光電子學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、第一章光輻射與發(fā)光源教學(xué)目的1掌握光波在各種介質(zhì)中的傳播特性。2、了解光度學(xué)基本知識(shí)。3、了解熱輻射基本定律教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：光波在電光晶體、聲光晶體中的傳播特性。難點(diǎn)：光度學(xué)基本知識(shí)。1 .1電磁波譜與光輻射2 .電磁波的性質(zhì)與電磁波譜光是電磁波。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，若在空間莫區(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)： 電磁波的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H都垂宜于波的播方向，三者相互垂宜，所以電磁波是橫波。E、H和傳播方向構(gòu)成右手螺旋系。 沿給

2、定方向傳播的電磁波，£和H分別在各自平面內(nèi)振動(dòng)，這種特性 稱為偏振。 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。 任一時(shí)刻，在空間任一點(diǎn)，E和H在M值上的關(guān)系為、E= , /H。（'電磁波在真空中傳播的速度為 c=.'T0 ,介質(zhì)中的傳播速度為 - ;,1'。電磁波包括的范圍很廣，從無(wú)線電波到光波，從 X射線到射線，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

3、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）。3 .光輻射以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能它們可以用光學(xué)元件反射、成像或色散，這種能M及其傳播過(guò)程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長(zhǎng)在16 1110nm1mm ，或頻率在3 10 Hz3 10 Hz 范圍內(nèi)。一般按輻射波長(zhǎng)及人眼的生理視覺(jué)效應(yīng)將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見(jiàn)光和紅外輻射。一般在可見(jiàn)到紫外波段波長(zhǎng)用nm、在紅外波段波長(zhǎng)用m表示。波數(shù)的單位習(xí)慣用 cm -1。可見(jiàn)光。通常人們提到的光”指的是可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光是波長(zhǎng)在390770nm 范圍的光輻射，也是人視覺(jué)能感受到 光亮”的電磁波。當(dāng)可見(jiàn)光進(jìn)入人眼時(shí)， 人眼的主觀感覺(jué) 依波長(zhǎng)從

4、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(jiàn)，波長(zhǎng)范圍是1390nm 。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, 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， 波段、B波段和C波段。常將紫外輻射分為A只能在真空紅外輻射。波長(zhǎng)在0.771000 ? m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M描述，需要引入計(jì)M光輻射的物理而對(duì)于光輻射的探測(cè)和計(jì)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M （又稱為輻射功率）或

5、者輻射能是基本是只與輻 射客體有關(guān)的其基本單位是瓦特（ 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(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)M單位，被選作基本M的不是光通M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(jiàn)光波段。以上兩類單位體系中的物理M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(jiàn)，在對(duì)應(yīng)的物理M符號(hào)標(biāo)角標(biāo)e”表示輻射度物理角標(biāo)V表示光度物理下面重點(diǎn)介紹輻射度單位體系中的物理光度單位體系中的物理M可對(duì)比理解。1 .輻射度的基本物理量輻射能。輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪ǎㄖ饕缸贤狻⒖梢?jiàn)光和紅外輻射）能io輻射能一般用符號(hào) Qe表示，其單位

6、是焦耳（J）。輻射通輻射通M叮I又稱為輻射功率，定義為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能即dQe出（1.2-1）單位：瓦特（W）或焦耳秒（J s）輻射出射度。輻射出射度Me是用來(lái)反映物體輻射能力的物理呈。定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通即d-（1.2-2）dS單位：W/m 2。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)的輻射通用,d:e(1.2-3)e d'J單位：瓦特 球面度-1 (Wsr-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M是 Ge,則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度Ie是常(1.2-4)輻射亮度。輻射

7、亮度Le定義為面輻射源在莫一給定方向上的輻射通信。如圖2所示。,dl e Le dScos 日 dAdScos 日式中二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(1.2-5)(W/sr itT)心dS圖2軌射亮度示意圖d2e顯然，一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方向有關(guān)。但是有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間 方向上的分布滿足(1.2-6)die 二 dleo COS-式中l(wèi)eo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(1.2-5)式得到余弦輻射體的輻射亮度為dS(1.2-7)二無(wú)關(guān)。余弦輻射體的輻射出可見(jiàn)余弦輻射體的輻射亮度是均

8、勻的，與方向角LLee0(1.2-dA e M e Leo :dS8)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Mde與該面元的面積dA之比。即EEedA(1.2-9)單位：（W/m 2）。單色輻射度量長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)于單色光輻射，同樣可以采用上述物理M表示，只不過(guò)均定義為單位波Xe對(duì)應(yīng)的輻射度并且對(duì)所有輻射MX來(lái)說(shuō)單色輻射度M與輻射度M之間均滿足(1.2-10)2 .光度的基本物理量由于人眼的視覺(jué)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(jué)。光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)M單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理M可以用與輻度學(xué)的基

9、本物理MQe、e、|e、Me、Le、Ee對(duì)應(yīng)的Q、.、I、.、M、.、L、.、E來(lái)表示，其定義完全對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。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QeJ芥生QvQ=命 v dtIm ?s輻射逋量De(&e = dQ e/dtW光通量48 I v dQIm輻射出射度M eM e=dC edSW/m 2光出射度MvM v=d?/dSIm/m 2輻射強(qiáng)度Ie|e=d 取/dQW/sr發(fā)光強(qiáng)度Iv基本量cd輻射亮度_eLe=dI e/(dSCOSgW/m 2 sr（光）亮度LvLv=dl v/

10、(dScos?cd/m 2輻射照度EeEe=d CWdA2W/m 2（光）照度EvEv=a v/dAlx與輻射度M體系不同，在光度單位體系中，被選作基本單位的不是光M或光通而是發(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。光視效率。光視效能描述莫一波長(zhǎng)的單色光輻射通M可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通io即光視效能K?定義為同一波長(zhǎng)下測(cè)得的光通M與輻射通M的比之，即（1.2-11）單位：流明/瓦特（lm/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540 1012Hz（波長(zhǎng)555nm ）處，K,有最大值，其數(shù)值為 Km=683lm/W 。單色光視效率是 K .用Km歸一化的2吉果，其 定義為1.00.24005006007000.8Km KmAe.6/ o O 率效初光800(1.2-12)圖普H楣m）視效率曲線表1-5單色光視效率數(shù)值光的顏色入/nmV入光的顏色入/nmV入3600.00000黃5700.95200紫3800.000045900.757004100.001216100.5030