改 2光電儀器中的常用光源

1、第二章第二章 光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源l光源的分類光源的分類l第一節(jié)第一節(jié) 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)l第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射光源熱輻射光源l第三節(jié)第三節(jié) 氣體放電光源氣體放電光源l第四節(jié)第四節(jié) 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源l第五節(jié)第五節(jié) 激光器激光器l第六節(jié)第六節(jié) 紫外光源紫外光源光源的分類光源的分類l天然光源天然光源太陽、人體太陽、人體l人造光源人造光源熒光燈、發(fā)光二激管、激光器熒光燈、發(fā)光二激管、激光器l按產(chǎn)生機理按產(chǎn)生機理l熱輻射光源熱輻射光源連續(xù)光譜（太陽）連續(xù)光譜（太陽）l氣體放電光源氣體放電光源熒光燈、鈉燈熒光燈、鈉燈l固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源發(fā)光二極管發(fā)光二

2、極管l激光器激光器半導(dǎo)體激光器、固體激光器半導(dǎo)體激光器、固體激光器太陽光照明為人眼提供的屬于人類的世界面貌太陽光照明為人眼提供的屬于人類的世界面貌人造圖像探測器、顯示器（人造圖像探測器、顯示器（CCDCCD）怎么還原屬于人類的世）怎么還原屬于人類的世界面貌界面貌人造光源怎樣取代太陽照明（顯色性）人造光源怎樣取代太陽照明（顯色性）10um相干性、準(zhǔn)直性好、亮度高相干性、準(zhǔn)直性好、亮度高容易被調(diào)制容易被調(diào)制第二章第二章 光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源l光源的分類光源的分類l第一節(jié)第一節(jié) 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)l第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射光源熱輻射光源l第三節(jié)第三節(jié) 氣體放電光源氣

3、體放電光源l第四節(jié)第四節(jié) 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源l第五節(jié)第五節(jié) 激光器激光器第一節(jié)第一節(jié) 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)l輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率l光譜功率分布光譜功率分布l空間光強分布空間光強分布l光源的色溫光源的色溫l光源的顏色光源的顏色輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率l輻射效率輻射效率 在給定在給定12波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比。射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比。稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率 PdPeee21)(l發(fā)光效率發(fā)光效率 某一光源的發(fā)

4、射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所某一光源的發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比。需的電功率之比。l發(fā)光效率越高越適合照明，但不一定適合顯色發(fā)光效率越高越適合照明，但不一定適合顯色 l555納米綠光發(fā)光效率理論上可達納米綠光發(fā)光效率理論上可達683lm/Wl白熾燈的發(fā)光效率極限是白熾燈的發(fā)光效率極限是52lm/WPdvKPemvv780380)()(光譜功率分布光譜功率分布 l描述光源的輻射功率隨波長的分布情況描述光源的輻射功率隨波長的分布情況l四種典型的光譜分布四種典型的光譜分布P()P()P()P()氦氖激光器線狀光譜氦氖激光器線狀光譜高壓汞燈帶狀光譜（紫外曝光固化）高壓汞燈帶狀光譜（紫

5、外曝光固化）熒光高壓汞燈（用于照明、投影儀）高壓鈉燈帶狀光譜白熾燈連續(xù)光譜白熾燈連續(xù)光譜可見光可見光熒光燈混合光譜熒光燈混合光譜光柵光譜儀光柵光譜儀l選擇光源時，應(yīng)根據(jù)測量對象的要求來決定光選擇光源時，應(yīng)根據(jù)測量對象的要求來決定光譜功率分布譜功率分布l目視光學(xué)系統(tǒng)：一般選可見光譜輻射比較豐富目視光學(xué)系統(tǒng)：一般選可見光譜輻射比較豐富的光源（日光燈，白熾燈）的光源（日光燈，白熾燈）l彩色攝影用光源：選用類似日光色光源，鹵鎢彩色攝影用光源：選用類似日光色光源，鹵鎢燈燈l紫外分光光度計：氘燈，紫外汞燈，紫外輻射紫外分光光度計：氘燈，紫外汞燈，紫外輻射較強較強空間光強分布空間光強分布l空間光強分布曲線（

6、配光曲線）空間光強分布曲線（配光曲線）l極坐標(biāo)法：極坐標(biāo)法：各方向矢徑長度正比光強分布各方向矢徑長度正比光強分布l在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選在光學(xué)儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。一般白熾燈配光曲線一般白熾燈配光曲線LED燈管配光曲線燈管配光曲線光源的色溫光源的色溫l分布溫度分布溫度(用黑體溫度描述光源用黑體溫度描述光源光譜分布光譜分布) l熱輻射源熱輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那麼

7、該黑體的溫度就稱為該輻功率分布一致，那麼該黑體的溫度就稱為該輻射源的射源的分布溫度分布溫度。l這種輻射體的光譜輻亮度可表示為：這種輻射體的光譜輻亮度可表示為：l對于對于氣體放電光源氣體放電光源，其光譜能量分布很少與黑，其光譜能量分布很少與黑體的相似，所以對這些光源來講，分布溫度沒體的相似，所以對這些光源來講，分布溫度沒有意義有意義 11),(/512vTcveecTLl色溫色溫(用黑體溫度表示用黑體溫度表示光源顏色光源顏色)l輻射源發(fā)光時的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的輻射源發(fā)光時的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射

8、源的色溫。l由于顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同，由于顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同，相對光譜功率分布（分布溫度）不一定相同。相對光譜功率分布（分布溫度）不一定相同。l低色溫光源主要是紅外輻射，通常稱為低色溫光源主要是紅外輻射，通常稱為“暖光暖光”；色溫提高后，藍輻射的比例增加，通常稱為色溫提高后，藍輻射的比例增加，通常稱為“冷冷光光”。 常用光源色溫值一覽表常用光源色溫值一覽表類類別別 光源光源色溫值色溫值K 自自 然然 光光日出、日落的陽光日出、日落的陽光日出日出1小時的陽光小時的陽光日出日出2小時的陽光小時的陽光 9點點16點點正午陽光正午陽光日光（散射光與直射光日光（

9、散射光與直射光的的 混合光）混合光）晴天陰影處晴天陰影處均勻的云遮日均勻的云遮日陰天陰天 20003500470050005800550058005500 6000左右左右640069006500以上以上冷光對于云層的穿透能力比暖光強冷光對于云層的穿透能力比暖光強 常用光源色溫值一覽表常用光源色溫值一覽表類類別別 光源光源色溫值色溫值K 人人 造造 光光 火柴的火焰火柴的火焰 臘燭光臘燭光 標(biāo)準(zhǔn)燭光標(biāo)準(zhǔn)燭光 40W60W白熾燈白熾燈 100W200W白熾燈白熾燈 500W鎢絲燈鎢絲燈 鹵鎢燈鹵鎢燈、碘鎢燈、碘鎢燈金屬鹵化物燈金屬鹵化物燈攝影日光燈攝影日光燈電子閃光燈電子閃光燈 日光色熒光燈日光

10、色熒光燈 三基色熒光燈三基色熒光燈 1700185019302600280029603150320056006000550060005500600032006000光源的顏色光源的顏色 作為光源，除了要求光效高之外，還要求它發(fā)出的光作為光源，除了要求光效高之外，還要求它發(fā)出的光具有良好的顏色。光源的顏色有兩方面的意思：色表具有良好的顏色。光源的顏色有兩方面的意思：色表和顯色性。和顯色性。 l色表：色表：用眼睛直接觀察光源時所得到顏色感覺，叫光用眼睛直接觀察光源時所得到顏色感覺，叫光源的色表源的色表l高壓鈉燈呈黃色，熒光燈的呈白色。高壓鈉燈呈黃色，熒光燈的呈白色。l顯色性：顯色性：當(dāng)用光源照射物

11、體時，物體呈現(xiàn)的顏色與該當(dāng)用光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色與該物體在完全輻射照射下（日光下）所呈現(xiàn)的顏色的一物體在完全輻射照射下（日光下）所呈現(xiàn)的顏色的一致性。致性。l國際照明委員會（）規(guī)定了種特殊物體作為國際照明委員會（）規(guī)定了種特殊物體作為檢驗光源顯色性的檢驗光源顯色性的“試驗色試驗色”。顯色性顯色性l高壓汞燈路燈高壓汞燈路燈l色表好：白色。色表好：白色。l顯色性差：照射的人的面孔時，看起來好像在顯色性差：照射的人的面孔時，看起來好像在臉上抹了一層青灰臉上抹了一層青灰l鎢絲燈鎢絲燈l色表差：偏紅、偏黃色表差：偏紅、偏黃l顯色性好：受照物體的顏色卻很少失真顯色性好：受照物體的顏色卻很少失真l

12、氙燈氙燈l色表好：白色色表好：白色l顯色性好顯色性好第二章第二章 光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源l光源的分類光源的分類l第一節(jié)第一節(jié) 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)l第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射光源熱輻射光源l第三節(jié)第三節(jié) 氣體放電光源氣體放電光源l第四節(jié)第四節(jié) 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源l第五節(jié)第五節(jié) 激光器激光器第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射光源熱輻射光源 l特點特點 輻射特性與溫度密切相關(guān)輻射特性與溫度密切相關(guān) 輻射特性可以用普朗克公式進行計算輻射特性可以用普朗克公式進行計算 光譜分布為連續(xù)光譜（光譜范圍很寬）光譜分布為連續(xù)光譜（光譜范圍很寬）l分類分類 人工輻射源：人造黑體、白熾燈等人工輻

13、射源：人造黑體、白熾燈等 目標(biāo)輻射源：飛機、坦克等目標(biāo)輻射源：飛機、坦克等 自然輻射源：太陽、地面、云層等自然輻射源：太陽、地面、云層等太陽太陽l大氣層外，輻照度中紫外占大氣層外，輻照度中紫外占6.46%，可見，可見46.25%，紅外，紅外47.29%l地面，大氣的吸收光譜比較復(fù)雜。地面，大氣的吸收光譜比較復(fù)雜。大氣窗口及紅外材料大氣窗口及紅外材料大氣窗口大氣窗口l電磁波輻射在大氣傳輸中透過率較高的波段稱電磁波輻射在大氣傳輸中透過率較高的波段稱為大氣窗口為大氣窗口l大氣對電磁波有散射和吸收等因數(shù)的影響大氣對電磁波有散射和吸收等因數(shù)的影響遙感中使用的一些大氣窗口為遙感中使用的一些大氣窗口為：l0

14、.31.155m(紫外、可見光、近紅外窗口紫外、可見光、近紅外窗口)l遙感攝影成像的最佳波段遙感攝影成像的最佳波段l0.30.4m，透過率約為，透過率約為70%l0.40.7m，透過率大于，透過率大于95%l0.71.1m，透過率約為，透過率約為80% l1.41.9m（近紅外窗口）（近紅外窗口）l透過率為透過率為60%95%，其中，其中1.551.75m透過率透過率較高。該波段在白天日照條件好的時候掃描成較高。該波段在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段。用以探測植物含水量以及云、像常用這些波段。用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖雪或用于地質(zhì)制圖 l2.02.5m（近紅外窗口）（

15、近紅外窗口）l透過率約透過率約80%。 l3.55.0m（中紅外窗口）（中紅外窗口）l透過率為透過率為60%70%。該波段物體的熱輻射較強。該波段物體的熱輻射較強。l3.553.93m探測海面溫度，獲得晝夜云圖探測海面溫度，獲得晝夜云圖 l8.014.0m（熱紅外窗口）（熱紅外窗口）l透過率約透過率約80%。主要來自物體熱輻射的能量，。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標(biāo)的地物溫度。適于夜間成像，測量探測目標(biāo)的地物溫度。 l1.01.8mm（微波窗口）（微波窗口）l透過率約透過率約35%40% l2.05.0mm（微波窗口）（微波窗口）l透過率約透過率約50%70% l8.01

16、000.0mm（微波窗口）（微波窗口）l透過率約透過率約100%。由于微波具有穿云透霧的特性，。由于微波具有穿云透霧的特性，因此具有全天候、全天時的工作特點因此具有全天候、全天時的工作特點可見光可見光380-780nm380-780nm紅外材料紅外材料l紅外窗口材料紅外窗口材料 l紅外透射率高紅外透射率高l化學(xué)穩(wěn)定性高化學(xué)穩(wěn)定性高l便于封接等特點便于封接等特點l13微米：鍺、硅、石英；微米：鍺、硅、石英；l35微米：白寶石（氧化鋁單晶微米：白寶石（氧化鋁單晶 ）、硅、氟化）、硅、氟化鎂、氟化鈣；鎂、氟化鈣；l814微米：鍺、硅、硫化鋅微米：鍺、硅、硫化鋅l 紅外光學(xué)玻璃紅外光學(xué)玻璃 l無定形結(jié)

17、構(gòu)，比晶體材料的光學(xué)均勻性好無定形結(jié)構(gòu)，比晶體材料的光學(xué)均勻性好l可用以制作大尺寸的光學(xué)零件可用以制作大尺寸的光學(xué)零件l大氣中的性能是穩(wěn)定大氣中的性能是穩(wěn)定l制備及退火比晶體簡單制備及退火比晶體簡單l近、中紅外近、中紅外：石英玻璃、：石英玻璃、K-8玻璃和玻璃和N344玻璃玻璃l紅外光學(xué)晶體紅外光學(xué)晶體 l一種主要的紅外光學(xué)材料一種主要的紅外光學(xué)材料l可以選擇透過可以選擇透過任何紅外光譜波段任何紅外光譜波段的晶體的晶體l晶體中折射率和色散的變化比其它材料強得多晶體中折射率和色散的變化比其它材料強得多l(xiāng)晶體的熔點高，熱穩(wěn)定性好晶體的熔點高，熱穩(wěn)定性好l石英石英(SiO2) 、螢石、螢石(CaF2

18、) 、氟鎂石、氟鎂石(MgF2) 、鍺、硅鍺、硅各種紅外線透材料及其性質(zhì)各種紅外線透材料及其性質(zhì)紅外透射材料紅外透射材料紅外透射材料紅外透射材料白熾燈白熾燈l白熾燈的特點：白熾燈的特點：l鎢絲熔點高鎢絲熔點高（3680K），蒸發(fā)率低，高溫時仍有足夠的，蒸發(fā)率低，高溫時仍有足夠的強度，加工容易強度，加工容易l能量損失大，可見輻射僅有能量損失大，可見輻射僅有8%18%。l發(fā)光效率與壽命之間存在矛盾發(fā)光效率與壽命之間存在矛盾l顯色性好顯色性好l應(yīng)用：應(yīng)用：照明，用作光電測量、輻射度量和光度量的標(biāo)照明，用作光電測量、輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源準(zhǔn)光源l分類分類l真空白熾燈：防止鎢絲高溫氧化真空白熾燈：防

19、止鎢絲高溫氧化 l充氣白熾燈：惰性氣體（原子碰撞充氣白熾燈：惰性氣體（原子碰撞,抑制鎢蒸發(fā)）抑制鎢蒸發(fā)）l鹵鎢白熾燈：在充氣白熾燈內(nèi)摻入微量鹵族元素鹵鎢白熾燈：在充氣白熾燈內(nèi)摻入微量鹵族元素充氣鎢絲燈充氣鎢絲燈真空鎢絲燈真空鎢絲燈鹵鎢燈鹵鎢燈l真空鎢絲燈：真空鎢絲燈：l并非高真空，消氣劑五氮化三磷并非高真空，消氣劑五氮化三磷P3N5升華時能升華時能吸收氧氣和水蒸氣，阻止鎢絲氧化蒸發(fā)。吸收氧氣和水蒸氣，阻止鎢絲氧化蒸發(fā)。l充氣鎢絲燈：充氣鎢絲燈：l氬、氮等惰性氣體，不與蒸發(fā)出來的鎢原子反氬、氮等惰性氣體，不與蒸發(fā)出來的鎢原子反應(yīng)，部分鎢原子能碰巧返回或被氣體分子碰撞應(yīng)，部分鎢原子能碰巧返回或被氣

20、體分子碰撞回?zé)艚z，有效抑制鎢的蒸發(fā)，提高工作溫度，回?zé)艚z，有效抑制鎢的蒸發(fā)，提高工作溫度，增大發(fā)光效率增大發(fā)光效率l新問題：新問題：l對流的氣體會把更多的熱量傳遞給玻殼，并通對流的氣體會把更多的熱量傳遞給玻殼，并通過玻殼散失到周圍的空間，增加熱的損失，降過玻殼散失到周圍的空間，增加熱的損失，降低發(fā)光效率。低發(fā)光效率。l解決辦法：解決辦法：l氪、氙氪、氙傳熱本領(lǐng)差，造成的熱損失小。發(fā)光效傳熱本領(lǐng)差，造成的熱損失小。發(fā)光效率比充率比充氬、氮氬、氮的燈泡高約的燈泡高約30，而燈泡的壽命，而燈泡的壽命并不縮短。并不縮短。l氪、氙含量少，只有氬的含量的萬分之一和十氪、氙含量少，只有氬的含量的萬分之一和十

21、萬分之一，所以制取困難，身價高昂，十分難萬分之一，所以制取困難，身價高昂，十分難得，只有在特殊需要的情況下使用。得，只有在特殊需要的情況下使用。 l鹵鎢燈：鹵鎢燈： 在玻璃殼內(nèi)充入碘、溴等鹵族元素的化合物在玻璃殼內(nèi)充入碘、溴等鹵族元素的化合物（氯化碘、溴化硼）。（氯化碘、溴化硼）。l鎢的再生循環(huán)：鎢的再生循環(huán)： 鎢鹵素鎢鹵素 鹵鎢化合物鹵鎢化合物鎢鹵素。鎢鹵素。l解決了發(fā)光效率與壽命之間的矛盾。解決了發(fā)光效率與壽命之間的矛盾。l鹵鎢燈壁管溫度鹵鎢燈壁管溫度250度，否則，鹵鎢化合物凝結(jié)度，否則，鹵鎢化合物凝結(jié)其上，其上，l不能太高，否則，鹵鎢化合物分解，鎢沉積在管不能太高，否則，鹵鎢化合物分解

22、，鎢沉積在管壁上。壁上?？瓶? 4l鹵鎢燈優(yōu)點：鹵鎢燈優(yōu)點：l體積小，是同功率白熾燈的體積小，是同功率白熾燈的0.5%3%，使光，使光學(xué)系統(tǒng)小型化。學(xué)系統(tǒng)小型化。l光通量穩(wěn)定，最終時的光通量為開始時的光通量穩(wěn)定，最終時的光通量為開始時的95%98%，而白熾燈為，而白熾燈為60%。l紫外線較豐富。紫外線較豐富。l發(fā)光效率比白熾燈高發(fā)光效率比白熾燈高23倍。倍。l壽命長壽命長第二章第二章 光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源l光源的分類光源的分類l第一節(jié)第一節(jié) 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)l第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射光源熱輻射光源l第三節(jié)第三節(jié) 氣體放電光源氣體放電光源l第四節(jié)第四節(jié) 固體發(fā)

23、光光源固體發(fā)光光源l第五節(jié)第五節(jié) 激光器激光器l第六節(jié)第六節(jié) 紫外光源紫外光源第三節(jié)第三節(jié) 氣體放電光源氣體放電光源 l定義：定義：通過氣體放電將電能轉(zhuǎn)換為光的一種電光源通過氣體放電將電能轉(zhuǎn)換為光的一種電光源 l氣體放電原理氣體放電原理l由由激勵源激勵源激勵出電子或離子，并使它們高速向激勵出電子或離子，并使它們高速向兩極運動；兩極運動；l快速運動的電子或離子與氣體原子或陰極快速運動的電子或離子與氣體原子或陰極碰撞碰撞,激勵出更多的電子或離子，使氣體變?yōu)閷?dǎo)電氣激勵出更多的電子或離子，使氣體變?yōu)閷?dǎo)電氣體；體；l受激氣體原子從受激氣體原子從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，將獲得的內(nèi)，將獲得的內(nèi)能以能以

24、光輻射光輻射的形式釋放出來。的形式釋放出來。 l發(fā)光氣體發(fā)光氣體有：氫、氦、氘、氙、氪有：氫、氦、氘、氙、氪 金屬蒸氣：汞、鎘、鈉、銦、金屬蒸氣：汞、鎘、鈉、銦、ta鉈、鉈、di鏑鏑 l氣體放電種類氣體放電種類：用得較多的是：用得較多的是輝光放電輝光放電和和弧光弧光放電放電。l輝光放電輝光放電一般用于霓虹燈和一般用于霓虹燈和指示指示燈。燈。l弧光放電弧光放電可有很強的光輸出，可有很強的光輸出，照明照明光源都采用光源都采用弧光放電。熒光燈、高壓汞燈、鈉燈和金屬鹵弧光放電。熒光燈、高壓汞燈、鈉燈和金屬鹵化物燈是應(yīng)用最多的照明用氣體放電燈化物燈是應(yīng)用最多的照明用氣體放電燈l結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：各種氣體放電燈都

25、由：各種氣體放電燈都由泡殼、電極和放電泡殼、電極和放電氣體氣體構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)大同小異。泡殼與電極之構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)大同小異。泡殼與電極之間是真空氣密封接，泡殼內(nèi)充有放電氣體。間是真空氣密封接，泡殼內(nèi)充有放電氣體。l氣體放電燈不能單獨接到電路中去，必須與氣體放電燈不能單獨接到電路中去，必須與觸觸發(fā)器、鎮(zhèn)流器發(fā)器、鎮(zhèn)流器等輔助電器一起接入電路才能啟等輔助電器一起接入電路才能啟動和穩(wěn)定工作。動和穩(wěn)定工作。l放電燈的放電燈的啟動啟動通常要施加比電源電壓更通常要施加比電源電壓更高的電高的電壓壓，有時高達幾千伏或幾萬伏以上，有時高達幾千伏或幾萬伏以上l放電燈的光輻射與放電燈的光輻射與電流密度電流密度的大小、

26、的大小、氣體的種氣體的種類類及及氣壓的高低氣壓的高低有關(guān)。有關(guān)。l一定種類的氣體原子只能輻射某些特定波長的一定種類的氣體原子只能輻射某些特定波長的光譜線。光譜線。l低氣壓低氣壓時，放電燈的輻射光譜主要就是該原子時，放電燈的輻射光譜主要就是該原子的特征譜線。的特征譜線。l氣壓升高氣壓升高時，放電燈的輻射光譜展寬，向長波時，放電燈的輻射光譜展寬，向長波方向發(fā)展。方向發(fā)展。l當(dāng)當(dāng)氣壓很高氣壓很高時，放電燈的輻射光譜中才有強的時，放電燈的輻射光譜中才有強的連續(xù)光譜成分。連續(xù)光譜成分。 l共同特點共同特點l發(fā)光效率高發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高210倍，倍，節(jié)能。節(jié)

27、能。l發(fā)出的熱量少發(fā)出的熱量少，對檢測對象和光電探測器件的溫度影響，對檢測對象和光電探測器件的溫度影響小，對電壓恒定的要求也比白熾燈低。小，對電壓恒定的要求也比白熾燈低。l光色適應(yīng)性強光色適應(yīng)性強，改變氣體成分、壓力，可以得到主要在，改變氣體成分、壓力，可以得到主要在某一范圍的輻射源。某一范圍的輻射源。l結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊。由于不靠燈絲本身發(fā)光，電極可以做得牢固。由于不靠燈絲本身發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊，耐震，抗沖擊。緊湊，耐震，抗沖擊。l壽命長壽命長。一般比白熾燈長。一般比白熾燈長210倍。倍。l光輸出維持特性好光輸出維持特性好，在壽命終止時仍能提供，在壽命終止時仍能提供6080的初始光輸出

28、的初始光輸出第二章第二章 光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源l光源的分類光源的分類l第一節(jié)第一節(jié) 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)l第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射光源熱輻射光源l第三節(jié)第三節(jié) 氣體放電光源氣體放電光源l第四節(jié)第四節(jié) 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源l第五節(jié)第五節(jié) 激光器激光器l第六節(jié)第六節(jié) 紫外光源紫外光源第四節(jié)第四節(jié) 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源l應(yīng)電子儀器的固體化、小型化和集成化的需求，要求應(yīng)電子儀器的固體化、小型化和集成化的需求，要求光源固體化（沒有燈泡）光源固體化（沒有燈泡）l場致發(fā)光（電致發(fā)光）場致發(fā)光（電致發(fā)光）l固體發(fā)光材料在電場作用下直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)固體發(fā)光材料在電

29、場作用下直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光現(xiàn)象光現(xiàn)象l固體發(fā)光材料：固體發(fā)光材料：-族、族、-族化合物族化合物l種類種類按形態(tài)分按形態(tài)分 粉末場致發(fā)光光源（直流或交流）粉末場致發(fā)光光源（直流或交流） 薄膜場致發(fā)光光源（直流或交流）薄膜場致發(fā)光光源（直流或交流） 結(jié)型場致發(fā)光光源（發(fā)光二極管）結(jié)型場致發(fā)光光源（發(fā)光二極管）l種類種類按激發(fā)過程按激發(fā)過程l注入式電致發(fā)光注入式電致發(fā)光l由直接裝在晶體上的由直接裝在晶體上的電極注入電子和空穴電極注入電子和空穴，當(dāng)電，當(dāng)電子和空穴在晶體內(nèi)再子和空穴在晶體內(nèi)再復(fù)合復(fù)合時發(fā)光的現(xiàn)象。注入式時發(fā)光的現(xiàn)象。注入式電致發(fā)光的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型二極管（電致發(fā)光的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型

30、二極管（LED）l本征電致發(fā)光本征電致發(fā)光l高場電致發(fā)光高場電致發(fā)光熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強電場熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強電場的作用下在晶體內(nèi)部加速，的作用下在晶體內(nèi)部加速，碰撞碰撞發(fā)光中心并使其激發(fā)光中心并使其激發(fā)或離化，電子在回復(fù)基態(tài)時輻射發(fā)光發(fā)或離化，電子在回復(fù)基態(tài)時輻射發(fā)光l低能電致發(fā)光低能電致發(fā)光指某些高電導(dǎo)熒光粉在低能電子注入時的激勵發(fā)光指某些高電導(dǎo)熒光粉在低能電子注入時的激勵發(fā)光現(xiàn)象現(xiàn)象l低能電致發(fā)光低能電致發(fā)光現(xiàn)在盡管還不能直接用來照明，現(xiàn)在盡管還不能直接用來照明，卻是一種十分理想的暗間顯示光源。如飛機、卻是一種十分理想的暗間顯示光源。如飛機、輪船

31、儀表的顯示，夜間障礙物、電影院安全門輪船儀表的顯示，夜間障礙物、電影院安全門與座位指示等與座位指示等l高場電致發(fā)光高場電致發(fā)光與與LED被認為是大屏幕顯示最有被認為是大屏幕顯示最有前途的發(fā)展方向前途的發(fā)展方向l交流粉末場致發(fā)光光源交流粉末場致發(fā)光光源l將熒光粉懸浮在將熒光粉懸浮在介電系數(shù)很高介電系數(shù)很高、透明透明的膠合有機介的膠合有機介質(zhì)中，并將之夾持在兩電極之間而構(gòu)成質(zhì)中，并將之夾持在兩電極之間而構(gòu)成l脈沖激發(fā)的發(fā)光峰衰減時間常數(shù)為脈沖激發(fā)的發(fā)光峰衰減時間常數(shù)為微秒量級微秒量級l能連續(xù)工作約能連續(xù)工作約1000小時小時l采用不同的熒光粉可獲得紅、藍、黃、綠等各色光采用不同的熒光粉可獲得紅、藍

32、、黃、綠等各色光顯示。顯示。 l直流粉末場致發(fā)光光源直流粉末場致發(fā)光光源l結(jié)構(gòu)基本與交流粉末器件相似，但其熒光粉的結(jié)構(gòu)基本與交流粉末器件相似，但其熒光粉的涂層是導(dǎo)電的涂層是導(dǎo)電的CuSl正常使用前必須在兩電極上施加短暫作用的高正常使用前必須在兩電極上施加短暫作用的高電壓脈沖電壓脈沖l器件功率轉(zhuǎn)換效率僅器件功率轉(zhuǎn)換效率僅0.1%，但發(fā)光亮度高達，但發(fā)光亮度高達300cd/m2（V=100V） l直流薄膜場致發(fā)光光源直流薄膜場致發(fā)光光源l發(fā)光層夾在兩平板電極間，兩電極至少一個是發(fā)光層夾在兩平板電極間，兩電極至少一個是透明或半透明的透明或半透明的l發(fā)光層無絕緣介質(zhì)，直接和電極接觸，加之薄發(fā)光層無絕緣

33、介質(zhì)，直接和電極接觸，加之薄膜只有膜只有1微米左右，在直流、低壓下可發(fā)光微米左右，在直流、低壓下可發(fā)光l交流薄膜場致發(fā)光光源交流薄膜場致發(fā)光光源l發(fā)光層和平板電極間多了層介質(zhì)，只有在交流發(fā)光層和平板電極間多了層介質(zhì)，只有在交流激發(fā)下才能發(fā)光激發(fā)下才能發(fā)光l工作電壓工作電壓100-300V，發(fā)光效率，發(fā)光效率0.1%，壽命在，壽命在5000小時以上（有報道稱小時以上（有報道稱2萬小時）萬小時）發(fā)光二級管發(fā)光二級管LEDLEDlLED 的發(fā)光機理的發(fā)光機理 正向偏壓的正向偏壓的p-n結(jié)：兩極向結(jié)：兩極向PN結(jié)注入電子和空穴，結(jié)注入電子和空穴， 電子和空穴在節(jié)區(qū)復(fù)合，發(fā)光電子和空穴在節(jié)區(qū)復(fù)合，發(fā)光l

34、又稱注入式場致發(fā)光光源又稱注入式場致發(fā)光光源pnVLEDLED特性及參數(shù)特性及參數(shù)l伏安特性伏安特性l正向開啟電壓：正向開啟電壓：lGaAs：1VlGaAsP：1.5VlGaP：1.82Vl反向擊穿電壓：反向擊穿電壓：l一般在一般在-5V以上。晶格以上。晶格中的電子被強拉出來參中的電子被強拉出來參與導(dǎo)電。與導(dǎo)電。IFVFcba量子效率量子效率l注入的載流子一部分復(fù)合，一部分不復(fù)合。復(fù)合的一注入的載流子一部分復(fù)合，一部分不復(fù)合。復(fù)合的一部分以發(fā)光形式釋放能量，一部分將能量變成晶格振部分以發(fā)光形式釋放能量，一部分將能量變成晶格振動的熱能。動的熱能。l區(qū)別于一般輻射源用輸出與輸入能量比值來表示光效區(qū)

35、別于一般輻射源用輸出與輸入能量比值來表示光效率。率。l內(nèi)量子效率：內(nèi)量子效率：產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)之產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)之比。比。l外量子效率：外量子效率：射出的光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)之射出的光子數(shù)與注入的電子空穴對數(shù)之比。比。rqiNGTqeNGl由于半導(dǎo)體材料折射率較高，如由于半導(dǎo)體材料折射率較高，如GaAs的折射的折射率為率為3.6，臨界角很?。?，臨界角很小（16.1。），大部分光在），大部分光在材料表面都被全反射回去，故外量子效率很低。材料表面都被全反射回去，故外量子效率很低。l解決辦法：解決辦法：l將將PN界封在圓球形透明高折射率塑料球心處界封在圓球形透明

36、高折射率塑料球心處發(fā)光與電流的關(guān)系發(fā)光與電流的關(guān)系l電流密度小電流密度小:l光出射度與電流密度光出射度與電流密度呈呈線性關(guān)系線性關(guān)系l電流密度過大電流密度過大:l由于由于PN結(jié)發(fā)熱，復(fù)結(jié)發(fā)熱，復(fù)合率降低，光出射度合率降低，光出射度出現(xiàn)飽和趨勢出現(xiàn)飽和趨勢。發(fā)光與環(huán)境溫度的影響發(fā)光與環(huán)境溫度的影響l環(huán)境溫度高，環(huán)境溫度高，LED散熱慢，結(jié)溫升高，復(fù)合幾散熱慢，結(jié)溫升高，復(fù)合幾率下降，光亮度下降。率下降，光亮度下降。 -20 0 20 40 60 環(huán)境溫度（） 相對發(fā)光密度 2 1 0 響應(yīng)時間響應(yīng)時間l發(fā)光二極管發(fā)光或熄發(fā)光二極管發(fā)光或熄滅時對輸入脈沖電流滅時對輸入脈沖電流的延遲時間。的延遲時間

37、。l上升時間隨電流的增上升時間隨電流的增加呈指數(shù)減小。加呈指數(shù)減小。lGaP： 100s 間間接躍遷材料接躍遷材料lGaAs1-xPx：n個個ns 直接躍遷材料直接躍遷材料光譜特性光譜特性l發(fā)光二極管發(fā)出的波長和帶寬主要取決于發(fā)光發(fā)光二極管發(fā)出的波長和帶寬主要取決于發(fā)光材料及其摻雜材料，主要分布在可見光和紅外材料及其摻雜材料，主要分布在可見光和紅外區(qū)區(qū)l發(fā)光波長發(fā)光波長l實際發(fā)射的光具有一定的帶寬實際發(fā)射的光具有一定的帶寬（半寬度約（半寬度約030nm）。）。1.24()gghcmEE壽命壽命l電流密度小于電流密度小于1A/cm2，106h（100年）；年）；l亮度隨時間變化：亮度隨時間變化：

38、 。l為老化時間常數(shù)，為為老化時間常數(shù)，為106hA/cm2。tjeLtL)/(0)(LED的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路 l調(diào)制頻率可達幾十兆。調(diào)制頻率可達幾十兆。lLED的供電電路中一般要加限流電阻以限定其的供電電路中一般要加限流電阻以限定其最大工作電流。最大工作電流。l工作狀態(tài)工作狀態(tài)l直流狀態(tài)直流狀態(tài)l交流狀態(tài)交流狀態(tài)l脈沖狀態(tài)脈沖狀態(tài)l線性變換狀態(tài)線性變換狀態(tài) VCE R G 脈沖輸出 VCE G 線性變換 直流狀態(tài) R 交流工作 D R 科科5 5第二章第二章 光電儀器中的常用光源光電儀器中的常用光源l光源的分類光源的分類l第一節(jié)第一節(jié) 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)l第二節(jié)第二節(jié) 熱

39、輻射光源熱輻射光源l第三節(jié)第三節(jié) 氣體放電光源氣體放電光源l第四節(jié)第四節(jié) 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源l第五節(jié)第五節(jié) 激光器激光器l第六節(jié)第六節(jié) 紫外光源紫外光源第五節(jié)第五節(jié) 激光器激光器l基本概念基本概念 l工作原理工作原理l激光模式激光模式l高斯光束高斯光束l激光器類型激光器類型基本概念基本概念l受激吸收：受激吸收：l類似于本征吸收，電子吸收外來光子后由低能類似于本征吸收，電子吸收外來光子后由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)態(tài)躍遷到高能態(tài)l自發(fā)輻射：自發(fā)輻射：l類似于復(fù)合時發(fā)光，電子從高能態(tài)回落到低能類似于復(fù)合時發(fā)光，電子從高能態(tài)回落到低能態(tài)，釋放出一個光子態(tài)，釋放出一個光子l受激輻射：受激輻射：l低能態(tài)能

40、量為低能態(tài)能量為E0，若電子（原子）處于高能態(tài)，若電子（原子）處于高能態(tài)E1，當(dāng)一能量恰好滿足的入射光子經(jīng)過該電子，當(dāng)一能量恰好滿足的入射光子經(jīng)過該電子（原子）附近，處于高能態(tài)的電子（原子）就（原子）附近，處于高能態(tài)的電子（原子）就會跌落到低能態(tài)并輻射出與入射光子完全相同會跌落到低能態(tài)并輻射出與入射光子完全相同的光子來，而原入射光子不損耗（光放大）的光子來，而原入射光子不損耗（光放大）l完全相同的光子是指完全相同的光子是指頻率、相位、偏振態(tài)和傳頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向播方向都完全一樣（受激輻射是都完全一樣（受激輻射是相干相干的）。的）。l粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：l物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)下，高能

41、態(tài)的粒子數(shù)遠少于低物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)下，高能態(tài)的粒子數(shù)遠少于低能態(tài)粒子數(shù)，一能量為能態(tài)粒子數(shù)，一能量為hv=E2-E1的光子入射，引起的光子入射，引起受激吸收的概率要遠大于受激輻射的概率，受激吸受激吸收的概率要遠大于受激輻射的概率，受激吸收占主導(dǎo)，入射光因吸收而衰減收占主導(dǎo)，入射光因吸收而衰減;l只有讓高能態(tài)粒子數(shù)多于低能態(tài)粒子數(shù)，入射光子只有讓高能態(tài)粒子數(shù)多于低能態(tài)粒子數(shù)，入射光子引起受激輻射的概率才會大于受激吸收的概率，光引起受激輻射的概率才會大于受激吸收的概率，光子不但不被吸收反而得到放大子不但不被吸收反而得到放大。l泵浦泵浦l為實現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，把粒子由低能態(tài)抽運到高為實現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，把

42、粒子由低能態(tài)抽運到高能態(tài)的行為能態(tài)的行為l泵浦需要泵浦激勵源泵浦需要泵浦激勵源l激勵方式：激勵方式：l光泵：固體激光器、燃料激光器光泵：固體激光器、燃料激光器l電激發(fā)：氣體激光器電激發(fā)：氣體激光器l其它激發(fā)：熱激發(fā)、化學(xué)激發(fā)、核激發(fā)其它激發(fā)：熱激發(fā)、化學(xué)激發(fā)、核激發(fā)工作原理工作原理l組成組成l最簡單的激光器由增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔最簡單的激光器由增益介質(zhì)、泵浦源和諧振腔組成組成 諧振腔作用：提供光學(xué)正反饋、控制振蕩光束方向諧振腔作用：提供光學(xué)正反饋、控制振蕩光束方向光在增益介質(zhì)中來回一次所產(chǎn)生的增益必須大于各種光在增益介質(zhì)中來回一次所產(chǎn)生的增益必須大于各種損耗（反射鏡透射損耗、衍射損耗、幾何

43、損耗）損耗（反射鏡透射損耗、衍射損耗、幾何損耗） 激光的模式激光的模式l駐波條件駐波條件 l光波在腔鏡上來回反射并發(fā)生干涉，為在腔內(nèi)光波在腔鏡上來回反射并發(fā)生干涉，為在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩，需滿足相長干涉條件：光波形成穩(wěn)定的振蕩，需滿足相長干涉條件：光波在腔內(nèi)沿軸線來回一周的光程為在腔內(nèi)沿軸線來回一周的光程為的整數(shù)倍的整數(shù)倍l諧振頻率：諧振頻率：l相鄰縱模的頻率間隔相鄰縱模的頻率間隔 knlck2nlc22nlkl縱模：縱模： l每一個腔對應(yīng)的諧振每一個腔對應(yīng)的諧振頻率都有無數(shù)個頻率都有無數(shù)個l但激光工作物質(zhì)的熒但激光工作物質(zhì)的熒光譜線線寬卻是有限光譜線線寬卻是有限的的l因此，激光器的縱模因此，

44、激光器的縱模數(shù)也是有限的，當(dāng)腔數(shù)也是有限的，當(dāng)腔長長L越短，縱模的頻率越短，縱模的頻率間隔越大，激光器縱間隔越大，激光器縱模數(shù)越少，頻寬越窄，模數(shù)越少，頻寬越窄，單色性越好。單色性越好。l橫模橫模l在橫向上不同的光場穩(wěn)定分布在橫向上不同的光場穩(wěn)定分布高斯光束高斯光束l橫截面上振幅服從高橫截面上振幅服從高斯分布斯分布l光斑半徑：振幅減小光斑半徑：振幅減小到中心值到中心值1/e處的處的r值值)(022zwreEl光斑半徑在激光傳播方向上按雙曲線規(guī)律擴展。光斑半徑在激光傳播方向上按雙曲線規(guī)律擴展。l0為束腰，為束腰，Z0為從束腰處到為從束腰處到21/2束腰處的距離束腰處的距離l束腰越小，光束越發(fā)散，準(zhǔn)直光束的一般都較束腰越小，光束越發(fā)散，準(zhǔn)直光束的一般都較大大1)(20202zzz激光器類型激光器類型l氣體（氦氖、氬離子、氣體（氦氖、氬離子、CO2）激光器）激光器l固體激光器固體激光器l染料激光器染料激光器l半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器