图1.13 黑体辐出度Meb(T, ?)—T, ??曲线
图1.13是普朗克公式所描述的不同温度下黑体辐出度Meb(T, ?)—T, ??关系曲线，由图及公式(1.39)可知：
① 光谱辐出度Meb(T,?)随波长?连续变化，每条曲线只有一个极大值；
② 不同温度的各条曲线彼此不相交。在任一波长上，温度T越高，光谱辐出度越大，反之亦然，每一曲线下面的面积等于?T；
③ 随着温度T的升高，曲线峰值所对应的波长(峰值波长)向短波方向移动，这表明黑体辐射中短波部分所占比例增大；
④ 波长小于?m部分的能量约占25%，波长大于?m部分的能量约占75%。 将普朗克公式从零到无穷大的波长范围进行积分，就得到斯忒藩-玻耳兹曼定律，而对普朗克公式进行微分，求出极大值，可得到维恩位移定律。
(2) 斯忒藩-玻耳曼定律——绝对黑体全波段积分辐出度
由普朗克绝对黑体光谱辐出度公式(1.39)，对波长?从0~?积分可得到绝对黑体全波积分辐出度的表达式，此即斯忒藩-玻耳兹曼定律
4Meb???0c1π44Meb(T,?)d??T??T4415c244[W/cm2] (1.40)
式中，? 为斯忒藩-玻耳兹曼常数，??c1π/(15c2)=5.6687×10-12 W/(cm2K4)。
该定律表明：黑体的全波辐出度与其温度的四次方成正比。因此，当黑体温度有很小的变化时，就会引起辐出度的很大变化。当T=300K，则Meb=460W/m2；当T=6000K，则Meb=7.36 ×107W/m2。
(3) 维恩位移定律——黑体辐射谱的移动
将普朗克公式(1.39)对波长?求导数并求极值，即有
?mT?b?2897.8μm?K (1.41)
此即维恩位移定律， 该定律表明，黑体光谱辐出度峰值对应的波长与黑体的势力学温度
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成反比。一些常见物体的辐射峰值波长如表1.4所示。
表1.4 一些常见物体的辐射峰值波长
物体名称 太阳 熔铁 熔钢 喷气飞机尾喷管 人体 温度/K 6000 1803 1173 700 310 峰值波长/m 0.48 1.61 2.47 4.14 9.35 物体名称 冰 液氧 液氮 液氦 温度/K 273 90 77.2 4.4 峰值波长/m 10.61 32.19 37.53 658.41 一般强辐射体有50%以上的辐射能集中在峰值波长附近，因此，2000K以上的灼热金属，其辐射能大部分集中在3μm以下的近红外区或可见光区。人体皮肤的辐射波长范围主要在2.5μm ~15μm，其峰值波长在9.5μm处，其中8μm ~14μm波段的辐射能占人体总辐射能的46%，而温度低于300K的室温物体，有75%的辐射能集中在10μm以内的红外区。朗伯辐射源是在各方向上的辐亮度相等的辐射源。
1.4.3 自然辐射源——太阳、天空
自然光源主要包括太阳、月亮、恒星和天空等。太阳是直径约为1.392×109m的光球，它到地球的年平均距离是1.496×1011m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533°，太阳光谱能量分布相当于5900 K左右的黑体辐射。其平均辐亮度为2.01×107 W·m-2·sr-1，平均亮度为1.95×109 cd/m2；太阳常数(在地球―太阳的年平均距离，在垂直太阳的入射方向上，大气层外太阳对地球的辐照度), 即为1367?7W/m2。
在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为：紫外区 (?<0.38μm) 6.46%；可见区(0.38μm ~0.78μm) 46.25%；红外区(?>0.78μm) 47.29% ；辐射到地球上的太阳光，要穿过一层厚厚的大气层，因而在光谱、空间分布、能量大小、偏振状态等方面都发生了变化。大气中的氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其他碳氢化合物(如CH4) 等，都在不同程度上吸收太阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质。在标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，如图1.14所示，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带。
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图 1.14 太阳的光谱能量分布曲线
为了解各种自然光照在不同条件下的大致数量范围，表1.5给出了近地天空的亮度。
表1.5 近地天空的亮度
天空情况 晴天 阴天 阴沉天 阴天(日落时) 晴天(日落后一刻钟) 亮度(cd/m2) 104 103 102 10 1 天空情况 晴天(日落后半小时) 明亮月光 无月晴空 无月阴空 亮度(cd/m2) 10-1 10-2 10-3 10-4 1.4.4 激光光源及其特点
激光(Laser)是受激辐射的光放大，是典型的人造光源。 1. 激光器的基本结构
激光器的基本结构如图1.15所示。它由工作介质(或工作物质)、泵浦源(激励源)、谐振腔三大要素构成。此外，还可添加光控因子。产生激光必须实现粒子数的反转。
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图1.15 激光器的基本结构
激光形成的过程是：激光工作介质受到泵浦源的激励被激活，介质中的粒子将跃迁至高能级，随后又自发跃迁至低能级，产生自发辐射；这些自发辐射光子向四面八方传播，只有沿谐振腔轴线方向传播的光才能被反射镜反射；当高能级上的粒子与反射光子具有同频率和相位时，产生受激辐射，形成同波长、同相位的光波，即驻波，它的一部分作为激光从输出镜(部分反射镜)一端输出。谐振腔的作用是形成驻波，通常由相对平行放置的两面镜子构成。为了使一部分激光输出，谐振腔一端的镜子不是反射全部的光，即反射率小于100%。
根据使用目的，可以对输出激光或光学谐振腔进行调节。通过改变、收集光向，或改变强度、偏转方向使输出功率在空间保持恒定。有时也通过抑制发射谱线的线宽，获得单一波长的光。为此，通常在谐振腔内部或外部使用光控因子。
根据工作物质的不同，激光器分为固体激光器(其工作物质为固体，如红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等)、气体激光器(工作物质为He-Ne, CO2，Ar?等)和半导体激光器(工作物质为GaAs，GaSe，GaS，PbS等)。激励系统有光激励、电激励、核激励和化学反应激励等。光学谐振腔用来提供光的反馈，以实现光的自激振荡，对弱光进行放大，并对振荡光束方向和频率进行选择，保证光的单色性和方向性。
固体激光器一般用光泵激励形成受激辐射，辐射能量大，比气体激光器高出三个量级，输出激光的波长范围宽，从紫外到红外都可得到稳定的激光输出，可以输出脉冲光、重复脉冲光和连续光，常用于打孔、焊接、测距、雷达等。
气体激光器中的CO2激光器输出功率大，能量转换效率高，输出波长为10.6 μm的红外光。它广泛用于激光加工、医疗、大气通信和军事上。半导体激光器体积小、效率高、寿命长、携带与使用方便，尤其是可以直接进行电流调制，广泛用于光电测量、激光打印、光存储、光通信、光雷达等。
2. 激光的特点
了解激光的特点，对光电信息技术是十分重要的。 (1) 激光的单色性好
激光的带宽很窄。带宽由原子固有能级的受激跃迁和光学谐振腔的波长选择所决定，因而激光辐射的谱宽度与光学谐振腔的品质因数有关，常由下式计算
??腔??V/(2πl) (1.42)
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式中，?为辐射在激光物质中通过一次并从腔玻璃反射的损失；V为光在激光物质中的传播速度；l为光学反射腔的腔长。
一个好的激光器，其带宽在106Hz以下，激光谱线宽度很窄，即波长变化范围很小，单色性很好。如He-Ne激光器发出一波长为632.8 nm的红光，光频f为4.74×1014Hz，而高精度稳频后的谱线宽度，即频率变化范围只有2 Hz。普通光源的He-Ne气体放电管发出同样频率的光，其谱线宽度为1.52×109Hz，可见He-Ne激光比He-Ne普通光的单色性高10倍。
(2) 激光具有高方向性
光辐射的方向性常以光束发散角的数值来表征。若波长为λ，辐射光束的光斑直径是d，则由衍射现象限定的最小发散角
9??2arcsin??0.61d?1.22? (1.43) d以?=0.63 ?m、d=2 mm的氦氖激光为例，由此计算出的发散角不大于3.8×10-4 rad。由于激光束是向空间传播的，因此还应当引入立体角?，如果激光束的发散角是?，它所对应的立体角为??π?。量级为10-4 rad的发散角所对应的发散立体角即为10-8量级。 半导体激光器纵向发散角约5~10，其方向性较差。高方向性使得激光可以用来测量距离和目标指示以及激光打孔。
(3) 激光具有高亮度和高功率辐射密度
激光束方向性很好，在空间传播是一个立体角很小的圆锥光束。激光发散角?很小，若?角为10rad，那么??π?10。由亮度定义可知，激光的亮度是极高的。如果普通光源与某激光光源有相同的辐射通量，而其发光立体角比激光大数百万倍，因此激光的亮度比普通光源高上百万倍。如气体激光器亮度可达104~108W/(sr·cm)，固体激光器发光亮度约为107~1011W/(sr·cm)，而太阳表面亮度为2×103W/(sr·cm)，可见激光亮度比太阳表面亮度高出几个到十几个数量级。激光的高亮度使光电测量距离更远，信噪比更高，尤其适合于遥测和遥控。
(4) 激光具有优越的相干性
激光辐射是相干辐射，其相干性包括空间相干性和时间相干性。激光束的空间相干性是指在同一时刻，两个不同空间点上光波场之间的相干性，它决定于光源的面积，如果在空间体积Vc内的光波场都具有明显的相干性，则把Vc称为相干体积，Vc表示为垂直于光束传播方向的截面上的相干面积Ac与传播方向的相干长度Lc的乘积
222?3?6??2Vc?AcLc (1.44)
激光束的空间相干性与激光的模式结构紧密相关。单横模结构具有良好的光波场空间相干性和好的方向性。反之，多模结构则因不同模式的光波场非相干性而使激光的空间相干程度降低。
激光束的时间相干性是指在同一空间点上两个不同时刻t1和t2的光波场之间的相干性，并把光波场具有明显相干的时间间隔?c=t2-t1称为相干时间，显然，相干时间与空间相
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