光電子技術(shù)chapter1課件

光電子技術(shù)（1）課程的性質(zhì)和目的是光物理方向的一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，講述常用光電子技術(shù)、器件及其原理、理論。為同學(xué)們今后從事光電子技術(shù)、器件研究和開(kāi)發(fā)及理解新型光電子器件打下基礎(chǔ)。前期課程要求本課程是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的課程，涉及的前期課程包括量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理、激光原理、激光技術(shù)、物理光學(xué)、電子技術(shù)等。光電子技術(shù)（1）課程教學(xué)要求1希望同學(xué)們能滿勤聽(tīng)課。2上課時(shí)關(guān)閉一切通訊器件，如手機(jī)。3教學(xué)內(nèi)容的深度、廣度以及順序可能與參考書(shū)不一致，教學(xué)內(nèi)容有較多的增加。是否記筆記，由各位同學(xué)自己掌握，講稿將上網(wǎng)，可以網(wǎng)上瀏覽，但不能下載、復(fù)制。4考試方式：筆試。成績(jī)參考平時(shí)作業(yè)主要參考書(shū)楊經(jīng)國(guó)等編著，光電子技術(shù)，四川大學(xué)出版社光電子技術(shù)（1）第一章常用電光源§1.1

輻射度量與光度量及其單位輻射度量學(xué)描述整個(gè)電磁波譜范圍的電磁輻射，以輻射能量或輻射功率為基本量。而光度學(xué)描述可見(jiàn)光譜范圍的電磁輻射，以光強(qiáng)為基本單位。光只是電磁波譜范圍內(nèi)一小段波譜。一、輻射度量及其單位1、輻射能和單位輻射能指?jìng)鞑サ碾姶挪ǖ哪芰?，用Qe表示，單位為焦耳，符號(hào)為J。它是輻射度量學(xué)的基本量之一.輻射能用于度量脈沖輻射較方便。每個(gè)脈沖的能量。（一）、復(fù)色輻射度量及單位光電子技術(shù)（1）式中，為球坐標(biāo)系中的方位角。4、輻射出射度和單位輻射出射度是對(duì)擴(kuò)展發(fā)射源定義的。它定義為單位面積輻射源所輻射的輻射通量。單位為：瓦/米2（W/M2)。數(shù)學(xué)表示：5、輻射亮度和單位輻射亮度也是對(duì)擴(kuò)展光源定義的。它定義為在給定方向上由單位投影面積輻射源向單位立體角內(nèi)輻射的通量。單位為瓦/米2/球面度，符號(hào)為W/Sr/M2。數(shù)學(xué)表示：光電子技術(shù)（1）6、輻射照度和單位輻射照度對(duì)輻射接受體定義，它定義為單位接收面積上所接受到的輻射通量，單位為瓦/米2，符號(hào)W/M2。數(shù)學(xué)表示：（二）、光譜輻射度量及單位1、單色輻射能和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射能。單位為J/M，數(shù)學(xué)表示：2、單色輻射通量和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量，單位為W/M，數(shù)學(xué)表示：3、單色輻射強(qiáng)度和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度，單位為W/Sr/M，數(shù)學(xué)表示：光電子技術(shù)（1）光電子技術(shù)（1）6、單色輻射照度和單位定義為某一波長(zhǎng)處單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射照度，單位為W/M3，數(shù)學(xué)表示：（三）、光譜輻射度量及積分（復(fù)色）輻射度量的關(guān)系任一光譜輻射度量Xe()與其對(duì)應(yīng)的復(fù)色輻射度量Xe之間通過(guò)積分關(guān)系連接：二、光度量及其單位所謂光度量指描述人眼可見(jiàn)電磁波段范圍的電磁輻射的量。可見(jiàn)電磁輻射通常稱(chēng)為“光”，所以，把描述可見(jiàn)電磁輻射的量稱(chēng)為光度量。光度量采用與輻射度量完全不同的另一套單位。（一）、人眼的視覺(jué)特征光電子技術(shù)（1）光電子技術(shù)（1）人眼就象一個(gè)探測(cè)器，它對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁輻射具有不同的靈敏度。研究發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)540*1012Hz或555nm的電磁輻射最靈敏，即人眼對(duì)這一波長(zhǎng)的單位輻射通量所產(chǎn)生的響應(yīng)最大。國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定這一最大響應(yīng)值為683（流明/瓦）1、光視效能人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的單位輻射通量的響應(yīng)，稱(chēng)為光視效能，用K()表示，其最大值為Km=683（流明/瓦）(lm/W)。2、光視效率歸一化光視效能稱(chēng)為光視效率，記為V()，顯然，

V()=K()/Km它是光度學(xué)的基本量，單位為坎德拉。(2)、光量Qv它定義為光源輻射的光能量，單位lm.s(3)、光強(qiáng)度Iv(,)(4)、光出射度Mv定義為面光源單位面積發(fā)射的光通量，單位lm/m2.數(shù)學(xué)表示：光電子技術(shù)（1）光電子技術(shù)（1）(5)、發(fā)光亮度Lv定義為單位投影面積光源向單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，單位為坎/米2，記Cd/m2，又稱(chēng)尼特，符號(hào)nt。數(shù)學(xué)表示：(6)、光照度Ev定義為單位接受面積上所接收的光通量，單位為lm/m2，又稱(chēng)勒克斯（Lux)。數(shù)學(xué)表示：式中*號(hào)表示接收有關(guān)的量。光電子技術(shù)（1）2、單色光度量與光譜輻射度量定義類(lèi)似，同樣可以定義單色光度量，Qv()，v()，Iv()，Mv()，Lv()和Ev()六個(gè)單色光度量。3、單色光度量與復(fù)色光度量的聯(lián)系任一單色光度量Xv()與其對(duì)應(yīng)的復(fù)色光度量Xv之間存在關(guān)系：復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1、輻射度量定義、單位、輻射度量學(xué)的基本量？2、單色輻射度量定義及其與復(fù)色輻射度量的關(guān)系？3、光視效能與光視效率的意義？4、光度量定義、單位、光度學(xué)的基本量？5、光度量與輻射度量間的轉(zhuǎn)換？6、一個(gè)發(fā)光強(qiáng)度單位的國(guó)際定義？光電子技術(shù)（2）四、發(fā)光效率發(fā)光效率是對(duì)人造光源而言的，指光源所發(fā)出的光通量與輸入的功率之比。對(duì)電光源，發(fā)光效率指發(fā)出的光通量與電光源消耗的電功率之比。用輻射度量和光度量表示：光電子技術(shù)（2）式中顯然，1表示消耗功率P后轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光譜范圍的電磁輻射的效率，2表示可見(jiàn)光譜范圍的輻射功率轉(zhuǎn)換為光通量的效率。通常稱(chēng)2為理想光效。光電子技術(shù)（2）描述物體熱輻射能力，物體的輻射本領(lǐng)用它的光譜輻射出射度表示：（2）吸收本領(lǐng)(,T)描述物體吸收輻射的能力，定義為物體吸收的在到+d范圍的輻射通量與入射的同一光譜范圍的輻射通量之比：光電子技術(shù)（2）通常，Me(,T)和(,T)的分布不僅隨T變化，而且隨物體的性質(zhì)而變化，并且變化可能千差萬(wàn)別，然而，基爾霍夫定律表明：任何物體的發(fā)射本領(lǐng)與其吸收本領(lǐng)之比是一個(gè)與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)的普適函數(shù)，這個(gè)普適函數(shù)只依賴(lài)和T兩個(gè)變量。即：這個(gè)普適函數(shù)就是黑體的輻射分布公式，它困擾了19世紀(jì)的科學(xué)。同時(shí)導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生。能量量子化正是普朗克為了導(dǎo)出與黑體熱輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的理論公式過(guò)程中提出來(lái)的。光電子技術(shù)（2）2、黑體輻射（1）、黑體黑體指吸收本領(lǐng)(,T)恒為1的熱輻射體。定義物體的發(fā)射率為物體的輻射本領(lǐng)與黑體的輻射本領(lǐng)之比：上式表明好的發(fā)射體也是好的吸收體，同時(shí)也表明實(shí)驗(yàn)上只需測(cè)量發(fā)射率或吸收本領(lǐng)之一，通常對(duì)發(fā)光源測(cè)量發(fā)射率較方便，而不發(fā)光的物體，測(cè)量吸收本領(lǐng)較方便。（2）黑體輻射本領(lǐng)—普朗克輻射公式光電子技術(shù)（2）4、色溫和相關(guān)色溫色溫是用黑體的溫度來(lái)標(biāo)度普通熱輻射源的溫度。色溫：如果熱輻射體的光色與溫度為T(mén)的黑體的光色完全一樣，則稱(chēng)該熱輻射體的色溫為T(mén)；相關(guān)色溫：如果熱輻射體的光色與溫度為T(mén)的黑體的光色最接近，則稱(chēng)T為該黑體的相關(guān)色溫。二、常用熱輻射光源1、白熾燈鎢絲加熱發(fā)光，玻殼內(nèi)充氬或氮汽。特點(diǎn)：電流大、溫度高、色溫高，顯色性好，正電阻性。光電子技術(shù)（2）缺點(diǎn)：鎢蒸發(fā)損耗，壽命短，玻璃殼變黑，光通量降低2、鹵鎢燈在白熾燈中改充鹵素元素氣體，如Br2，I2等，鹵素與鎢反應(yīng)：W+X2WX（氣態(tài)）T+T-燈絲附近溫度高，鎢蒸汽壓高，抑制鎢蒸發(fā)。在玻璃殼附近，溫度較低，形成WX，阻止鎢沉積在玻璃殼上而損耗。所以，鹵鎢反應(yīng)抑制了鎢損耗，延長(zhǎng)了鎢絲的壽命。與白熾燈比較，鹵鎢燈特點(diǎn)：（1）體積??；（2）光通量穩(wěn)定。（3）光效率高，20-30流明/瓦；（4）色溫高，達(dá)3300K；（5）壽命長(zhǎng)。光電子技術(shù)（2）燈的光譜亮度：（3）、鎢管燈又名鎢管黑體燈，由厚度約25m的鎢皮，卷成直徑約2mm的鎢管，管長(zhǎng)約45mm，管芯裝一鎢絲，鎢管一端開(kāi)1mm孔徑，鎢絲通電發(fā)光從此孔射出。鎢管放入真空或充氬汽的玻璃殼內(nèi)。鎢管燈在可見(jiàn)區(qū)的發(fā)射率很高，是最接近黑體的一種燈。是一種良好的標(biāo)準(zhǔn)光源。光電子技術(shù)（2）§1.3、氣體放電光源一、氣體放電光源的基本原理1、氣體放電與電子發(fā)射氣體放電指電流通過(guò)氣體媒質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。氣體放電的種類(lèi)很多，但在光源中用得較多的是輝光和弧光放電兩類(lèi)。氣體放電燈結(jié)構(gòu)：放電氣體、陰極、陽(yáng)極和玻璃罩氣體放電發(fā)光的基本過(guò)程：①、初始電子加速②、加速電子與氣體分子碰撞，能量傳給氣體分子，使其激發(fā)、躍遷到高能級(jí)光電子技術(shù)（2）③、受激發(fā)分子返回基態(tài)時(shí)，發(fā)射光子，即發(fā)光。發(fā)射波長(zhǎng)：E=E2-E1，E2、E1分別為分子激發(fā)態(tài)和基態(tài)能量。初始電子由陰極發(fā)射產(chǎn)生，陰極發(fā)射方式主要有三種：①、熱電子發(fā)射使陰極溫度升高，部分電子得到足夠能量，克服金屬的逸出功，逸出金屬表面。金屬熱發(fā)射電流密度：式中A0=4emek2/h3，為金屬的逸出功光電子技術(shù)（2）上式表明，升溫或降低金屬逸出功，均有利提高發(fā)射電流。熱電子發(fā)射是弧光放電的主要形式之一。②、正離子轟擊發(fā)射正離子轟擊就是利用高動(dòng)能的正離子轟擊陰極，使陰極發(fā)射電子，它是輝光放電的主要形式，又稱(chēng)冷陰極發(fā)射。由于冷陰極發(fā)射效率很低，所以，輝光放電光源的陰極通常較大，做成圓筒狀。冷陰極發(fā)射對(duì)熔點(diǎn)要求不高，但要求能承受正離子轟擊。一般用鋁、鎳、鐵、銅等材料做冷陰極。為了使正離子獲得足夠動(dòng)能，通常在陰極附近設(shè)置大的電位差。③、場(chǎng)致發(fā)射場(chǎng)致發(fā)射就是對(duì)陰極表面施加強(qiáng)電場(chǎng)，克服逸出功，使大量的電子發(fā)射。它是目前正在研究、應(yīng)用于平板顯示的一種技術(shù)。光電子技術(shù)（2）2、氣體輻射根據(jù)能帶理論，當(dāng)施加強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，能帶會(huì)發(fā)生彎曲，從而降低了表面的逸處功。電子從陰極到達(dá)陽(yáng)極過(guò)程中要與氣體分子發(fā)生復(fù)雜的相互作用,氣體分子被加速電子轟擊后會(huì)躍遷到高能級(jí)或電離，處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)輻射返回基態(tài)，并發(fā)射出光子，光子能量為：式中E光子能量，單位電子伏特，為光子波長(zhǎng)，單位微米。EH為分子的高激發(fā)態(tài)電位，EL為低激發(fā)態(tài)電位。所以不同物質(zhì)的分子能發(fā)射不同顏色的光。光電子技術(shù)（2）共振輻射：從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的輻射。氣體放電光源的優(yōu)點(diǎn)：（1）可獲得高色溫，不像熱輻射光源色溫受燈絲熔點(diǎn)限制。（2）輻射光譜可選擇性好，只要選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)光材料即可；（3）發(fā)光效率遠(yuǎn)比熱輻射的高；（4）壽命長(zhǎng)，壽命期內(nèi)光通量穩(wěn)定。3、氣體放電的伏安特性4、氣體放電燈的穩(wěn)流直流供電用電組穩(wěn)流低頻交流供電用電感高頻交流用電容穩(wěn)流復(fù)習(xí)要點(diǎn)1、人造光源的發(fā)光效率與理想光效？2、發(fā)射本領(lǐng)、吸收本領(lǐng)與基爾霍夫定律？3、黑體概念、黑體輻射分布特點(diǎn)？4、熱輻射體分類(lèi)、色溫與相關(guān)色溫？5、鹵鎢燈結(jié)構(gòu)、鹵鎢循環(huán)原理及鹵鎢燈特點(diǎn)？6、標(biāo)準(zhǔn)照明體、標(biāo)準(zhǔn)光源、A、B、C標(biāo)準(zhǔn)照明體？7、氣體放電發(fā)光的工作原理、初始電子的發(fā)射方式、弧光與輝光放電？8、氣體放電光源的優(yōu)點(diǎn)及放電伏安特性？9、直流、低頻和高頻放電燈的穩(wěn)流方式？光電子技術(shù)（3）5、氣體放電燈的啟動(dòng)正常的工作電壓通常并不能使氣體放電，而需要一個(gè)起始的高壓(>Vz)來(lái)使氣體產(chǎn)生預(yù)電離，并跨過(guò)非自持區(qū)，進(jìn)入自持區(qū)。啟動(dòng)方法：高壓?jiǎn)?dòng)(儲(chǔ)能的瞬間釋放)，高頻高壓?jiǎn)?dòng)(線圈耦合).二、常用氣體放電光源分類(lèi)：低壓和高壓氣體放電光源兩類(lèi)。氣壓影響：發(fā)射光譜、光色和發(fā)光效率等。低氣壓氣體放電燈：氣壓在10-1-10-2乇的氣體光源。其光譜特點(diǎn)是表現(xiàn)為工作原子或分子的發(fā)射譜線，即線狀光譜，帶有明顯的特征顏色，顯色性不好。光電子技術(shù)（3）高氣壓氣體放電光源：氣壓大于一個(gè)大氣，其光譜特征為工作氣體的原子或分子譜線展寬，并迭加在較強(qiáng)的連續(xù)背景光譜上。顯色性較好。通常發(fā)光效率隨壓力增加而提高。1、低壓氣體放電光源（1）、低壓汞燈低壓汞燈規(guī)格多、用途廣。主要有兩類(lèi)：冷陰極輝光放電型和熱陰極弧光放電型。前者主要用作紫外光源，用于消毒、殺菌。后者通過(guò)光譜轉(zhuǎn)換后用于照明。汞的主要輻射為253.7nm，發(fā)光效率很低。通常利用熒光粉轉(zhuǎn)換此光譜能量到需要的波段，即二次發(fā)射。如照明用就要轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)區(qū)。誘殺害蟲(chóng)就要轉(zhuǎn)換到370nm。光電子技術(shù)（3）（2）、低壓鈉燈鈉的共振輻射在人眼的敏感輻射區(qū)，不需要象汞燈那樣二次轉(zhuǎn)換光譜。所以發(fā)光效率較高。小功率鈉燈主要用于光譜儀器中單色光源，大功率（>45瓦）鈉燈主要用于指示、信號(hào)照明光源，如航標(biāo)燈，礦井，碼頭等（3）、其它低氣壓氣體放電光源主要有氫燈、氪燈、氫弧燈、原子光譜燈。用于各種光譜儀器中。氫和氪燈屬輝光放電燈，發(fā)射氫和氪原子光譜線。氫弧燈：弧光放電，發(fā)射1800-4000唉的連續(xù)光譜。原子光譜燈：又稱(chēng)空心陰極等，即陰極做成圓筒狀，屬輝光放電，工作氣體為惰性氣體。特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，譜線窄、強(qiáng)。光電子技術(shù)（3）汞齊燈：汞和鎘、鋅三種金屬蒸氣的弧光放電，使得光譜線在紫外、可見(jiàn)區(qū)更豐富。（4）、碳弧一種特殊的氣體放電光源-開(kāi)放式電弧。分類(lèi)：普通電弧、火焰電弧和高強(qiáng)度碳弧。放電發(fā)射：電極之間的空氣擊穿，主要在燈芯發(fā)光。其中火焰碳弧還添加其它金屬化合物。如鈣、鐵、鋇、鎘等的化合物。電極結(jié)構(gòu)：外殼(陰極，硬)和燈芯(陽(yáng)極，軟)，用純碳素制造。光譜：碳元素連續(xù)譜與空氣和其它添加物的光譜的混合。普通和高強(qiáng)度碳弧直流供電，而火焰碳弧交、直流供電均可。光電子技術(shù)（3）2、高壓氣體放電光源常用的高壓氣體光源主要有：高壓汞燈、超高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和脈沖氙燈等。（1）、高壓汞燈充1-5大氣壓的汞蒸氣。光效率顯著增加。光譜特性：譜線加寬，連續(xù)背景加強(qiáng)、自吸收譜線形成，使紫外輻射大大減弱，可見(jiàn)成份加強(qiáng)。(2)、超高壓汞燈氣壓上升到10-20大氣壓，自吸收進(jìn)一步加強(qiáng)，紫外共振輻射幾乎全部吸收，光效顯著增強(qiáng)。光電子技術(shù)（3）光譜特性：具有連續(xù)輻射譜線特征。用途：用于光學(xué)儀器和投影系統(tǒng)。（3）、高壓鈉燈充2000-2500乇鈉蒸氣，共振輻射的自吸收增強(qiáng)，轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)波發(fā)射，所以，光譜展寬，光色變好。發(fā)光效率近120lm/W。用途：城市街道照明。（4）、金屬鹵化物燈汞蒸氣與某種金屬的鹵化物（主要是碘化物）混合，以改善汞燈的發(fā)光效率和光色。然而，此處汞并不參與發(fā)光，主要起如下三方面作用：（1）提高光效；（2）改善電特性；（3）改善啟動(dòng)特性。光電子技術(shù)（3）發(fā)光原理：?jiǎn)?dòng)點(diǎn)燃放電加熱泡殼金屬鹵化物蒸發(fā)向弧中心擴(kuò)散在高溫區(qū)分解金屬發(fā)光電弧中的金屬和鹵素原子向外擴(kuò)散在玻璃殼區(qū)再形成金屬鹵化物。常見(jiàn)鹵鎢燈a、鉈燈：碘化鉈與汞的混合氣體。發(fā)光峰波長(zhǎng)為535nm，用于水下照明和光化學(xué)工業(yè)。b、鏑燈：碘化鏑、碘化汞和碘化鉈及汞的混合物。光色好，光譜接近太陽(yáng)，色溫在5000-6000K，光效達(dá)80流明/瓦。顯色指數(shù)為90，是理想的電影、電視攝影和印刷照相制板光源。C