光源和光的調(diào)制

關(guān)于光源和光的調(diào)制第1頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月定量分析光與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)。

輻射的基本物理量：輻射能：一種傳播電磁波的能量，當(dāng)輻射能被物質(zhì)吸收時，可以轉(zhuǎn)化成其它形式的能量。符號表示：Qe,單位：焦耳(J)輻射通量：單位時間內(nèi)流過面積元dA的輻射能量，單位為瓦特。輻射強度:點輻射源在給定方向上單位時間單位立體角內(nèi)所輻射的能量為該方向上的輻射強度。單位：W/sr對各向同性的點光源，所有方向發(fā)射的總輻射通量為：

2第2頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射的基本物理量：輻出度：面輻射源單位面積發(fā)射出的輻射通量。單位：W/m2輻射亮度：擴展輻射源在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量。單位：W/(sr.m2)輻射效率：光源所發(fā)出的輻射通量和外界提供給光源的功率之比。3第3頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光度學(xué)的基本物理量：光譜輻射度：輻射源所輻射的某一波長的單色光的輻射能量。光通量：光源表面在無窮小時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收所有可見光譜光能定義為光通量。單位：流明(lm)光出度：面光源表面某點處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量與面元面積之比。單位：勒克斯(lx,lm/m2)光度學(xué)中的各物理量在光譜的可見波段才有意義。人眼對各種波長光線的視覺靈敏度不同，相同光能量的各種波長光線所產(chǎn)生的視覺效果不同。4第4頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光度學(xué)的基本物理量：發(fā)光強度：點光源在給定方向的立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。單位：坎德拉(cd)發(fā)光效率：光源發(fā)射的總光通量與提供的功率之比為發(fā)光效率。5第5頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月普朗克輻射定律：黑體表面向半球面空間發(fā)射波長為λ的光譜輻射度是黑體溫度和波長的函數(shù)。斯忒藩-玻爾茲曼定律

熱輻射基本定律物體熱輻射：靠加熱保持一定溫度使內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的輻射形式，凡能發(fā)射連續(xù)光譜，且輻射是溫度的函數(shù)的物體叫熱輻射體。黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其它性質(zhì)無關(guān)。6第6頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光輻射的度量輻射本領(lǐng)：輻射表面在單位波長間隔單位面積內(nèi)所輻射的通量。吸收本領(lǐng)：吸收本領(lǐng)是在波長到間隔內(nèi)被物體吸收的通量與入射通量之比，與物體的溫度及波長有關(guān)。

7第7頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2光輻射在空氣中的傳播

大氣衰減

大氣中存在的多種氣體分子、塵埃、煙霧、濕氣等使部分輻射能量被吸收、轉(zhuǎn)換、輻射，使輻射能衰減或改變原來的傳播方向。結(jié)果：導(dǎo)致測量精度降低或者無法進行測量。

大氣分子吸收：不同分子的結(jié)構(gòu)不同，其光譜吸收特性不同。大氣分子散射空氣湍流效應(yīng)：湍流狀態(tài)使光輻射在傳播過程中隨機地改變其光波參量，出現(xiàn)光束截面內(nèi)的光強閃爍、光束彎曲和漂移、光束彌散、畸變以及相干性退化等現(xiàn)象。光電測量中的光波多在空氣中和光學(xué)玻璃中傳播。由于在光電檢測中通常以空氣為信道，大氣構(gòu)成成分的復(fù)雜和不穩(wěn)定性影響光束的特性，影響測量效果。

8第8頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3光源

光電測試是采用光電的方法對帶有待測信息的光輻射物體的測試，在任何光電測試系統(tǒng)中，都離不開一定形式的光源。光源的質(zhì)量對光電測量起著非常重要的作用。

光源分類：自然光源和人造光源。

一、光的產(chǎn)生和光源選擇的基本要求二、發(fā)光二極管三、激光光源四、其它光源9第9頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光的產(chǎn)生和光源選擇的基本要求

光的產(chǎn)生方式:

溫度輻射和發(fā)光

（1）平衡輻射：熾熱物體－熱輻射物體溫度高于絕對零度（-273°C）溫度低時：紅外光溫度升高：可見光（白熾燈）（2）非平衡輻射：發(fā)光外界作用的激發(fā)-物體偏離原來的熱平衡態(tài)－發(fā)光10第10頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

光的產(chǎn)生方法（1）電致發(fā)光：電能－>光能，原子或離子被電場加速的電子轟擊由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當(dāng)它由受激狀態(tài)回到低能態(tài)時就會發(fā)出輻射。（2）光致發(fā)光：物體被光直接照射或預(yù)先被照射而引起自身的輻射，光、紫外線、射線等激發(fā)而引起的發(fā)光

。（3）化學(xué)發(fā)光：由化學(xué)反應(yīng)提供能量引起的發(fā)光，它是由化學(xué)反應(yīng)直接引起的發(fā)光。如黃磷因氧化而自然發(fā)光。11第11頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

光的產(chǎn)生方法（4）熱發(fā)光：物體加熱到一定溫度時的發(fā)光。熱輻射是一種能達到平衡狀態(tài)的輻射。輻射的頻率與強度取決于熱平衡的溫度，達到熱平衡時的輻射就是所謂的黑體輻射。（5）生物發(fā)光：螢火蟲、發(fā)光細菌等的生物發(fā)光。

（6）陰極射線發(fā)光：由電子束激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光，如電視機的顯像管。

12第12頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

光源選擇的基本要求（1）光譜特性要求：光源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。（2）發(fā)光強度要求：確保光電測試系統(tǒng)的正常工作，光源強度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，無法正常測試，光源強度過高，又會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性

（3）穩(wěn)定性要求：一般要求時，可采用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時，可采用穩(wěn)流電源供電。

（4）其它方面要求：如燈絲的結(jié)構(gòu)和形狀；發(fā)光面積的大小和構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀和均勻性；光源發(fā)光效率和空間分布；激光測量：漂移、光斑大小、光形狀等。13第13頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光二極管

概況

（1）實質(zhì)是一個PN結(jié)，在PN結(jié)上加正向電壓，流過一定電流，就會發(fā)出光束。（2）LED(LightEmitingDiode)

電致發(fā)光。（3）發(fā)光的顏色取決于材料；變色發(fā)光二極管（隨通過的電流大小而改變顏色）。（4）可用于顯示、照明、信號光源等。14第14頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

特點－發(fā)光亮度與正向電流成正比例關(guān)系－響應(yīng)速度極快－正向電壓低，耗電少－體積小、重量輕、抗沖擊、耐振動、壽命長、單色性好－缺點:發(fā)光效率低、發(fā)光面積小，發(fā)出短波光的材料極少15第15頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月外形和結(jié)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)外殼材料：金屬、陶瓷、全樹脂16第16頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月LED發(fā)光機理

LED發(fā)光機理是電致發(fā)光。

P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時，載流子的擴散運動和由此產(chǎn)生內(nèi)電場作用下的漂移運動達到平衡狀態(tài)形成P-N結(jié)。如果在P-N結(jié)上施加正向電壓，則促進了擴散運動的進行。即從N區(qū)流向P區(qū)的電子和從P區(qū)流向N區(qū)的空穴同時增多，于是有大量的電子和空穴在P-N結(jié)中相遇復(fù)合，并以光和熱的形式發(fā)出能量。電子和空穴的復(fù)合很復(fù)雜，分輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合發(fā)光二極管發(fā)出光的波長和譜寬主要取決于半導(dǎo)體材料及其摻雜材料。17第17頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

LED的特性及參數(shù)

表示二極管性能的參數(shù)有光學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)。（1）發(fā)光效率輻射功率：熱功率：輻射效率：發(fā)光二極管的輻射效率一般在百分之幾到百分之十幾，受環(huán)境溫度的影響，并且與工作電流大小有一定關(guān)系。

18第18頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）光譜特性光譜分布曲線是描述發(fā)光的相對強度（或能量）隨波長（或頻率）變化的曲線，發(fā)射光譜的形成是由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。最大值所對應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長。值等于峰值波長對應(yīng)的發(fā)光強度的一半的兩點所對應(yīng)的譜線寬度，稱為發(fā)光管的帶寬。帶寬是反映發(fā)光的單色性好壞的參數(shù)。19第19頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）伏安特性

表述流過發(fā)光二極管的電流隨管子兩端電壓變化而變化的關(guān)系，是管子性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志

（1）正向死區(qū)；（2）正向工作區(qū)（3）反向死區(qū)；（4）反向擊穿區(qū)：并聯(lián)普通二極管的方法加以保護

反向飽和電流：少數(shù)載流子所形成的電流

20第20頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）發(fā)光亮度發(fā)光亮度：單位面積發(fā)光強度的度量。正法線方向的亮度：發(fā)光亮度基本上與正向電流密度成線性關(guān)系發(fā)光二極管的發(fā)光亮度受環(huán)境溫度的影響。在一定工作電流下，環(huán)境溫度越高，發(fā)光復(fù)合幾率下降，發(fā)光亮度也隨之下降。21第21頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）響應(yīng)時間

LED在接收電信號后并不立即發(fā)光；而發(fā)光后去掉電信號，發(fā)光也不會立即消失。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間是指其發(fā)光和熄滅時對輸入脈沖電流的延遲時間。響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容和電路阻抗。

上升時間：10%-90%：發(fā)光二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。

下降時間：90%-10%用脈沖電流驅(qū)動二極管時，脈沖的間隔和占空因數(shù)必須在器件響應(yīng)時間所許可的范圍內(nèi)。22第22頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）壽命－發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于時，一般最長可達。

－發(fā)光亮度減弱的現(xiàn)象－老化，老化速度與電流密度有關(guān)23第23頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

LED的應(yīng)用（1）數(shù)字、文字及圖像顯示（2）指示、照明（3）光源（4）光電開關(guān)、報警、遙控、耦合

根據(jù)顯示文字的各點坐標(biāo)，在掃描過程中利用脈沖來控制開關(guān)的啟閉，使組成文字的各點順序發(fā)光。雖發(fā)光是閃爍的，但由于人眼的余像效應(yīng)，看起來仍是一個靜止的文字。24第24頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月激光光源激光器的特點（激光的準(zhǔn)直和光強截面分布）（1）方向性強或準(zhǔn)直性好：經(jīng)過長距離之后，仍然為細小的光束，發(fā)散角可小到0.1mrad左右；（2）單色性好：激光是一種單色光，頻率范圍極窄；（3）亮度高：依靠光在發(fā)射方向上的集中提高亮度；具有特殊措施的激光器可積累能量，然后在極短時間內(nèi)發(fā)光，大大提高了激光功率和激光的亮度。25第25頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的特點（激光的準(zhǔn)直和光強截面分布）26第26頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）相干性高

激光通過受激輻射發(fā)光，光源上各點發(fā)射的光相位恒定，是相干性良好的相干光普通光源激光27第27頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

激光器的組成泵浦源工作物質(zhì)諧振腔1.工作物質(zhì)能被激發(fā)至粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的原子或分子集合—激活介質(zhì)

是產(chǎn)生激光的內(nèi)因能級結(jié)構(gòu)決定產(chǎn)生激光的頻率1）激光器根據(jù)工作物質(zhì)分類氣體固體半導(dǎo)體如He-Ne激光器如紅寶石激光器半導(dǎo)體激光器光放大器28第28頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

產(chǎn)生激光的條件1)受激幅射是產(chǎn)生激光的首要條件，也是必要條件

2)工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級,至少有三個能級3)

形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于受激吸收4)使光子共振，形成“雪崩”式放大，就必須有一個諧振腔5)光子在腔中振蕩一次產(chǎn)生的光子數(shù)比損耗掉的光子多29第29頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的類型1.

氣體激光器：工作物質(zhì)為氣體，激勵方式多樣，發(fā)射波長最廣。

（1）氦－氖激光器：優(yōu)點：單色性和相干性好，頻率和輸出幅度較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，造價低，輸出可見紅光。缺點：效率低，輸出功率較小，與其他光源相比，需電壓較高，電源也較復(fù)雜，體積也較大。外腔式和半內(nèi)腔式的優(yōu)點是輸出線偏振光，進行內(nèi)調(diào)制較方便.

30第30頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）氬離子激光器以氬氣為工作物質(zhì)的激光器。在大電流的電弧光放電或脈沖放電的條件下工作。輸出波長有514.5nm、488nm、496.5nm

（3）二氧化碳激光器以二氧化碳氣體作為工作物質(zhì)的激光器。在激光器內(nèi)除充入二氧化碳外，還充入氦和氮，以提高激光器的輸出功率。低氣壓縱向激勵的二氧化碳激光器是氣體激光器中連續(xù)輸出功率最大和轉(zhuǎn)換效率最高的一種器件。小型二氧化碳激光器可用于測距，大功率二氧化碳激光器可用作工業(yè)加工和熱處理等

激光的輸出譜線波長分布在9~11

μm31第31頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2.固體激光器（1）紅寶石激光器

紅寶石激光器是最早制成的固體激光器。紅寶石激光器激光波長為694.3nm，脈沖寬度在1ms以內(nèi)，輸出功率一般可達10千瓦，能量轉(zhuǎn)換效率為0.1%。脈沖工作單色性差，相干長度僅幾毫米。

紅寶石激光器32第32頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月固體激光器的兩種典型結(jié)構(gòu)33第33頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月2.固體激光器（2）玻璃激光器玻璃激光器常用釹玻璃作工作物質(zhì)，可廣泛用于測距、材料加工、微微秒快速過程和激光核聚變的研究。

聚光腔一般為橢圓形，直管形泵燈與圓柱形激光棒分別放在橢圓腔的兩個焦線上。

（3）釔鋁石榴石激光器（YAG激光器）

34第34頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月3.染料激光器（液體激光器）液體激光器中最普遍采用的激光器，以染料作為工作物質(zhì)。采用不同的染料溶液和激發(fā)光源，輸出的波長范圍可達0.32~1。4.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器特點：體積小，重量輕、壽命長、效率高。如砷化鎵激光器轉(zhuǎn)換效率可達20%，壽命超過一萬小時。35第35頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）結(jié)構(gòu)

將P-N結(jié)切成長方塊，焊上電極。其側(cè)面磨成非反射面，二極管的端面是平行平面并構(gòu)成端部反射鏡。大電流由引線輸入。特點：體積很小，重量輕、壽命長、效率高。如砷化鎵激光器轉(zhuǎn)換效率可達20%，壽命超過一萬小時。

36第36頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

調(diào)Q激光器：通過控制諧振腔的Q值按某種規(guī)定的程序變化，當(dāng)激光器開始工作時使腔內(nèi)處于低Q狀態(tài)，諧振腔的激光振蕩閾值很高，工作物質(zhì)上能級不斷積累粒子，某一時刻使得工作物質(zhì)上能級粒子數(shù)積累到最大值，此時若使Q值突然升高，則振蕩閾值降低，諧振腔內(nèi)在短時間內(nèi)激光上能級儲存的大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芰?，有極強的激光脈沖輸出。

激光器的鎖模：鎖模指縱模鎖定。鎖?？梢垣@得超短脈沖。被鎖模的多個縱模激光輸出時，產(chǎn)生疊加，其疊加結(jié)果相當(dāng)于一個振蕩頻率為的單色余弦波振幅受到調(diào)制。37第37頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的類型38第38頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月其它光源

熱輻射光源

白熾燈：可見光譜輻射源，依靠電能加熱金屬絲，使其在真空或惰性氣體中達到白熾狀態(tài)而發(fā)光。白熾燈能量損失較大、發(fā)光效率低，可見輻射僅有6%~12%。但因其結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，使用方便，且有連續(xù)光譜，仍然是應(yīng)用最廣的光源。鹵鎢燈：高溫下從燈絲蒸發(fā)出來的鎢在溫度較低的泡殼附近與鹵素反應(yīng)，生成具有揮發(fā)性的鹵鎢化合物，又向回擴散到溫度很高的熾熱燈絲附近，又分解為鹵素和鎢；釋放出來的鎢沉積到燈絲上，鹵素則又?jǐn)U散到溫度較低的泡殼附近再與蒸發(fā)出來的鎢化合。

特點：（1）體積?。?）光通量穩(wěn)定（3）紫外線較豐富（4）發(fā)光效率比白熾燈高2~3倍（5）壽命長。缺點：價格較貴，管壁溫度高，使用時要注意安全，以免燒毀其它物質(zhì)。39第39頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

氣體放電光源置于氣體中的二電極之間放電發(fā)光的光源

－開放式氣體放電光源直流電弧、高壓電容火花、高壓交流電弧、碳弧。－氣體燈：將電極間的放電過程密封在泡殼中進行

輝光放電脈沖燈、燃燒式閃光泡、原子光譜燈主要特點：發(fā)光效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，耐震，耐沖擊；壽命長；光色范圍大，氣體放電光源通常被用于工程照明和光電測量中。40第40頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

氣體放電光源類型表41第41頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4光的調(diào)制調(diào)制：將信息加載到介質(zhì)載體的過程稱為調(diào)制。光調(diào)制：將信息加載到光載波上，并使光的參量發(fā)生變化的過程稱為光調(diào)制。光載波所具有的特征參量：光功率，振幅，頻率、相位、脈沖和偏振方向，傳播方向等光調(diào)制分類：

基于光的特征參量分為振幅調(diào)制，頻率調(diào)制，相位調(diào)制，光強調(diào)制等。

概述42第42頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光的振幅調(diào)制

載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而有規(guī)律的振蕩，簡稱為調(diào)幅43第43頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光的振幅調(diào)制

調(diào)制度：最大振幅增量與振幅平均值之比

44第44頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光強度調(diào)制

原理：利用外界因素改變光的強度，通過測量光強的變化來測量外界物理量。特點：技術(shù)簡單，可靠45第45頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光強度調(diào)制

輻射式利用光電探測器探測待測物體所輻射出的功率，光譜分布以及溫度等參數(shù)。

測量輸出電壓來測量輻射物體的溫度

全輻射出射度待測物透鏡光電探測器比輻射率46第46頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

反射式利用光電探測器件接收待測物反射的光線，根據(jù)反射形式的不同可以測量轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速，以及物體表面的外觀質(zhì)量。

遮擋式

被測物體部分或全部地遮擋或掃過入射到光電探測器的光柵，引起光電探測器輸出電信號的變化測出物體的位移量和物體的尺寸利用光通量的變化進行光電計數(shù)和光電自動開關(guān)。

47第47頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

透射式

光通過待測物體，一部分光通量被待檢測物體吸收或散射，另一部分透過待測物體由光電探測器接收，被吸收或散射的光通量的數(shù)值取決于待檢物的性質(zhì)。用途：檢測液體或氣體的濃度，透明度等。利用光學(xué)變化裝置將長度或角度變?yōu)闂l紋信息，再由光電探測器接收為數(shù)字信息輸出，如精密測長，工件尺寸檢測等。介質(zhì)吸收系數(shù)48第48頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光相位調(diào)制

利用外界因素改變光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量。光波的相位由光傳播的物理長度，傳播介質(zhì)和折射率等決定。光的干涉和衍射現(xiàn)象都是利用光的相位調(diào)制

49第49頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光的頻率調(diào)制

利用外界因素改變光波的頻率，通過檢測光的頻率變化來測量物理量

50第50頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光的頻率調(diào)制

多普勒頻移：由于觀測者和運動目標(biāo)的相對運動，使觀測者接收到的光波頻率產(chǎn)生變化。

測得多普勒頻移量即可求出物體運動速度。51第51頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月波長調(diào)制

熱色物質(zhì)的顏色變化進行波長調(diào)制：鎢絲光源經(jīng)過光纖進入熱變色溶液，其反射光被另一光纖吸收，分兩束分別經(jīng)過波長為650nm和800nm的濾光片，最后由光電探測器接收，利用熱變色溶液的吸收光強與溫度的關(guān)系選擇特定波長檢測溶液濃度

。利用磷光光譜的變化進行波長調(diào)制：稀土磷光體做的探頭被頻率為的紫外光照射后，發(fā)出一個與溫度有關(guān)的光譜，光譜中紅色譜線的強度隨溫度而增加，而綠譜線則降低，其強度的比值是溫度的函數(shù)。52第52頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光的脈沖調(diào)制

脈沖調(diào)制是用周期性脈沖序列作為載波，并使光載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。

脈幅調(diào)制脈寬調(diào)制脈位調(diào)制脈幅調(diào)制脈沖調(diào)頻53第53頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光彈效應(yīng)

光彈效應(yīng)：某些非晶體材料通常情況下是各向同性的，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)受到外力作用時，就會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)外力除去時，雙折射隨之消失。54第54頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光彈效應(yīng)附加相位差利用彈光效應(yīng)可測量機械零件的受力分布以及光學(xué)元件受力產(chǎn)生的應(yīng)力分布狀況

55第55頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月磁光調(diào)制磁光調(diào)制首先將電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的交變磁場，然后利用磁光效應(yīng)改變介質(zhì)中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)，進而改變光強度等參量。磁光調(diào)制器示意圖56第56頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月光的調(diào)制方法

調(diào)制盤調(diào)制：是一種光強度調(diào)制器，是用光刻的方法在基板上光刻出許多透光和不透光的柵格，也可在金屬基體上通過機械加工而獲得一些透光或不透光的各種圖形，通常調(diào)制盤位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，位于光電探測器之前。當(dāng)目標(biāo)像與調(diào)制盤之間有相對運動時，調(diào)制盤的透光與不透光柵格切割像點，使得通過調(diào)制盤的輻射能量變成斷續(xù)輸出，光電探測器接收到的是光輻射被調(diào)制的周期性的強度調(diào)制信號。

作用：將靜止的目標(biāo)像調(diào)制成交流信號以抑制噪聲和光源波動的影響。提高系統(tǒng)的檢測能力。可進行空間濾波，抑制背景噪聲；可提供目標(biāo)的方位空間等。

分類：調(diào)幅式，調(diào)頻式，調(diào)相式，調(diào)寬式和脈沖編碼式

57第57頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

光柵莫爾調(diào)制

光柵是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能的光學(xué)元件，光柵通常有長形和圓形兩種。光通量調(diào)制，將兩塊光柵疊合在一起，并使兩條柵線交成很小的夾角。就可以得到莫爾條紋圖案。其中黑條紋是由一系列的交叉線構(gòu)成的不透明部分，而白條紋是由一系列的菱形構(gòu)成的透光部分。原理：當(dāng)光柵位移一個光柵距時，光通量變化一個周期，因此通過光柵的調(diào)制作用，把位移量變換為光通量的變化。

對于N個周期變化，位移量為：

58第58頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月59第59頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

頻率調(diào)制

可用衍射光柵實現(xiàn)頻率調(diào)制。衍射光柵在電動機帶動下，透射光被光柵衍射時分為0級，±1級和±2級等衍射光，若光照射光柵刻線處的線速度為V，光柵刻劃間距為P，則1級衍射光發(fā)生的頻移為：

若用光電接收器件接收1級衍射光，則光頻ν被調(diào)制為。頻率調(diào)制的穩(wěn)定性和光柵轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性有關(guān)系。60第60頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月第五章光電檢測電路

光電器件都需要經(jīng)過檢測與轉(zhuǎn)換電路才能實現(xiàn)光電信號的變換。光電檢測電路由光電檢測器件，輸入電路和前置放大器組成。光電檢測器件是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件，是溝通光學(xué)量和電子器件的接口環(huán)節(jié)。前置放大電路和耦合電路實現(xiàn)對光電輸出信號的精確檢測。輸入電路是連接光電器件和前置放大及耦合電路的中間環(huán)節(jié)。61第61頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1光電檢測電路的設(shè)計要求

保證光電檢測系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。光電轉(zhuǎn)換能力強：表示光電轉(zhuǎn)換能力強弱的參數(shù)有光電靈敏度，即單位輸入光信號的變化量所引起的輸出電信號的變化量。動態(tài)響應(yīng)速度快：光電檢測電路應(yīng)滿足信號通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。信號檢測能力強：要求光電檢測電路具有可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率。穩(wěn)定性、可靠性好：光電檢測電路在長期工作的情況下應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場合對穩(wěn)定性可靠性的要求會更高。62第62頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2光電探測器的偏置有些探測器不需要外加偏置電源，在光照下產(chǎn)生的光電流（電壓）經(jīng)過一定的耦合方式與前置放大器相連，以實現(xiàn)對光信號的有效放大。這種類型的探測器無需偏置，只需確定合適的輸入阻抗的前置放大器與其耦合。外加偏置：對于需要經(jīng)過外加電場才能形成光電流（電壓）的器件，需加一定偏置才能正常工作，如光電導(dǎo)探測器和光電發(fā)射探測器等。偏置要求：供給穩(wěn)定的電流或電壓，對探測系統(tǒng)盡可能引入小的噪聲，最好的發(fā)揮光探測器的性能。光探測器的輸出信號一般很微弱，正確設(shè)置光探測器的偏置對于提高探測器的靈敏度，降低噪聲，提高響應(yīng)頻率，發(fā)揮光探測器的最佳性能非常重要。63第63頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2光電探測器的偏置直流偏置：一般用電池供電，避免工頻干擾。偏置電路適用于光電導(dǎo)探測器。匹配偏置：偏置電阻等于探測器內(nèi)阻時，如光敏電阻阻值對溫度變化敏感，偏置電路中通常不采用固定電阻，而是采用一個與所用探測器相同規(guī)格的光敏電阻代替，使兩個電阻隨溫度變化相同，以減小環(huán)境溫度變化對輸出信號的影響。

幾種常用的偏置電路64第64頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2光電探測器的偏置恒流偏置：如果探測器電阻遠遠小于工作電阻，則流過探測器的電流值近似由偏置電阻決定，和探測器電阻值無關(guān)。適用于光電導(dǎo)探測器。恒壓偏置：當(dāng)工作電阻遠遠小于探測器電阻時，則加在探測器上的電壓值近似為于探測器阻值無關(guān)，適用于對響應(yīng)要求不是太高，而探測器本身噪聲又比較大的場合。65第65頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2光電探測器的偏置反偏偏置：對于PN結(jié)型光伏探測器，其用法有兩種，一種是不外加電壓，直接與負(fù)載相接，另一種是加反向電壓，形成反偏偏置。反偏偏置可以減小結(jié)電容，從而有最小的電路時間常數(shù)，適合于脈沖和高頻調(diào)制光的探測器。66第66頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3光電直接探測方法基本原理：強待測光信號直接入射到光探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強度而輸出相應(yīng)的電流或電壓?；咎匦怨馓綔y器的平方律特性

解釋：光電流正比于光場振幅的平方；電輸出功率正比于入射光功率的平方。67第67頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

直接探測系統(tǒng)的信噪比：

5.3光電直接探測方法輸出功率信號噪聲比：若：若：總的信號功率為：68第68頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4弱信號檢測電路光信號測量當(dāng)背景噪聲或干擾很大而待測信號十分微弱時，通過光電探測器轉(zhuǎn)換后得到的光電信號的信噪比很小，因此需要采取一些特殊的技術(shù)設(shè)法將淹沒信號的噪聲盡量地減小，以便從噪聲中提取、恢復(fù)和增強被測信號。弱光信號處理技術(shù)：鎖相放大器，取樣積分器和光子計數(shù)器。鎖相放大器：一種通用的對交變信號進行相敏檢波的放大器，利用與被測信號有相同頻率的鎖相關(guān)系的參考信號作為比較基準(zhǔn)，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻、同相的噪聲分量有響應(yīng)。

69第69頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

鎖相放大器通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)，使探測系統(tǒng)變?yōu)榻涣飨到y(tǒng)。用低噪聲光電探測器將被測光信號轉(zhuǎn)換成電信號，用鎖相放大器在調(diào)制頻率上對有用電信號進行選頻放大。在相敏檢波器中對信號進行解調(diào)，同步解調(diào)截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)。通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波，獲得被放大的光電信號。70第70頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

鎖相放大器

鎖相放大器的特點：（1）要求對入射光束進行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號的檢測。（2）鎖相放大器是極窄帶高增益放大器。（3）鎖相放大器是交流信號/直流信號變換器，相敏輸出正比于輸入信號的幅度及其參考電壓的相位差。（4）可以補償背景噪聲和前置放大器的固有噪聲，可以改善信噪比。71第71頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

取樣積分器

（平均器）定義：利用取樣和平均化技術(shù)測定深埋在噪聲中的周期性信號的測量裝置，對于穩(wěn)定的周期性信號，若在每個周期的同一相位處多次采集波形上某點的數(shù)值，其算術(shù)平均的結(jié)果與該點處的瞬時值成正比，而隨機噪聲的長時間平均值收斂為零。

72第72頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

取樣積分器信號步驟如下：（1）調(diào)制弱光信號，形成周期性的光信號或脈沖，用低噪聲光電探測器進行光電變換。（2）利用產(chǎn)生光脈沖的激勵源取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號。（3）取樣積分器設(shè)置門延時和門脈沖寬度控制單元，形成與觸發(fā)脈沖具有恒定延時或延時與時間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串。（4）取樣脈沖控制取樣開關(guān)，對連續(xù)的周期性變化信號進行定點取樣或掃描取樣。（5）積分器對取樣信號進行多次線性累加或重復(fù)采集，經(jīng)濾波后獲得輸出信號。探測弱光