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第一篇红外物理学概论和辐射度量1

第一章 红外物理学的研究对象2

1.1 红外线的基本知识2

1.2 红外物理学的研究对象和理论方法3

第二章 红外辐射度学基础5

2.1 引言5

2.2 基本辐射量和光谱辐射量6

2.2.1 基本辐射量7

2.2.2 光谱辐射量和光子辐射量10

2.3 朗伯余弦定律和漫辐射源的辐射特性11

2.3.1 朗伯余弦定律12

2.3.2 漫辐射源的辐射特性12

2.4 辐射量计算举例14

2.5 辐射在传输媒质中的衰减16

2.5.1 反射比、吸收比和透射比17

2.5.2 容易混淆的几个概念 吸收系数18

2.5.3 散射系数和衰减系数20

2.5.4 衰减媒质的透射21

2.5.5 考虑媒质衰减时的辐射计算21

第三章 红外辐射测量原理23

3.1 红外辐射计23

3.1.1 红外辐射计的基本组件和功能24

3.1.2 红外辐射计的选择和设计考虑25

3.2 红外辐射计的定标原理26

3.2.1 响应度定标26

3.2.2 实际瞬时视场33

3.2.3 频率响应34

3.2.4 光谱响应35

3.2.5 噪声水平35

3.3 测量及其结果的处理36

3.3.1 峰值标准化37

3.3.2 峰值标准化举例39

3.3.3 其它标准化方法41

3.4 测量结果的描述42

3.4.1 背景辐射的非统计描述43

3.4.2 背景辐射的统计描述45

第二篇红外辐射的发射与吸收50

第四章 红外热辐射与连续谱红外源51

4.1 辐射起源的经典物理模型51

4.1.1 自由电子模型51

4.1.2 谐振子模型51

4.1.3 阻尼振子模型52

4.1.4 振子耦合与辐射连续区的形成54

4.2 黑体热辐射的基本规律55

4.2.1 基尔霍夫定律和黑体模型56

4.2.2 黑体辐射的量子模型和普朗克辐射定律57

4.2.3 维恩位移定律61

4.3.1 黑体辐射函数表62

4.3 黑体辐射的简易计算方法62

4.2.4 斯蒂芬-玻耳兹曼定律62

4.3.2 近似公式计算法63

4.3.3 其它简易计算法64

4.4 黑体辐射定律的推论68

4.4.1 辐射的光谱效率和工程最佳值69

4.4.2 辐射对比度69

4.5 发射率和实际物体的热辐射71

4.5.1 发射率的定义和实际物体的热辐射71

4.5.2 影响发射比的因素73

4.5.3 半透明体的热辐射性质76

4.5.4 发射比与材料光学及电学参数的关系80

4.5.5 非均匀涂层的辐射特性83

4.6 辐射热传递的基本原理88

4.6.1 两个物体间的直接辐射传递88

4.6.2 亥姆霍茨互易性定理90

4.7 典型热辐射红外源91

4.6.3 辐射热传递的一般分析91

4.7.1 腔型黑体辐射源92

4.7.2 目标和背景的辐射99

第五章 不连续谱红外辐射105

5.1 分子结构和内部运动105

5.1.1 分子的结构键合105

5.1.2 分子的内部运动及其能量106

5.2 分子光谱的形成107

5.2.1 分子的能级和带状谱的形成107

5.2.2 分子的红外光谱及其产生条件108

5.3 双原子分子的红外光谱110

5.3.1 双原子分子的转动光谱110

5.3.2 双原子分子的振动光谱112

5.3.3 双原子分子的振动-转动光谱114

5.3.4 吸收带的外形和强度分布117

5.4.1 多原子分子的转动光谱118

5.4 多原子分子的红外光谱118

5.4.2 多原子分子的振动光谱120

5.4.3 多原子分子的振动-转动光谱123

5.5 光谱线的展宽和线型127

5.5.1 谱线的自然宽度127

5.5.2 压力展宽130

5.5.3 多普勒展宽132

5.5.4 两种线型展宽的比较134

5.6 固体中的结构键合与能态135

5.6.1 固体的结构键合135

5.6.2 固体中电子的能带和运动135

5.6.3 固体中电子的能量分布136

5.6.4 晶格振动和能量交换137

5.7 固体红外光谱的一般特征137

5.7.1 从气态到固态时的光谱变化137

5.7.2 固体光谱的其它特征138

5.8 固体中的本征吸收带和晶格振动吸收带139

5.9 局部态间跃迁产生的红外光谱140

5.9.1 晶场光谱141

5.9.2 激子光谱142

5.9.3 色心吸收143

5.10 半导体的复合辐射与吸收光谱144

5.10.1 带际跃迁吸收144

5.10.2 复合辐射148

5.10.3 杂质参与的吸收和发射149

5.10.4 自由载流子吸收151

第六章 强相干红外辐射的产生与远红外谱的开拓152

6.1 引言152

6.2 光学混频产生的红外辐射154

6.2.1 非线性光学效应的基本原理154

6.2.2 差频混频产生的红外辐射155

6.2.3 相位匹配问题158

6.3 红外参量振荡器162

6.2.4 非线性晶体和激光源的选择162

6.3.1 参量增益和阈值泵浦条件163

6.3.2 参量转换效率167

6.3.3 参量振荡器的输出和光谱性质168

6.4 通过拉曼过程产生的红外辐射170

6.4.1 自发拉曼散射和斯托克斯光发射170

6.4.2 受激拉曼散射产生的红外辐射171

6.4.3 通过拉曼过程的四波混频产生的红外辐射174

6.4.4 通过自旋反转拉曼混频产生的红外辐射177

6.5 光泵气体激光器179

6.5.1 光泵气体激光器的一般原理179

6.5.2 基于电子跃迁的光泵气体激光器181

6.5.3 基于振动-转动跃迁的光泵激光器182

6.5.4 基于纯转动跃迁或反演跃迁的光泵激光器184

6.5.5 光泵远红外激光器性能的理论分析185

7.1.1 单色仪188

7.1 红外光谱测量的基本设备188

第七章 材料基本辐射参数的测量188

7.1.2 色散型红外分光光度计189

7.1.3 傅里叶变换红外光谱仪190

7.2 红外发射比测量192

7.2.1 测量红外发射比的意义和注意事项192

7.2.2 半球全发射比测量194

7.2.3 法向全发射比测量197

7.2.4 法向光谱发射比测量199

7.2.5 宽带发射比测量204

7.2.6 地物发射比的野外测量206

7.3 红外反射比测量208

7.3.1 反射度学的基本概念208

7.3.2 积分球反射计211

7.3.3 热腔反射计215

7.3.4 半球镜反射计216

7.3.5 椭球镜和抛物镜反射计218

7.3.6 镜向反射比测量221

7.3.7 地物反射比的野外测量222

7.4 红外吸收和透射测量223

第三篇红外辐射的传输225

第八章 红外辐射在大气中的传输226

8.1 大气效应及其对辐射传输的影响226

8.2 地球大气层的结构和性质229

8.2.1 大气组成及其分布229

8.2.2 大气的温度和压强分布235

8.2.3 模型大气237

8.2.4 大气的辐射透射特性239

8.3 大气的吸收衰减239

8.3.1 大气组分红外吸收光谱及其特征239

8.3.2 分子吸收的逐线计算法241

8.3.3 分子吸收的带模型计算法245

8.3.4 大气窗口区的连续吸收和气溶胶吸收251

8.4 大气的散射衰减257

8.4.1 散射系数258

8.4.2 大气散射系数的经验计算法261

8.4.3 云雾雨雪的散射与衰减262

8.5 大气传输的实验测量方法264

8.5.1 野外测量264

8.5.2 实验室模拟测量266

8.6 辐射在湍流大气中的传输267

8.6.1 大气闪烁及其对红外系统性能的影响268

8.6.2 湍流引起的光束方向、相位和偏振抖动269

8.7 激光辐射在大气中的传输271

8.7.1 线性传输效应271

8.7.2 非线性传输效应——热晕279

第九章 红外辐射在凝聚态媒质中的传输281

9.1 红外光学材料的性能要求281

9.1.1 红外光学材料性能的一般要求281

9.1.2 典型红外透射材料性能283

9.1.3 专用红外材料的选择289

9.2 均匀媒质中辐射传输的普遍电磁理论290

9.2.1 辐射在自由空间和均匀电介质中的传播291

9.2.2 辐射在无限均匀导电媒质中的传播293

9.3 不连续媒质界面上的辐射传输理论296

9.3.1 反射、折射和斯涅耳定律296

9.3.2 两种电介质界面上的反射和菲涅耳定律297

9.3.3 空气-导电媒质界面上的反射299

9.4 高反射膜的物理基础301

9.4.1 金属高反射膜301

9.4.2 介质-金属高反射膜301

9.4.3 多层全介质高反射膜302

9.5 增透膜的物理基础303

9.5.1 单层增透膜303

9.5.2 双层和多层增透膜305

9.6 分色滤光片的物理基础309

9.7 红外辐射在透射材料中的衰减311

9.7.1 固态红外透射材料中的吸收衰减312

9.7.2 红外透射区中的散射衰减316

9.8 色散理论318

9.8.1 电介质的色散理论318

9.8.2 自由载流子引起的色散321

9.8.3 克喇末-克朗尼格关系和光学参数的内在联系323

第四篇红外探测的物理基础327

第十章 红外探测器概论328

10.1 红外探测器的分类和基本原理328

10.1.1 热探测器328

10.1.2 光子探测器329

10.1.3 成象探测器332

10.2 探测器参数和性能指标335

10.2.1 测量与使用条件参数335

10.2.2 探测器的性能指标340

10.3.1 响应特性的测量344

10.3 探测器参数测量344

10.3.2 噪声特性的测量347

10.3.3 时间常数测量348

10.4 特定条件下的响应度和D*计算349

第十一章 理想光子探测器351

11.1 载流子在偏置电场和磁场中的运动351

11.1.1 平衡状态下的载流子浓度分布351

11.1.2 非平衡载流子的产生与复合354

11.1.3 载流子在外加电场和磁场中的运动357

11.2 光电导效应和光电导探测器360

11.2.1 本征光电导360

11.2.2 杂质光电导366

11.3 光磁电效应和光磁电探测器368

11.4 光伏效应和光伏探测器371

11.5 理想光子探测器的限制性噪声和性能极限375

11.5.1 光电事件的随机分布和探测噪声375

11.5.2 背景限光子探测器性能376

11.5.3 信号噪声限光子探测器性能379

11.6 理想光子探测器的外差探测性能379

11.6.1 外差转换和噪声379

11.6.2 天线定理381

11.6.3 混频定理383

第十二章 理想热探测器386

12.1 电阻测辐射热器386

12.2 测辐射温差电偶和热电堆389

12.3 热释电探测器393

12.3.1 热释电效应和热释电探测器394

12.3.2 热释电探测器的响应特性394

12.4 理想热探测器的性能极限398

12.4.1 热探测器自身温度起伏决定的性能398

12.4.2 背景辐射决定的热探测器性能极限399

13.1.1 热噪声405

13.1 实际红外探测器的限制性噪声机构405

第十三章 实际红外探测器的噪声和性能限制405

13.1.2 电流噪声或1/f噪声406

13.1.3 产生-复合(g-r)噪声407

13.1.4 散粒噪声410

13.1.5 温度噪声412

13.1.6 介质损耗噪声414

13.2 不同噪声限的探测器性能416

13.2.1 光电导探测器性能416

13.2.2 光伏探测器性能418

13.2.3 测辐射热敏电阻性能420

13.2.4 热释电探测器性能421

13.3 放大器噪声及其对探测器性能的影响425

13.4 噪声与探测的统计学427

13.4.1 噪声的统计学427

13.4.2 探测的统计学429

主要参考文献432