自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì)混淆。熱發(fā)射這個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)也會(huì)被混入其中。以下是幫助理清問(wèn)題的基本定義以及測(cè)量這些參數(shù)的程序。

當(dāng)我們談到自發(fā)或受激發(fā)射時(shí)，我們指的是電子從激發(fā)態(tài)降至較低態(tài)并發(fā)射光子的原子。具體來(lái)說(shuō)，電子發(fā)射光子，然后從原子核周圍的外軌道落到內(nèi)軌道。在自發(fā)情況和模擬情況下，發(fā)生這種情況的機(jī)制是不同的。

自發(fā)發(fā)射是大多數(shù)普通光的產(chǎn)生機(jī)制。根據(jù)原子或分子的激發(fā)方式，該現(xiàn)象有不同的名稱。通過(guò)加熱以外的某種方式激發(fā)的原子(或分子)的自發(fā)發(fā)射稱為發(fā)光。根據(jù)激發(fā)原子的產(chǎn)生方式，發(fā)光有不同的形式(電致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光等)。

當(dāng)激發(fā)涉及輻射吸收時(shí)，自發(fā)發(fā)射就是熒光。當(dāng)分子具有亞穩(wěn)態(tài)水平并在激發(fā)輻射移除后繼續(xù)發(fā)出熒光時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生磷光。

自發(fā)發(fā)射中光子的相位是隨機(jī)的，光子傳播的方向也是隨機(jī)的。

自發(fā)發(fā)射發(fā)生的原因的解釋變得相當(dāng)復(fù)雜。物理學(xué)家必須設(shè)計(jì)出所謂的量子場(chǎng)論和量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)證明為什么會(huì)發(fā)生自發(fā)的能量躍遷。

然而，測(cè)量自發(fā)輻射的結(jié)果很簡(jiǎn)單。照度計(jì)(更具體地說(shuō)，光電二極管)是量化普通光源的光發(fā)射的主要工具。

自發(fā)發(fā)射引出了受激發(fā)射的定義。激光器通過(guò)自發(fā)發(fā)射啟動(dòng)，然后通過(guò)受激發(fā)射過(guò)渡到連續(xù)運(yùn)行。受激發(fā)射是指電子與光子形式的入射電磁波相互作用的過(guò)程。電子下降到較低的能級(jí)，但這樣做會(huì)將能量轉(zhuǎn)移到入射場(chǎng)。這一作用產(chǎn)生了一個(gè)與進(jìn)入的光子具有相同相位、頻率、偏振和行進(jìn)方向的光子。因此，光子發(fā)射是由另一個(gè)入射光子的作用激發(fā)的。

要使激光發(fā)生這種作用，必須存在一種稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件。在沒(méi)有外部刺激的情況下，處于低能態(tài)的原子總是多于處于高能態(tài)的原子。盡管原子吸收和發(fā)射能量是連續(xù)發(fā)生的，但原子在各種能態(tài)下的統(tǒng)計(jì)分布(數(shù)量)是恒定的。將能量注入系統(tǒng)會(huì)改變這種分布，從而產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其中處于較高能態(tài)的原子多于處于較低能態(tài)的原子。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的機(jī)制是激光泵浦。在激光器中，光腔包含由泵浦能量激發(fā)的增益介質(zhì)。它的兩端都有一個(gè)高度拋光的鏡子。光線在兩個(gè)鏡子之間反射并被放大。后鏡的反射率為 100%，而前鏡的反射率稍低。在每個(gè)周期中，都會(huì)有一點(diǎn)光通過(guò)反射率較低的鏡子逸出。但由于循環(huán)以很高的頻率重復(fù)，因此發(fā)射的激光量可能相當(dāng)大。

激光輸出的測(cè)量使用多種不同的技術(shù)，具體取決于所涉及的功率水平。激光功率計(jì)可以采用熱電堆檢測(cè)器，即串聯(lián)并緊密連接在一起的熱電偶陣列。用于激光功率測(cè)量的熱電堆利用溫差來(lái)產(chǎn)生電壓。一側(cè)是由激光(或任何其他輻射源)加熱的材料，另一側(cè)是散熱器。電壓與兩側(cè)的溫差成正比，而溫差又與激光功率成正比。

激光功率測(cè)量也可以使用普通光電二極管。與熱電堆相比，光電二極管速度更快，受溫度波動(dòng)影響更小，并且噪聲水平更低。但它們的高靈敏度使它們?nèi)菀资艿江h(huán)境光噪音的影響。它們通常與較低功率的激光器兼容。

一些激光功率測(cè)量使用熱釋電傳感器，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱釋電傳感器會(huì)產(chǎn)生電流。要使用熱釋電傳感器測(cè)量功率，必須以特定頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行斬波，以便儀器可以將其檢測(cè)到的變化轉(zhuǎn)換為功率讀數(shù)。熱釋電傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是它們傾向于在大頻帶上與激光一起工作。

還提供積分球檢測(cè)器。在這里，光通過(guò)一個(gè)小孔進(jìn)入空心球體，并在球體內(nèi)部擴(kuò)散，在球體的內(nèi)涂層上產(chǎn)生多次反射。球體中另一個(gè)位置的均勻照明的小孔徑對(duì)漫射光的一部分進(jìn)行采樣，并將其發(fā)送到傳感器上。這種結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)是積分球充當(dāng)衰減器，以允許使用更小、更快的探測(cè)器和更高功率的激光器。

*后，自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射可以與熱發(fā)射進(jìn)行對(duì)比。熱發(fā)射或熱輻射是電磁波的發(fā)射，因此代表熱能轉(zhuǎn)化為電磁能。熱能實(shí)際上是物質(zhì)中原子和分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。

所有溫度高于**零的物質(zhì)都是由具有動(dòng)能的粒子組成的。原子和分子中的質(zhì)子和電子帶有電荷。這些粒子之間的動(dòng)力學(xué)相互作用導(dǎo)致電荷加速和偶極子振蕩。這些振蕩產(chǎn)生耦合的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這些場(chǎng)導(dǎo)致光子發(fā)射。

熱輻射的質(zhì)量取決于其來(lái)源表面的特性。這些特性不僅包括溫度，還包括光譜吸收率和光譜發(fā)射功率。熱輻射由大量光子能量組成，這些光子能量構(gòu)成了輻射體的特征光譜。

與其表面處于熱力學(xué)平衡且其表面對(duì)所有波長(zhǎng)都具有**吸收率的輻射體稱為黑體。任何溫度下物體的熱輻射都會(huì)在很寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)生，其分布由普朗克黑體輻射定律給出。隨著發(fā)射器溫度的升高，發(fā)射輻射的主頻率范圍會(huì)轉(zhuǎn)移到更高的頻率。

測(cè)量熱發(fā)射的*簡(jiǎn)單方法是使用溫度計(jì)。但工業(yè)應(yīng)用通常涉及非平凡的排放情況。因此熱成像相機(jī)經(jīng)常用于測(cè)量熱發(fā)射細(xì)節(jié)。

熱成像相機(jī)利用的事實(shí)是，物體的溫度越高，它以黑體輻射的形式發(fā)出的紅外輻射就越多。熱成像相機(jī)檢測(cè)這種輻射的方式類似于檢測(cè)可見光的普通相機(jī)。需要注意的是，熱成像相機(jī)上的聚焦鏡頭不能由玻璃制成，因?yàn)椴Ａ?huì)阻擋長(zhǎng)波紅外光。通常熱輻射的光譜范圍從大約 700 nm 開始。因此鏡片必須使用特殊材料，如鍺、氟化鈣、晶體硅或特殊類型的硫族化物玻璃。