及战地营房的探测等反射通量测量夜间驾驶，冲锋枪的射击，入侵检测，伪装探测，基地保卫，停泊和着陆等合作光源地面通讯，红外系统对抗，无人驾驶飞机的指令联络.民用领域工业森林火灾探测，铁路车辆过热轴颈箱的探测，工艺控制，探测晴空大气湍流，空气污染分析，环境检测，非破坏性实验，车速探测等医学皮肤温度测量，癌症早期探查，远距离生物传感器，初期脑溢血的早期诊断，测定静脉堵塞的部位，研究动物的夜间习性，监视愈合过程等.科学研究卫星探测天体温度测量气象情况的遥测植物中热交换的研究地球和星星大气成分的测定其他行星上的植被或生命的探测研究火山，侦察海面浮冰，石油勘探，伪造品的探测，宝石鉴定，探测患病的农作物.学习本课程的意义拓宽知识面将理论知识用于实践，融会贯通，提高解决实际问题的能力了解红外与微光技术实际应用水平和最新发展动态为以后的工作和科研提供参考.主要参考书目吴宗凡等，《红外与微光技术》，国防工业出版社，1998年张建奇等，《红外物理》，西安电子科技大学出版社，2004年陈永甫编著，《红外辐射、红外器件与典型应用》，电子工业出版社，2004年张敬贤等，《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版社，1995年A.R.杰哈著，《红外技术应用》，化工出版社，2004年.其他：《红外探测器》《红外电子学》《红外光学系统》《红外光谱》《红外技术实验与方法》《红外系统》.Elementsofinfraredtechnology,generation,transmission,anddetection,PaulW.Kruse,etal.JohnWiley&Sons,1962Infraredoptoelectronics,deviceandapplications,WilliamNunley,etal.,MarcelDekker,1987Semiconductorquantumwellsandsuperlatticesforlong-wavelengthinfrareddetectors,M.O.Marasreh,Artechhouse,1993.Intrsubbandinfraredphotodetectors,V.Ryzhii,WorldScientific,2003Commansenseapproachtothermalimaging,GeraldC.Holst,JCD,SPIE,2000..Maldague,XavierP.V.,Theoryandpracticeofinfraredtechnologyfornondestructivetesting,JohnWliley&Sons,2001IrvingJ.Spiro,MonroeSchlessinger,Infraredtechnologyfundamentals,MARCELDEKKER,INC.,1989A.R.JHA,InfraredTechnology,ApplicationstoElectrooptics,PhotonicDevices,andSensors，2000SPIE“INFRAREDTECHNOLOGYANDAPPLICATIONS”国际会议.主要内容第一章红外物理基础第二章红外探测器第三章红外探测器的参数测试第四章微光探测技术第五章制冷技术第六章红外与微光技术应用.第一章红外物理基础1.1红外线的发现与本质1.2电磁波谱1.3红外辐射源1.3.1基本定律1.3.2红外辐射源的分类1.3.3自然源1.3.4标准源1.3.5人造源1.4红外系统.1.1红外线的发现与本质1.1800年，英国天文学家Herschel用棱镜将太阳光色散，并利用灵敏的温度计进行探测，发现在红光外测温度计温度比红光区域高。证明了红外线的存在。.2.红外线的本质一切温度高于绝对零度的物体（有生命和无生命）的物体时时刻刻都在不停的辐射红外线红外线无处不在.3.红外线的主要效应红外线的热效应红外线的生物效应医疗保健：消炎﹑促进再生﹑免疫调节不利影响：波长0.8～1.2微米的短波红外，造成“红外线白内障”光电效应等.1.2电磁波谱.1.电磁波的分类Gamma射线：X射线：紫外线：可见光:0.38～0.75微米红外线：0.75～1000微米微波：射频：.2.红外辐射的光谱划分根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分：.红外大气窗口：大气对红外辐射基本是透明的1～3微米﹑3～5微米﹑8～15微米红外大气窗口.3.根据红外辐射产生的机理进行划分：近红外区：0.75～2.5微米，对应于原子能级之间的跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带中红外区：2.5～25微米，对应分子转动能级和振动能级之间的跃迁远红外区：25～1000微米，对应分子转动能级之间的跃迁.4.红外辐射的特点电磁波，具有与可见光相似的特性，如反射﹑折射﹑干涉﹑衍射和偏振人眼对红外辐射不敏感，需用红外探测器才能探测到；红外辐射的热效应比可见光要强很多；红外辐射更容易被物质吸收，但对薄雾来说，长波红外辐射更容易通过。.红外技术：研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学主要内容：红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。红外元件、部件的研制，包括辐射源、红外探测器、微型制冷器、红外窗口材料和滤光片等。把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。红外技术在军事上和国民经济中的应用。红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。.1.3红外辐射源1.3.1热辐射的基本定律基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaw)热平衡时，必有：其中，M是物体A的辐出度；α是物体A的吸收率；E是物体A上的辐照度（1-1）述：在热平衡条件下，物体的辐射出射度与其吸收率的比值等于空腔中的辐射照度，这与物体的性质无关。.结论：好的吸收体必是好的发射体（）；对于不透明物体（透过率），好的发射体必是弱的反射体（）；3.如果反射率和透射率均为零，则吸收率等于1黑体.黑体（blackbody）：任何温度下能够全部吸收任何波长入射辐射的物体一个理想化的概念是一个比较标准在一个密闭的空腔上开一个小孔，腔孔的辐射就相当于一个面积等于腔孔面积的黑体辐射.2.普朗克公式—黑体辐射理论最基本的公式描述了黑体辐射的光谱分布：又可表示为：.意义：不同温度下黑体辐射出射度随波长的变化黑体辐射的特征：1）光谱辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值。2）曲线随黑体温度的升高而整体提高。在任意指定波长处，与较高温度对应的光谱辐射出射度也较大。3）每条曲线彼此不相交，故温度越高，所有波长的光谱辐射出射度也越大。4）温度升高，峰值波长减小，黑体辐射中包含的短波成分所占比例增加。5）黑体的辐射只与黑体的绝对温度有关。.3.维恩位移定律(Wiendisplacementformula)黑体光谱辐射出射度的峰值波长m与绝对温度T的关系：（1-3）式中，λm是光谱辐射出射度的峰值波长；b是维恩位移常数，b=(2897.8±0.4)(μm·K)；T是绝对温度（K）。（可由普朗克公式（1-2）对波长求导，然后再令导数等于零求得）物理意义：温度上升，辐射峰值总是朝着较短波长方向位移。解释现象：当物体温度升高时，它的颜色将跟着变化。.估算（1）人体（T=310K）（2）太阳（T=6000K）思考：有何实际意义？.4.斯蒂芬-波耳兹曼定律（Stefan-BoltzmannLaw)斯蒂芬和波尔兹曼先后于1879年和1884年分别从实验测量和热力学推导中得出结论：黑体辐射的总能量与它的绝对温度的四次方成正比。（1-4）（在从零到无穷大的波长范围内,对普朗克公式（1-2）积分）.意义：红外辐射测温的理论基础辐出度与绝对温度的四次方成正比。相当小的温度变化，就会引起辐射功率很大的变化。容易探测.5.发射率（比辐射率）发射率ε：辐射源的辐出度与具有同一温度的黑体的辐出度之比式中，M（T）是实际物体在温度T的全辐射度，Mbb(T)是黑体在相同温度下的全辐出度由基尔霍夫定律式（1-1），得.根据光谱发射率，可将辐射体分为三类：1）黑体或普朗克辐射体，其；2）灰体，其＝常数，但小于1；3）选择性辐射体，随波长而变。.*同一种材料在不同波段的比辐射率的差异很大.金属材料的发射率均较低,但随温度而增加,并且当表面形成氧化层后,发射率成十倍或更大倍数增加。非金属的发射率要高些，一般大于0.8,并随温度的增高而减小。金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,发射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆对发射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起发射率测量值的变化。发射率是有方向性的。.1.3.2红外辐射源的分类.1.3.3自然（红外）源1.太阳太阳、地球表面、天空、外层空间和星体等都是自然辐射源太阳辐射的光谱分布可以用5600K的黑体的辐射来近似表示.曲线1：温度为6000K的黑体；曲线2：太阳在大气层外的辐出度光谱分布曲线3：太阳在海平面上的辐出度光谱分布太阳辐射很接近于黑体辐射.2.月亮ReflectedSunlight（太阳反射）ThermalEmission（自身辐射）.3.云层与对太阳和地球的反射和散射有关辐射特性：Lowersurface≈0ºCBlackBodyuppersurface≈–40ºCBlackBody.4.地球表面白天：由反射和散射太阳光线以及地球本身热辐射组成夜间：其光谱分布相当于地球环境温度的灰体的光谱分布白天观察典型地物的光谱辐射亮度1.物质之间的差别不明显，每一种分布都有两个峰值，在3到4微米处有一个最小值。2.把其中每根曲线都与35℃的黑体作比较，表明这些物质的辐射与比辐射率0.9以上的灰体相当。.1.水面的辐射的温度取决于它的温度和表面状态。2.无波浪时反射良好而辐射甚差，只有当出现波浪时，海面才能成为良好的辐射体。3.浪花的辐射如同黑体。.5.天空晴朗夜空的光谱辐射亮度和随仰角的变化天空的辐射亮度曲线大体上与地面相类似，可分为两个区，即3微米以下的太阳散射区和4微米以上的大气热辐射区。.1.3.4标准（红外辐射）源1.黑体概念*理想/绝对黑体：*实际黑体：接近黑体思考：究竟要满足什么条件，什么样的结构，才能成为可以实用的黑体？研究目的：作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统.制作黑体的条件在一个等温密封腔内的辐射就是黑体辐射。在密封腔壁上开一小孔，小孔发出的辐射逼真地模拟了黑体辐射。*效果：无论密封腔的几何形状或制作材料如何，都不影响其结果。密封腔要真正实现等温小孔的面积比密封腔内表面的面积要小得多.决定黑体性能的因素空腔内有效发射率和辐射能通量的大小，以及黑体腔的工作温度。黑体的有效发射率：与开孔面积相对于腔体内表面总面积的大小、黑体腔的形状和材料表面发射率以及腔体偏离真正等温条件的程度等因素有关。黑体的辐射能通量：取决于辐射腔口直径及开口前所用光阑。黑体辐射源的工作温度应按应用目的进行选择。一般说来，通常都选择大气透过率高的工作波段，这样可减少大气吸收对测量结果的影响。（除应用于研究大气吸收特性的黑体外）.黑体中需要考虑的问题：腔型选择（Gouffé理论和Devos理论）通常采用圆锥、圆柱或球型腔体；但球型腔体加工难，均匀加热难对腔芯材料加热的要求高导热率、抗氧化力好、材料表面发射率高腔体的等温加热要求恒温区长，可用电热丝加热.腔体的温度控制和测量对黑体温度控制和测量的好坏，直接影响了黑体的性能；测温点的选择很重要：圆柱型：测温点在腔的底部中央圆锥型：取锥顶点球型腔：取开口的对称中心位置降低黑体前表面的辐射放置光阑，水冷.常用结构（圆锥型）发射率是腔长和开孔半径的比值（）的函数；比值越大，发射率越大采用（小孔＋长腔）结构主要部分：腔体加热线圈保温层温度计温度控制部分.成为稳定的黑体，可以作为校正的标准.黑体的分类高温黑体：1273K以上，它的辐射能通量在近红外波段；中温黑体：373~1273K，它的辐射能通量在中红外波段；主要用于红外探测仪、辐射计以及其他仪器的定标测试近室温黑体：223~373K，它工作在远红外波段；红外热像仪及其他红外整机在定标时使用的标准辐射源。低温黑体：低于223K。.应用标定各种红外辐射源的辐射强度；标定各类红外探测器响应率；测定红外光学系统的透射比；研究各种物质表面的热辐射特性；研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射性能。.应用＊测量响应率和探测率.2.能斯脱灯（NernstGlowers）结构：发热体：难熔氧化物（ZrO2氧化锆/Y2O3氧化钇）400℃导电工作温度：2000KK：启动加热开关Б:镇流工作前需预热特点：相对小﹑简单﹑具有更高的红外输出，价格不贵.典型参数功率消耗45W、0.1A；工作温度Tc=1980K；尺寸3.1mm×12.7mm。能斯脱灯光谱发射率光谱发射率1～6微米：选择性辐射体，光谱发射率很小；7～15微米：接近黑体，光谱发射率约为0.85.缺点：1）精度不够2）机械强度低3）需要镇流器4）受气流造成的温度变化的影响优点：寿命长，工作温度高，黑体特性好，不需水冷.3.硅碳棒用碳化硅做成的圆棒，工作温度：1200～1400K，不需预热硅碳棒光谱发射率在2～15微米，平均发射率约为0.8；在1000~1800K范围内，其积分总发射率变化不大，平均值为=0.85.典型参数功率消耗200W，6A；工作温度Tc=1470K；尺寸5.1mm×203mm（硅碳棒的直径为6~50mm，长度从几厘米到1m左右。）通常，大尺寸硅碳棒常用于工业生产中，作为红外加热元件。小尺寸硅碳棒则广泛用于红外光度计中，作为高温辐射标准。.缺点：最高工作温度低需要镇流设备材料易升华，不能靠近精密光学仪器工作需水冷，耗电量大优点：硅碳棒机械强度好，工作寿命长，使用简便，受电压波动影响较小；.实验室常用的红外辐射源电热固体辐射源：钨丝（带﹑管）灯：可见光波段选择性好，高温下机械强度较大，容易加工；由于玻壳对红外辐射的限制，辐射波长在3m以下乳白石英加热管：发射率高，工作温度范围广.气体放电辐射源汞灯氙灯碳弧.红外激光器：方向性好，高亮度，单色性和相干性好1.CO2激光器工作原理CO2分子激光跃迁能级图条件：粒子数翻转；达到阈值.基本结构CO2激光器结构图工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成.CO2激光器实物图.优点效率高：效率高达30％功率大：由激活腔体积决定*输出波长9～11μm，处于大气窗口，但被各种工作物质吸收2.半导体激光器效率更高：高达40％～50％但单管的输出功率不及CO2激光器提高输出功率：光束合成.组成部分：*激光器LD及电流驱动器(包括Ib和Im驱动电路)*控温系统(控温电路在模块外面，热敏电阻、致冷器在模块中)*功率控制系统(PIN封装在模块内，电路在外面)*光耦合系统(包括聚焦透镜、隔离器、光纤及支撑元件)*整形系统（微透镜阵列）半导体激光器的结构.1.3.5人造（红外辐射）源1.飞机的辐射主要包括发动机壳体及尾喷管的辐射、尾焰（排出的废气）辐射、以及高速飞行的蒙皮辐射。各种类型的飞机、导弹、火箭和卫星等空中目标都构成重要的红外辐射源。螺旋桨飞机：发动机外壳温度较低（80~100C），发射率（0.2~0.45）、辐射功率小，集气管部分为650~800C，排气口附近温度降到250~350C，表面发射率可达0.8~0.9。这类飞机的总辐射中，废气和发动机外壳的辐射占35%~45%，其余则是排气管的辐射。.喷气式飞机主要辐射来源：尾喷管热金属辐射和尾焰辐射，其次是高速飞行时蒙皮的辐射。尾喷管：实际上是一个被排出气体加热的圆柱形腔体，可以视为L/R=3~8的腔形黑体辐射源，其有效发射率为0.9，辐射面积等于排气喷嘴面积，辐射温度等于排出气体的温度（400~700C）。当喷气式飞机的飞行速度很高时，由于空气动力加热，将使飞机蒙皮达到很高温度，随着飞行速度的增加，蒙皮辐射在飞机总辐射中所占的比例也不断增加。.喷气式飞机的辐射光谱不同类型的飞机，其辐射的强度和分布具有很大差别。喷气式飞机尾部辐射光谱：除2.7m的水蒸气吸收带和4.3m的二氧化碳吸收带外，其辐射光谱类似于黑体辐射，它的峰值波长接近于3.4m。.飞机喷口的辐射强度分布：伊尔28、米格15、米格21等飞机喷口的辐射强度的角分布？.米格15M喷口的红外辐射光谱温度.三叉戟飞机喷口的红外辐射光谱温度，角度.飞行速度接近或大于声速时，气动加热产生的飞机蒙皮热辐射不能忽略飞机的蒙皮温度Ts:(1-6)其中,T0：周围大气温度；k：恢复系数，其值决定于附面层中气流的流场，层流取0.82，紊流取0.87：空气的定压热容量和定容热容量之比，取1.3；M：飞行马赫数(飞行速度/音速＝M马赫数).尤其是飞机的前向和侧向等迎风部位温度较高：（1-7）当M>1时，Ts随M急剧变化.Ts随M急剧增加.2.坦克的辐射1）坦克的背景辐射特性：比较复杂，既有各种地形地貌的差异，又有季节变化带来的背景变化2）坦克的辐射：自身辐射＋反射辐射*由于坦克的形状很复杂，其反射辐射难于计算，加之其金属表面涂有漆层，它往往呈现镜面或漫反射特征.T-34型坦克的反射率.3)坦克的自身辐射能是由大量热耗产生的，其中发动机能量的60%是损失于热耗，传动齿轮也是高热集中点。1）减少发动机热耗，若用燃气轮机可保持较低的金属零件温度，产生的烟雾少，噪声小。也可采用绝热复合柴油机（如陶瓷绝热发动机）；2）对传动齿轮采用辐条式齿轮设计；3）用隔离板油降低表面温度，用履带裙减少增热；4）采用高效冷却通风和排放系统。*避免被攻击的：.3.火箭和卫星*穿过稠密的大气层，温度很高射程（Km）速度（m/s）温度（K）160035003700800067007400*巡航飞行时，向/背太阳面温差很大.火炮的辐射易燃成分，随着炮口闪光的出现，发射出大量的红外辐射。155mmM2型火炮的二次闪光的相对辐射光谱分布火炮射击后的温度变化1-最高温度；2-2min后温度变化.1.4红外系统..第一章红外物理基础主要内容：红外辐射的本质红外辐射在电磁波谱中的位置及红外辐射的波段划分；3.掌握维恩位移定律、斯蒂芬-波耳兹曼定律等热辐射的基本定律；4.黑体、灰体、选择辐射体等基本概念；5.了解红外辐射源的分类以及一些常用红外辐射源的特点；6.理解红外物理的研究情况以及红外系统的基本结构。.2.重点1）维恩位移定律2）斯蒂芬-波耳兹曼定律3）黑体、灰体、选择辐射体4）飞行体蒙皮温度.3.难点黑体概念的正确理解与黑体特性的准确把握空中飞行目标红外辐射的复杂成分及其主要成分的特性.