第三章光電檢測中常用的光源、光學(xué)系統(tǒng)與設(shè)備

光電檢測技術(shù)Ch3光電檢測中常用的光源、光學(xué)系統(tǒng)與設(shè)備呂勇lvyong222@163.com基爾霍夫定律普朗克定律維恩位移定律斯特藩－波爾茨曼定律熱輻射的基本定律熱輻射的分類熱輻射基本上可分為兩類：黑體輻射：一些不透明的物體或熾熱稠密的氣體接近于黑體，輻射為連續(xù)光譜；線狀、帶狀輻射源：一些被激勵的氣體發(fā)光則為線狀或帶狀光譜?？梢杂没鶢柣舴蚨伞⑻m伯特定律等若干個基本定律對熱輻射進行比較完善地描述。基爾霍夫定律任何物體在同一溫度下的輻射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng)成正比，輻射出射度M與吸收率α的比值與物質(zhì)的特性無關(guān)，是只與溫度和波長有關(guān)的普適函數(shù)，且恒等于同溫度下絕對黑體的輻射本領(lǐng)。基爾霍夫定律自然界中并不存在絕對黑體，但可以根據(jù)對黑體的要求制造出一定波長范圍的實際黑體；基爾霍夫定律不但對所有波長的全輻射，而且對波長為λ的任何單色輻射都正確。它是一切物體熱輻射的普遍定律，表明吸收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)也大，如物體不能發(fā)射某波長的輻射能，則也不能吸收該波長的輻射能，反之亦然。顯然，黑體對于任何波長在單位時間單位面積上發(fā)射或吸收的輻射能都比同一溫度下的其它物體高。輻射發(fā)射率（比輻射率）ελ

：在相同溫度下，輻射體的光譜輻射出射度與黑體的光譜輻射出射度之比。黑體輻射譜吸收發(fā)射

輻射本領(lǐng)隨著溫度單調(diào)增加；每一溫度對應(yīng)一最大輻射峰值；溫度增高時，光譜中能量的分布隨溫度升高向短波移動。關(guān)于基爾霍夫定律的說明：基爾霍夫定律是平衡輻射定律，與物質(zhì)本身的性質(zhì)無關(guān)；吸收和輻射的多少應(yīng)在同溫度下比較，溫度不同則沒有意義；任何強烈的吸收必發(fā)出強烈的輻射；基爾霍夫定律所描述的輻射與波長有關(guān)，與人眼的視覺特性和光度量無關(guān)；基爾霍夫定律只適用于溫度輻射，對其它發(fā)光不成立。有參考書曰：“基爾霍夫定律表征溫度輻射到如此程度，以至于用它來當(dāng)作辨別發(fā)光性質(zhì)的最可靠的判據(jù)，凡不遵從基爾霍夫定律的發(fā)光，就一定不是溫度輻射的發(fā)光”。自然界中的輻射體黑體，ελ

＝1；灰體，ελ

＝ε

<1，與波長無關(guān)；選擇體，ελ

<1，且隨著波長和溫度變化。普朗克定律(M.Planck,1900)

普朗克定律表明了黑體的光譜輻射出射度與波長及溫度之間的關(guān)系：維恩位移定律(W.Wien,1893)任何溫度下，黑體的輻出度曲線都有一極大值，令這極大值所對應(yīng)的波長為，則與T成反比:普適常數(shù)b稱為維恩常數(shù)，且T(K)50010002000300040005000600070008000nm576028801440960720580480410360Wien'sLaw:Blackbodypeakwavelengthscalesas1/Temperature.WritingtheBlackbodyspectrumvs.wavelength:Jetenginesemitinfraredlightfrom3to5.5μmThislightiseasilydistinguishedfromtheambientinfrared,whichpeaksnear10mmandisrelativelyweakinthisrange斯特藩－波爾茲曼定律黑體輻射的輻射本領(lǐng)與絕對溫度的四次方成正比。實驗測得上式中的比例常數(shù)為它是個普適常數(shù)，叫做斯特藩-波爾茲曼常數(shù)。J.Stefan,1879;L.Boltzmann,1884。光源的基本特性參數(shù)

輻射效率和發(fā)光效率光譜分布空間分布光源的色溫標(biāo)準光源光源的顏色輻射效率在給定的波長范圍內(nèi)，某一光源所發(fā)出的光通量Φ與產(chǎn)生該光通量所需要的功率P之比，稱為該光源的輻射效率，表示為：1~2為該光電測量系統(tǒng)的光譜范圍。

發(fā)光效率在可見光范圍內(nèi)的發(fā)光效率為常用光源的發(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)鎢絲燈8-18高壓汞燈30-40鹵鎢燈14-30高壓納燈90-100熒光燈35-60球形氙燈30-40三基色熒光燈55-90金屬鹵化物燈60-80光譜功率分布

光源輸出的功率與光譜有關(guān)，即與光的波長λ有關(guān)，稱為光譜的功率分布。P(λ)λλP(λ)a)b)P(λ)λλP(λ)c)d)典型光源功率譜分布a）為線狀光譜，如低壓汞燈光譜；c）為連續(xù)光譜，如白熾燈、鹵素?zé)艄庾V；b）為帶狀光譜，如高壓汞燈光譜，d）為復(fù)合光譜，它由連續(xù)光譜與線狀、帶狀光譜組合而成，如熒光燈光譜。光源選擇的考慮光譜范圍（光譜功率分布的峰值波長與光電元件的靈敏波長相一致）；發(fā)光強度；穩(wěn)定性；4.結(jié)構(gòu)形狀、發(fā)光面積、發(fā)光均勻性和空間分布等。光源的空間光強分布特性

由于光源發(fā)光的各向異性，許多光源的發(fā)光強度在各個方向是不同的；若在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強度相同的點連線，就得到該光源在該截面的發(fā)光強度曲線，稱為配光曲線。HG500型發(fā)光二極管的配光曲線為提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。為了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦點應(yīng)位于光源的發(fā)光中心。90?90?80?80?0?HG500發(fā)光二極管的配光曲線光源的色溫黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于一般的光源，它的某些特性常用黑體輻射特性近似地表示，其溫度常用色溫或相關(guān)色溫表示。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時，對應(yīng)的黑體溫度稱為該輻射源的色溫。由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。標(biāo)準照明體和標(biāo)準光源標(biāo)準照明體和標(biāo)準光源是為使光輻射測量標(biāo)準化而引入的概念。標(biāo)準照明體規(guī)定的是光源的光譜能量分布。一種標(biāo)準照明體有可能只用一種光源就可實現(xiàn)，也有可能要用一種光源的若干標(biāo)準濾光器的組合才能實現(xiàn)，甚至只能近似地實現(xiàn)。標(biāo)準照明體應(yīng)當(dāng)有良好的現(xiàn)實代表性，即是現(xiàn)有大量光源輻照特性的典型代表。標(biāo)準光源是一種實在的光源，只是規(guī)定了這種光源的基本特性以及光源的光譜能量分布與什么標(biāo)準照明體相匹配。(1)CIE推薦的標(biāo)準光源A、B、C標(biāo)準光源A：分布溫度2856K的充氣鎢絲燈。如果要求更準確地實現(xiàn)標(biāo)準照明體的紫外輻射的相對光譜分布，推薦使用熔融石英殼或玻璃殼帶石英窗口的燈；標(biāo)準光源B：A光源加一組特定的戴維斯－吉伯遜(DavisGibson)流體濾光器(又稱DG濾光器)，以產(chǎn)生相關(guān)色溫4874K的輻射，代表中午直射陽光的光譜能量分布特性；標(biāo)準光源C：A光源加另一組特定的戴維斯－吉伯遜流體濾光器，以產(chǎn)生分布溫度為6774K的輻射，代表平均陰天天空光的光譜能量分布特性。標(biāo)準照明體和標(biāo)準光源

(1)CIE推薦的標(biāo)準照明體A、B、C和E標(biāo)準照明體A：代表絕對溫度2856K(1968年國際實用溫標(biāo))的完全輻射體的輻射。它的色品坐標(biāo)落在CIE1931色品圖的黑體軌跡上。標(biāo)準照明體B：代表相關(guān)色溫大約4874K的直射日光，它的光色相當(dāng)中午的日光，其色品坐標(biāo)緊靠黑體軌跡。

標(biāo)準照明體C：代表相關(guān)色溫大約6774K的平均晝光。它的光色近似于陰天的天空光，其色品位于黑體軌跡的下方。標(biāo)準照明體E：將在可見光波段內(nèi)光譜輻射功率為恒定值的光刺激定義為標(biāo)準照明體E，亦稱為等能光譜或等能白光。這是一種人為規(guī)定的光譜分布，實際中不存在這種光譜分布的光源。

標(biāo)準照明體和標(biāo)準光源

(2)CIE標(biāo)準照明體D

代表各時相日光的相對光譜功率分布，也叫做典型日光或重組日光。對實際光譜分布測量結(jié)果進行的特征矢量分統(tǒng)計析得出了一個數(shù)學(xué)模型，可用來計算已知相關(guān)色溫標(biāo)準照明體D的相對光譜功率分布,這就是“重組日光”的含意。

標(biāo)準照明體和標(biāo)準光源

典型日光的色品軌跡典型D照明體的光譜分布高壓氙燈的D65光源光譜分布白熾燈的D65光源光譜分布標(biāo)準照明體和標(biāo)準光源

色溫變換及光譜能量分布特性的改變

在光輻射測量中，常常需要改變光源的色溫或者其光譜能量分布，以滿足實際測量的要求。除了用液體濾光器來精確改變A光源的光譜能量分布特性外，還可用其它配方的溶液或者玻璃濾光片來實現(xiàn)。(1)光源近似黑體分布時的色溫變換(2)光源偏離黑體分布時的色溫變換(1)光源近似黑體分布時的色溫變換

幾種色溫變換濾光片的光譜透射比曲線

色溫變換及光譜能量分布特性的改變

近似黑體光源所需濾光片的利用麥爾德值表示的變換濾光片的透射比2.4.5色溫變換及光譜能量分布特性的改變

(1)光源近似黑體分布時的色溫變換高色溫變換時用維恩公式的修正曲線

(2)光源偏離黑體分布時的色溫變換

①產(chǎn)品目錄所給濾光片光譜透射比曲線只是典型值，應(yīng)對濾光片的光譜透射特性進行實測；②濾光片在吸收光輻射能時會發(fā)熱，一些濾光片的光譜透射特性與溫度有關(guān)。此外，濾光片過熱會使有膠合的玻璃層之間開膠，形成條紋，甚至損壞，故濾光片的使用溫度一般不應(yīng)超過60C；③在使用一段時間后，濾光片光譜透射比會發(fā)生一些變化。濾去不必要的短波輻射，定期測量濾光片的光譜透射特性，在精確光輻射測量中十分必要。色溫變換及光譜能量分布特性的改變

光源的顏色相關(guān)色溫是指光源的色坐標(biāo)點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫；光源的顏色與發(fā)光波長有關(guān)，復(fù)色光源如太陽光、白熾燈、鹵素?zé)舻劝l(fā)光一般為白色，其顯色性較好，適合于辨色要求較高的場合，如彩色攝像、彩色印刷等。單色光源，如He–Ne激光為紅色，氪燈與鈉燈發(fā)光為黃色，氘光為紫色……；光的顏色對人眼的工作效率有影響，綠色比較柔和而紅色則使人容易疲勞。用顏色來進行測量也是一門專門的技術(shù)。在光電測量中為了減少光源溫度對測量的影響，應(yīng)采用冷光源或者設(shè)法減少熱輻射的影響。光電系統(tǒng)中的常用光源32光的產(chǎn)生方法

激勵可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生光，外界提供激勵能的形式可有多種方式，常用的有以下幾種方法：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、熱發(fā)光。

1．電致發(fā)光/場致發(fā)光物質(zhì)中的原子或離子受到被電場加速的電子的轟擊，使原子中的電子從被加速的電子那里獲得動能，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當(dāng)它由受激狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài)時，就會發(fā)出輻射。這一過程稱為電致發(fā)光。例如：發(fā)光二極管（LED,OLED）所產(chǎn)生的光就是電致發(fā)光。（1）注入式電致發(fā)光由直接裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當(dāng)電子和空穴在晶體內(nèi)再復(fù)合時發(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（LED）。（2）本征電致發(fā)光又分高場電致發(fā)光與低能電致發(fā)光。其中高場電致發(fā)光是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，碰撞發(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。而低能電致發(fā)光是指某些高電導(dǎo)熒光粉在低能電子注入時的激勵發(fā)光現(xiàn)象。低能電致發(fā)光的典型代表是熒光顯示，具有亮度高、發(fā)光顏色鮮明、工作電壓低、功耗小、響應(yīng)速度快、能用普通LSI直接驅(qū)動、壽命長，品種多等有點，主要用于數(shù)字、文字、簡單圖形顯示等方面，而高場電致發(fā)光與LED被認為是大屏幕顯示最有前途的發(fā)展方向。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稱為光致發(fā)光。例如：熒光、示波管、顯象管、日光燈等中熒光物質(zhì)的余輝；鈉光燈被另一鈉光燈照射發(fā)出的黃光(稱為共振輻射)；短波長的紫外光照射到雜質(zhì)(油污)上發(fā)出波長較長的可見熒光。光致發(fā)光原理當(dāng)光投射到物質(zhì)上時，光子直接與物質(zhì)中的電子起作用(吸收、動量傳遞等)，引起電子能態(tài)的改變，電子由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)過程中發(fā)出輻射。3．化學(xué)發(fā)光由化學(xué)反應(yīng)提供能量而引起的發(fā)光，稱化學(xué)發(fā)光。例如：磷在空氣中緩慢氧化而發(fā)光。

4．熱發(fā)光物體被加熱到一定溫度而發(fā)光，稱熱發(fā)光。例如：鈉或鈉鹽在火焰中發(fā)出的鈉黃光。熱發(fā)光的原理是特定的材料在特定的溫度下才可能發(fā)光。火焰中的原子、離子或電子具有足夠的動能去碰撞達到一定溫度的鈉原子，使鈉原子受激而發(fā)光，其光譜為線光譜。

實際上，物質(zhì)受激而發(fā)光是很復(fù)雜的，有些同屬幾種受激過程。例如：l

白熾燈中鎢絲通以電流會發(fā)光，本質(zhì)是電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱發(fā)光；l

物質(zhì)加熱后燃燒發(fā)的光通常是氧化化學(xué)反應(yīng)發(fā)光；平衡和非平衡輻射：l

激發(fā)發(fā)光是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉(zhuǎn)換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。l

溫度輻射是一種能達到平衡狀態(tài)的輻射。也稱熱輻射，即熱平衡狀態(tài)的輻射。

分類：自然輻射源/人工輻射源按照發(fā)光機理，光源可以分成如下幾類：

太陽、星光等

熱輻射光源

白熾燈、鹵鎢燈

黑體輻射器

汞燈

熒光燈

鈉燈

氣體放電光源

氙燈光源

金屬鹵化物燈

空心陰極燈

場致發(fā)光固體發(fā)光光源

發(fā)光二極管

氣體激光器

固體激光器

激光器

染料激光器

半導(dǎo)體激光器

自然輻射源(1)太陽：大氣層外的太陽輻射的光譜分布大致與5900K絕對黑體的光譜分布相似。太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。陽光是復(fù)色光，太陽光源是很好的平行光源。太陽光的照度值在不同光譜區(qū)所占百分比是不同的，紫外區(qū)約占6.46%；可見光區(qū)占46.25%；紅外光區(qū)占47.29%。熱輻射源自然輻射源(2)地球：地球輻射主要處于波長8~14m大氣窗口，該波段大氣吸收很小，成為熱成像系統(tǒng)的主要工作波段。地球水面輻射取決于溫度和表面狀態(tài)。無波浪時的水面，反射良好，輻射很?。恢挥挟?dāng)出現(xiàn)波浪時，海面才成為良好的輻射體。熱輻射源(3)月球：(4)星球：(5)夜天光：星光及其散射光 30%銀河光 5%黃道光 15%大氣輝光 40%后三項的散射光 10%自然輻射源

熱輻射源太陽對地球表面的照度太陽中心的實際高度角(o)地球表面的照度(103lx)陰影處和太陽下之比陰天和太陽下之比無云太陽下無云陰影處密云陰天54320.750.50109430.440.331515640.400.272023760.300.263039990.220.23405812120.210.21507614150.180.20558515160.180.1960102____70113____80120____90124____不同自然條件下地面景物照度天氣條件景物照度(lx)天氣條件景物照度(lx)無月濃云無月中等云無月晴朗(星光)1/4月晴朗半月晴朗滿月濃云滿月薄云2×10-45×10-41×10-31×10-21×10-12~8×10-29~15×10-2滿月晴朗微明黎明黃昏陰天晴天2×10-11101×1021×1031×104熱輻射源人工輻射源標(biāo)準黑體白熾燈氣體放電光源固體發(fā)光光源激光器人工標(biāo)準黑體輻射源自然界中并不存在能夠在任何溫度下全部吸收所有波長輻射的絕對黑體，但用人工方法可制成盡可能接近絕對黑體的輻射源。(1)腔型黑體輻射源腔型黑體輻射源是一種黑體模型器，其輻射發(fā)射率非常接近1。通常按使用要求分為高溫、中溫和低溫黑體源。腔式黑體L2RLLL2R2R2R(a)(b)(c)(d)其中,0和S分別為腔內(nèi)壁的材料發(fā)射率和面積(包括開孔面積)；S為開孔面積；

為黑體開孔面積所對應(yīng)腔底的立體角。人工標(biāo)準黑體輻射源熱成像系統(tǒng)的校準和紅外輻射計量需要采用大面積的面型黑體輻射源。面型黑體源主要用于均勻性和系統(tǒng)響應(yīng)等的測量或標(biāo)定，常采用差分黑體源(DifferentialBlackbody)方式作為熱成像系統(tǒng)信號響應(yīng)和性能測量的輻射源。靶標(biāo)靶標(biāo)支撐架黑體源靶標(biāo)溫度傳感器面型溫差黑體源人工標(biāo)準黑體輻射源離軸拋物面黑體源及靶標(biāo)輪折反鏡紅外平行光管離軸拋物面黑體源及靶標(biāo)輪折反鏡黑體源人工標(biāo)準黑體輻射源光輻射測量中所使用的光源種類繁多，除了黑體輻射源外，常用的有白熾燈、氣體放電燈、發(fā)光二極管LED、激光等輻射源。它們除用作光源外，也作為輻射度量測量和量值傳遞的標(biāo)準，用來測量或標(biāo)定測量系統(tǒng)的性能參數(shù)。發(fā)射已知光譜的線譜光源，常常用作波長標(biāo)定的標(biāo)準源，因而，光源在光輻射測量中占有很重要的地位。人工輻射源(1)白熾燈

白熾燈是光輻射測量中最普遍的光源之一。白熾燈發(fā)射連續(xù)光譜,在可見光譜段中部與黑體輻射分布相差約0.5%，而在整個可見譜段內(nèi)與黑體輻射分布平均相差2%。白熾燈在使用和量值傳遞上十分方便，且其發(fā)射特性穩(wěn)定，壽命長，因而被廣泛用作各種輻射度量的標(biāo)準光源。常用作光源和標(biāo)準光源的白熾燈有真空鎢絲白熾燈、充氣鎢絲白熾燈和各種鹵鎢燈，白熾燈實用只用作0.25~2.6m的紫外、可見和近紅外的光譜輻照度、光譜輻亮度的標(biāo)準燈以及光度標(biāo)準燈。

白熾燈

白熾燈靠燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光。白熾燈具有顯色性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，能瞬時點燃，無頻閃現(xiàn)象，可調(diào)光，可在任意位置點燃，價格便宜等特點。它發(fā)出連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、簡單、可靠、壽命比較長，得到廣泛的應(yīng)用。因其極大部分輻射為紅外線，故光效最低。真空鎢絲燈是將玻璃燈泡抽成真空，鎢絲被加熱到2300~2800K時發(fā)出復(fù)色光，發(fā)光效率約為10lm/W。若燈泡內(nèi)充氬、氮等惰性氣體稱為充氣燈泡，當(dāng)燈絲蒸發(fā)出來的鎢原子與惰性氣體原子相碰撞時，部分鎢原子會返回?zé)艚z表面而延長燈的壽命，工作溫度提高到2700~3000K，發(fā)光效率約為17lm/W。若燈泡內(nèi)充有鹵族元素（氯化碘、溴化硼等）時，稱為鹵素?zé)?。鎢絲被加熱后，蒸發(fā)出來的鎢原子在玻璃殼附近與鹵素化合成鹵鎢化合物，如WI2,WBr等，然后鹵鎢化合物又擴散到溫度較高的燈絲周圍且又被分解成鹵素和鎢，而鎢原子又沉積到燈絲上，禰補鎢原子的蒸發(fā)，以此循環(huán)而延長燈的壽命，鹵鎢燈的工作溫度達3000~3200K，發(fā)光效率約為30lm/W。白熾燈的燈壓決定了燈絲的長度，供電電流決定燈絲的直徑，100W的鎢燈發(fā)出的光通量大約200lm。白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)（電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響。其關(guān)系如下式所示：式中V0

、I0、ηV0、ΦV0、τ0分別為燈泡額定電壓、電流、發(fā)光效率、光通量和壽命。V、I、ηV、ΦV、τ分別為使用值。例如額定電壓為220V的燈泡降壓到180V使用，其發(fā)光的光通量降低到62%，但其壽命延長13.6倍。降壓使用對光電測量用的白熾燈光源十分重要，因為燈泡壽命的延長將使系統(tǒng)的調(diào)整次數(shù)大為減少，也提高了系統(tǒng)的可靠性。如光柵莫爾條紋法測量常用6V5W的白熾燈照明，若降壓至4.5V使用，燈的壽命延長20倍左右。白熾燈的種類很多，有普通型

、磨砂型、

漫射型、反射型、裝飾型、局部照明燈泡、水下燈泡等。鹵鎢燈：白熾燈的鎢絲在熱輻射過程中蒸發(fā)并附著在燈泡內(nèi)壁，使燈泡射出偽光通愈來愈低。為了減緩這種進程，通常在燈泡內(nèi)充以惰性氣體以抑制鎢絲的蒸發(fā)。鹵鎢燈與白熾燈比較，光效提高30％，壽命增長50%。鹵鎢燈具有體積小、功率大、能夠瞬時點燃、可調(diào)光、無頻閃效應(yīng)、顯色性好和光通維持性好等特點。這種燈多用于較大空間、要求高照度的場所，其色溫特別適用于電視轉(zhuǎn)播攝象照明。燈管所充的鹵素為碘或溴。溴比磺的化學(xué)性活潑，所以清潔管壁的效果更好。溴乃無色透明，故溴鎢燈較碘鎢燈的光效高，色溫也有所提高。(2)氣體放電燈氣體放電燈是一種用途十分廣泛的光源，尤其是近二三十年里，各種新型氣體放電燈相繼問世，且發(fā)展很快。根據(jù)工作氣壓不同，可把氣體放電分成低壓、高壓和超高壓三大類。低壓放電工作氣壓大致在10-2~102Pa之間，高壓放電在102~10Pa之間，而超高壓燈工作氣壓則在10Pa以上。在光輻射測量中，由于低壓氣體放電燈屬于原子發(fā)光，發(fā)射線光譜，故主要用作波長標(biāo)準燈和單色燈。按照充氣和金屬蒸汽壓的不同，有發(fā)射出各種單色譜線的燈，如低壓汞燈、低壓鈉燈、氦燈、鎘燈等。人工輻射源常用氣體放電燈的種類、性能及應(yīng)用種類工作原理及性能應(yīng)用1.汞燈

(1)低壓汞燈①冷陰陰弧光放電燈在一定電壓下，汞菡氣放電而發(fā)光在紫外有大量輻射。主要是253.7nm的線光譜。管內(nèi)加不同種類的螢光粉后，呈不同色。紫光殺菌、霓紅燈②熱陰極弧光放電燈照明、日光模擬(2)高壓汞燈0.5~8大氣壓。除紫外輻射外，在404.7、4.538、546.1、577.0~577.9nm有五根亮譜線照明、曬藍圖、日光浴、螢光分析、化學(xué)合成(3)超高壓汞燈①球形②毛細管形紫外輻射強，亮度高10～50大氣壓50～200大氣壓投影燈、螢光顯微鏡2.納燈(1)低壓鈉燈589.0～589.6nm譜線最強，818.3～819.5nm譜線占總輻射13％左右光譜燈(2)高壓鈉燈照明3.金屬鹵化物燈(1)碘化鈉(鉈銦燈)高壓汞燈中加入金屬鹵化物，以提高光效，改善光色。其中金屬鹵化物在一定溫度下蒸發(fā)，在高溫下分解出金屬原子，參與放電，并產(chǎn)生光輻射。鹵原子作為循環(huán)劑。照明、投影燈(2)鏑燈照明、照相制板(3)超高壓銦燈電影放映、投影儀常用線光譜燈的波長值

名稱強譜線波長值(nm)汞燈(石英泡殼)253.7275.3296.7302.2312.6313.2334.1365.0366.3404.7407.8435.8546.1577.0579.1623.4671.6690.71014.01128.7氦燈(玻璃泡殼)318.8361.4363.4370.5382.0388.9396.5402.6412.1414.4438.8443.8447.2471.3492.2501.6504.8587.6667.8706.5728.11083.0鎘燈(玻璃泡殼)298.1313.3326.1340.4346.6361.1467.8480.0508.6643.8

鈉燈(玻璃泡殼)589.0818.3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。由于以上特點氣體放電光源經(jīng)常被用于工程照明和光電測量之中。高壓汞燈（1）原理（2）特點高壓汞燈具有光效高、耐震、耐熱、壽命長等特點。但啟動時間較長，不宜于作室內(nèi)照明光源，也不能單獨做為事故照明光源。多用于車間、禮堂、展覽館等室內(nèi)照明，或道路、廣場的室外照明。高壓汞燈的壽命通常是按每啟動一次點燃5小時計算的，如果開關(guān)頻繁則壽命縮短。高壓鈉燈

（1）原理（2）特點高壓鈉燈具有光效高、紫外線輻射小、透霧性能好、光通維持性好、可任意位置點燃、耐震等特點，但顯色性差，平均顯色指數(shù)為21。它廣泛用于道路照明，當(dāng)與其它光源混光后，可用于照度要求高的高大空間場所。

半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)與能帶-補充知識原子的能級、共有化運動及能帶半導(dǎo)體器件多為單晶體。單晶體由靠的很緊密的原子周期性重復(fù)排列而成，相鄰原子間的只有零點幾個納米。如Si為0.235nm，Ge為0.245nm。根據(jù)前面晶體組成的知識可知，晶體中電子的狀態(tài)肯定不同于單原子的情況，但又與單原子情況下的電子狀態(tài)有關(guān)。H原子波函數(shù)的重疊情況H原子與氫分子能級的變化情況共有化運動與能帶理論原子能級的分裂電子的共有化運動一般而言，內(nèi)殼層的電子原來處于低能級，共有化運動很弱，其能級分裂得很小，形成的能帶較窄。反之，外殼層的電子原來就處于高能級，特別是價電子，共有化運動很明顯，如同自由運動的電子，常稱之為“準自由電子”，其能級分裂得很厲害，形成的能帶很寬。半導(dǎo)體晶體每立方厘米體積內(nèi)約有1022～1023個原子，因此，n值非常之大，且能級之間又靠得很近，故每一個能帶中的能級基本上可視為連續(xù)的，稱之為“準連續(xù)”。能帶的寬窄與殼層有關(guān)；共有化狀態(tài)的數(shù)量與能級的簡并度有關(guān)。在實際情況中，能帶與能級之間的對應(yīng)關(guān)系并非前面那樣簡單，一個能帶不一定能區(qū)分s能級與p能級的過渡能帶。例如，Si、Ge等的原子有四個價電子，兩個s電子，兩個p電子，組成晶體后，由于軌道雜化的結(jié)果，價電子形成的能帶分為上下兩個能帶，中間隔以禁帶。兩個能帶中各包含2n個共有化狀態(tài)，根據(jù)泡利不相容原理，各可容納4n個電子。n個原子形成的晶體有4n個價電子，按照最低能級填充原理，下面的能帶填滿了電子，對應(yīng)于共價鍵中的電子，該能帶通常稱之為滿帶或價帶；上面的能帶是空的，沒有電子，通常稱之為導(dǎo)帶；中間為禁帶。價帶頂?shù)哪芗売洖镋v，導(dǎo)帶底的能級記為Ec，禁帶記為Eg。半導(dǎo)體的能帶圖半導(dǎo)體的能帶通常用左面這樣的能帶圖表示，當(dāng)半導(dǎo)體中的電子受激（吸收能量，如光或者熱等）后，將躍遷到高能級上去，成為自由電子參與半導(dǎo)體的導(dǎo)電?？缭紼g的躍遷稱為“本征激發(fā)”。電子受激躍遷后在價帶留下一個正的空間電荷，半導(dǎo)體物理學(xué)中稱之為“空穴”，因此，半導(dǎo)體價帶的電子受激將產(chǎn)生“電子－空穴對”，空穴也參與半導(dǎo)體的導(dǎo)電。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶室溫下，金剛石Eg為6～7eV,是絕緣體；Si為1.12eV,Ge為0.67eV，GaAs為1.43eV，它們都是半導(dǎo)體。n型半導(dǎo)體-施主雜質(zhì)施主能級在硅中摻磷(P)的V族雜質(zhì)的作用：一個磷原子占據(jù)了硅原子的位置。磷原子有5個價電子，其中四個價電子與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還剩余1個價電子。同時，磷原子所在處也多余出一個正電荷十q(硅原子去掉價電子有正電荷4q，磷原子去掉價電子有正電荷5q），該正電荷稱為正電中心磷離子(P+)。所以磷原子替代硅原子后，其效果是形成一個正電中心P+和一個多余的價電子。這個多余的價電子被束縛在正電中心P+的周圍。這種束縛作用比共價鍵的束縛作用弱得多，只要很少的能量就可以使它掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運動，此時磷原子就成為少了一個價電子的磷離子(P+)，它是一個不能移動的正電中心。

電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為施主電離，使該多余的價電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量稱為施主電離能（ΔED）。

V族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心．在半導(dǎo)體物理學(xué)中稱這種雜質(zhì)為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。它釋放電子的過程叫做施主電離。施主雜質(zhì)未電離時是中性的．稱之為束縛態(tài)或者中性態(tài)，電離后成為正電中心，稱之為離化態(tài)。施主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示。當(dāng)電子得到能量ΔED后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所以電子被施主雜質(zhì)束縛時的能量比導(dǎo)帶底Ec低ΔED。將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED

。因為ΔED

遠小于Eg，所以施主能級位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中。一般情況下，施主雜質(zhì)是比較少的，雜質(zhì)原子間的相互作用可以忽略。在純凈的半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，雜質(zhì)電離以后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。通常把主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型或n型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體

-受主雜質(zhì)受主能級在硅中摻Ⅲ族雜質(zhì)硼(B)：一個硼原子占據(jù)了硅原子的位置。硼原子有3個價電子，在與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還缺少1個價電子，必須從別處的Si原子中奪取一個價電子，于是，在Si晶體中產(chǎn)生了一個空穴。而B原子在接受了一個電子后成為帶負電的B離子(B-)。所以B原子替代硅原子后、其效果是形成一個不能移動的負電中心B-

和一個多余的空穴。這個空穴被束縛在負電中心的周圍，在B離子的附近運動。B離子對空穴的束縛作用很弱，只要很少的能量就可以使它掙脫束縛，成為在晶體的共價鍵中運動的導(dǎo)電空穴。由于Ⅲ族雜質(zhì)在Si、Ge中接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負電中心，所以稱這種雜質(zhì)為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)。

空穴脫離受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電離，使該多余的空穴掙脫束縛參與導(dǎo)電所需要的能量稱為受主電離能（ΔEA）。

受主摻雜電離的過程可以用下能帶圖給出（見圖）。綜上所述，Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中分別是受主和施主雜質(zhì)，它們在禁帶中引入能級；受主能級比價帶頂高ΔEA，施主能級則比導(dǎo)帶底低ΔED。當(dāng)雜質(zhì)處于離化態(tài)時．受主雜質(zhì)向價帶提供空穴而成為負電中心，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮佣蔀檎娭行摹嶒炞C明，Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)的電離能都很小，所以受主能級很接近于價帶頂，施主能級很接近于導(dǎo)帶底。通常將這些雜質(zhì)能級稱為淺能級，將產(chǎn)生淺能級的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。在室溫下，晶格原子熱振動的能量會傳遞給電子，可使硅、鍺中的Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)幾乎全部離化。當(dāng)然、受主電離過程實際上是電子的運動，是價帶中的電子得到能量ΔEA后，躍遷到受主能級上，與束縛在受主能級上的空穴復(fù)合，同時在價帶中產(chǎn)生了一個可以自由運動的導(dǎo)電空穴．同時也就形成一個不可移動的受主離子。純凈半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價帶中的導(dǎo)電空穴增多，增加了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，通常把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型或p型半導(dǎo)體。p-n結(jié)-空間電荷區(qū)

單獨的n型和p型半導(dǎo)體是電中性的,當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成p-n結(jié)時，由于它們之間存在將載流子濃度梯度，導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū)，電子從n區(qū)到p區(qū)的擴散運動。p區(qū)留下了不可動的帶負電荷的電離受主，這些電離受主沒有正電荷與之保持電中性。因此，在p-n結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個負電荷區(qū)。同理，在p-n結(jié)附近n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個正電荷區(qū)，通常就把在p-n結(jié)附近的這些電離施主相電離受主所帶電荷稱為空間電荷，如圖所示?？臻g電荷區(qū)的電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū)，即從正電荷指向負電荷的電場，稱為內(nèi)建電場。內(nèi)建電場起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴散的作用，隨著擴散運動的進行，空間電荷逐漸增多，空間電荷區(qū)也逐漸擴展，同時，內(nèi)建電場逐漸增強，載流子的漂移運動也逐漸加強。在無外加電壓的情況下，載流子的擴散和漂移最終將達到動態(tài)平衡，即從n區(qū)向p區(qū)擴散過去多少電子，同時就將有同樣的多電子在內(nèi)建電場作用下返回n區(qū)。p-n結(jié)的能帶兩種不同型的半導(dǎo)體形成p-n結(jié)后，電子將從費米能級較高的n區(qū)流向p區(qū)，p區(qū)的空穴流向n區(qū)，因而，各區(qū)的費米能級將移動，直至兩種費米能級統(tǒng)一（如圖）。能帶相對移動的原因是p-n結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場的結(jié)果。隨著從n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場的不斷增強，空間電荷區(qū)內(nèi)電勢V(x)由n區(qū)向p區(qū)不斷降低，而電子的電勢能-qV(x)則由n區(qū)向p區(qū)不斷升高，所以p區(qū)的能帶相對n區(qū)上移，而n區(qū)能帶相對p區(qū)下移，直至費米能級處處相等時，能帶才停止相對移動，p-n結(jié)達到平衡狀態(tài)。半導(dǎo)體發(fā)光器件在電場的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件。又稱為注入式場致發(fā)光光源，通常稱為LED。c)+-NPSiO2電極a)電極p-n結(jié)塑料b)LED原理圖、外觀圖和器件符號

人工輻射源半導(dǎo)體發(fā)光器件的工作原理LED由半導(dǎo)體pn結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。在半導(dǎo)體pn結(jié)中，p區(qū)的空穴由于擴散移動到n區(qū)，n區(qū)的電子則擴散到n區(qū)，在pn結(jié)處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當(dāng)pn結(jié)上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由n區(qū)注入到p區(qū)，空穴則由p區(qū)注入到n區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到p區(qū)里的電子和p區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到n區(qū)里的空穴和n區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。輻射光的波長電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于pn結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率。則輻射光的波長決定于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg不同材料的禁帶寬度Eg不同，所以不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波長的光。另外有些材料由于成分和摻雜不同，有各種各樣的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線，紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。

注意，圖上的橫坐標(biāo)正負值刻度比例不同。一般而言，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，為了安全起見，使用時反向電壓應(yīng)在5V以下。U/V

I/mA

-10

-5

0

12GaAsP(紅)GaAsP(綠)LED的伏安特性擊穿反向死區(qū)正向死區(qū)工作區(qū)開啟電壓abIU通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x＞0.35時，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使λ在550～900nm間變化，它已經(jīng)進入紅外區(qū)。與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表。材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料材料光色峰值波長/nm光譜光視效能/lm.W-1GaAs0.6P0.4紅65070GaAs0.15P0.85黃589450GaP:N綠565610GaAs紅外910GaAs:Si紅外940

發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因為其材質(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長λp

。除峰值波長λp決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用Δλ描述）決定光的色彩純度，Δλ越小，其光色越純。0.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性λ/nm相對靈敏度激光光源人工輻射源從愛因斯坦受激輻射原理到激光物理模型1860年，麥克斯韋建立光的電磁場理論。1900年，普朗克提出量子假說。1917年，愛因斯坦于發(fā)表了著名的受激輻射理論，暗示有可能通過“激勵”產(chǎn)生光子輻射，并有可能放大。這構(gòu)成了激光最根本的理論基礎(chǔ)，此后約四十年，受激光輻射和放大領(lǐng)域卻異常地沉寂。構(gòu)建激光的技術(shù)手段早年就已具備，但激光的物理模型尚未建立。愛因斯坦“自然界最不可理解的就是它竟然可以理解！(Themostincomprehensiblethingabouttheworldisthatitiscomprehensible.)”激光的前奏曲：微波激射（梅塞）“山重水覆疑無路，柳暗花明又一村”，1952－1953年，韋伯（F.Weber）、湯斯（C.Townes）等采用非相干泵浦（抽運）機構(gòu)，形成原子系統(tǒng)兩個能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。他們使用一個長柱形介質(zhì)腔內(nèi)一對反射鏡間的反射，運用愛因斯坦的受激躍遷原理對于共振頻率的輻射進行放大，發(fā)明微波激射。C.湯斯“求解疑難問題，探索新的效應(yīng)，我們將樂此不?！╯olveapuzzle,understandsomethingnew,andit’sexhilarating.）”梅曼發(fā)明激光梅曼終于在1960年5月16日在休斯實驗室用1cm紅寶石晶體成功地制造出紅寶石激光器，產(chǎn)生紅色脈沖激光。人們立刻就發(fā)現(xiàn)激光具有很好的相干性、單色性，并且有良好的指向性。1960年7月7日，《紐約時報》報道了紅寶石激光器的成果。但PhysicalReviewLetters居然拒絕接收梅曼有關(guān)激光的論文。該論文于1960年8月6日在Nature發(fā)表。1961年，PhysicalReview發(fā)表了他的詳細論文。T.H.梅曼“盡管你的目標(biāo)未必一定實現(xiàn)，但你的不暇追求必將有豐厚回報。（…evenifyourgoalisnotachieved,thereisstillarichrewardforyouyourchoice…）”1961年9月，中國科學(xué)院長春光機所在王大珩領(lǐng)導(dǎo)下，用國產(chǎn)紅寶石制造出中國第一臺紅寶石激光器?！犊茖W(xué)通報》上發(fā)表了第一篇有關(guān)激光的文章。這臺激光器比美國在1960年5月問世的世界第一臺激光器僅晚了一年。王大珩院士“創(chuàng)新是我們的天職?！敝袊兄瞥晒t寶石激光器1964年諾貝爾物理學(xué)獎1964年諾貝爾物理學(xué)獎授予N.G.Basov、A.Prokhorov和C.Townes：“他們在實驗物理學(xué)領(lǐng)域的研究最終導(dǎo)致了微波激射器和激光的發(fā)明，這項發(fā)明不僅開創(chuàng)了本領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，而且大大開拓了宏觀和微觀物理學(xué)的視界?！?/p>

N.G.Basov和A.Prokhorov

A.Prokhorov“……大家都說我們的探索近似瘋狂，都說這根本不可能。然而，我們卻看到了一個幾乎全新的學(xué)科——光學(xué)

(Manybelievedthatwehadgonecrazy,thatwasimpossible.Thenitbecameanew,independentscience:optics.)”三激光器激光器的組成激光器要實現(xiàn)光的受激發(fā)射，必須具有激光工作物質(zhì)、激勵能源和光學(xué)諧振腔三大要素。激光器分為固體激光器（工作物質(zhì)為固體，如紅寶石、釹釔鋁石榴石、鈦寶石等）、氣體激光器（工作物質(zhì)為He-Ne、CO2、Ar+等）和半導(dǎo)體激光器（工作物質(zhì)為GaAs、GaSe、CaS、PbS等）。

激光具有：單色性，方向性，高亮度，相干性。激發(fā)源激活介質(zhì)激光器的特性參數(shù)功率（平均／峰值），能量波長，頻率，線寬脈沖寬度，重復(fù)頻率光斑直徑，發(fā)散角，Ｍ－平方因子模式，波長可調(diào)諧性穩(wěn)定性（波長／頻率／功率／能量／方向等），壽命，光電效率激光器的激勵方式激勵系統(tǒng)有光激勵，電激勵，核激勵和化學(xué)反應(yīng)激勵等。光學(xué)諧振腔用以提供光的反饋，以實現(xiàn)光的自激振蕩，對弱光進行放大，并對振蕩光束方向和頻率進行限制，實現(xiàn)選頻，保證光的單色性和方向性。激光器的類型氣體、固體、半導(dǎo)體激光器紫外、可見和紅外激光器連續(xù)、準連續(xù)和脈沖激光器單頻、單模激光器可調(diào)諧激光器超短脈沖激光器三種常用激光器氣體激光器中的CO2激光器輸出功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出波長為10.6m的紅外光。因此它廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信和軍事上。在光電測量中應(yīng)用最多的是He-Ne氣體激光器，因為He-Ne激光器發(fā)出的激光單色性和方向性好;固體激光器一般用光泵激勵形成受激輻射，輻射能量大，一般比氣體激光器高出三個量級。激光輸出的波長范圍寬，從紫外到紅外都得到了穩(wěn)定的激光輸出?？梢暂敵雒}沖光、重復(fù)脈沖光和連續(xù)光輸出。常用于打孔、焊接、測距、雷達等;半導(dǎo)體激光器體積小、效率高、壽命長、攜帶與使用方便，尤其是可以直接進行電流調(diào)制而獲得高內(nèi)調(diào)制輸出，廣泛用于光電測量、激光打印、光存儲、光通信、光雷達等。He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式氣體激光器光束質(zhì)量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。效率低，能耗高，壽命較短，體積大。原子（氦－氖）激光器;離子（氬，氪，金屬蒸汽）激光器;分子（CO2,CO,準分子)激光器。選擇和使用He-Ne激光器時應(yīng)注意以下幾點：

激光的模態(tài)功率穩(wěn)功率和穩(wěn)頻激光束的漂移

固體激光器運行方式多樣：連續(xù)，脈沖，調(diào)Ｑ，鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)率，高脈沖能量，高峰值功率激光；主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式；結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長，穩(wěn)定可靠；Ｎd：ＹＡＧ，紅寶石，釹玻璃激光器。半導(dǎo)體激光器體積小，效率高，能耗低，壽命長，穩(wěn)定可靠；線寬較寬，波長可調(diào)諧，能產(chǎn)生超短脈沖，直接高頻調(diào)制；可批量生產(chǎn)，單片集成；發(fā)散角大，溫度特性差，容易產(chǎn)生噪聲。半導(dǎo)體激光器在使用半導(dǎo)體激光器時應(yīng)注意以下幾點：LD發(fā)出的光束不是高斯光束，光束截面近似矩形，發(fā)散角又較大，因此用LD作為平行光照明時應(yīng)該用柱面鏡將光束整形，再用準直鏡準直;頻率穩(wěn)定性。前面已經(jīng)提到LD光的單色性遠遜于He-Ne激光，因而其相干性也較差，故用LD作相干光源且測量距離又較大時，必須對LD穩(wěn)頻。激光器在光電檢測中的應(yīng)用激光大氣污染檢測激光測距，測長，測平面度等激光ＤＮＡ檢測激光海洋探測激光制導(dǎo)激光雷達激光干涉測量（探傷）激光全息測量作業(yè):（自己）

1、飛機尾噴口的溫度為1000℃，坦克后蓋的溫度300℃，人體的體表溫度為27℃，如果認為它們均為黑體，試計算它們各自的最大輻射波長和總輻射出射度為多少。

光電測量中的光學(xué)系統(tǒng)與基本儀器光學(xué)系統(tǒng)光度導(dǎo)軌與平行光管積分球單色儀濾光片與中性衰減片狹縫、光闌與分劃板在光輻射測量中，必須通過光學(xué)系統(tǒng)進行變換、能量收集、觀察、位置確定和成像，因此，各類光學(xué)系統(tǒng)是光電檢測系統(tǒng)不可缺少的環(huán)節(jié)。常用的光學(xué)系統(tǒng)有：顯微光學(xué)系統(tǒng)望遠光學(xué)系統(tǒng)攝像光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)輔助光學(xué)元件光學(xué)系統(tǒng)

顯微光學(xué)系統(tǒng)顯微光學(xué)系統(tǒng)的主要作用：目標(biāo)物的放大，觀察讀數(shù)以及測量等。顯微鏡的主要光學(xué)性能：1、分辨本領(lǐng)：瑞利準則（兩個相鄰點中央暗處的光強為最大值的80%）和道威準則（兩個相鄰點的間隔為0.85r/β）2、有效放大率：（1）目視有效放大率：通常的人眼分辨角為2′～4′，則明視距離上對應(yīng)的線距離為r為愛里斑半徑；β為顯微物鏡放大倍率。

如果取可見光平均波長為0.555μm，可知（2）顯微物鏡的有效放大率：目前，人們常常采用CCD等成像系統(tǒng)代替人眼作為圖像采集系統(tǒng)，因此顯微系統(tǒng)的放大率就是顯微物鏡的放大率，因而，可以根據(jù)道威判據(jù)選擇顯微物鏡和CCD等成像系統(tǒng)的參數(shù)。即滿足該式的視覺放大率即為顯微系統(tǒng)的有效放大率。低于左端將不能充分利用顯微系統(tǒng)的分辨力，超出右端將沒有意義。

望遠光學(xué)系統(tǒng)望遠光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是對觀察的物體進行視角放大，以便更利于人眼觀察。望遠光學(xué)系統(tǒng)的主要光學(xué)性能：1、視角放大率：物體的像對人眼的張角與人眼直接觀察物體時物體對人眼的張角之比，即2、分辨力與工作放大倍率：亦分為瑞利準則和道威準則由公式可見望遠系統(tǒng)的入瞳直徑越大，分辨力越高。人眼的極限分辨率為60″，故要分辨空間的兩個物點，需要望遠系統(tǒng)的視覺放大率一般取上式的2～3倍，稱之為工作放大率。望遠光學(xué)系統(tǒng)3、景深：（1）調(diào)節(jié)景深：望遠鏡因人眼的調(diào)節(jié)而能夠看清楚的物空間范圍稱之為調(diào)節(jié)景深。根據(jù)成像關(guān)系

（2）幾何景深：望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)散斑直徑對人眼的張角不大于人眼的分辨本領(lǐng)時的成像范圍，即由公式可知，望遠系統(tǒng)成清晰圖像的范圍為從望遠鏡前l(fā)處至無窮遠。式中，x為物體至物方焦點的距離；x′為像至目鏡像方焦點的距離。常見的望遠光學(xué)系統(tǒng)伽利略望遠系統(tǒng)開普勒望遠系統(tǒng)反射式伽利略望遠系統(tǒng)反射式天文望遠系統(tǒng)攝像光學(xué)系統(tǒng)顯微系統(tǒng)和望遠光學(xué)系統(tǒng)都是典型的成像系統(tǒng)，但在實際生活中，更多的是將空間的物體縮小成像在CCD等光電成像器件上，這樣的光學(xué)系統(tǒng)我們統(tǒng)稱為攝像光學(xué)系統(tǒng)。攝像光學(xué)系統(tǒng)的主要光學(xué)性能：1、視場：成像系統(tǒng)的觀察范圍或成像范圍統(tǒng)稱為視場。成像系統(tǒng)的視場有物鏡的焦距和成像器件的尺寸（亦稱為視場光闌）決定。即半視場為成像系統(tǒng)ωhl成像系統(tǒng)的成像關(guān)系d/2f′2、相對孔徑：成像系統(tǒng)入瞳直徑與物鏡焦距之比，即D/f′，其影響物鏡的分辨力和像面照度。相對孔徑的倒數(shù)稱之為光圈，即F=f′/

D。3、分辨力：成像物鏡的分辨力通常用lp/mm（線對/毫米）或cyc/mrad（周/毫弧度）描述。理論上，成像物鏡的分辨力由瑞利判據(jù)決定，即可見，相對孔徑越大，分辨力越高，且像面的照度越大。由成像系統(tǒng)像面照度公式有4、景深與焦深：

景深：不同距離上的物點，在成像面上形成不同大小的彌散圓斑，當(dāng)彌散圓直徑足夠小時，彌散圓仍可視為一個點像，其直徑的允許值取決于攝像器件的分辨力。由彌散圓直徑允許值所決定的物空間深度范圍成為景深。

焦深：同理，當(dāng)物距固定時，在焦平面前后能得到清晰圖像的范圍稱為焦深。5、長焦、短焦與變焦：為了對不同距離、不同范圍的物體成像，通常要選擇不同焦距的物鏡：長焦距鏡頭：f′>x,y（可以看清景物細節(jié)）——攝遠物鏡短焦距鏡頭：f′<x,y（用于環(huán)境照明差，但拍攝場面大的場合）——廣角物鏡中焦距鏡頭：f′與成像尺寸相當(dāng)變焦鏡頭：焦距連續(xù)可調(diào)照明光學(xué)系統(tǒng)照明光學(xué)系統(tǒng)是高質(zhì)量成像與檢測的重要保證。對照明系統(tǒng)的要求：（1）保證足夠的能量；（2）保證足夠的照明范圍且照明均勻；（3）照明光束充滿物鏡的入瞳；（4）減少雜散光，保證像面的對比度；（5）合理布局，避免高溫有害影響。照明系統(tǒng)的設(shè)計原則：（1）光孔轉(zhuǎn)接原則：照明系統(tǒng)的出瞳與成像系統(tǒng)的入瞳重合；（2）照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量。照明的種類繁多照明的種類繁多，主要包括：1、直接照明：透射光亮場照明；透射光暗場照明；反射光亮場照明；反射光暗場照明。2、臨界照明：光源發(fā)出的光通過會聚鏡成像在物面或者其附近的照明方式稱之為臨界照明。3、遠心柯勒照明：聚光鏡將光源成像在會聚鏡前焦面上，孔徑光闌位于會聚鏡物方焦平面上，而視場光闌成像在物面上的照明方式稱之為遠心柯勒照明。4、光纖照明：p415、同軸反射照明：p41

輔助光學(xué)元件為了提高光電探測器件的光能利用率和合理安排光路系統(tǒng)，在光電檢測系統(tǒng)中還常常附加一些具有集光作用的光學(xué)元件，如場鏡、光錐和浸沒透鏡等。1、場鏡安放在焦平面后用于將邊緣光束會聚后再送到探測器上的正透鏡，由此可用較小的探測器接收通過視場光闌的全部輻射能。場鏡的另一個作用是使會聚到探測器的輻照度均勻化。

輔助光學(xué)元件

2、光錐光錐通常是一種空腔圓錐或具有合適折射率材料的實心圓錐。光錐內(nèi)壁具有高反射比，其大端放在物鏡焦面附近，收集物鏡所會聚的光輻射，然后依靠內(nèi)壁的連續(xù)反射把光引導(dǎo)到小端，通常在小端放置探測器。因此，光錐也是一種聚光元件，可以縮小探測器的尺寸。但光錐不是成像元件。

輔助光學(xué)元件3、浸沒透鏡浸沒透鏡和場鏡、光錐一樣，也是一種二次聚光元件。浸沒透鏡是由一個單折射球面與平面構(gòu)成的球冠體，探測器光敏面用膠合劑粘接在透鏡的平面上，使像面浸沒在折射率較高的介質(zhì)中，如圖所示。使用浸沒透鏡可以縮小探測器的光敏面面積，提高探測器的信噪比。光輻射測量中，在光度導(dǎo)軌上用標(biāo)準光源來標(biāo)定待測光源、探測器和光輻射測量系統(tǒng)，仍是最常用而且精確、可靠的裝置之一。光度導(dǎo)軌和一般導(dǎo)軌的主要區(qū)別在于：光度導(dǎo)軌與平行光管有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺光度導(dǎo)軌的主要功能：保持軸向?qū)示_確定軸向距離獲得近似朗伯源使兩個或多個部件之間軸向的相對位置對準，并在其相對移動時保持對準關(guān)系。精確地確定測量部件之間的軸向距離，以便用輻照度平方反比定律連續(xù)、精確地改變某一平面處的輻照度(照度)。

用光源加上相距一定距離的透射漫射屏，可得到透射、漫射特性近似朗伯的均勻輻亮度源。改變光源至屏的距離，光源的輻亮度值可連續(xù)、精確地變化。光度導(dǎo)軌的特點是其它方法(如加中性密度濾光片改變光闌孔徑等)不能或不能精確實現(xiàn)的。由于在光度導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)的參數(shù)是距離，不會改變光源的光譜分布(不考慮中間大氣的影響)，而一般加入光闌等很難同時做到精確又連續(xù)可調(diào)。光度導(dǎo)軌導(dǎo)軌上裝有數(shù)個帶距離精細刻度的滑動架或滑動車，以便和導(dǎo)軌上的距離刻尺對準，提高距離讀數(shù)的精度。為了增加垂直測量平面上輻照度等的變化范圍，減少距離誤差對測量的影響，光度導(dǎo)軌應(yīng)盡可能長。例如，有效工作長度為3m的光度導(dǎo)軌，若其最近工作距離為0.3m，則輻照度可連續(xù)變化100倍；6m有效工作長度的光度導(dǎo)軌則可使輻照度等連續(xù)變化400倍。由于輻照度和距離的平方成反比例，所以距離精度將直接影響輻照度的測量精度。

在光度導(dǎo)軌上測量時，光源至待測平面的最近工作距離取決于用平方反比定律計算輻照度的允許誤差，可根據(jù)允許的相對距離誤差和光源的尺寸確定最近工作距離。

要使距離引起的輻照度測量誤差小于0.2%，由輻照度和距離的平方關(guān)系，則理論上距離測量誤差就應(yīng)小于0.1%，實際距離測量精度就應(yīng)好于0.05％，即1m測量距離的距離誤差小于0.5mm。更近的測量距離要求距離精度更高，故建議實際使用上測量距離至少應(yīng)大于0.5m。

相對距離誤差能提供一無窮遠目標(biāo)或平行光束的光學(xué)儀器，通過將一被光源照明的針孔或分劃板置于物鏡的焦面上構(gòu)成。平行光管可作為測試基準，廣泛地用于測試工作和對其他儀器的校準工作。從平行光管物鏡射出的平行光束，遇到平面反射鏡反射后，將循原路返回而被物鏡聚焦于針孔上。

平行光管129積分球1積分球及其應(yīng)用在色度與光度測量裝置中廣泛使用積分球部件。結(jié)構(gòu)特點積分球是一個中空的金屬球體；球壁上開有一個或幾個窗孔，用于進光和放置光接收器件；球內(nèi)壁上應(yīng)涂以理想的漫反射材料，也就是漫反射系數(shù)接近1的材料。常用的材料是氧化鎂（或硫酸鋇）。性能特點與要求可以證明，進入積分球的光經(jīng)過吸收很小的內(nèi)壁涂層的多次反射，最后可達到內(nèi)壁上具有均勻分布的照度。并且該照度較入射光通量除以球內(nèi)壁面積的照度值大得多（可提高信噪比）。積分球上的總開孔面積應(yīng)盡可能小，把積分球的直徑做得比較大。積分球

具有高反射性內(nèi)表面的空心球體。積分球的基本原理是光通過采樣口進入積分球，經(jīng)過多次反射后非常均勻地散射在積分球內(nèi)部。積分球的主要功能是光收集器，被收集的光可以用作漫反射光源或被測源。用來對處于球內(nèi)或放在球外并靠近某個窗口處的試樣對光的散射或發(fā)射進行收集的一種高效率器件。

積分球利用積分球的光纖面板測試裝置。單色儀

單色儀用來將具有寬譜段輻射的光源分成一系列譜線很窄的單色光，因而它既可作為一個可調(diào)波長的單色光源，也可作為分光器。單色儀是利用色散元件(棱鏡、光柵等)對不同波長的光具有不同色散角的原理，將光輻射能的光譜在空間分開，并由入射狹縫和出射狹縫的配合，在出射狹縫處得到所要求的窄譜段光譜輻射。棱鏡單色儀單色儀是常用的光學(xué)儀器之一，反射式單色儀其主要結(jié)構(gòu)可分成三部分：(一)入射準直系統(tǒng)：包括限制入射光束的入射狹縫和使入射的發(fā)散光束變成平行光束的第二物鏡；(二)色散系統(tǒng)：主要是棱鏡，它可以是水晶棱鏡(用于紫外區(qū)和可見區(qū))。玻璃棱鏡(用于可見區(qū))和NaCl2、KCl2等晶體棱鏡(用于紅外區(qū))；(三)出射準直系統(tǒng)：包括出射狹縫和使平行的單色光會聚成象于出射狹縫處的第二物鏡。三部分組成如圖所示：反射式單色儀棱鏡單色儀折射式單色儀單色儀可以制作色散曲線，如常用的汞燈的主要譜線波長值如下：顏色波長(?)相對強度深紫4046.77紫4077.85藍紫4358.310綠紫4916.08綠5460.710黃5769.610紅6234.47深紅6907.27單色儀工作的譜段范圍主要取決于棱鏡所用材料及其色散值，棱鏡的色散值應(yīng)盡可能大。光柵單色儀由于棱鏡光譜是非線性的，人們開始研究光柵光譜儀。光柵單色儀是用光柵衍射的方法獲得單色光的儀器，它可以從發(fā)出復(fù)合光的光源（即不同波長的混合光的光源）中得到單色光，通過光柵一定的偏轉(zhuǎn)的角度得到某個波長的光，并可以測定它的數(shù)值和強度。因此可以進行復(fù)合光源的光譜分析。光柵單色儀平面光柵單色儀是用光柵衍射的方法獲得單色光的儀器，它可把紫外，可見及紅外三個光譜區(qū)的復(fù)合光分解為單色光?？蛇M行光譜分析、測定接收元件的靈敏特性、濾光片吸收特性、光源的能譜分析和光柵的集光效率等。如配備電子束激發(fā)器，X射線激發(fā)器，光子激發(fā)器和高頻等離子，輝光放電等穩(wěn)定光源相配套，可進行光譜的化學(xué)分析。與棱鏡相比，光柵具有色散本領(lǐng)大，均勻性好，分辨率高等特點。因而在光譜學(xué)，計量學(xué)，光通訊等方面有著廣泛的應(yīng)用。光的衍射現(xiàn)象是指光遇到障礙物時偏離直線傳播方向的現(xiàn)象。而光柵是指任何能起周期性地分割波陣面作用的衍射屏。作為色散元件的衍射光柵最早是由夫瑯和費用細金屬絲制成的，夫瑯和費用它測出了太陽光譜中的暗線波長。后來他又用金剛石刻劃貼金箔的玻璃板，得到了性能更好的光柵。常用的衍射光柵分透射式與反射式兩種。透射式光柵是用金剛石刀在平面透明玻璃板上刻劃平行，等間距又等寬的直痕而制成的。反射式光柵是在堅硬的合金板或高反射率平面鏡上刻劃而成的。平面光柵單色儀的工作原理是光源（鎢燈）發(fā)出的光均勻地照亮在入射狹縫S1上，S1位于離軸拋物鏡的焦面上。光經(jīng)過M1平行照射到光柵上，并經(jīng)過光柵的衍射回到M1，經(jīng)M1反射的光經(jīng)過M2會聚到S2出射狹縫上，最后照到光電接受元件上。由于光柵的衍射作用，從出射狹縫出來的光線為單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動時，從出射狹縫里出來的光由短波到長波依次出現(xiàn)。這種光學(xué)系統(tǒng)稱為李特洛式光學(xué)系統(tǒng)，見上圖。理想的反射式平面光柵，可視作是相互平行，等寬，等間距，均勻排列的許多狹縫。如設(shè)光柵的縫寬為d，則d稱為光柵常數(shù)，本實驗中刻線密度為1200條/mm。根據(jù)夫瑯和費理論，一束平行光垂直地入射到平面反射光柵上，經(jīng)各縫衍射后向各方向傳播。衍射角適合如下條件：

dsinθ=kλ

k=0，±1，±2，±3…使用單色儀的幾個問題波長的標(biāo)定單色儀經(jīng)過一段時間的使用，由于溫度影響、機械結(jié)構(gòu)松動、固有的結(jié)構(gòu)間隙等，使得單色儀的波長刻度往往與實際出射光的波長不能準確地吻合，定期進行波長標(biāo)定十分必要；紅外單色儀波長標(biāo)定的過程大致相同，常用已知波長的線光譜燈或一些吸收譜線作為標(biāo)定源。在近紅外、中紅外、遠紅外還用氧化鈥等玻璃、聚乙烯或大氣水氣、二氧化碳等吸收譜線作為標(biāo)定波長，激光光源也是很好的標(biāo)定光源；標(biāo)定可見譜段的波長時，由于一般譜線較亮，狹縫應(yīng)盡可能窄(如0.1mm)。溫度對測量的影響溫度使材料的折射率發(fā)生變化，故儀器工作所在環(huán)境溫度的變化應(yīng)控制在±10C以內(nèi)。尤其是紅外分光棱鏡，色散小，光譜分辨率低，溫度變化引起的波長裝定誤差就更大。

濾光片與中性衰減片濾光片與中性衰減片也是光電檢測系統(tǒng)中常用的分光元件和光衰減元件，主要用于對某些單一波段的光的照明或檢測以及照度的調(diào)整等。紫外窄帶濾光片可見窄帶濾光片近紅外濾光片200～399nm400～740nm750～2500nm常見的濾光片：濾光片與中性衰減片典型濾光片的透光波段范圍

名

稱材

料透光范圍（nm）深紫色濾光片

ZWB1270—390紫色濾光片

EB1310—460青色濾光片

QB12360—600黃色濾光片

JBβ

750橙色濾光片

CB6

756紅色濾光片

HB13

762深紅色濾光片

HB15770

中性衰減片：

利用物質(zhì)對光的吸收特性，制成片狀放在光路上，可以衰減光強，這種片狀元件叫光學(xué)衰減片。

光通過衰減片的多少與材料種類有關(guān)，也與材料的厚度有關(guān)。如衰減片上標(biāo)準的透過率為0.02，表明光通過該衰減片后，只透過去原來光強的百分之二。

一束光中含有不同的波長的光，中性衰減片的含義是，光通過這種衰減片后，不同波長均按同一比例衰減。

中性密度濾光片（灰鏡，中灰鏡，固定中性密度片，漸變中性密度片）廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)如醫(yī)療設(shè)備光探測器，臨床生化分析設(shè)備，化學(xué)檢測設(shè)備，及電子學(xué)顯像系統(tǒng)等光學(xué)儀器。狹縫、光闌與分劃板狹縫（slit）是一條寬度可調(diào)、狹窄細長的縫孔，在光電檢測系統(tǒng)中用來作為目標(biāo)或者遮光元件。狹縫有固定狹縫，單邊可調(diào)的非對稱式狹縫和雙邊可調(diào)的對稱狹縫。光輻射經(jīng)光譜儀色散分光后的每條譜線，都是入射狹縫的像。進入單色器或從單色器出射的輻射能量，均由狹縫寬度調(diào)節(jié)?，F(xiàn)代光譜儀中狹縫與光柵的轉(zhuǎn)動耦合在一起，可自動調(diào)節(jié)。狹縫寬度的單位為