光輻射與發(fā)光源

光輻射與發(fā)光源第一頁，共六十頁，2022年，8月28日任何光電系統(tǒng)都離不開光輻射源，所以光輻射原理是光電子技術(shù)的基本研究內(nèi)容之一。本章主要介紹光輻射的基本概念和原理典型的光輻射源第二頁，共六十頁，2022年，8月28日光子的基本概念光是以電磁波方式輻射的物質(zhì),具有波粒二象性麥克斯韋電磁場理論：若在空間某區(qū)域有變化的電場（或變化磁場），在鄰近區(qū)域?qū)a(chǎn)生變化的磁場(或變化電場)。這種變化的電場和變化的磁場不斷地交替產(chǎn)生，由近及遠以有限的速度在空間傳播，形成電磁波。電磁波波譜范圍很廣，從無線電波到光波，從X射線到γ射線都屬于電磁波的范疇只是波長不同而已。第三頁，共六十頁，2022年，8月28日波段（nm）名稱用途10-5~30γ射線金屬探傷、研究核結(jié)構(gòu)10-4~100X射線醫(yī)用、探傷、分析晶體結(jié)構(gòu)100~380紫外線醫(yī)用、照相制版380~780可見光780~106紅外線雷達、光纖通信、導(dǎo)航106~109微波電視、雷達、無線電導(dǎo)航109~1010米波（分米波厘米波）調(diào)頻廣播、電視、導(dǎo)航等1010~5×1010短波無線電廣播、電報通訊5×1010~2×1011中短波電報通訊2×1011~3×1012中波無線電廣播3×1012~3×1013長波越洋長距離通訊和導(dǎo)航電磁波波段劃分及用途光輻射僅占電磁波譜的一小部分第四頁，共六十頁，2022年，8月28日

度量長度用長度物理量——米、厘米等度量時間用時間物理量——秒、分、時怎樣對光輻射進行度量呢？第五頁，共六十頁，2022年，8月28日

§1-1輻射的基本概念光輻射的探測和計量有兩套體系輻射度學(xué)量光度學(xué)量基本量輻射通量(又稱輻射功率)或者輻射能與輻射客體有關(guān)的量——客觀量?；締挝皇峭咛?W)或者焦耳(J)。輻射度學(xué)適用于整個電磁波段。基本量發(fā)光強度不是光通量視覺亮暗特性的光輻射計量——主觀量基本單位是坎德拉(cd)光度學(xué)只適用于可見光波段。第六頁，共六十頁，2022年，8月28日雖然輻射度學(xué)體系和光度學(xué)體系的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符號一一對應(yīng)。輻射度物理量用角標“e”表示(emission)光度物理量用角標“ν”表示（vision）下面學(xué)習(xí)這兩套光輻射單位體系物理量。第七頁，共六十頁，2022年，8月28日一、輻射度的基本物理量輻射能Qe——

焦耳(J)

輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪?主要指紫外、可見光和紅外輻射)能量第八頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射通量

Φe（輻射功率）

瓦特(W)焦耳/秒(J／s)

單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能量第九頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射強度

Ie——單位：瓦特·球面度-1(W·sr

-1)點輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量。一個置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是Φe，則該點輻射體在各個方向的輻射強度Ie是常量，有第十頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射照度

Ee——單位：W／m2受體的輻射照度Ee定義為照射在面元上的輻射通量dΦe與該面元的面積dA之比，即第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射出射度Me——單位是W／m2

反映物體輻射能力的物理量。

定義為擴展輻射源單位面積向半球空間發(fā)射的輻射通量。第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射出射度Me和輻射照度Ee區(qū)別輻射出射度Me和輻射照度Ee區(qū)別：Me描述面輻射源向外發(fā)射的輻射特性Ee描述輻射接收面所接收的輻射特性第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射亮度Le

單位：瓦特/球面度·米2(w／sr·m2)

定義：擴展源(面輻射源)表面一點處的面元在某一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，如圖l-2所示。

式中θ是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射出射度Me和輻射亮度Le區(qū)別輻射出射度Me和輻射亮度Le區(qū)別：Me描述面源的輻射通量的表面密度。（單位面積向半球間發(fā)射的輻射功率）Le描述面源輻射強度的表面密度。面源在該方向上的單位投影面積（dAcosθ）向單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率。第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日光譜輻射量度量名稱符號定義式單位名稱單位符號單色輻射通量Φe,λ

dΦe/dλ瓦特／微米W／μm單色輻射出射度Me,λdMe/dλ瓦特／米2·微米W／(m2·μm)單色輻射強度Ie,λ

dIe/dλ瓦特／球面度·微米W／(sr·μm)單色輻射亮度Le,λdLe/dλ瓦特／球面度·米2·微米w／(sr·m2·μm)單色輻射照度Ee,λdEe/dλ瓦特／米2·微米W／(m2·μm)第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光度的基本物理量光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位。（人眼的視覺細胞對不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，輻射度單位不能正確反映人的亮暗感覺。）輻射度學(xué)的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee光頻區(qū)光度基本物理量Qv、Φv、Iv、Mv、Lv、Ev定義完全一一對應(yīng)，其關(guān)系如表l—2所示。第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日表1-2輻射度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系輻射度物理量光度量物理量物理量名稱符號定義或定義式單位物理量名稱符號定義或定義式單位輻射能QehνJ光量QvQv=∫Φvdtlm·s輻射通量ΦeΦe=dQe/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm輻射出射度MeMe＝dΦe／dSW／m2光出射度MvMv＝dΦv／dSlm／m2輻射強度IeIe＝dΦe／dΩW／sr發(fā)光強度Iv基本量cd輻射亮度LeLe＝dIe／(dScosθ)W／(m2·sr)(光)亮度LvLv＝dIv／(dScosθ)cd／m2輻射照度EeEe＝dΦe／dAW／m2(光)照度EvEv＝dΦv／dAlx第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日光度量與輻射度量關(guān)系用光視效能與光視效率表示。光視效能Kλ——單位是流明/瓦特(lm／W)。光視效能Kλ定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。

第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日光視效率V(λ)——單位是坎德拉每平方米通過對標準光度觀察者的實驗測定，在輻射頻率540×1012Hz(波長555nm黃光)處，Kλ有最大值，其數(shù)值為Km=683lm／w。第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日光通量與輻射通量之間的關(guān)系光度量與輻射度量的關(guān)系式的一般函數(shù)式在光度學(xué)體系中，基本單位是發(fā)光強度Iv，其單位是坎德拉cd?？驳吕璫d定義：當(dāng)單色輻射光源頻率為540×1012Hz，

若給定方向的輻射強度為1／683（W／sr）

則該光源在該方向上的發(fā)光強度為1cd。第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日三、熱輻射的基本物理量熱輻射——任何0K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波,這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠紅外區(qū)延伸到紫外區(qū)（光譜區(qū)）輻射能按波長的分布取決于物體的溫度。第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日輻射本領(lǐng)M’λ(λ,T)—單位是瓦每微米平方米(W／um·m2)定義:熱輻射體表面在單位波長間隔單位面積內(nèi)所輻射的輻射通量,即光譜輻射出射度、單色輻射出射度吸收率α(λ,T)定義:在波長λ到λ+dλ間隔內(nèi)被物體吸收的通量與入射通量之比第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日絕對黑體(簡稱黑體)：在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收率等于l，即αλ（T）≡l黑體的輻射本領(lǐng)M’λb(λ,T)Meλb(λ,T)發(fā)射率ε(λ,T)定義:物體的輻射本領(lǐng)M’λ(λ,T)與絕對黑體輻射本領(lǐng)

M’λb(λ,T)的比值黑體:ε(λ,T)=α(λ,T)=1

第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日§1-2熱輻射的基本定律一、基爾霍夫輻射定律輻射本領(lǐng)與吸收率內(nèi)在聯(lián)系的重要定律：在給定的溫度下,對某一波長來說,物體的輻射本領(lǐng)與單色吸收率之比值與物體本身的性質(zhì)無關(guān)，對于一切物體都是恒量。等于該溫度下黑體對同一波長的輻射本領(lǐng)(單色輻射出射度)。即式中為黑體的單色輻射出射度。第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日總結(jié):基爾霍夫定律是平衡輻射定律,與物體本身的性質(zhì)無關(guān)吸收和輻射的多少應(yīng)在同一溫度下比較任何強烈的吸收必發(fā)出強烈的輻射,無論吸收是由物體表面性質(zhì)決定的,還是由系統(tǒng)的構(gòu)造決定的基爾霍夫定律所描述的輻射與波長有關(guān),不與人眼的視覺特性和光度量有關(guān)基爾霍夫定律只適用于溫度輻射,對其它發(fā)光不成立第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日二、蘭伯特定律---朗伯輻射表面在某方向輻射光強隨該方向和表面法線之間夾角余弦而變化

輻射表面

法線方向輻射亮度

與法線成角方向輻射亮度

理想漫反射表面第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日---均勻點光源向空間發(fā)射球面波，則點光源在傳輸方向上某點的照度與該點到點光源距離平方成反比

三、距離平方反比定律dA---球心點光源o發(fā)出的光所張的立體角d所截的表面積---與球的半徑平方成正比

dA上的照度：---照度E與距離的平方R2成反比半徑R---表面dA到點光源的距離點光源o向空間任一錐立體角d內(nèi)輻射通量Φ---不變

第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日實際光源：有一定的幾何尺寸光能疊加原理---所求表面的照度實際上是該光源上各點貢獻照度之和

照度條件:面輻射源是亮度均勻的發(fā)光表面,即漫輻射源r<<R

L---光源的發(fā)光亮度

第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日

四、亮度守恒定律輻射亮度幾何關(guān)系1)同一種介質(zhì)中---光在同一種介質(zhì)中傳播時，若傳輸過程中無能量損失，則光能傳輸?shù)娜我槐砻媪炼认嗟鹊谌?，共六十頁?022年，8月28日2）不同介質(zhì)中在不同介質(zhì)中傳播的光束，在無能量損耗的情況下其基本幅亮度是守恒的。---

基本幅亮度折射定律

---

光在介質(zhì)表面無反射和吸收損失

結(jié)論：

第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日五、普朗克定律黑體處于溫度T時，在波長λ處的單色輻射出射度由普朗克公式給出式中h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，k為波爾茲曼常數(shù)。第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日(1)對應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值；對應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能惟一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度(即曲線下的面積)。(2)單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。(3)單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日六、維恩位移定律單色輻射出射度最大值對應(yīng)的波長λm應(yīng)由

這就是著名的維恩位移定律。根據(jù)這一定律，只要知道了黑體的溫度，就能直接得到黑體最大輻射出射度對應(yīng)的峰值波長λm。第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日七、斯忒藩·玻爾茲曼定律普朗克公式積分可得到黑體的輻射出射度為此為單位面積輻射總功率.表明黑體輻射出射度只與黑體溫度有關(guān)。溫度決定了黑體的輻射特性。第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日§1-3光源的基本特性參數(shù)和光源的選擇在光電技術(shù)系統(tǒng)中，光源的選擇起著關(guān)鍵的作用。根據(jù)光源的基本特性參數(shù)，按實際需要選擇光源。

第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日1、輻射效率（輻射度學(xué)）和發(fā)光效率（光度學(xué)）在給定波長范圍（λ1～λ2）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。光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率為：相應(yīng)對于光度學(xué)，對于可見光，某一光源的發(fā)光效率為：V(λ)為明視覺光譜光視效率，Km為明視覺最大光譜光視效能。在照明和光度測量系統(tǒng)中，一般選用發(fā)光效率ηv較高的光源。一、發(fā)光源的基本特性參數(shù)第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日常用光源的發(fā)光效率

光源種類發(fā)光效率(lm/W)光源種類發(fā)光效率(lm/W)普通鎢絲燈8~18高壓汞燈30~40鹵鎢燈14~30高壓鈉燈90~100普通熒光燈35~60球形氙燈xiandeng30~40三基色熒光燈55~90金屬鹵化物燈60~80第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日2、光譜功率分布光源輸出的功率與光譜（光的波長）有關(guān)典型分布線狀光譜低壓汞燈帶狀光譜高壓汞燈連續(xù)光譜白熾燈、鹵素?zé)魪?fù)合光譜熒光燈第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日選擇：光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致目視測量---可見光譜輻射比較豐富的光源目視瞄準---綠光光源（減輕人眼的疲勞）彩色攝影---白熾燈、鹵素?zé)糇鞴庠醋贤狻⒓t外測量---紫外燈（氙燈、紫外汞燈）、紅外燈第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日光源發(fā)光各向異性---發(fā)光強度在各個方向不同3、空間光強分布特性發(fā)光強度曲線（配光曲線）---在光源輻射光的空間某一截面上，將與發(fā)光強度成正比的矢量的端點連線選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向

---提高光的利用率利用反光罩（焦點位于光源的發(fā)光中心）---充分利用其他方向的光第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日4、光源的色溫色溫——輻射源發(fā)射光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。一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生。色溫相同，相對光譜功率分布不一定相同。色溫只能給出這個光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日二、光源選擇的基本要求光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求，光源和光電探測器之間光譜匹配系數(shù)盡可能大。發(fā)光強度必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。光源的穩(wěn)定性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。對光源的結(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；以及光源的空間分布等也有一些具體要求。第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日光譜特性目視光學(xué)系統(tǒng)：選用可見光譜較豐富的光源。紫外、紅外測量:紫外燈、紅外燈彩色攝影系統(tǒng)：選用類似日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈。返回第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日發(fā)光強度

光源強度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，可能無法正常監(jiān)測因此，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)對探測器所需獲得的最大、最小光通量進行正確的估計，并按估計選擇光源光源強度過高，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，可能損壞系統(tǒng)、待測物、光電探測器等返回第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日發(fā)光源的穩(wěn)定性脈沖量的檢測系統(tǒng)對光源的穩(wěn)定性要求較低。光量或輻射量——強度、亮度、照度或通量檢測系統(tǒng)，對光源的穩(wěn)定性有較嚴格的要求。返回第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日§1-4光電技術(shù)中常用光源簡介

常用光源種類

熱輻射光源氣體放電光源固體發(fā)光光源激光器第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日一、熱輻射光源發(fā)光特性可用普朗克公式精確計算光通量為連續(xù)光譜，光譜寬，紫外和可見光少采用穩(wěn)定的供電（穩(wěn)壓或穩(wěn)流），可使輸出的光輻射有較高的穩(wěn)定度

2、白熾燈1、人造黑體輻射源種類第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日二、氣體放電光源---利用氣體放電原理來發(fā)光的光源如：將氫、氦、氘、氙、氪或者金屬蒸汽（汞、鈉、硫等）充入燈中運動：電子陽極，離子陰極

原子躍遷高能級低能級（發(fā)光）氣體放電電源的特點：

①發(fā)光效率高，比白熾燈高2~10倍，可節(jié)省能源；②結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊；③壽命長，大約是白熾燈的2~10倍；④光色范圍大，如普通高壓汞燈發(fā)光波長大約為400~500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色（589nm），氙燈近日色，而水銀熒光燈為復(fù)色。---常用于工程照明和光電測量之中。第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日三、固體發(fā)光光源粉末場致發(fā)光光源薄膜場致發(fā)光光源注入式場致發(fā)光光源---發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED---Light-EmittingDiode):由于少數(shù)載流子在電場作用下能量增加，這些載流子在P-N結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生的發(fā)光的器件第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日面光源---專用線光源點光源第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—

多子電子—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)施主離子受主離子1、工作原理第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日PN結(jié)(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴散2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡區(qū)、勢壘區(qū))

空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止擴散進行，利于少子的漂移。3.擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流等于漂移電流，

總電流

I=0。內(nèi)建電場PN結(jié)形成第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日外加正向電壓(正向偏置)P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場+

UR外電場外電場使P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻N區(qū)電子越過P-N結(jié)進入P區(qū),與P區(qū)空穴相復(fù)合。N區(qū)電子擴散進入P區(qū),對于P區(qū)稱為少數(shù)載流子的注入。P區(qū)空穴越過P-N結(jié)進入N區(qū),與N區(qū)電子相復(fù)合。

P區(qū)空穴擴散進入N區(qū),對于N區(qū)稱為少數(shù)載流子的注入。擴散運動加強形成正向電流

IF

。高能電子與空穴復(fù)合---釋放能量---光子---半導(dǎo)體發(fā)光第五十四頁，共六十頁，2022年，8月28日P-N結(jié)發(fā)光原理第五十五頁，共六十頁，2022年，8月28日