【正文】 能力都比同溫度下的絕對(duì)黑體要弱，而且熱輻射光譜也要發(fā)生一定程度的變化。是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的，但卻可以人工制造出近似的人工黑體。通常，由于光譜儀器、探測(cè)器等測(cè)量單元裝置的光譜響應(yīng)不平坦，會(huì)造成測(cè)量光譜的能量分布和絕對(duì)輻射譜有較大的差異，因此必須要進(jìn)行輻射譜校正（或稱(chēng)為能譜校正）。從這點(diǎn)考慮，點(diǎn)源作為黑體輻射源，使用激光器作為能源，不同的激發(fā)功率可以得到不同的輻射溫度，并且溫度和激發(fā)功率之間存在著線(xiàn)性增加的關(guān)系，課題所得到的納米尺度的黑體輻射點(diǎn)源在400900nm范圍能可以作為測(cè)量溫度的標(biāo)準(zhǔn)輻射源。這一現(xiàn)象反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)樣品的黑體輻射存在不同與普通材料的黑體輻射的特性，這一特性將在一下章中介紹。通過(guò)擬合，可以清晰地看出輻射溫度隨著激光強(qiáng)度的增大而增加。橫坐標(biāo)為激光器的輸出功率，縱坐標(biāo)為輻射溫度。 激光器工作電流的對(duì)應(yīng)功率工作電流（A）對(duì)應(yīng)功率（W）工作電流（A）對(duì)應(yīng)功率（W）78011228651202952128310361367，和通過(guò)擬合得到黑體輻射點(diǎn)源的輻射溫度。所得輻射點(diǎn)源可以近似認(rèn)為是黑體。400900nm范圍內(nèi)，黑體輻射光譜曲線(xiàn)處于上升區(qū)，擬合曲線(xiàn)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)基本重疊在一起。這一波段處在黑體輻射譜的上升區(qū)，對(duì)于溫度的變化較為明顯。黑色的點(diǎn)為波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的輻射點(diǎn)源輻射強(qiáng)度的相對(duì)值。同樣這里的數(shù)據(jù)需要使用標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行校正。(a)(b)，并且和普朗克公式進(jìn)行擬合的結(jié)果。 可見(jiàn)光部分輻射溫度與激發(fā)功率的關(guān)系經(jīng)過(guò)光譜儀的測(cè)量，并由數(shù)據(jù)采集卡得到輻射強(qiáng)度的相對(duì)值隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。 (a) 始探測(cè)激光器誘導(dǎo)得到的光譜，、。之后緩慢增大激光器的工作電流，可以發(fā)現(xiàn)隨著激光器工作電流的增大，樣品產(chǎn)生的熒光逐漸減小，熒光顏色從藍(lán)色向紫色變化，直到淬滅。 400900nm輻射譜測(cè)量裝置圖同樣，為了避免激光器本征波長(zhǎng)972nm對(duì)光譜儀探測(cè)的影響，方案依然跳過(guò)了9001000nm這個(gè)范圍不做探測(cè)。使用光電倍增管探測(cè)器，適當(dāng)?shù)膶?duì)樣品的輻射譜進(jìn)行放大，即在光譜顯示上為輻射點(diǎn)源產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度的的相對(duì)值隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。放大倍數(shù)300倍。測(cè)量樣品產(chǎn)生可見(jiàn)光部分（400900nm）的輻射光譜，課題采用了類(lèi)似于測(cè)量10001800nm 部分的實(shí)驗(yàn)裝置。點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的變化關(guān)系基本滿(mǎn)足了普朗克黑體輻射定律，因此課題得到了近似的黑體點(diǎn)源。同樣，灰體輻射所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依舊受到了標(biāo)準(zhǔn)譜不平坦的影響，和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了誤差?？梢钥闯鰯M合出的灰體輻射曲線(xiàn)基本符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，可以清晰分辨出來(lái)曲線(xiàn)的上升、峰值、下降。 通過(guò)灰體輻射擬合的圖像，很坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為輻射強(qiáng)度的相對(duì)值。當(dāng)然，課題所得到的并不是黑體。 掃描電鏡得到的輻射點(diǎn)源觀察由掃描電鏡得到的樣品表面圖像，可以清晰地看到樣品被激光器激發(fā)的表面和周?chē)鷽](méi)有被激發(fā)地方相比不再平整，樣品上被打出了孔洞。這是應(yīng)為激光的光輻射和樣品產(chǎn)生黑體輻射后產(chǎn)生了大量的熱，使得樣品表面溫度高于樣品的熔點(diǎn)，發(fā)生了相變。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)譜校正，而課題送用的標(biāo)準(zhǔn)譜缺少10001800nm這一部分的標(biāo)準(zhǔn)值，論文所用的標(biāo)準(zhǔn)值是經(jīng)過(guò)公式擬合得到，考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身存在誤差，以及熱動(dòng)力學(xué)的影響，因此造成標(biāo)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)擬合上有差別，可以認(rèn)為樣品經(jīng)過(guò)激光器的誘導(dǎo)得到了近似的黑體輻射點(diǎn)源。隨著工作電流增大，光譜的峰值的相對(duì)強(qiáng)度也在增大。曲線(xiàn)是所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)和普朗克黑體輻射公式擬合后得到的曲線(xiàn)。通過(guò)擬合數(shù)據(jù)，可以得到對(duì)應(yīng)工作電流時(shí)的輻射溫度。為波長(zhǎng)，單位為nm，T為溫度，單位為K。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡得到的輻射相對(duì)強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)，采用origin8軟件，和普朗克黑體輻射公式進(jìn)行擬合。圖中峰值清晰可見(jiàn)，隨著激光器工作電流增大，樣品產(chǎn)生的輻射峰值的相對(duì)強(qiáng)度增大。(a)(b)所示。因?yàn)榧す馄鞅旧淼牟ㄩL(zhǎng)為972nm，跳過(guò)該波段避免激光器波長(zhǎng)對(duì)光譜的影響。此時(shí)，樣品表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的白熾現(xiàn)象，樣品進(jìn)入黑體輻射區(qū)。 校正裝置圖 測(cè)量方案和結(jié)果測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，觀察產(chǎn)生到樣品產(chǎn)生熒光。校正光路只是在收集輻射譜實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行修改，用標(biāo)準(zhǔn)燈替換包括激發(fā)樣品在內(nèi)的之前的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。使用上述的實(shí)驗(yàn)方案，減少了輻射散射的損耗，通過(guò)光譜圖可以直接觀察峰值變化和峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的變化。光譜儀采集到的信息在計(jì)算機(jī)上顯示為相對(duì)強(qiáng)度依賴(lài)于波長(zhǎng)的變化規(guī)律。由于激光器的本身波長(zhǎng)是972nm，為了避免激光器對(duì)光譜探測(cè)時(shí)的干擾，實(shí)驗(yàn)跳過(guò)了9001000nm這一波段。激光光束激發(fā)樣品產(chǎn)生輻射后，激發(fā)的光束經(jīng)過(guò)由兩個(gè)平凸透鏡組成的匯聚系統(tǒng)，對(duì)光束進(jìn)行聚焦可以減少樣品被激發(fā)輻射的發(fā)散損耗，有利于的探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)。激發(fā)光譜通常用來(lái)檢驗(yàn)關(guān)于能量轉(zhuǎn)換盒上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體能級(jí)的相關(guān)假設(shè)。而實(shí)驗(yàn)中得到的輻射源可否認(rèn)近似認(rèn)為是黑體下面將作出解釋。實(shí)驗(yàn)樣品屬于非晶固體，而聲子是樣品產(chǎn)生熱輻射的能量量子。在熒光淬滅之后材料吸收的激光能量不再轉(zhuǎn)化成光能，更多的以熱輻射的形式發(fā)出。在470K時(shí)，襯底ZrO2發(fā)生了結(jié)構(gòu)性相變，而這個(gè)溫度低于襯底的熔點(diǎn)。第3章 Tm,Yb:ZrO2黑體輻射特性 納米材料黑體輻射模型以確定的激光器輸出強(qiáng)度激發(fā)樣品，樣品溫度的快速增加使得樣品產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度快速增加。其中論文中提到的黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)行為的變化依據(jù)和灰體輻射公式是結(jié)合了相關(guān)文獻(xiàn)后完成的。最樣品燒制成后呈白色粉末狀，用壓片機(jī)將粉末壓成直徑10 mm厚度約1 mm的納晶薄片，即制成最終測(cè)試樣品。本實(shí)驗(yàn)采用Yb:Tm=8%:%的樣品。 實(shí)驗(yàn)材料的制備按一定的化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取硝酸氧鋯[ZrO(NO3)2]和Yb(NO3)Tm(NO3)3溶于水中， g EDTA（乙二胺四乙酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）（金屬離子：尿素=1：2），攪拌20 min，移入坩堝內(nèi)，在100度下燒1 h，再升溫至800度燒3 h。 樣品熱導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律作為產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的理論模型，公式()—()帶入公式()可得樣品吸收強(qiáng)度與熒光輻射強(qiáng)度、黑體輻射強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)強(qiáng)度的關(guān)系： ()公式中K的取值為常數(shù)，αs為非共振吸收系數(shù)，即背景的吸收和散射造成的輻射。可知，當(dāng)溫度較低(T1000K)時(shí)，K(T)隨著溫度T的增加成指數(shù)下降關(guān)系，即激光器的隨著輸出功率升高，熱導(dǎo)的下降速度越快。根據(jù)熱導(dǎo)作為一個(gè)重要的參數(shù)，它對(duì)黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)有重要影響。任何物體都有熱導(dǎo)，樣品的導(dǎo)熱使得樣品產(chǎn)生的能量向外傳遞。也是關(guān)于溫度T的函數(shù)，它的表達(dá)式為： ()表達(dá)式中h為普朗克常數(shù)，1034，單位為Js，c為光速，108m/s，k為波爾茲曼常數(shù)，1023J/K，λ為T(mén)m的輻射波長(zhǎng)，其值為801nm，N為T(mén)m離子激發(fā)態(tài)能級(jí)無(wú)輻射弛豫所釋放的聲子數(shù)，在本課題中取1。表示Yb離子的量子傳遞效率，表示Tm離子的輻射量子效率，表示Tm離子的逃逸量子效率。是輻射強(qiáng)度，包括三部分，即： ()其中表示納米材料中稀土離子吸收能量產(chǎn)生的熒光輻射光強(qiáng)能量，表示樣品產(chǎn)生的黑體輻射的能量，表示熱傳導(dǎo)的能量。 黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)理論模型從黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)的基本模型出發(fā)，即。將公式()帶入公式()中，可以得到灰體輻射下的熵強(qiáng)度，即： ()表達(dá)式中，表達(dá)式()求從0到無(wú)窮的積分，考慮到實(shí)驗(yàn)所用樣品產(chǎn)生的是平面極化輻射，取為1，并轉(zhuǎn)化球面度單位到平面單位，可得灰體輻射輻射強(qiáng)度的公式，即： ()表達(dá)式中取，為黑體輻射強(qiáng)度公式。根據(jù)灰體輻射和黑體輻射之間的關(guān)系，即 ()表達(dá)式中黑體輻射的光譜方向輻射強(qiáng)度，表示灰體輻射的光譜方向輻射強(qiáng)度，光譜發(fā)射率。課題所得到的輻射譜中不僅存在著黑體輻射，而且存在著很多包括灰體輻射在在內(nèi)的非黑體輻射。即某種物體的輻射光譜是連續(xù)的，并且在任何溫度下所有各波長(zhǎng)射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度與同溫度黑體的相應(yīng)波長(zhǎng)射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度之比等于常數(shù),那么這種物體就叫做理想灰體，或簡(jiǎn)稱(chēng)灰體。 灰體輻射理論眾所周知，黑體是理想化的模型，它跟現(xiàn)實(shí)中的輻射源有一定區(qū)別。同樣由于固液相變時(shí)納米材料反射率的突然降低，增加了材料對(duì)激光器入射的吸收。這是討論發(fā)生在納米材料中黑體輻射首先要了解的原理。 2700K時(shí)的黑體輻射譜除了分析光譜的形狀，我們還將研究激發(fā)黑體輻射激光器的功率與黑體輻射的溫度之間關(guān)系。通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射擬合并把頻譜溫度作為唯一的擬合參數(shù)的比較方法成為論文采用的獲得納米材料頻率溫度的必要手段。由于黑體輻射譜的頻譜寬度延伸至紅外部分，因此想要完成較為完整的光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量變得比較困難。在本課題中黑體輻射是指幾乎完全吸收了所有入射光產(chǎn)生的熱輻射。黑體輻射從在于任何溫度高于絕對(duì)零度的物質(zhì)上。普朗克公式是課題研究激發(fā)得到的輻射源是否為黑體、溫度與激光器激發(fā)功率關(guān)系、輻射源所具有的黑體輻射特性的重要理論工具。普朗克公式在近代物理發(fā)展中占有極其重要的地位。該公式所得的理論圖像在低頻范圍內(nèi)可以很好地與實(shí)驗(yàn)圖像匹配，但是在高頻范圍內(nèi)則存在很大的偏差，如果對(duì)上面公式進(jìn)行全頻率積分的話(huà)就會(huì)得到能量密度為無(wú)窮大的結(jié)果，這顯然是不正確的，物理學(xué)史上稱(chēng)為“紫外災(zāi)難”。1023J/K。瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，研究密封空腔中的電磁場(chǎng)，得到了空腔輻射的能量密度ω(λ，T)按頻率分布的公式，即 ()其中k是波爾茲曼常數(shù)。因此黑體光譜輻射出度峰值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)與黑體的絕對(duì)溫度T成反比。由該公式所得到的結(jié)果在高頻范圍內(nèi)很好的吻合了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，但是在低頻范圍內(nèi)改公式與實(shí)際黑體輻射曲線(xiàn)有較大偏差。維恩位移定律：1896年，維恩從經(jīng)典熱力學(xué)和麥克斯韋分布定律出發(fā)推導(dǎo)出溫度與頻率的關(guān)系，即 ()公式中α和β為常量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，同過(guò)斯蒂芬波爾茲曼公式可以由總的輻射出度R得出黑體的溫度，這就是輻射法測(cè)高溫物體溫度的依據(jù)。這與我們熟知的由斯蒂芬得出的輻射出度R與溫度T的四次方成正比相似，波爾茲曼通過(guò)理論推導(dǎo)得出了這個(gè)關(guān)系，這個(gè)關(guān)系就是我們熟悉的斯蒂芬波爾茲曼定律，可以表示為 ()式中稱(chēng)為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，它可以通過(guò)普朗克公式推導(dǎo)得出，大小為=180。斯蒂芬波爾茲曼定律：溫度一定的黑體所發(fā)出的熱輻射通過(guò)光譜儀展寬可以得到光譜輻射出度與與波長(zhǎng)間的關(guān)系。并且電磁波的能量隨著溫度的不同，它按照波長(zhǎng)的分布也不同。但是要注意如果被測(cè)物體是對(duì)入射光的波長(zhǎng)有較強(qiáng)的選擇性的輻射提時(shí)，色溫度就會(huì)有較大的誤差，色溫度也就失去了意義。色溫度設(shè)某一溫度的絕對(duì)黑體與實(shí)際物體在某兩個(gè)波長(zhǎng)的光譜輻出度之比相等，則黑體的溫度稱(chēng)為該物體的色溫度。 黑體輻射的基本概念光譜輻射出射度頻率為υ的光譜輻射出射度是指：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從物體單位表面積發(fā)出的、頻率在υ附近單位頻率間隔內(nèi)的電磁波能量。紅外輻射是一種電磁輻射，它既具有與可見(jiàn)光相似的性質(zhì)，如反射、折射、干涉等，又具有粒子性，可以以光子的形式被發(fā)射和吸收。而對(duì)于任何具有絕對(duì)零度以上溫度的物體都有黑體輻射。黑體是種被理想化的物體。 黑體輻射的相關(guān)理論所謂黑體是指這樣一種物體，在任何溫度下，它