光電子技術(shù)-01

1、光電子技術(shù)光電子技術(shù)主講教師：薛國(guó)剛主講教師：薛國(guó)剛參考書(shū)籍 1、光電子技術(shù)，安毓(yu)英，電子工業(yè)出版社 2、光電子技術(shù)基礎(chǔ)，朱京平，科學(xué)出版社 3、光電技術(shù)，王慶有，電子工業(yè)出版社 4、激光技術(shù)，藍(lán)信鉅，華中理工大學(xué)出版社 5、光學(xué)教程，葉玉堂，清華大學(xué)出版社光電系統(tǒng)構(gòu)成光源光源傳輸傳輸調(diào)制調(diào)制探測(cè)探測(cè)信號(hào)處理信號(hào)處理授課內(nèi)容 一、光輻射與發(fā)光源 二、光輻射的傳播 三、光束的調(diào)制和掃描 四、光輻射的探測(cè)技術(shù)第一章 光輻射與發(fā)光源 1.1電磁波譜與光輻射 1.電磁波的性質(zhì)與電磁波譜光是電磁波。電磁波具有以下性質(zhì)： 電磁波的電場(chǎng) 和磁場(chǎng) 都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。

2、 、 和傳播方向構(gòu)成右手螺旋系。 沿給定方向傳播的電磁波， 和 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) 和 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)， 和 在量值上的關(guān)系為 。 電磁波在真空中傳播的速度為 ，介質(zhì)中的傳播速度為 。 101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m聲頻電磁振蕩無(wú)線電波毫米波紅外光紫外光X射線射線宇宙射線/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010極遠(yuǎn)遠(yuǎn)中近紅橙黃綠藍(lán)紫近遠(yuǎn)極遠(yuǎn)可見(jiàn)光圖1 電磁輻射波譜電磁波

3、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，光輻射僅占電波譜的一極小波段。 2. 光輻射 以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量，它們可以用光學(xué)元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過(guò)程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長(zhǎng)在10nm1mm，或頻率在31016Hz31011Hz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n

4、m、在紅外波段波長(zhǎng)用m表示。波數(shù)的單位習(xí)慣用cm-1?？梢?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10390nm。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0.771000m的是紅外輻射。通常分為近紅外、中紅外

5、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(jué)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(jiàn)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(jiàn)，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

6、量，角標(biāo)“v”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 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?jiàn)光和紅外輻射）能量。輻射能一般用符號(hào)Qe表示，其單位是焦耳（J）。 輻射通量。輻射通量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 (1.2-1)單位：瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。dtdQee 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量。定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即 (1.2-2)單位：W/m2。 dSdMee輻射強(qiáng)度。輻射強(qiáng)度定義為：點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角

7、內(nèi)的輻射通量，用Ie表示，即 (1.2-3)單位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。 ddIee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e，則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度Ie是常量，有 (1.2-4) 4eeI 輻射亮度。輻射亮度定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射強(qiáng)度。如圖2所示。 (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/srm2）。coscos2dSdddSdILeeeSddSd圖2 輻射亮度示意圖顯然，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)

8、式中Ie0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 (1.2-7)可見(jiàn)余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無(wú)關(guān)。除了黑體（太陽(yáng)，日光標(biāo)準(zhǔn)色溫為5400K）、灰體外，實(shí)驗(yàn)表明，拋毛乳白玻璃的透視光或反射光，拋毛乳 白板的反射光以及氧化鎂、硫酸鋇等表面的反射光很接近于理想的余弦輻射體。白雪對(duì)陽(yáng)光的反射也符合余弦輻射體的規(guī)律。余弦輻射體的輻射出射度為 (1.2-8)cos0eedIdI 00eeedILLdS0eeeLdSdM（請(qǐng)證明）輻射照度。在輻射接收面上的輻照度定義為照射在面元dA上的輻射通量

9、與該面元的面積之比。即 (1.2-9)單位：（W/m2）。 dAdEee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) 0,dXXee2. 光度量 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)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 對(duì)應(yīng)的 來(lái)表示，其定義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。 eeeeeeELMIQ、vvvvvvELMIQ、與輻射度量體系不同

10、，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。坎德拉不僅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K定義為同一波長(zhǎng)下測(cè)得的光通量與輻射通量的比值，即 (1.2-11)單位：流明/瓦特（lm/W）。evK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5401012Hz（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歸一化的結(jié)果，其定義為 (1.2-12) evmmKKKV1400

11、5006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 長(zhǎng)(nm)光視 效 率圖3 光譜光視效率曲線（明視覺(jué)）（暗視覺(jué)） 1.3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?chē)l(fā)射電磁波的同時(shí)，也吸收周?chē)矬w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

12、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)到+d范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比，用 表示。 )(T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)到+d范圍內(nèi)相應(yīng)的反射比稱為單色反射比，用 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 (1.3-1) )(T1)()(TT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 ，則稱該物體為絕對(duì)黑體（簡(jiǎn)稱黑體）。 1)(T2. 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 (1.3-

13、2)式中 為黑體的單色輻射出射度。 )()()()()(2211TMTTMTTMbvvvvvbvM黑體處于溫度T 時(shí)，在波長(zhǎng) 處的單色輻射出射度由普朗克公式給出 (1.3-3)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)。 3. 普朗克公式 ) 1(2)(/52TkhcbvBehcTM令 ， ，則(1.3-4)式可改寫(xiě)為 (1.3-4) 第一輻射常數(shù)， 第二輻射常數(shù)。 212 hcCBkhcC/2221/51( )(W/cmm)1v bCTCMTe2121cmW10)000020. 0741832. 3(CKm10)000045. 0438786. 1 (42C圖4為不同溫度條件下

14、黑體的單色輻射出射度（輻射亮度）隨波長(zhǎng)的變化曲線?？梢?jiàn)：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）。單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。01234560102030401000K1200K1400K1600K1800K2000K (m)單色 輻射 出射 度 Mvb(W/cm2m)圖1-4 黑體輻射單色輻射出射度的波長(zhǎng)分布4.瑞利-瓊斯公式 當(dāng) 很大時(shí)， ，可得到適合于長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)的瑞利-瓊斯公式 (1.3-5)在 時(shí)，瑞利-

15、瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1%。 TTCeTC2/12421)(TCCTMbvKm107 . 75T5.維恩公式 當(dāng) 很小時(shí)， ，可得到適合于短波長(zhǎng)區(qū)的維恩公式 (1.3-6)在 區(qū)域內(nèi)，維恩公式與普朗克公式的誤差小于1%。 TCTCee/221TTCbveCTM/512)(Km2698T6.維恩位移定律 單色輻射出射度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) (1.3-7) )Km(9 .2897Tm7.斯忒藩-玻爾茲曼定律 (1.3-9)其中 為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)。斯忒藩-玻爾茲曼定律表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無(wú)關(guān)。 4)(TTMvb)KsJ/m(10670. 54288.色溫 為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫度這個(gè)量，單位為K。色溫度是指在規(guī)定兩波長(zhǎng)處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。由于色溫度是按規(guī)定的兩波長(zhǎng)處的輻射比率來(lái)比較的，所以色溫度相同的熱輻射光源的連續(xù)譜也可能