光電子技術LectureNew.ppt

1、光電子技術（2）,四、發(fā)光效率,發(fā)光效率是對人造光源而言的，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（2）,式中,顯然，1表示消耗功率P后轉換為可見光譜范圍的電磁輻射的效 率，2表示可見光譜范圍的輻射功率轉換為光通量的效率。通常 稱2為理想光效。,1.2 熱輻射描述與光源,一、熱輻射性質,1、基爾霍夫定律,任何物體總是在不斷地向外輻射能量，同時也在接收外來 的輻射能量。接收的能量大于發(fā)射的能量，此物體的溫度 升高，反之，溫度下降。當接收與輻射達到平衡時，物體 的溫度保持恒定。所以，溫度是度量物體熱

2、輻射平衡的一 個參數(shù)。,（1）輻射本領Me(,T),光電子技術（2）,光電子技術（2）,描述物體熱輻射能力，物體的輻射本領用它的光譜輻射出射 度表示：,（2）吸收本領 (,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（2）,通常，Me(,T)和(,T)的分布不僅隨T變化，而且隨物體的 性質而變化，并且變化可能千差萬別，然而，基爾霍夫定律 表明：任何物體的發(fā)射本領與其吸收本領之比是一個與物體 性質無關的普適函數(shù)，這個普適函數(shù)只依賴和T兩個變量。 即：,這個普適函數(shù)就是黑體的輻射分布公式，它困擾了19世紀的科 學。同時導致了

3、量子力學的誕生。能量量子化正是普朗克為了 導出與黑體熱輻射實驗結果一致的理論公式過程中提出來的。,光電子技術（2）,2、黑體輻射,（1）、黑體,黑體指吸收本領(,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與黑體的輻射本領之比：,上式表明好的發(fā)射體也是好的吸收體，同時也表明實驗上只需 測量發(fā)射率或吸收本領之一，通常對發(fā)光源測量發(fā)射率較方便， 而不發(fā)光的物體，測量吸收本領較方便。,（2）黑體輻射本領普朗克輻射公式,光電子技術（2）,式中C1=2hc2=(3.7418320.000020)*10-16 W m2 C2=c h/k=(1.438786 0.000045)*10-2 m K

4、,黑體輻射性質：（1）單峰結構；（2）輻射能量隨溫度增加， 存在關系Meb(T)=T4；（3）峰值波長隨溫度升高藍移，存在 關系mT=a=2898m K。,3、熱輻射體分類,分為黑體、灰體和選擇輻射體,光電子技術（2）,4、色溫和相關色溫,色溫是用黑體的溫度來標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的黑體的光色完全一樣， 則稱該熱輻射體的色溫為T；,相關色溫：如果熱輻射體的光色與溫度為T的黑體的光色最接近， 則稱T為該黑體的相關色溫。,二、常用熱輻射光源,1、白熾燈,鎢絲加熱發(fā)光，玻殼內充氬或氮汽。,特點：電流大、溫度高、色溫高，顯色性好，正電阻性。,光電子技術（2）,缺點

5、：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：,W+X2 WX（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， 鹵鎢反應抑制了鎢損耗，延長了鎢絲的壽命。,與白熾燈比較，鹵鎢燈特點：（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3300K； （5）壽命長。,光電子技術（2）,3、標準照明體,4、標準光源,標準照明體指特定的光譜功率分布。,CIE針對不同的用途定義了不同的標準照明體，其中常用的三 種標準照

6、明體為：,標準照明體A：溫度為2856K的黑體所發(fā)出的光譜,標準照明體B：相關色溫約為4874K的直射陽光的光譜,標準照明體C：相關色溫為6774K的平均日光的光譜,標準光源指實現(xiàn)標準照明體的發(fā)光源。常用標準光源有三種,（1）黑體,光電子技術（2）,根據(jù)黑體輻射本領可得其輻射亮度，,由此輻射公式可得各種色溫的光譜功率分布，因此，它是初級 標準光源。但是，直接使用它不方便。常使用通過它校正過的 其它次級標準光源。如鎢帶燈、碳弧等。,（2）、鎢帶燈,鎢帶燈由2*0.05*L mm3尺寸的鎢帶發(fā)光，封裝在真空或充惰 性氣體的玻璃殼內。對紫外標準光源，需要開一石英窗口。 鎢帶燈為低壓大電流供電，需要穩(wěn)

7、流。,只要知道了鎢的發(fā)射率(,T)，就能通過黑體的光譜求得鎢帶,光電子技術（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，管長約45mm，管芯裝一鎢絲，鎢管一端開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。 鎢管燈在可見區(qū)的發(fā)射率很高，是最接近黑體的一種燈。是一 種良好的標準光源。,光電子技術（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氣體媒質時產生的放電現(xiàn)象。氣體放電 的種類很多，但在光源中用得較多的是輝光和弧光放電兩類。,氣體放電燈結構：放電氣體、陰極、

8、陽極和玻璃罩,氣體放電發(fā)光的基本過程：,、初始電子加速,、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,光電子技術（2）,、受激發(fā)分子返回基態(tài)時，發(fā)射光子，即發(fā)光。 發(fā)射波長：,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)射產生，陰極發(fā)射方式主要有三種：,、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（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。,、正離子轟擊發(fā)射,正離子轟擊

9、就是利用高動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)射對熔點要求不高，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 夠動能，通常在陰極附近設置大的電位差。,、場致發(fā)射,場致發(fā)射就是對陰極表面施加強電場，克服逸出功，使大量的 電子發(fā)射。它是目前正在研究、應用于平板顯示的一種技術。,光電子技術（2）,2、氣體輻射,根據(jù)能帶理論，當施加強電場時，能帶會發(fā)生彎曲，從而降 低了表面的逸處功。,電子從陰極到達陽極過程中要與氣體分子發(fā)生復雜的相互作用,

10、氣體分子被加速電子轟擊后會躍遷到高能級或電離，處于激發(fā) 態(tài)的分子不穩(wěn)定，會自發(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，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。所以不同物質的分子能 發(fā)射不同顏色的光。,光電子技術（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：（1）可獲得高色溫，不像熱輻射光源 色溫受燈絲熔點限制。（2）輻射光譜可選擇性好，只要選擇 適當?shù)陌l(fā)光材料即可；（3）發(fā)光效率遠比熱輻射的高； （4）壽命長，壽命期內光通量穩(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,復習要點,1、人造光源的發(fā)光效率與理想光效？,2、發(fā)射本領、吸收本領與基爾霍夫定律？,3、黑體概念、黑體輻射分布特點？,4、熱輻射體分類、色溫與相關色溫？,5、鹵鎢燈結構、鹵鎢循環(huán)原理及鹵鎢燈特點？,6、標準照明體、標準光源、A、B、C標準照明體？,7、氣體放電發(fā)光的工作原理、初始電子的發(fā)射