光的有關(guān)概念與度量

光輻射與發(fā)光源任何一種光電系統(tǒng)或光電子器件的使用和評(píng)價(jià)都離不開特定的光輻射源與光輻射探測(cè)器，所以光輻射和光電轉(zhuǎn)換的原理是光電子技術(shù)的基本研究?jī)?nèi)容之一。本章主要介紹光輻射的基本概念和原理，以及在光電子技術(shù)中應(yīng)用比較普遍的典型光輻射源。1.1電磁波譜與光輻射電磁波的性質(zhì)與電磁波譜光使電磁波。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，若在空間某區(qū)域有變化電場(chǎng)E（或變化磁場(chǎng)H），在鄰近區(qū)域?qū)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)H（或變化電場(chǎng)E），這種變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)不斷地交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)以有限的速度在空間傳播，形成電磁波。電磁波具有以下性質(zhì)：⑴電磁波的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。E、H和傳播方向構(gòu)成右手螺旋系。⑵沿給定方向傳播的電磁波，E和H分別在各自平面內(nèi)振動(dòng)，這種特性稱為偏振。⑶空間各點(diǎn)E和H都作周期性變化，而且相位相同，即同時(shí)達(dá)到最大，同時(shí)減到最小。⑷任一時(shí)刻，在空間任一點(diǎn)，E和H在量值上的關(guān)系為、2e=H。1 1⑸電磁波在真空中傳播的速度為c= ，介質(zhì)中的傳播速度為v=-=電磁波包括的范圍很廣，從無(wú)線電波到光波，從X射線到y(tǒng)射線，都屬于電磁波的范疇，只是波長(zhǎng)不同而已。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并得到廣泛利用的電磁波有波長(zhǎng)達(dá)104m以上的，也有波長(zhǎng)短到10-5nm以下的。我們可以按照頻率或波長(zhǎng)的順序把這些電磁波排列成圖表，稱為電磁波譜，如圖1所示，光輻射僅占電波譜的一

極小波段。圖中還給出了各種波長(zhǎng)范圍（波段）。光輻射分成三部分：紫外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波長(zhǎng)用nm、在紅外波段波長(zhǎng)用pm表示。波數(shù)的單位習(xí)慣用cm-1。X/^m1—10142.光輻射XX/^m1—10142.光輻射X/nm1x106-以電磁波形式極粒子（光子）形式傳播的振蕩量它們可以用光學(xué)元件反射、成像或色散這種 l-L 能量及其傳播過(guò)程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長(zhǎng)在10nm?1mm或頻率在6調(diào)邸成?3x1011Hz范圍內(nèi)。一般按輻射波長(zhǎng)［中' 無(wú)線電波＜1.5x106—?＞近770一■，及人0眼的生理視覺效應(yīng)將—108-106毫米波—104■橙可見光。通常人們提到的“光”指的是可見光?？梢姽馐遣ㄩL(zhǎng)在390?770nm范圍的光輻射，也是人視覺能感受到“光亮”的電磁波。當(dāng)可見光進(jìn)入人眼時(shí)，人眼的主觀感覺依波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短表現(xiàn)為紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍(lán)色和紫色。紫外輻射。紫外輻射比紫光的波長(zhǎng)更短，人眼看不見，波長(zhǎng)范圍是1?390nm。細(xì)分為近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外。由于極遠(yuǎn)紫外在空氣中幾乎會(huì)被完全吸收，只能在真空中傳播，所以又稱為真空紫外輻射。在進(jìn)行太陽(yáng)紫外輻射的研究中，常將紫外輻射分為A波段、B波段和C波段。紅外輻射。波長(zhǎng)在0.77?1000pm的是紅外輻射。通常分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三部分。1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)為了對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計(jì)量光輻射的物理量。而對(duì)于光輻射的探測(cè)和計(jì)量，存在著輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。在輻射度單位體系中，輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見光波段。以上兩類單位體系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)的。為了區(qū)別起見，在對(duì)應(yīng)的物理量符號(hào)標(biāo)角標(biāo)“e”表示輻射度物理量，角標(biāo)七”表示光度物理量。下面重點(diǎn)介紹輻射度單位體系中的物理量。光度單位體系中的物理量可對(duì)比理解。1.輻射量⑴輻射能。輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪ǎㄖ饕缸贤?、可見光和紅外輻射）能量。輻射能一般用符號(hào)己表示，其單位是焦耳（J）。⑵輻射通量。輻射通量中e又稱為輻射功率，定義為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能量，即 e(1.2-1)中二%edt(1.2-1)單位：瓦特（W）或焦耳?秒（J?s）。⑶輻射出射度。輻射出射度M是用來(lái)反映物體輻射能力的物理量。定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射射通量，即(1.2-2)d①(1.2-2) &dS單位：W/m2。

(1.2-3)TOC\o"1-5"\h\z⑷輻射強(qiáng)度。輻射強(qiáng)度Ie定義為：點(diǎn)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，用Ie表示，即L d①(1.2-3)I—ee dQ單位：瓦特?球面度-1（W?sr-1）。由輻射強(qiáng)度的定義可知，如果一個(gè)置于各向同性均勻介質(zhì)中的點(diǎn)輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是中一，則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度I是常量，有(1.2-4)T中I— e(1.2-4)e 4兀⑸輻射亮度。輻射亮度Le定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖2所示。dI e -dScos0 dQdScos0(1.2-5)式中。⑸輻射亮度。輻射亮度Le定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖2所示。dI e -dScos0 dQdScos0(1.2-5)式中。是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。單位：瓦特/球面度?米2（W/sr?m2）。d①顯然，一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方但是有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向1di=dicos(1.2-6)dS式中I0是面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。符合上式規(guī)律的輻射體稱為余弦輻射體或朗伯體。（1.2-6）式代入（葛包式得到余弦輻射體的輻射亮度為dI圖2輻射亮度示意圖Le=d0Le0可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角0無(wú)關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為(1.2-7)dOM—汗§—L兀(1.2-8)⑹輻射照度。在輻射接收面上的輻照度Ee定義為照射在面元dA上的輻射通量doe與該面元的面積dA之比。即do &dA(1.2-9)單位：（W/m2）。⑺單色輻射度量對(duì)于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過(guò)均定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射度量，并且對(duì)所有輻射量X來(lái)說(shuō)單色輻射度量與輻射度量之間均滿足(1.2-10)(1.2-10)光度量由于人眼的視覺細(xì)胞對(duì)不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應(yīng)人的亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用與輻度學(xué)的基本物理量Q、中、I、M、L、E對(duì)應(yīng)的Q、中、I、M、L、E來(lái)表示，其定義完全一一vvvvvv對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。與輻射度量體系不同，在光度單位體系中，被選作基本單位的不是光量或光通量，而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位是坎德拉?？驳吕粌H是光度體系的基本單位，而且也是國(guó)際單位制（SI）的七個(gè)基本單位之一。表1常用輻度量和光度量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射度物理量 對(duì)應(yīng)的光度量物理量名稱符號(hào)定義或定義式單位物理量名稱符號(hào)定義或定義式單位輻射能QR=dQ,dtM=dOdSJ光量QQ=j①dt1m?s輻射通量e中eW光通量v中v中=IdQvvlm輻射出射度Mee eI=d^/dQW/m2光出射度MvM=dO/dSv vlm/m2輻射強(qiáng)度Iee eL=dI/(dScosO)W/sr發(fā)光強(qiáng)度Iv基本量cd輻射亮度LeeeE=dO/dAW/m2?sr（光）亮度LvL=dI/(dScosO)cd/m2輻射照度Ee eW/m2（光）照度EE=dO/dAlx光視效能。光視效能描述某一波長(zhǎng)的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量。即光視效能、定義為同一波長(zhǎng)下測(cè)得的光通量與輻射通量的比之，即(1.2-11)中(1.2-11)——vk-中e人單位：流明/瓦特（1m/W）。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在輻射頻率540x1012Hz（波長(zhǎng)555nm）處，、有最大值，其數(shù)值為Km=6831m/W。單色光視效率是、用Km歸一化的結(jié)果，其定義為(1.2-12)晴天陽(yáng)光直射地面照度約為光00光視效率曲線晴天背陰處照度約為100001X晴天室內(nèi)北窗附近照度約為20001x晴天室內(nèi)中央照度約為2001x晴天室內(nèi)角落照度約為201x陰天室外50—5001x

陰天室內(nèi)5—50lx月光(滿月)2500lx日光燈5000lx電視機(jī)熒光屏100lx閱讀書刊時(shí)所需的照度50?60lx在40W白熾燈下1m遠(yuǎn)處的照度約為30lx晴朗月夜照度約為0.2lx黑夜0.001lx1.3熱輻射基本定律任何0K以上溫度的物體都會(huì)發(fā)射各種波長(zhǎng)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)象稱為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長(zhǎng)自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長(zhǎng)的分布主要決定于物體的溫度。本節(jié)介紹熱輻射的一些基本定律。1.單色吸收比和單色反射比。任何物體向周圍發(fā)射電磁波的同時(shí)，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能。當(dāng)輻射從外界入射到不透明的物體表面上時(shí)，一部分能量被吸收，另一部分能量從表面反射(如果物體是透明的，則還有一部分能量透射)。吸收比。被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比。在波長(zhǎng)人到X+血范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比，用a(T)表示。A反射比。反射的能量與入射的能量之比稱為該物體的反射比。在波長(zhǎng)A到A+辦范圍內(nèi)相應(yīng)的反射比稱為單色反射比，用p人(T)表示。對(duì)于不透明的物體，單色吸收比和單色反射比之和等于1，即七(T)+p人(T)=1 (1.3-1)若物體在任何溫度下，對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能的吸收比都等于1，即七(T)三1，則稱該物體為絕對(duì)黑體(簡(jiǎn)稱黑體)。2.基爾霍夫輻射定律在同樣的溫度下，各種不同物體對(duì)相同波長(zhǎng)的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻射出射度。即M(TM(T) M (T)vA1 = vA2a (T) a (T)vA1 vA2=MvAbQ)(1.3-2)式中M為黑體的單色輻射出射度。vAb普朗克公式黑體處于溫度T時(shí)，在波長(zhǎng)A處的單色輻射出射度由普朗克公式給出

M (T)=M (T)=vXb2兀hc2N(ehc/ikjT—1)式中h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，kB為波爾茲曼常數(shù)。令q=2兀hc2，C2=hc/kB，則(1.3-4)式可改寫為M(T)=Ci——1——(W/cm-um) (1.3-4)成「，入5ec2/漏—1C=(3.741832土0.000020)x10-12W-cm2 第一輻射常數(shù)，C=(1.438786土0.000045)x104pm-K 第二輻射常數(shù)。2圖4為不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度(輻射亮度)隨波長(zhǎng)的變化曲線。可見：⑴對(duì)應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯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)。⑵單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。⑶單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。瑞利-瓊斯公式)m招30WM一(T)=度四)m招30WM一(T)=度四在人T>7.7x1射5^m-K日當(dāng)入T很小時(shí)00Vkb朗克公式的誤差小于1%。輻105.維恩公式單40當(dāng)入T很大時(shí)，ec2/叫—1澆ec2/人t1 ，可得到適合于長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)的瑞利-瓊斯公式(1.3-5)，3可得到適合于短波長(zhǎng)區(qū)的維恩公式入3m)汕-T黑體輻射簞色輻輸出射度的波長(zhǎng)分布(1.3-6)在人T<2698pm-K區(qū)域內(nèi)，維恩公式與普朗克公式的誤差小于1%。維恩位移定律單色輻射出射度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)人m(1.3-7)人T=2897.9(pm-K)(1.3-7)斯忒藩-玻爾茲曼定律Mb(T)=。T4 (1.3-9)其中q=5.670x10一8(J/m2?s-K4)為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)。斯忒藩-玻爾