第1章-光電技術(shù)的理論基礎(chǔ)課件

第1章光電技術(shù)的理論基礎(chǔ)輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 光電技術(shù)中的光電效應(yīng)光源1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)

【任務(wù)要求】

通過學(xué)習(xí)本節(jié)知識(shí)，了解輻射度學(xué)和光度學(xué)的概念，掌握光度學(xué)中的幾個(gè)光學(xué)物理量的定義。

光學(xué)輻射是指波長(zhǎng)為1nm到1mm范圍的電磁輻射，它包括真空紫外輻射、紫外輻射、可見輻射和紅外輻射等部分。對(duì)電磁輻射能量進(jìn)行客觀計(jì)量的學(xué)科稱輻射度學(xué)；考慮到人眼的主觀因素后的相應(yīng)計(jì)量學(xué)科稱為光度學(xué)。1.輻射能和光能以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，用符號(hào)Qe表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。

光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位為流明?秒（lm·s）2.輻射通量和光通量輻(射)通量或輻(射)功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻(射)能稱為輻(射)通量，以符號(hào)Φe表示，其計(jì)量單位為瓦(W)，即對(duì)可見光，光源表面在無窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，光能被無窮短時(shí)間間隔dt來除，其商定義為光通量Φv，即Φv的計(jì)量單位為流(明)（lm）。光通量是人為量。人眼對(duì)不同顏色的光的感覺是不同的，此感覺決定了光通量與光功率的換算關(guān)系。對(duì)于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683lm，也就是說，1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)為555nm的光，為683流明。這個(gè)是最大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標(biāo)值。3.輻(射)出(射)度和光出(射)度對(duì)有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為對(duì)于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱為光出(射)度Mv，即其計(jì)量單位為勒(克司)[lx]或[lm/m2]桌面、工作面的照度不應(yīng)少于150lX。起居室的照明采用光線柔合的半直接型照明燈具較理想，其平均照度應(yīng)達(dá)到l00lX左右。閱讀和書寫用的燈具功率可大些，照度應(yīng)達(dá)到200lX。

對(duì)點(diǎn)光源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe，與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即4.輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度[W／sr]發(fā)光強(qiáng)度一個(gè)錐體的頂端在球心，底在球面上，底面積等于球半徑的平方．這錐體所包的立體角就叫做單位立體角發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡(jiǎn)稱為坎[cd]。1979年第十六屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉[cd]。對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。5.輻(射)亮度和光亮度光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即式中，為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度平方米[W／(sr·m2)]。對(duì)可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米[cd／m2]若Le

，Lv與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)，這樣的光源稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是一個(gè)近似的余弦輻射體。余弦輻射體表面某面元dA處向半球面空間發(fā)射的通量為對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為6.視見函數(shù)光度學(xué)中，為了表示人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射的敏感度差別，引入了視見函數(shù)，也稱光譜光視效率。

除人眼而外，其他的光檢測(cè)器，如光電池、光電倍增管、磁頭、感光乳膠等也只能感受一定范圍的波長(zhǎng)，并且對(duì)每種波長(zhǎng)的響應(yīng)程度（反應(yīng)的靈敏度）也不同。它們對(duì)不同波長(zhǎng)的這種選擇特性可用與視見函數(shù)曲線類似的光譜響應(yīng)曲線來表征。1是銻銫光電管，不能感受0.6um以上的紅光；2是人眼；3是硅光電池；4是熱敏元件，對(duì)所有波段無選擇地接收，靈敏度相等.2023/7/251.3光電技術(shù)中的光電效應(yīng)

【任務(wù)要求】通過學(xué)習(xí)本節(jié)知識(shí)，掌握光電技術(shù)中的光電效應(yīng)的分類及其定義，掌握各個(gè)光電效應(yīng)光與之對(duì)應(yīng)的光電器件。2023/7/251.3.1光子效應(yīng)光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類物理效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。

1.外光電效應(yīng)

在光的作用下，金屬或半導(dǎo)體材料中的電子吸收足夠高的光子能量，逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極工作的物理基礎(chǔ)。2023/7/252.內(nèi)光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)是指光入射到物體表面，影響物體內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，但并沒有光電子向外飛逸出來。它主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

光電導(dǎo)效應(yīng)，又稱為光敏效應(yīng)，是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。由于光照，在半導(dǎo)體結(jié)的不同部位之間產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)是光伏器件的工作基礎(chǔ)。2023/7/251.3.2光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)指材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，由于溫度的變化而造成物質(zhì)的電學(xué)特性變化。在光譜中，紅外線的熱效應(yīng)最大，因?yàn)榧t外線正好是常見分子的諧振譜線，最容易被吸收。利用光熱效應(yīng)的探測(cè)器：熱敏電阻、熱電偶、熱電堆和熱釋電探測(cè)器等。2023/7/25

1.紅外輻射的發(fā)現(xiàn)1800年，英國(guó)天文學(xué)家F.W.赫歇耳為了研究光和熱的關(guān)系，把溫度計(jì)置于太陽光譜的不同顏色區(qū)域，觀察到在光譜的紅端以外溫度計(jì)的讀數(shù)比在可見光譜區(qū)域高得多，從而發(fā)現(xiàn)了紅外輻射的存在及其熱效應(yīng)。原子和分子的振動(dòng)或分子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特征頻率分布在寬廣的紅外光譜區(qū)，因此，熱物體（溫度高于絕對(duì)零度的任何物體）不斷地發(fā)出紅外輻射，紅外輻射使物體變熱的效應(yīng)也特別顯著。2023/7/252.溫差電效應(yīng)由兩種不同材料制成的結(jié)點(diǎn)由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。光照射結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫差變化也能造成溫差電效應(yīng)，又稱熱電效應(yīng)。

溫差電效應(yīng)包括三種現(xiàn)象，即塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)和湯姆孫效應(yīng)。

2023/7/253.輻射熱計(jì)效應(yīng)入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為測(cè)輻射熱計(jì)效應(yīng)。與光電導(dǎo)效應(yīng)不同，這里的電阻率的變化時(shí)由于溫度變化引起的。2023/7/254.熱釋電效應(yīng)電介質(zhì)在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，即在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按照電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。然而有一類極性晶體，在電場(chǎng)除去后仍然能保持極化狀態(tài)，這就是“自發(fā)極化”。自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化的極性晶體又稱為熱釋電晶體。當(dāng)光輻射照射時(shí)，熱釋電晶體的溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度降低，因而電極表面上的感應(yīng)的電荷減小，這相當(dāng)于“釋放”了一部分電荷，因此稱它為熱釋電現(xiàn)象。2023/7/25換句話說，由于溫度的變化，熱釋電晶體和壓電陶瓷等會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的電荷中心相對(duì)位移，使它們的自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生變化，從而在它們的兩端產(chǎn)生異號(hào)的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。如果按圖1-16所示的電路連接負(fù)載，則在光輻射照射時(shí)就有電流流過負(fù)載，經(jīng)過放大器放大后稱為輸出信號(hào)。1.3.3光電效應(yīng)及其光電器件1.4光源【任務(wù)要求】通過學(xué)習(xí)本節(jié)知識(shí)，了解光源的定義和光源的分類，掌握LD和LED這兩種新型光源的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)。光源，在物理學(xué)上的定義是指能發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線、X光線等不可見光）的物體?；蛘呖梢哉f，凡物體自身能發(fā)光的都稱為光源，又稱發(fā)光體，如太陽、恒星、燈以及燃燒著的物質(zhì)等都是。光源可以分為自然（天然）光源和人造光源。人造光源又可以分為物理光源和電光源。物理光源主要是從人工取火開始，到后來的油燈、蠟燭等。而1879年愛迪生發(fā)明的白熾燈則開啟了電光源的時(shí)代。1.4.1光源的基本特性參數(shù)1.輻射效率和發(fā)光效率2.光譜功率分布3.光強(qiáng)的空間分布4.光源的色溫色溫是按絕對(duì)黑體來定義的，在黑體輻射中，隨著溫度不同，光的顏色各不相同，黑體呈現(xiàn)由紅——橙紅——黃——黃白——白——藍(lán)白的漸變過程。某個(gè)光源所發(fā)射的光的顏色，看起來與黑體在某一個(gè)溫度下所發(fā)射的光顏色相同時(shí)，黑體的這個(gè)溫度稱為該光源的色溫。色溫是表示光源光譜質(zhì)量最通用的指標(biāo)，一般用K（開爾文溫度單位）表示。低色溫光源的特征是能量分布中紅輻射相對(duì)說要多些，通常稱為“暖光”；色溫提高后，能量分布中藍(lán)輻射的比例增加，通常稱為“冷光”。5.光源的顯色性光源對(duì)物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度。由顯色指數(shù)Ra來表明，它表示物體在光源下所呈現(xiàn)的顏色相對(duì)基準(zhǔn)光（太陽光）照明時(shí)顏色的偏離。顯色指數(shù)能較全面反映光源的顏色特性。顯色性高的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較差，我們所見到的顏色偏差也較大。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）把太陽的顯色指數(shù)定為100，因此，得出其他各類光源的顯色指數(shù)，如：白色熒光燈為80~94；暖白色熒光燈為80~90；鹵鎢燈為95~99；高壓汞燈為22~50；高壓鈉燈為20~30；LED燈75~90。1.4.2熱輻射光源熱輻射是自然界中最普遍存在的現(xiàn)象，一切熾熱的光源都屬于熱輻射光源，包括太陽，黑體輻射等。其特點(diǎn)是產(chǎn)生連續(xù)的光譜。熱輻射光源是一種非相干的光源，是發(fā)光物體在熱平衡狀態(tài)下，使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿墓庠矗绨谉霟?，鹵鎢燈等。1.自然輻射源在光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域涉及到的可以分為目標(biāo)輻射源和背景輻射源兩大類。探測(cè)目標(biāo)或識(shí)別對(duì)象的輻射稱為目標(biāo)輻射，探測(cè)目標(biāo)或識(shí)別對(duì)象以外的輻射叫做背景輻射。（1）目標(biāo)輻射各類飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、汽車等都是很重要的溫度輻射源。它們大的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼、噴氣尾管以及高速飛行器的外皮都有很強(qiáng)的輻射出度，容易被光電探測(cè)系統(tǒng)所探測(cè)。人體目標(biāo)的發(fā)射率也很高，波長(zhǎng)在4以上時(shí)，發(fā)射率的平均值為0.99。紅外被動(dòng)成像系統(tǒng)可以在黑暗中分辨人體與環(huán)境。這種系統(tǒng)在軍事上是很重要的，在醫(yī)學(xué)診斷上也有應(yīng)用價(jià)值。（2）背景輻射天空和地面是主要的背景輻射源。2.黑體輻射器黑體是指在任何條件下，對(duì)任何波長(zhǎng)的外來輻射完全吸收而無任何反射的物體，即吸收比為1的物體。黑體只是一個(gè)理想的溫度輻射體，但在有限的溫度范圍內(nèi)可以人工制造出黑體模型，稱為黑體輻射器，也稱為黑體模擬器。3.白熾燈和鹵鎢燈白熾燈和鹵鎢燈是人造的熱輻射光源，其工作的原理是電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源。1.4.3氣體放電光源干燥氣體通常是良好的絕緣體，但當(dāng)氣體中存在自由帶電粒子時(shí)，它就變?yōu)殡姷膶?dǎo)體。這時(shí)如在氣體中安置兩個(gè)電極并加上電壓，就有電流通過氣體，這個(gè)現(xiàn)象稱為氣體放電。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等.一般，我們可把氣體放電光源分為三類：（1）低壓放電光源燈內(nèi)氣體的總壓強(qiáng)約1%大氣壓左右。低氣壓放電光源有兩種：輝光放電光源（霓虹燈、氖燈等）和弧光放電光源（低壓鈉燈、熒光燈、紫外線燈合部分感應(yīng)無極燈等）。（2）高壓放電光源燈內(nèi)氣體的總壓強(qiáng)在1個(gè)～10個(gè)大氣壓。光源有高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈和微波硫燈、長(zhǎng)弧氙燈等。（3）超高壓放電光源燈內(nèi)的氣體總壓強(qiáng)大于10個(gè)大氣壓。光源有超高壓氙燈、超高壓汞燈等。發(fā)光體較小，近似高亮度點(diǎn)光源，便于控光。

1.汞燈汞燈是利用汞放電時(shí)產(chǎn)生汞蒸氣獲得可見光的電光源。汞燈可分為低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈三種。

2.氙燈氙燈的發(fā)光材料是惰性氣體——氙氣，氙燈就是利用氙氣放電而發(fā)光的電光源。高壓和超高壓的惰性氣體放電，氣體原子被激發(fā)到很高的能級(jí)并大量電離。復(fù)合發(fā)光和電子減速發(fā)光大大加強(qiáng)，可以在可見光區(qū)形成連續(xù)光譜，光譜分布和日光最為接近，色溫6000K，亮度高，被稱為“小太陽”，壽命可達(dá)1000h。氙燈可以分為長(zhǎng)弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈。

3.金屬鹵化物燈金屬鹵化物燈，簡(jiǎn)稱金鹵燈，在汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸汽中產(chǎn)生電弧放電發(fā)光的放電燈。金屬鹵化物燈是在高壓汞燈基礎(chǔ)上添加各種金屬鹵化物制成的第三代光源，它是交流電源工作的。4.原子光譜燈原子光譜燈又稱空心陰極燈，陽極和圓筒形陰極封在玻殼內(nèi)，玻殼上部有一透明石英窗。工作時(shí)窗口透射出放電輝光，其中主要是陰極金屬的原子光譜。

5.霓虹燈霓虹燈不同于其它諸如高壓鈉燈、金鹵燈、白熾燈等弧光燈，它是靠充入玻璃管內(nèi)的低壓惰性氣體，在高壓電場(chǎng)下進(jìn)行冷陰極輝光放電而發(fā)光的電光源。霓虹燈的光色是由充入惰性氣體的光譜特性決定。與其他電光源相比，霓虹燈具有高效率、溫度低、低能耗、壽命長(zhǎng)、靈活多樣、動(dòng)感強(qiáng)等特點(diǎn)。1.4.4光致發(fā)光型光源光致發(fā)光是指指物質(zhì)吸收光子（或電磁波）后重新輻射出光子（或電磁波）的過程。具體過程是：物體依賴外界光源進(jìn)行照射，從而獲得能量，產(chǎn)生激發(fā)導(dǎo)至發(fā)光的現(xiàn)象。它大致經(jīng)過吸收、能量傳遞及光發(fā)射三個(gè)主要階段。光致發(fā)光最普遍的應(yīng)用為熒光燈。它是燈管內(nèi)氣體放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)管壁上的發(fā)光粉而發(fā)出可見光的，其效率約為白熾燈的5倍。

1.熒光燈熒光燈，即我們常稱為的日光燈，是最為常見的一種照明光源，它分傳統(tǒng)型熒光燈和無極熒光燈。

1.4.5激光器激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞，意思是“通過受激發(fā)射光擴(kuò)大”。激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”，它的亮度為太陽光的100億倍。它的原理早在1916年已被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1958年激光才被首次成功制造。1.光與物質(zhì)的三種作用形式光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。2.激光器的基本結(jié)構(gòu)（1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。它的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定了激光的光譜特性和熒光特性等。（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。（3）光學(xué)諧振腔提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。3.激光器的分類（1）氣體激光器氣體激光器利用氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。（2）固體激光器固體激光器是指用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器。根據(jù)其工作物質(zhì)為晶體狀或是玻璃，可以分為晶體激光器和玻璃激光器。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺(tái)激光器。（3）液體激光器液體激光器中

常用的是染料激光器，采用有機(jī)染料最為工作介質(zhì)。大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于溶劑中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸氣狀態(tài)工作的。利用不同染料可獲得不同波長(zhǎng)激光（在可見光范圍）。（4）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN

結(jié)或PIN

結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注入式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式是電注入。4.激光技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)前，激光技術(shù)已經(jīng)在生活中的各行各業(yè)廣泛的應(yīng)用，改善了人類的生產(chǎn)和生活。激光技術(shù)在探測(cè)、醫(yī)療、加工、檢測(cè)、工農(nóng)業(yè)、航天、軍事等等方面都有著重要的應(yīng)用，可以這樣說，21世紀(jì)的世界已經(jīng)離不開激光技術(shù)了。1.4.4LEDLED（lightemittingdiode），發(fā)光二極管，也叫做注入型電致發(fā)光器件。它是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的特殊半導(dǎo)體器件。1.發(fā)光