第01章光輻射源(zm2015秋)

第1章光輻射源光電探測與信號處理

光學(xué)與電子信息學(xué)院趙茗副教授zhaoming@1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)光電探測與信號處理1.4典型光輻射源1.3黑體輻射1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)

電磁空間安全－－光學(xué)波段光學(xué)譜區(qū)0.01μm~1000μm可見光區(qū)0.38μm~0.78μm紅外區(qū)0.78μm~1000μm紫外區(qū)0.01μm~0.38μm已開發(fā)利用波段待開發(fā)光子能量公式可見光的光子能量范圍為:?～?eV

1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)輻射度量與光度量有什么區(qū)別？各自所描述的量有哪些？對等嗎？二者之間如何換算？???在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強度的量有兩類：一類是物理的——輻射度量（0.01～1000μm,radiometricterms），是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量；另一類是生理的——光度量（0.38～0.78μm,photometricterms），是描述光輻射能為平均人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度．即光度量是具有標準人眼視覺特性的人眼所接收到輻射量的度量，為主觀量；

輻射度量（

Xe）電磁波（0.01～1000μm）客觀（物理）光度量（Xv

）可見光（0.38～0.78μm）主觀（生理）?輻射度量與光度量有什么區(qū)別？輻射度量和光度量的對照表?各自所描述的量有哪些？對等嗎？一、與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)1．輻（射）能和光能(radiant/luminousenergy)輻（射）能：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量，用符號Qe表示，單位為焦耳（J）。光能：光通量在可見光范圍內(nèi)對時間的積分，以Qv表示，單位為流明秒（lm·s）。2．輻（射）通量和光通量(radiant/luminouspower/flux)輻射通量：又稱輻射功率P，是輻射能的時間變化率(單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能),以符號Φe表示，單位為瓦（W），即光通量：單位時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜能量的時間變化率Φv，單位為流明（lm-lumens）或或3．輻(射)出(射)度和光出(射)度(radiant/luminousexitance)輻(射)出(射)度：對有限大小面積A的面光源，表面某點處的面元向半球面空間內(nèi)（2π）發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，單位為瓦（特）每平方米[W／m2]，即光出(射)度：對可見光，面光源A表面某一點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，單位為勒(克司)[lx-lux]或[lm/m2]，即4．輻(射)強度和發(fā)光強度(radiant/luminousintensity)

輻(射)強度：對點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之比定義為點光源在該方向的輻(射)強度Ie，單位為瓦（特）每球面度[W/sr]，即發(fā)光強度：類似定義，單位為坎德拉[cd]或[lm/sr]，即坎德拉（candela）的由來：1979年第十六屆國際計量大會通過決議，將坎德拉定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz（波長為555nm）的單色輻射源，在此方向上的輻強度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強度定義為一個坎德拉[cd]。

坎德拉不僅是光度體系的基本單位，而且也是國際單位制（SI）的七個基本單位之一。對發(fā)光強度為1cd的點光源，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)光強度為1cd的點光源在整個球空間所發(fā)出的總光通量為？。各向同性點光源：各個方向強度相等在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的總通量？所有方向？各向異性點光源：各個方向強度不等在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的總通量？所有方向？

實際上，一般輻射源多為各向異性的輻射源，其輻射強度隨方向而變化，如圖所示。

點輻射源在整個空間發(fā)射的輻通量為：5．輻(射)亮度和光亮度(radiance/luminance)

輻(射)亮度：光源表面某一點處的面元在給定方向上的輻強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，θ為所給方向與面元法線之間的夾角單位為W／sr.m2，即光亮度：類似定義，單位為坎德拉每平方米[cd/m2]或lm/(m2.sr)，即常用：熙提(sb)＝lm/(cm2.sr)常見光源亮度晴天：10000cd/m2晴天日落后：1cd/m2

蠟燭火焰：約0.5sb鎢絲燈泡：約500sb

輻射強度I輻射出射度M輻射亮度L源特點點源面源面源化點源輻射特點立體角內(nèi)2π空間立體角內(nèi)三個發(fā)射量的區(qū)別和關(guān)系二、與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)1.輻照度與光照度(irradiance/illuminance)

輻照度Ee：照射到物體表面某一點處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，單位是：瓦（特）每平方米[W/m2]，即光照度：單位是[lx]典型照度：辦公室工作：20～100lx

滿月的地面：0.2lx晴朗夏日采光良好的室內(nèi)：100～500lx照度計教室測試演示2．輻照量和曝光量輻照量：照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時間t內(nèi)的積分稱為輻照量He，單位為焦耳每平方米[J/m2]，即曝光量：單位為勒（克司）秒[lx.s],曝光不足曝光合適曝光過度幾點注意

注意不要混淆輻照度Ee與輻出度Me。對同一個光源來說，光源離光照面越遠，光照面上的照度越?。还庠措x光照面越近，光照面上的照度越大。光源與光照面距離一定的條件下，垂直照射與斜射比較，垂直照射的照度大；光線越傾斜，照度越小。點輻射源：（相對概念）輻射源與觀測點之間距離大于輻射源最大尺寸10倍時，可當(dāng)做點源處理，否則稱為擴展源（有一定面積）。同燈同距照在白紙和黑紙上，照度相同，亮度不同。思考題1.設(shè)在半徑為Rc的圓盤中心法線上，距盤圓中心為l0處有一個輻射強度為Ie的點源S，如圖所示。試計算該點源發(fā)射到盤圓的輻射功率。（2Rc/l0<<1:15）

l0SRc思考題2.在O點處，有一點光源，發(fā)光強度為1cd，求：空間任意一點P的光照度EV=?

EV=/s=4/4x2=1/x2?二者之間如何換算？如何從特例推出一般換算表達式？1．光譜光視效率人的視神經(jīng)對各種不同波長光的感光靈敏度不一樣。綠光最靈敏，對紅、藍光靈敏度較低。國際照明委員會(CIE)根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對各種波長光的平均相對靈敏度，稱之為“標準光度觀察者”光譜光視效率，或稱之為視見函數(shù)。明視覺光譜光視效率（亮度大于3cd/m2時）;暗視覺光譜光視效率（亮度小于0.001cd/㎡時）Vˊ(λ)V(λ)55032人眼的光譜光視效率的數(shù)值2．光譜光視效能明視覺的最大光譜光視效能Km:

式中Km＝683lm/W，為明視覺的最大光譜光視效能，亦稱光功當(dāng)量，它表示：在波長為555nm處，即人眼光譜光視效率最大處(V=1)，1W的輻射通量對應(yīng)相當(dāng)?shù)墓馔繛?83lm。暗視覺的最大光譜光視效能K’m:

式中K’m＝1725lm/W，為暗視覺的最大光譜光視效能，它表示：在波長為507nm處，即人眼暗視覺光譜光視效率最大處(V’=1)，1W的輻射通量對應(yīng)相當(dāng)?shù)墓馔繛?725lm。更普遍的表達：如果是連續(xù)輻射量，該如何變換成光度量？思考題3.已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計算其發(fā)出的光通量為多少lm？V(632.8nm)=0.24解:

Φv,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3

=0.492(lm)思考題4.已知某探測器的峰值波長535nm的響應(yīng)度為100μA/lm，請問1W的535nm入射能產(chǎn)生多大電流？解一：將1W的535折換成光通量再計算解二：將光通量響應(yīng)度折算成輻射通量響應(yīng)度再計算思考題5.He-Ne激光器：功率Pλ＝10mw,λ=632.8nm,V（λ）=0.24,發(fā)射點直徑d=1mm,發(fā)散半角θ=1mrad(毫弧度)，求光亮度L。太陽亮度的440倍！1.1.1光的基本概念1.1.2輻射度量1.1.4兩條基本定律1.1.3光度量1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)1.輻射強度余弦定律（Lambert’scosinelaw）定義：輻射表面在某方向上的輻射強度隨與該方向和表面法線之間夾角的余弦而變化。符合余弦定律的發(fā)光體稱為“余弦輻射體”、“郎伯輻射體”或“朗伯源”：太陽、熒光屏、毛玻璃燈罩等漫反射體。朗伯源輻射亮度L與觀察角θ無關(guān)；出射度和亮度滿足如下關(guān)系：余弦輻射體的光亮度等于光出射度的π分之一dAdA輻射源在2π空間發(fā)射的輻通量為：推導(dǎo)過程2.距離平方反比定律思考題2.在O點處，有一點光源，發(fā)光強度為1cd，求：空間任意一點P的光照度EV=?

EV=I/x2=1/x21.1輻射度學(xué)與光度學(xué)1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識光電探測與信號處理1.4典型光輻射源1.3黑體輻射1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.5載流子的擴散與漂移1.2.6PN結(jié)1．原子能級與晶體能帶3.價電子--自由電子，要吸收能量特別指出：1.價帶中電子，價電子－－不能參與導(dǎo)電2.導(dǎo)帶中電子，自由電子－－能參與導(dǎo)電最外層電子自由電子

電子共有化，能級擴展為能帶絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖SiOEg=5.2evSiEg=1.1evEg=0電阻率1012Ω·cm10-3—1012Ω·cm10-6—10-3Ω·cm半導(dǎo)體具有獨特光電特性－－重要應(yīng)用價值本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，又稱I型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中可人為摻入少量雜質(zhì)包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體半導(dǎo)體分類2．半導(dǎo)體的能帶N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體53總結(jié)：N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子（多子）少數(shù)載流子（少子）特性N型施主雜質(zhì)

電子

空穴電子濃度nn>>空穴濃度pnP型受主雜質(zhì)

空穴

電子電子濃度np<<空穴濃度pp1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.5載流子的擴散與漂移1.2.6PN結(jié)1-14熱平衡條件下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為電子占據(jù)率為0.5時所對應(yīng)的能級——“標尺”1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.5載流子的擴散與漂移1.2.6PN結(jié)1．吸收定律Φ(x)=Φ0(1－r)e-αx

α=4πμ/λ

Q：光波越長，材料的穿透力？2．半導(dǎo)體對光的吸收——本征吸收和非本征吸收本征吸收：

光子能量足夠大，價帶中的電子能激發(fā)到導(dǎo)帶

非本征吸收：光子能量不足以使價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格吸收本征吸收電子－空穴對雜質(zhì)吸收本征吸收雜質(zhì)吸收波長增大本征吸收與非本征吸收比較：電子或空穴Q1：雜質(zhì)半導(dǎo)體中有本征吸收嗎？Q2：本征吸收和雜質(zhì)吸收誰占主體？Q3：雜質(zhì)吸收怎么實現(xiàn)？1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.5載流子的擴散與漂移1.2.6PN結(jié)1．非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合非平衡載流子（過剩載流子）光生載流子熱生載流子本征吸收時顯著改變少子濃度本征光吸收是少子行為產(chǎn)生：復(fù)合：－－使非平衡載流子濃度增加的運動－－使非平衡載流子濃度減小的運動2.非平衡載流子的壽命①表征復(fù)合的強弱②τc決定線性光電導(dǎo)探測器的時間特性③τc的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜及缺陷等因素有關(guān)。τc的物理意義：τc的適應(yīng)條件（一定溫度下為常數(shù)）：－－本征吸收和雜質(zhì)吸收，弱光照N型半導(dǎo)體弱光照下本征吸收時光生載流子壽命1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.5載流子的擴散與漂移1.2.6PN結(jié)1．?dāng)U散2．漂移

載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運動稱為。載流子受電場作用所發(fā)生的運動稱為漂移。（diffusion）（drift）擴散長度電子漂移速度電子遷移率1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2.1能帶理論1.2.2熱平衡狀態(tài)下的載流子1.2.4非平衡狀態(tài)下的載流子1.2.3半導(dǎo)體對光的吸收1.2.5載流子的擴散與漂移1.2.6PN結(jié)PN結(jié)的形成(depletionlayer＆potentialbarrier)能帶彎曲PN結(jié)勢壘PN結(jié)的特性在一定溫度條件下，本征激發(fā)的少子濃度一定，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本與偏壓大小無關(guān)，該電流也稱反向飽和電流。1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)光電探測與信號處理1.4典型光輻射源1.3黑體輻射什么是黑體？有哪些與黑體相關(guān)的定律？它們之間的關(guān)系？???1.3.1發(fā)射率和基爾霍夫定律1.3.2普朗克輻射公式1.3.4斯蒂芬-玻爾茲曼定律1.3.3維恩位移定律1.3黑體輻射???什么是黑體？能夠在任何溫度下全部吸收所有波長輻射的物體叫絕對黑體－－簡稱黑體能夠在任何溫度下全部吸收所有波長輻射并且能全部輻射所有波長輻射的物體叫絕對黑體－－簡稱黑體絕對黑體是理想熱輻射源，自然界并不存在??！研究黑體輻射意義：－－比較基準

▲黑體模擬器

▲近似黑體，如太陽、地球、海水······

▲用黑體某些特性表征光源和輻射體人造黑體輻射源（黑體模擬器）光譜發(fā)射率一般物體黑體－－強吸收體必是強發(fā)射體?。?！基爾霍夫定律：熱平衡狀態(tài)下任何物體的光譜輻出度與光譜吸收比相等，與物體材料性質(zhì)無關(guān)常見物體發(fā)射率偽彩色圖：顏色—溫度根據(jù)地面物體發(fā)射率的差別及對環(huán)境輻射的反射率的差別，遙感系統(tǒng)能把道路、河流等地形區(qū)分開來。紅外遙感1.3.1發(fā)射率和基爾霍夫定律1.3.2普朗克輻射公式1.3.4斯蒂芬-玻爾茲曼定律1.3.3維恩位移定律1.3黑體輻射??黑體輻射光譜光譜分布?峰值?總輻射?黑體光譜輻出度與波長、絕對溫度之間關(guān)系峰值波長變化?1.3.2普朗克公式峰值波長與絕對溫度之間關(guān)系1.3.3維恩位移定律黑體峰值輻出度W·m-2.μm-1黑體總輻出度1.3.4斯蒂芬-玻爾茲曼定律斯蒂芬-玻爾茲曼常量維恩位移定律

－－峰值波長斯蒂芬－玻爾茲曼定律

－－總輻射出度普朗克輻射公式

－－光譜輻射能分布比較：求導(dǎo)取極值積分重要概念－－灰體常見的三類輻射體思考題1.已知黑體溫度T=1000K，求：其峰值波長、光譜輻射度峰值、在λ=4μm處的光譜輻射出射度、λ=3～5μm波段的輻射出射度。思考題例1-2.計算目標輻射在光電探測器上的輻照度。黑體溫度為T=500K，出光小孔直徑D=1cm，與光電探測器的距離d=2.5m，忽略輻射能量在大氣傳輸中的衰減，試計算黑體在光電探測器的上的輻照度E。解：（1）黑體輻射出射度：（2）黑體（朗伯體）輻射強度：（3）黑體（朗伯體）輻射照度：1.2半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)光電探測與信號處理1.4典型光輻射源1.3黑體輻射1.4.1光源的基本特性參數(shù)1.4.2熱輻射光源1.4.4激光二極管1.4.3氣體放電光源1.4典型光輻射源1.4.5發(fā)光二極管1.輻射效率和發(fā)光效率輻射效率：在給定１～２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.發(fā)光效率：某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比.單位：lm/W常用光源的發(fā)光效率光源種類發(fā)光效率(lm/W)備注普通鎢絲燈（白熾燈）8~18燈絲發(fā)光鹵鎢燈14~30普通熒光燈35~60低壓汞燈（氣體放電）三基色熒光燈55~90高壓汞燈30~40高壓氣體放電高壓鈉燈90~100球形氙燈30~40金屬鹵化物燈60~80LED發(fā)光效率：~250lm/W2.光譜功率分布圖1-25四種典型的光譜分布連續(xù)光譜源線狀光譜源帶狀光譜源混合光譜源3.空間光強分布配光曲線：在空間某一截面上,將各向異性光源的空間發(fā)光強度矢量(矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比)端點連起來，即得到光源在該截面上的發(fā)光強度曲線。杭州遠方GO1900L燈具配光曲線測試系統(tǒng)4.光源的色溫分布溫度（分布色溫）：輻射源在某一波長范圍內(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功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為輻射源的分布溫度。色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為輻射源的色溫。同色異譜同色異譜1.4.1光源的基本特性參數(shù)1.4.2熱輻射光源1.4.4激光二極管1.4.3氣體放電光源1.4典型光輻射源1.4.5發(fā)光二極管自然輻射源黑體輻射器白熾燈與鹵鎢燈熱輻射源太陽：黑體色溫5900K自然輻射源人工模擬絕對黑體－－黑體模擬器－－恒溫空腔黑體輻射－－所有波長入射－－多次漫射及吸收黑體輻射器可見光譜中部和黑體輻射曲線相差約0.5％整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2％色溫限制：～2800K光譜范圍：0.4~3μm

白熾燈特點：光電技術(shù)常用測試光源：色溫2856K白熾鎢絲燈

——標準A光源燈絲發(fā)光，鹵鎢化合循環(huán)—壽命長發(fā)光效率～30lm/W，高于白熾燈色溫限制：～3200K光譜范圍：0.25~3.5μm

鹵鎢燈特點：白熾燈與鹵鎢燈1.4.1光源的基本特性參數(shù)1.4.2熱輻射光源1.4.4激光二極管1.4.3氣體放電光源1.4典型光輻射源1.4.5發(fā)光二極管（1）效率高。比同瓦數(shù)白熾燈發(fā)光效率高2～10倍。（2）結(jié)構(gòu)緊湊。不是靠燈絲發(fā)光，電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。（3）壽命長。一般比白熾燈長2～10倍。（4）輻射光譜可以選擇，只要選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)光材料即可。

氣體放電光源特點：利用氣體放電原理制成的光源低壓汞燈：利用低氣壓的汞蒸氣在通電后釋放紫外線。主要輻射253.7nm紫外光，可用于光譜儀波長校準/熒光分析/紫外殺菌?！獋鹘y(tǒng)型熒光燈即低壓汞燈，是利用低氣壓的汞蒸氣在通電后釋放紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光的原理發(fā)光，屬于低氣壓弧光放電光源。253.7nm184.9nm汞燈氙燈氙燈光譜與日光最為接近；色溫6000K；長弧氙燈：廣場、車站等公共場所照明；短弧氙燈：照相、攝影、電影放映、日光模擬；脈沖氙燈：固體激光器光泵、高速攝影、光信號源等原子光譜燈又稱空心陰極燈；主要作用是引出標準譜線的光束，確定標準譜線的分光位置，以及確定吸收光譜中的特征波長。主要用于微量元素光譜分析。氘燈燈殼內(nèi)充有高純度氘氣；連續(xù)紫外光譜：185～400nm；在486.0nm、583.0n