現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)

現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)禹忠參考書(shū)目《光電檢測(cè)技術(shù)》曾光宇等編著清華大學(xué)出版社《光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用》郭培源付揚(yáng)編著北京航空航天大學(xué)出版社《激光光電檢測(cè)》呂海寶等編著國(guó)防科技大學(xué)出版社《光電檢測(cè)技術(shù)》雷玉堂等編著中國(guó)計(jì)量出版社Genesis1:1-5,TheBible(TheAuthorizedVersion)

InthebeginningGodcreatedtheheavenandtheearth.Andtheearthwaswithoutform,andvoid;anddarknesswasuponthefaceofthedeep.AndtheSpiritofGodmoveduponthefaceofthewaters.AndGodsaid,Lettherebelight:andtherewaslight.AndGodsawthelight,thatitwasgood:andGoddividedthelightfromthedarkness.AndGodcalledthelightDay,andthedarknesshecalledNight.Andtheeveningandthemorningwerethefirstday.創(chuàng)世紀(jì)1:1-5（和合本翻譯）

起初神創(chuàng)造天地。地是空虛混沌，淵面黑暗；神的靈運(yùn)行在水面上。神說(shuō)：“要有光”，就有了光。神看光是好的，就把光暗分開(kāi)了。神稱光為晝，稱暗為夜。有晚上，有早晨，這是頭一日。2023/2/5光是如何產(chǎn)生的？1?=10–10

米=0.1納米光子給予電子具有了排斥這種引力的能量

從廣義上來(lái)講，光指的是光輻射，按波長(zhǎng)可分為X射線、紫外輻射、可見(jiàn)光和紅外輻射等。

而從狹義上講，人們所說(shuō)的“光”指的就是可見(jiàn)光，即對(duì)人眼產(chǎn)生目視刺激而形成“光亮”感的電磁輻射。光的電磁波譜

電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無(wú)線電波（

～Hz）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長(zhǎng)區(qū)域從幾納米到幾毫米，即10-9～10-3m的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺(jué)感，故稱這部分光為可見(jiàn)光。

光同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)，即波粒二象性。光電磁波理論量子理論光學(xué)與現(xiàn)代科技光學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，是物理學(xué)中一個(gè)重要的分支。通過(guò)分析100多年來(lái)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)我們發(fā)現(xiàn)：與光學(xué)直接或間接相關(guān)的獲獎(jiǎng)成果有40多項(xiàng)。這些獲獎(jiǎng)的光學(xué)研究工作對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展起到了非常重要的作用。特別值得一提的是無(wú)論是相對(duì)論還是量子力學(xué)的建立，都與光學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。例如：相對(duì)論的基本假定之一就是光速不變?cè)?；而量子力學(xué)的建立則是從對(duì)黑體輻射（普朗克）、氫原子的光譜結(jié)構(gòu)（玻爾）以及光電效應(yīng)（愛(ài)因斯坦）的討論開(kāi)始的。光電子技術(shù)光學(xué)Optics

（古希臘）以幾何光學(xué)和物理光學(xué)為基礎(chǔ)各種光學(xué)儀器和設(shè)備（顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、經(jīng)緯儀、光譜儀）。以電磁輻射為研究對(duì)象（黑體輻射）以光與物質(zhì)相互作用為主要研究?jī)?nèi)容（光電效應(yīng)、光探測(cè)器、新型光源）。電子學(xué)Electronics(1910年)

研究電子運(yùn)動(dòng)的各種物理過(guò)程和物理現(xiàn)象并加以廣泛利用的科學(xué)。研究電波的振蕩、傳播，電信號(hào)的放大、變換，頻率的穩(wěn)定，混合，檢波等等半導(dǎo)體微電子學(xué)。光電子學(xué)Opto-electronics(1955)

光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。將電子學(xué)使用的電磁波頻率提高到光頻，產(chǎn)生電子學(xué)所不可能產(chǎn)生的許多新功能。以前由電子方法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)現(xiàn)在用光學(xué)方法來(lái)完成光電子技術(shù)。光子學(xué)Photonics(1970)

關(guān)于光子的科學(xué)及其應(yīng)用。“從電子學(xué)類推，光子學(xué)一詞描述光子在信息傳輸中的應(yīng)用，包括光子束的產(chǎn)生、導(dǎo)波、偏轉(zhuǎn)、調(diào)制、放大，圖象處理、存儲(chǔ)和探測(cè)”。激光光子時(shí)代的領(lǐng)銜主角。什么是光電檢測(cè)？光信號(hào)接收、處理、變換電信號(hào)光電系統(tǒng)框圖光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如光電檢測(cè)器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學(xué)變換：通過(guò)各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)，作用是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。第一階段：傳統(tǒng)的光學(xué)裝置及儀器，不能勝任對(duì)復(fù)雜光信息高速采集和處理的要求。第二階段：半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，可以將探測(cè)器件及電路集成在一個(gè)整體中，也可以將具有多個(gè)檢測(cè)功能的探測(cè)器件集成在一個(gè)整體中。其價(jià)格低，體積小。例如，將圖形、物體等具有二維分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的檢測(cè)器件是把基本的光電探測(cè)器件組成許多網(wǎng)狀陣列結(jié)構(gòu)，引人注目的器件CCD就是一種將陣列化的光電探測(cè)與掃描功能一體化的固態(tài)圖像檢測(cè)器件。它是把一維或二維的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成時(shí)序電信號(hào)的器件，能廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制，尤其是圖像識(shí)別技術(shù)。像自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS)。光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展第三階段：光導(dǎo)纖維傳感器的出現(xiàn)，為光電檢測(cè)技術(shù)的小型化等開(kāi)辟了廣闊的前景。光纖檢測(cè)可以解決傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以解決或無(wú)法解決的許多問(wèn)題。例如，在噪聲、干擾、污染嚴(yán)重的工業(yè)過(guò)程檢測(cè)，或者在海洋、反應(yīng)堆中，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或智能機(jī)器人，必然會(huì)受到高壓、高溫、輻射等極端困難的條件，光纖檢測(cè)技術(shù)具有其獨(dú)特的智能化的優(yōu)越性。由于光信息傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)點(diǎn)，光纖檢測(cè)智能化將比其他檢測(cè)技術(shù)更具有吸引力。展望：隨著微處理技術(shù)的發(fā)展以及光電檢測(cè)技術(shù)與它的緊密結(jié)合，光電檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越智能化。例如:機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….現(xiàn)代工程裝備中，檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占50-70%光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用二、檢測(cè)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用

家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦---紅外測(cè)距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)---光敏電阻電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換---駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測(cè)---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測(cè)---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：早期腫瘤檢測(cè)---正電子掃描（PET）三、檢測(cè)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來(lái)單兵作戰(zhàn)武器夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃---NMD四、檢測(cè)技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng):探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；攔截器：能識(shí)別真假?gòu)楊^，敵友方“阿波羅10”：火箭部分---2077個(gè)傳感器飛船部分---1218個(gè)傳感器檢測(cè)參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)變、聲學(xué)神州飛船：185臺(tái)（套）儀器裝置五、檢測(cè)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用通過(guò)上面的學(xué)習(xí)我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是:通過(guò)光電檢測(cè)——所有被研究的信息都將通過(guò)各種效應(yīng)（機(jī)、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)電子線路和計(jì)算機(jī)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器的自動(dòng)化。因此，光電檢測(cè)作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。所謂光電檢測(cè)，指的是對(duì)光信號(hào)的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個(gè)主要方面。高精度：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到1米。高速度：光速是最快的。遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測(cè)和遙感。無(wú)電磁干擾：光波不受電磁波干擾。非接觸式檢測(cè)：不改變被測(cè)物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測(cè)量。壽命長(zhǎng)：光電檢測(cè)中通常無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測(cè)量裝置壽命長(zhǎng)，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測(cè)物無(wú)形狀和大小要求。數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)本專題學(xué)習(xí)要求：1.了解輻射度學(xué)和光度學(xué)的基本參量2.掌握各輻射度參量，以及各光度學(xué)參量之間的關(guān)系輻射度學(xué)輻射度學(xué)（Radiometry），它的產(chǎn)生是為了對(duì)光輻射場(chǎng)和通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的能量流進(jìn)行定量描述，它是用能量單位描述光輻射能的客觀物理量，適用于整個(gè)電磁波段。輻射度學(xué)的特點(diǎn)1.輻射度學(xué)應(yīng)用輻射度單位體系中，輻通量（又稱輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射體有關(guān)的量，其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。2.輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。輻射度的相關(guān)物理量量的名稱符號(hào)定義式單位單位符號(hào)輻射能焦耳J輻射能密度焦耳/J/輻射通量瓦W輻射出射度瓦/W/輻射強(qiáng)度瓦/球面度W/sr輻射亮度瓦/*球面度W/*sr輻照度瓦/W/輻射能輻射場(chǎng)含有的總能量或者說(shuō)以輻射形式發(fā)射、傳播到接收器的總能量稱為輻(射)能(Radiantenergy)，用符號(hào)表示，其計(jì)單位為焦耳(J)輻射能密度

單位體積內(nèi)的輻射能稱為輻射能密度。它表征輻射能量的空間特性，可以用它的體密度來(lái)表示，其定義式為：式中

為單位體元dV的輻射場(chǎng)的輻射能，輻射能密度單位是焦耳/米3（J/m3）。輻射通量

輻射通量(Radiantflux)，又稱輻射功率是指在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻射能，即輻射能的時(shí)間變化率，其表示式為：式中，dQe是在dt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移的能量。輻射通量的單位為瓦（1W=1J/s）。輻射強(qiáng)度

從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)，單位立體角（錐面所圍成的空間區(qū)域稱為立體角。它的數(shù)學(xué)定義為以球心為頂點(diǎn)的錐面在球的表面切割出的面積與球半徑的平方比值。由此可得，一個(gè)錐體的頂端在球心，底在球面上，底面積等于球半徑的平方，這錐體所包的立體角就稱為單位立體角）所輻射出的能量稱為輻射強(qiáng)度（Radiantintensity），其表達(dá)式為：式中dΦe為輻射源在dω立體角（Solidangle）所輻射出來(lái)的輻射功率。輻射強(qiáng)度的單位是瓦(特)每球面度（W/sr）。立體角：數(shù)學(xué)定義輻射出射度

輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量或功率稱為輻射出射度（Radiantexitance）或稱為輻射發(fā)射度，計(jì)量單位是瓦/米2（W/m2），其表達(dá)式為：式中dΦe為輻射源在各方向上（通常為半空間立體角

）所發(fā)出的總的輻射通量。引入輻射出射度概念，是為了描述面輻射源表面上各微面源所發(fā)出的輻射通量差異。輻照度

將照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe,除以該面元的面積dA的商，稱為輻照度(Radiantirradiance)，其表達(dá)式為：輻照度的單位為瓦/米2（W/m2）。

請(qǐng)注意，輻射出射度與輻照度的表達(dá)式和單位完全相同，其區(qū)別在于輻射出射度描述的是面輻射源的向外發(fā)射的輻射特性，而后者描述的是輻射接收面所接收的輻射特性。輻照度

平面角度大小的定義（弧長(zhǎng)除以半徑）推廣到三維空間中，定義“立體角”為：球面面積與半徑平方的比值輻射亮度

輻射亮度(Radiance)Le是單位投影面積、單位立體角上的輻出度。即在與輻射表面dA的法線成θ角的方向上，輻射亮度等于該方向上的輻射強(qiáng)度dIe與輻射表面在該方向垂直表面上的投影面積之比，其表達(dá)式為：式中dA為光源的表面元；θ為光源表面的法線與給定方向的夾角。

輻射亮度的單位為瓦/米2×球面度（W/(m2×sr)）。通常Le的數(shù)值與輻射源的性質(zhì)有關(guān)，并隨給定方向而變。若Le不隨方向而變，則Ie正比于cosθ,即：式中I0是面元dA沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。滿足上式的特殊光源稱為余弦輻射體，也稱均勻漫反射體或朗伯體。光譜輻射分布任何輻射源發(fā)射的輻射能或輻通量均有一定的光譜分布特性,也就說(shuō)在不同的波長(zhǎng)上基本輻射量的值是不同的。前面介紹的幾個(gè)基本輻射量，都有相應(yīng)的光譜輻射量。光譜輻射量又稱為輻射量的光譜密度，是輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。

定義

為輻射場(chǎng)在波長(zhǎng)處的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻通量，其計(jì)量單位為瓦每微米或瓦每納米，由此則可以得到所有波長(zhǎng)的總輻射通量為:其他的輻射參數(shù)，如輻射出度、輻射強(qiáng)度、輻射亮度等，可以類似地定義光譜輻射量，即:式中，通用符號(hào)Xe(λ)是波長(zhǎng)的函數(shù)，代表輻射場(chǎng)在波長(zhǎng)處的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的光譜輻射量，如光譜輻射出度Me(λ)、光譜輻射強(qiáng)度Ie(λ)、光譜輻射亮度Le(λ)等。注意：

這里必須指出，傳統(tǒng)的輻射度學(xué)理論能否成立是基于幾個(gè)假設(shè)：其一，輻射能是不相干的，因而不必考慮干涉效應(yīng)。其次，輻射度學(xué)的概念建立在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上。即輻射能在傳播過(guò)程中，其空間分布不會(huì)偏離開(kāi)一條由幾何射線所確定的路線。最后，假設(shè)光場(chǎng)的能量流在透明介質(zhì)（非吸收介質(zhì)）時(shí)候，遵守能量守恒定律。習(xí)題一：

1.如果置于各向同性均勻介質(zhì)的點(diǎn)輻射源輻射強(qiáng)度為Ie,試計(jì)算其在整個(gè)空間所有方向上發(fā)射的輻射能通量.如果是各向異性的點(diǎn)輻射源呢？解答根據(jù)輻射強(qiáng)度定義，在所有方向上輻射強(qiáng)度都相同的點(diǎn)輻射源在有限立體角ω內(nèi)發(fā)射的輻射通量為：在空間所有方向上發(fā)射的輻射能通量為：對(duì)于各向異性輻射源Ie=Ie(φ,θ),對(duì)于φ與θ的定義如圖，這樣，點(diǎn)輻射源在整個(gè)空間發(fā)射的輻射通量為：2.黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽(yáng)等是一個(gè)近似的余弦輻射體。證明余弦輻射體的輻射出射度M與輻射亮度L，滿足M=πL2.黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽(yáng)等是一個(gè)近似的余弦輻射體。證明余弦輻射體的輻射出射度M與輻射亮度L，滿足M=πL解：余弦輻射體表面某面元dA處向半球面空間發(fā)射的通量為：對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分：由上式得到余弦輻射體的M與L關(guān)系為：M=πL

光度學(xué)光度學(xué)（Photometry）是研究可見(jiàn)光輻射強(qiáng)弱的學(xué)科，可見(jiàn)光度學(xué)實(shí)質(zhì)上是輻射度學(xué)的一部分。光度學(xué)適用于波長(zhǎng)在0.38μm~0.78μm范圍內(nèi)的電磁輻射－可見(jiàn)光波段，它使用的參量稱為光度學(xué)量。以人的視覺(jué)習(xí)慣為基礎(chǔ)建立。光度學(xué)量描述光輻射能為人眼接受所引起的視覺(jué)刺激大小的強(qiáng)度，是生理量。光度學(xué)就是根據(jù)人類視覺(jué)器官的生理特性和某些約定的規(guī)范來(lái)評(píng)價(jià)輻射所產(chǎn)生的視覺(jué)效應(yīng)。光度——對(duì)光的量度1729年布給為比較天體亮度發(fā)明了目視光度計(jì)，這標(biāo)志著光度學(xué)的誕生。1760年Lamber創(chuàng)立了光度學(xué)的基本體系，成為光度學(xué)的重要奠基人。1881年國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)燭光為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1909年美、法、英等國(guó)決定用一組碳絲白熾燈來(lái)保持發(fā)光強(qiáng)度單位,取名為“國(guó)際燭光”,符號(hào)為“ic”。1937年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)決定用鉑點(diǎn)黑體作為光度原始標(biāo)準(zhǔn)（即光度基準(zhǔn)），并規(guī)定其亮度為60熙提(1熙提＝1燭光／厘米)。由此導(dǎo)出的發(fā)光強(qiáng)度單位叫坎德拉,符號(hào)為“cd”,從1948年1月1日起實(shí)行。至此，全世界才有了統(tǒng)一的光度標(biāo)準(zhǔn)。人眼結(jié)構(gòu)人眼感光細(xì)胞

人眼的視覺(jué)細(xì)胞分為兩種，它們分別是錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞。椎體細(xì)胞負(fù)責(zé)感受色彩，它分為視紅椎體細(xì)胞、視綠椎體細(xì)胞和視藍(lán)椎體細(xì)胞。桿狀細(xì)胞負(fù)責(zé)感光，它對(duì)光的靈敏度比錐體細(xì)胞強(qiáng)很多。

人對(duì)不同波長(zhǎng)光的感受人的視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)各種不同波長(zhǎng)的光的感光靈敏度是不一樣的，對(duì)綠光最靈敏，對(duì)紅光、藍(lán)光靈敏度要低得多。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光的平均相對(duì)靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率或稱視見(jiàn)函數(shù)曲線V(λ)對(duì)應(yīng)于亮適應(yīng)條件下觀察到的明視覺(jué)的不同波長(zhǎng)下的靈敏度，而V’(λ)則是完全暗適應(yīng)條件下觀察到的暗視覺(jué)的靈敏度曲線。這可以理解為白天和夜間人眼的光譜光視效率是不同的。V(λ)的峰值在555nm處，V’(λ)的峰值在507nm處。

光度學(xué)參量物理量名稱符號(hào)定義式單位光量lms(流明秒)光通量lm（流明）光出射度lm/m2（流明/米2）發(fā)光強(qiáng)度基本量cd坎德拉（流明/球面度）亮度cd/m2(坎德拉/米2)照度lx勒克斯（流明/米2）QvvMvIvLvEvQv=vdtv=IvdωMv=dv/dALv=dIv/(dAcos)Ev=dv/dA光量Qv

光量有時(shí)也稱為光能，是人眼可見(jiàn)的那部分輻射能，是光通量Φ在可見(jiàn)光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分：光量的單位為流明?秒（lm?s）。Qv=vdt光通量v

光通量是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射(傳輸或接收)的光能,即光通量是光能的時(shí)間分辨率。由于光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量所受到的視覺(jué)刺激值,而評(píng)定此刺激值的基礎(chǔ)是光譜光視效率V(λ),即人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光能量產(chǎn)生感覺(jué)的效率。光譜輻射通量為Φe(λ)的可見(jiàn)光輻射，所產(chǎn)生的視覺(jué)刺激量，即光通量為:式中，K(λ)為輻射度量與光度量之間的比例系數(shù)。等號(hào)左邊Φv是光通量，其單位是流明（lm）；等號(hào)右邊的Φe(λ)是輻射通量，單位是瓦（W），所以K(λ)的單位為流明/瓦Φv(λ)=K(λ)Φe(λ)=KmV(λ)Φe(λ)

K(λ)峰值記為Km，對(duì)于明視覺(jué)Km=683lm/W。它表明在波長(zhǎng)555nm處，即人眼光譜光視效率最大（V(λ)=1）處，光輻射產(chǎn)生光感覺(jué)的效能為：1W的輻射能通量產(chǎn)生的光通量為683lm；換句話說(shuō)，此時(shí)1lm相當(dāng)于1/683W。

總光通量與輻通量之間的關(guān)系為：Φv=KmΦe(λ)V(λ)dλ

光出射度

光源表面給定點(diǎn)處單位面積向半球面空間內(nèi)發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的光出射度，計(jì)量單位為單位為流明每平方米（lm/m2），其表達(dá)式為：式中，dΦv為給定點(diǎn)處的面元dA發(fā)出的光通量。MvMv=dv/dA發(fā)光強(qiáng)度Iv

光源在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度：

式中dΦv為光源在給定方向上的立體角元dω內(nèi)發(fā)出的光通量。

發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉（Candela,記作cd）?？驳吕菄?guó)際單位制中7個(gè)基本單位之一。其定義為：坎德拉（cd）是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度。該光源發(fā)出頻率為540×1012赫茲的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度強(qiáng)度為1/683瓦特每球面度。亮度Lv

光源表面一點(diǎn)處的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dIv與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度：式中，θ為給定方向與面元法線間的夾角。亮度的法定計(jì)量單位為坎德拉每平方米（cd/m2）。照度Ev

被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量稱為該點(diǎn)的照度：式中，dΦv為給定點(diǎn)處的面元dA上的光通量。照度的法定計(jì)量單位為勒克斯（lx）（lm/m2）。Ev=dv/dA照度和亮度的區(qū)別不要把照度跟亮度的概念混淆起來(lái)。它們是兩個(gè)完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度與光源至被照面的距離的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物體表面是面光源時(shí)的發(fā)光特性。如果光源與觀察者眼睛之間沒(méi)有光吸收現(xiàn)象存在，那么亮度值與二者間距離無(wú)關(guān)。輻射度學(xué)和光度學(xué)區(qū)別：1.適用范圍輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波譜。光度學(xué)適用于可見(jiàn)光波段。2.參量性質(zhì)不同輻射度學(xué)量是客觀物理參量。光度學(xué)量生理量，由人眼感覺(jué)確定。聯(lián)系：1.都是描述光輻射的強(qiáng)弱。2.所用物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)。①

光源的光度和輻射度特性的測(cè)量。用作人工照明的光源，需要測(cè)量其各種光度特性，如總光通量、發(fā)光強(qiáng)度的空間分布、發(fā)光體的亮度等，作為生產(chǎn)廠控制產(chǎn)品質(zhì)量和照明工程設(shè)計(jì)的依據(jù)?，F(xiàn)代光源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)上用作照明的范圍，而越來(lái)越廣泛地用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、醫(yī)療保健、科學(xué)研究、空間技術(shù)等方面；而現(xiàn)代照明也不單純是提供一定數(shù)量的可見(jiàn)光，還要求具有一定的顯色特性，并提供或限制某些紅外和紫外輻射,因而還要求測(cè)量光源的各種輻射度特性,如總的輻射功率、輻射的光譜組成、輻射強(qiáng)度的空間分布、輻射亮度等。根據(jù)光譜組成計(jì)算其色度特性和顯色指數(shù)作為評(píng)價(jià)光源品質(zhì)、適用范圍和實(shí)際應(yīng)用的依據(jù)。對(duì)光照?qǐng)龊洼椪請(qǐng)龅墓庹斩取⑤椛湔斩群凸饬炼鹊姆植嫉臏y(cè)量，也是實(shí)際工作中廣泛應(yīng)用的一個(gè)方面。光度學(xué)和輻射度學(xué)的應(yīng)用可以歸納為三個(gè)方面

②

材料和媒質(zhì)的光度和輻射度特性的測(cè)量在光學(xué)工業(yè)、照明工程、遙感技術(shù)、色度學(xué)和大氣光學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。各種材料、樣板及若干種工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，需要測(cè)定它們?cè)诟鞣N幾何條件下的積分的和光譜的反射比或透射比。在各種條件下大氣對(duì)光學(xué)輻射的傳輸特性的測(cè)量。這些都必須利用光度和輻射度技術(shù)。③

各種光學(xué)輻射探測(cè)器如太陽(yáng)能電池、硅光電二極管、光電管、光電倍增管、熱電偶、熱電堆以及各種光敏和熱敏元件，廣泛用于光學(xué)輻射的探測(cè)、測(cè)量?jī)x器、控制系統(tǒng)和換能裝置等方面。也需要用光度和輻射度技術(shù)測(cè)定它們的積分靈敏度、光譜靈敏度及響應(yīng)的線性等特性，為合理的有效的使用提供依據(jù)。1.2黑體輻射理論熱物體的顏色？冷物體的顏色？比較兩個(gè)50瓦的燈泡和1個(gè)100瓦的燈泡產(chǎn)生的亮度，那個(gè)更亮？太陽(yáng)的溫度推算？本專題學(xué)習(xí)要求：1.了解黑體輻射理論的基本概念。2.掌握簡(jiǎn)單的黑體輻射公式。

我們能夠感覺(jué)到或者看到熱物體發(fā)出的輻射。實(shí)際上任何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。最為常見(jiàn)的熱輻射源為白熾燈和太陽(yáng)。

相對(duì)于熱輻射光源而言，光電檢測(cè)系統(tǒng)常用的另一類光源，不是靠加熱保持溫度使輻射維持下去，而是靠外部能量激發(fā)的輻射。這個(gè)過(guò)程稱為發(fā)光，為了區(qū)別于熱輻射，有時(shí)也稱為冷光。最為常見(jiàn)的冷光光源有：LED,LD。熱輻射光源和冷光的區(qū)別

熱輻射發(fā)射的是連續(xù)光譜，且輻射是溫度的函數(shù)，它是輻射源與周圍物體之間熱量傳遞的一種方式。

冷光光譜是非連續(xù)光譜，且不是溫度的函數(shù)。研究熱輻射的意義研究熱輻射的重要性在于：其一，光電檢測(cè)系統(tǒng)中使用的很多光源實(shí)際上是熱輻射源。其次，很多探測(cè)器系統(tǒng)的噪聲來(lái)自于熱效應(yīng)，因此熱輻射理論是理解熱噪聲。基爾霍夫定律在給定溫度的熱平衡條件下，任何物體的輻射發(fā)射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng)的比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只是波長(zhǎng)及溫度的普適函數(shù)，且等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻射出射度基爾霍夫定律是符合能量守恒定律的

實(shí)驗(yàn)表明：不同的材料，輻射能力和吸收能力不同。輻射能力強(qiáng)的物體吸收能力也強(qiáng)。普適函數(shù)

在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與吸收比之比應(yīng)相同，是一個(gè)與材料和形狀無(wú)關(guān)，僅與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)的普適函數(shù)。例不同材料、不同溫度的物體A1A2A3

A1A2A3經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后，達(dá)到熱平衡，溫度相同。A1A2A3黑體輻射的熱動(dòng)力特征黑體：能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長(zhǎng)的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長(zhǎng)輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。即：對(duì)于黑體：

根據(jù)以上定義，如果一個(gè)物體在任何溫度下都能將照射于其上的任何波長(zhǎng)的輻射能全部吸收，并且不會(huì)有任何的反射與透射，則該物體稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。實(shí)際中是不存在絕對(duì)黑體的，但在一定的情況下某些物體可以視為黑體。例如，用不透明材料制成的一空心容器，壁上開(kāi)一小孔，可看成黑體。黑體輻射

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，人們總結(jié)出黑體輻射定律來(lái)描述黑體的輻射特性。

黑體輻射定律包括：1.普朗克輻射定律2.斯忒藩-玻爾茲曼定律3.維恩位移定律。黑體輻射圖中每一條曲線都有一個(gè)最大值最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動(dòng)普朗克輻射定律

普朗克于1900年建立了黑體輻射定律的公式。在推導(dǎo)過(guò)程中，普朗克考慮將電磁場(chǎng)的能量按照物質(zhì)中帶電振子的不同振動(dòng)模式分布。得到普朗克公式的前提假設(shè)是這些振子的能量只能取某些基本能量單位的整數(shù)倍，這些基本能量單位只與電磁波的頻率v有關(guān)，并且和頻率v成正比,即E=hv，h為普朗克常數(shù)。普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為：式中，k為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；c為真空中的光速。黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為：圖1-2繪出了黑體輻射的相對(duì)光譜輻亮度Le,s,λr與波長(zhǎng)的等溫關(guān)系曲線。圖中每一條曲線都有一個(gè)最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。斯忒藩-波爾茲曼定律將上式對(duì)波長(zhǎng)λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度：

式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)。由上面的式子可以看出，Me,s與T的四次方成正比。

σ由下面的公式?jīng)Q定：

由于該定律首先由斯忒藩(J.Stefan)和玻爾茲曼(L.Boltzmann)分別獨(dú)立提出，故上面的式子也稱為黑體輻射的斯忒藩-玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）。維恩位移定律

將普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)λ求微分后令其等于0，則可以得到峰值光譜輻射出射度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫度T的關(guān)系為：

(μm)

可見(jiàn)，峰值光譜輻出度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻射出射度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

將其帶入普朗克公式中，得到黑體的峰值光譜輻出度：W·cm-2·μm-1·K-5

以上三個(gè)定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。1.3半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成為電能是內(nèi)光電效應(yīng)探測(cè)器件的工作基礎(chǔ)。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收過(guò)程，通常用折射率、消光系數(shù)和吸收系數(shù)來(lái)表征。這些參數(shù)和半導(dǎo)體電學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系，可通過(guò)麥克斯韋方程組來(lái)導(dǎo)出。2023/2/5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收當(dāng)角頻率為ω和光通量為?0

的光垂直地照射到半導(dǎo)體表面上的時(shí)候，設(shè)距離表面x處的光通量為?x，則發(fā)現(xiàn)光通量的變化量d?(x)與該點(diǎn)的光通量?(x)成正比，即：d?(x)=?α?(x)dx這里α稱為吸收系數(shù)(absorptioncoefficient）

單位是cm?1。2023/2/5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收利用初始條件x=0的光通量?(0)=?0，解上述微分方程，可以得到：?(x)=?0e?αx現(xiàn)考慮沿x方向傳播的平面電磁波，則其電矢量可以用下列公式表示：E(x)=E0exp[iω(t?x/v)]E0為振幅，v是平面波沿x方向傳播的速度。2023/2/5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收光在半導(dǎo)體中的速度比在真空中的速度小,如果設(shè)半導(dǎo)體的折射率為n’,則根據(jù)v=c/n’,(c為真空中的光速),可以得到：E(x)=E0exp[iωt?inω/c·x]半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率不為0,n’為復(fù)數(shù)，設(shè)n’=n?ik,所以：E(x)=E0exp(?ωkx/c)exp[iω(t?n/c·x)]2023/2/5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收根據(jù)光通量為?(x)與|E(x)|2成正比的關(guān)系?(x)=?0exp[?2ω/c·k(ω)x]V.s.?(x)=?0e?αx得到：α=2ωk/c=4πk/λλ為自由空間中光的波長(zhǎng)，k為消光系數(shù)2023/2/5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收消光系數(shù)k，決定光衰減；光波在半導(dǎo)體中的傳播，波的振幅隨著透入的深度而減小，即存在光的吸收。這是由于波在傳播過(guò)程中在半導(dǎo)體內(nèi)激起傳導(dǎo)電流，光波的部分能量轉(zhuǎn)換為電流的焦耳熱。因此，半導(dǎo)體的吸收系數(shù)決定于電導(dǎo)率。2023/2/5半導(dǎo)體的吸收光譜半導(dǎo)體中的光吸收主要包括：本征吸收激子吸收晶格振動(dòng)吸收雜質(zhì)吸收自由載流子吸收2023/2/5半導(dǎo)體的吸收光譜2023/2/5半導(dǎo)體的吸收光譜例：量子效率與吸收系數(shù)關(guān)系設(shè)入射到探測(cè)器的輻射通量?，由光吸收定律，在距表面位置x處Δx的長(zhǎng)度內(nèi)，每秒吸收的光子數(shù)為：式中，r為反射率；

α為吸收系數(shù)。2023/2/5例：量子效率與吸收系數(shù)關(guān)系2023/2/5單位體積內(nèi)電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率(m?3s?1)沿著x方向的電流密度(A/m2)為：e為電子電荷；lx為吸收層厚度例：量子效率與吸收系數(shù)關(guān)系2023/2/5在?的光照下，探測(cè)器在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)為J·lylz/e。由量子效率的定義有:要提高量子效率，就須使光反射率r低，吸收系數(shù)α大，吸收層厚度要足夠長(zhǎng)以充分吸收光輻射。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率在電場(chǎng)強(qiáng)度不大的情況下，半導(dǎo)體中的載流子在電場(chǎng)的作用下的運(yùn)動(dòng)遵守歐姆定律。但是，半導(dǎo)體中存在著兩種載流子，即帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子，而且載流子濃度又隨著溫度和摻雜的不同而不同，所以它的導(dǎo)電機(jī)制要比導(dǎo)體復(fù)雜。2023/2/5半導(dǎo)體的電導(dǎo)率2023/2/5半導(dǎo)體的電導(dǎo)率2023/2/5上圖中，沿x方向施加電場(chǎng)Ex，設(shè)載流子的質(zhì)量為m、電荷為q（對(duì)于空穴，q>0；對(duì)于電子，q<0）、平均速度為vx.載流子的運(yùn)動(dòng)方程為:半導(dǎo)體的電導(dǎo)率2023/2/5載流子在運(yùn)動(dòng)中，由于晶格熱振動(dòng)或電離雜質(zhì)以及其他因素的影響，不斷地遭到散射。其連續(xù)兩次散射間的平均時(shí)間，稱為平均自由時(shí)間τ。穩(wěn)定情況下（vx

一定，即電流一定時(shí)），dvx/dt

=0，有：半導(dǎo)體的電導(dǎo)率2023/2/5若設(shè)載流子濃度為n,則x方向的電流密度Jx(單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位面積的電荷量)為推出：半導(dǎo)體的電導(dǎo)率2023/2/5遷移率μ

:電導(dǎo)率σ：半導(dǎo)體的電導(dǎo)率若把半導(dǎo)體中電子及空穴的濃度、遷移率分別設(shè)為n、p、μn、μp，那么從室溫到低溫范圍：總體的電導(dǎo)率為：2023/2/5載流子的擴(kuò)散與漂移載流子在半導(dǎo)體中的移動(dòng)形成了電流電場(chǎng)導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)漂移->漂移電流載流子濃度差導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散->擴(kuò)散電流2023/2/5當(dāng)材料的局部位置（比如材料表面）受到光照時(shí)，材料吸收光子產(chǎn)生載流子，在這局部位置的載流子濃度就比平均濃度要高。這是載流子將從濃度高的地點(diǎn)向濃度低的地點(diǎn)移動(dòng)，即擴(kuò)散。由于擴(kuò)散作用，流過(guò)單位面積的電流稱為擴(kuò)散電流密度，它正比于光生載流子的濃度梯度。2023/2/5載流子的擴(kuò)散與漂移END!現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)（二）禹忠

盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)很好地解釋了α粒子的散射實(shí)驗(yàn)，初步建立了原子結(jié)構(gòu)的正確圖景，但跟經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾。

1）原來(lái)，電子沒(méi)有被庫(kù)侖力吸引到核上，它一定是以很大的速度繞核運(yùn)動(dòng)，就象行星繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)那樣。按照經(jīng)典理論，繞核運(yùn)動(dòng)的電子應(yīng)該輻射出電磁波，因此它的能量要逐漸減少。隨著能量的減少，電子繞核運(yùn)行的軌道半徑也要減小于是電子將沿著螺旋線的軌道落入原子核，就像繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星受到上層大氣阻力不斷損失能量后要落到地面上一樣。這樣看來(lái)，原子應(yīng)當(dāng)是不穩(wěn)定的，然而實(shí)際上并不是這樣。1玻爾提出原子模型的背景：原子發(fā)光的機(jī)理2）同時(shí)，按照經(jīng)典電磁理論，電子繞核運(yùn)行時(shí)輻射電磁波的頻率應(yīng)該等于電子繞核運(yùn)行的頻率，隨著運(yùn)行軌道半徑的不斷變化，電子繞核運(yùn)行的頻率要不斷變化，因此原子輻射電磁波的頻率也要不斷變化。這樣，大量原子發(fā)光的光譜就應(yīng)該是包含一切頻率的連續(xù)譜。

以上矛盾表明，從宏觀現(xiàn)象總結(jié)出來(lái)的經(jīng)典電磁理論不適用于原子這樣小的物體產(chǎn)生的微觀現(xiàn)象。為了解決這個(gè)矛盾，1913年玻爾在盧瑟福學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上，把普郎克的量子理論運(yùn)用到原子系統(tǒng)上，提出了玻爾理論。2玻爾理論的主要內(nèi)容

1）原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫定態(tài)。

2）原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為E初）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為E終）時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即

hv=E初-E終

3）原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。

玻爾計(jì)算出氫的電子的各條可能軌道半徑和電子在各條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量（包括動(dòng)能和勢(shì)能）公式：Rn=nr12軌道半徑：（n=1,2,3……)能量：Enn21E1（n=1,2,3……)

式中r1、E1分別代表第一條（即離核最近的）可能軌道的半徑和電子在這條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，rn、En

分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，n是正整數(shù)，叫量子數(shù)。（以無(wú)窮遠(yuǎn)作為零電勢(shì)參考位置的能量關(guān)系）玻爾的原子模型和能級(jí)－－－－－－－－－－－－－－－－－１２３４５-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540eVnE∞以無(wú)窮遠(yuǎn)處為參考位置0eV10.2eV12.1eV12.8eV吸收能量放出能量氫原子結(jié)構(gòu)4、原子發(fā)光現(xiàn)象：原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過(guò)程，是輻射能量的過(guò)程，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去，這就是原子發(fā)光現(xiàn)象。能級(jí)特點(diǎn)：1、能級(jí)：氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值，叫它的能級(jí)。（從能級(jí)圖中總結(jié)各定態(tài)的能量特點(diǎn)）2、基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級(jí)，這時(shí)電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)叫基態(tài)。3、激發(fā)態(tài)：除基態(tài)以外的能量較高的其他能級(jí)，叫做激發(fā)態(tài)。物體發(fā)光機(jī)制

發(fā)光：當(dāng)原子從高能態(tài)過(guò)渡到低能態(tài)時(shí)，能量是以光輻射的形式釋放的。

激勵(lì)：外界不斷地向物體提供能量使原子重新激發(fā)到高能態(tài)的過(guò)程。

原子內(nèi)部的能量是不連續(xù)、分立的。用能級(jí)的形式表示原子所允許存在的各種狀態(tài)。

光激勵(lì)（光泵）：利用光能激勵(lì)。原子能量的量子化：Rydberg原子：當(dāng)原子中的電子處在接近于該原子的電離能，即在極為密集的能級(jí)上時(shí)，原子的尺寸變得非常大，而具有一些常規(guī)原子不同的性質(zhì)。

分子能級(jí)比原子能級(jí)復(fù)雜得多，要考慮到分子的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)能級(jí)。

原子或分子的能級(jí)在理論上可認(rèn)為是沒(méi)有帶寬的，即原子或分子可允許的能量狀態(tài)是確定的。能級(jí)與帶寬宏觀光的吸收與輻射微觀光子的湮沒(méi)和產(chǎn)生2、自發(fā)輻射、受激吸收與受激輻射

光與原子二能級(jí)系統(tǒng)相互作用時(shí)，有三種躍遷過(guò)程。這是愛(ài)因斯坦提出的。

但對(duì)于固態(tài)物質(zhì)，原子間的相互作用會(huì)使外層電子的能級(jí)分裂成許多密集的能級(jí)，形成一定寬度的能帶。E2E1發(fā)光前E2E1發(fā)光后hγ

特點(diǎn)：各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)獨(dú)立地進(jìn)行。各個(gè)光子的量子態(tài)都不相同，沒(méi)有一定的相位關(guān)系，所以不相干，其單色性極差，亮度不高。

自發(fā)輻射（spontaneousemission）：處在高能態(tài)的原子或分子總是企圖降低其勢(shì)能而自發(fā)地躍遷到較低的能態(tài)。E2E1發(fā)光后E2E1發(fā)光前hγ受激吸收（stimulatedabsorption）：到外來(lái)光子的激勵(lì)下，在滿足能量恰好等于低、高兩能級(jí)之差（△E）時(shí)，該原子就吸收這部分能量，躍遷到高能級(jí)

特點(diǎn)：在一個(gè)入射光子的作用下，輻射出與入射光同頻率、同位相、同傳播方向、同偏振態(tài)的大量光子。大量光子處于同一量子態(tài)，稱為激光器的光子簡(jiǎn)并度。所以亮度極高，出現(xiàn)光源的質(zhì)的飛躍。

受激輻射：處在高能態(tài)上的電子受到外界輻射場(chǎng)的誘發(fā)而躍遷到低能級(jí)，并隨之而輻射發(fā)光。入射光子的強(qiáng)度成等比級(jí)數(shù)地被放大。受激輻射（stimulatedemission）E2E1發(fā)光前hγE2E1發(fā)光后hγhγ受激輻射是產(chǎn)生激光的必要條件之一。

光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)必然會(huì)引起物質(zhì)內(nèi)部能量狀態(tài)的變化，這種變化也會(huì)反映到光輻射本身的改變。

愛(ài)因斯坦于1917年用具有分立能級(jí)的原子模型推導(dǎo)普朗克輻射公式時(shí)，預(yù)言了受激輻射的存在，并定量地描述了上述三種可能躍遷過(guò)程的概率。

40年后，第一臺(tái)激光器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，使預(yù)言得到有力的證實(shí)。3、愛(ài)因斯坦

A系數(shù)和B系數(shù)

假設(shè)原子二能級(jí)系統(tǒng)中，處在高能級(jí)E2的原子數(shù)為N2，處在低能級(jí)E1的原子數(shù)為N1，作用于此原子系統(tǒng)的光子的能量密度為wv

當(dāng)原子從E2躍遷至E1時(shí)，

N2因自發(fā)輻射而減少，其減少速率與N2成正比。愛(ài)因斯坦

A系數(shù)或自發(fā)輻射常量。愛(ài)因斯坦

B′系數(shù)或受激輻射常量。

當(dāng)原子從E1躍遷至E2時(shí)，

N1因受激吸收而減少，其減少速率與N1和wv成正比。愛(ài)因斯坦

B系數(shù)或吸收常量。熱平衡時(shí)兩能級(jí)躍遷的原子數(shù)相等。即根據(jù)玻爾茲曼定律與普朗克公式對(duì)比可知：〈n〉非常小，在微波波段才較大。原子在E2能級(jí)上的壽命亞穩(wěn)態(tài)：對(duì)于某些特殊能級(jí)，壽命≥10-3S受激輻射自發(fā)輻射光電信息技術(shù)中常用的光源一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無(wú)論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源是自然界中存在的，如太陽(yáng)、恒星等，在天文學(xué)電探測(cè)中，常常會(huì)遇到這些光輻射的測(cè)量。人造光源是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測(cè)量系統(tǒng)中，電光源是最常見(jiàn)的光源。

4.1.1光源的基本特性參數(shù)1.輻射效率和發(fā)光效率在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率，于是光源的基本特性參數(shù)相應(yīng)地，對(duì)于可見(jiàn)光范圍，某一光源的發(fā)光效率ηv為所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即2.光譜功率分布自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來(lái)描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過(guò)歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分析。

光源的基本特性參數(shù)常用光源的發(fā)光效率光源的基本特性參數(shù)四種典型的光譜功率分布光源的光譜功率分布通?？煞殖伤姆N情況，如圖4－1所示。圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開(kāi)的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細(xì)譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，圖（d）是混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。光源的基本特性參數(shù)在選擇光源時(shí)，它的光譜功率分布應(yīng)由測(cè)量對(duì)象的要求來(lái)決定。在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見(jiàn)光譜輻射比較豐富的光源。對(duì)于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源，在光纖技術(shù)中，通常使用發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等光源光源的基本特性參數(shù)3.空間光強(qiáng)分布對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點(diǎn)連起來(lái)，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。下圖是超高壓球形氙燈的光強(qiáng)分布。在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了進(jìn)一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點(diǎn)位于光源的發(fā)光中心上。光源的基本特性參數(shù)光源的色溫黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來(lái)近似地表示。對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。（1）分布溫度。輻射源在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為：（2）色溫。輻射源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對(duì)光譜功率分布不一定相同。（3）相關(guān)色溫。對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。

熱輻射源光源的顏色光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。熱輻射源任何物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。熱輻射光源有三個(gè)特點(diǎn)：（1）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進(jìn)行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；（2）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。熱輻射源

1.太陽(yáng)太陽(yáng)可看成是一個(gè)直徑為1.392×109m的光球。它到地球的年平均距離是1.49×1011m．因此從地球上觀看太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的張角只有0.5330。大氣層外的太陽(yáng)光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01×l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95×109cdm-2。射到地球上的太陽(yáng)輻射，要斜穿過(guò)一層厚厚的大氣層，使太陽(yáng)輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復(fù)雜，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳?xì)浠衔?如CH4)等，都在不同程度上吸收了大陽(yáng)輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)．在標(biāo)準(zhǔn)海平面上太陽(yáng)的光譜輻射照度曲線，如下圖所示，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶．

2.黑體模擬器在許多軍用紅外光電信息技術(shù)和光電系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。黑體模擬器的結(jié)構(gòu)熱輻射源熱輻射源3.白熾燈白熾燈是照明工程和光電測(cè)量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見(jiàn)光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復(fù)現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。熱輻射源下圖是用于光計(jì)量的幾種標(biāo)準(zhǔn)光源。圖(a)所示為BDQ型發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈，用來(lái)傳遞和復(fù)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度單位(cd)的量值。發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈是通過(guò)精確控制流過(guò)燈絲的直流電流，復(fù)現(xiàn)在規(guī)定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強(qiáng)度。圖(b)是BDT型光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，用來(lái)傳遞和復(fù)現(xiàn)光通量值．光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，這樣使電壓與燈參數(shù)的變化曲線其光分布在各旋轉(zhuǎn)方向盡可能一致。圖(c)為BW型溫度標(biāo)準(zhǔn)燈，它的發(fā)光體是一條狹長(zhǎng)的鎢帶，當(dāng)通以電流時(shí)，鎢帶熾熱發(fā)光。主要工作在800～25000C范圍內(nèi)，復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)定光學(xué)高溫計(jì)及某些以光學(xué)高溫計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)的溫度源，也可以代替能量標(biāo)準(zhǔn)燈使用。

在鎢絲燈泡內(nèi)加入微量鹵素，也可有效地抑制鎢的升華，這種燈叫做鹵鎢燈。

鹵鎢燈工作時(shí)，燈絲升華而產(chǎn)生的氣態(tài)鎢擴(kuò)散到泡壁溫度較低區(qū)域，與鹵素反應(yīng)生成揮發(fā)性的鹵鎢化合物，當(dāng)鹵鎢化合物擴(kuò)散到泡壁區(qū)域與氣態(tài)鎢化合，這一過(guò)程叫做鹵鎢循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)泡殼不易變黑。泡殼尺寸較小。鹵鎢燈的應(yīng)用投影儀攝像用燈

鹵鎢燈廣泛用于廣場(chǎng)、工地、攝像、錄像照明，還可做投影儀、醫(yī)療手術(shù)的強(qiáng)光源。

氣體放電光源氣體放電光源利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時(shí)在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氫、氦、氘、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鎘、鈉、銦、鉈、鏑等。在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極、電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中得到能量，當(dāng)它們與氣體原子或分子碰撞時(shí)會(huì)激勵(lì)出新的電子和離子。由于這一過(guò)程中有些內(nèi)層電子會(huì)躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)輻射或紫外、紅外輻射。這樣的發(fā)光機(jī)制被稱為氣體放電原理。氣體放電光源具有下列共同的特點(diǎn)：（1）發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2~10倍，因此具有節(jié)能的特點(diǎn)；（2）結(jié)構(gòu)緊湊。由于不靠燈絲本身發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊，耐震、抗沖擊；（3）壽命長(zhǎng)。一般比白熾燈壽命長(zhǎng)2~10倍；（4）光色適應(yīng)性強(qiáng)，可在很大范圍內(nèi)變化。

與白熾燈不同，氣體放電燈都是通過(guò)氣體放電發(fā)光的。作為照明用的有日光燈、節(jié)能燈、高壓汞燈、高壓鈉燈等。氣體放電光源圖4－6幾種氣體放電燈的外形圖高壓汞燈常用于街道、廣場(chǎng)的照明。高壓鈉燈

高壓鈉燈是一種高壓蒸氣放電燈，靠電極放電使鈉原子激發(fā)而發(fā)光，發(fā)光效率最高。

高壓鈉燈發(fā)出的黃白色光容易穿透霧氣，提高能見(jiàn)度。表4－2常用氣體放電燈的種類、性能和主要應(yīng)用領(lǐng)域氣體放電光源3.空心極燈空心陰極燈屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。該燈的外形如圖4—10所示，其陰極由金屬元素或其它合金制成空心圓柱形，圓環(huán)形陽(yáng)極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的?？招年帢O燈也叫做原子光譜燈，陰極材料根據(jù)所需的譜線選擇相應(yīng)的金屬；窗口有石英玻璃和普通玻璃兩種，則根據(jù)輻射的原于光譜波長(zhǎng)而定?？招年帢O燈是原子吸收分光光度計(jì)上必不可少的光源。由于這種燈工作時(shí)陰極的溫度并不高，所輻射出的金屬原子譜線很窄，強(qiáng)度很大，穩(wěn)定性好。因此，空心陰極燈用作對(duì)微量金屬元素吸收光譜定性或定量分析的光源，以及用于光譜儀器波長(zhǎng)定標(biāo)上。4.氘燈氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣。氘(H12是氫(H11)的同位素，又叫重氫．發(fā)光二極管基本結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管（無(wú)機(jī)）按結(jié)構(gòu)分類表面LED側(cè)面LED平面LED圓頂型LED超發(fā)光LED顯示、報(bào)警光纖通信

LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒(méi)有解理面，即沒(méi)有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒(méi)有閾值。三顆不同顏色的LED由若干獨(dú)立的LED組成的單個(gè)光源發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管能帶結(jié)構(gòu)正向電壓PN結(jié)勢(shì)壘降低少數(shù)載流子注入N區(qū)P區(qū)電子空穴P區(qū)：空穴與注入的電子復(fù)合N區(qū)：電子與注入的空穴復(fù)合復(fù)合，發(fā)光本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

PN結(jié)的能帶和電子分布一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來(lái)表示在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。

硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu)(平面圖)本征半導(dǎo)體材料Si電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的受熱時(shí)，Si電子受到熱激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。此時(shí)外加電場(chǎng)，發(fā)生電子/空穴移動(dòng)導(dǎo)電。導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷相當(dāng)于空穴向價(jià)帶反向躍遷Ef－電子或空隙的濃度為:其中為材料的特征常數(shù)T為絕對(duì)溫度kB

為玻耳茲曼常數(shù),h為普朗克常數(shù)me

電子的有效質(zhì)量mh

空穴的有效質(zhì)量Eg帶隙能量本征載流子濃度例：在300K時(shí)，GaAs的電子靜止質(zhì)量為m=9.11×10-31kg，

me=0.068m=6.19×10-32kg

mh=0.56m=5.1×10-31kg

Eg=1.42eV

可根據(jù)上式得到本征載流子濃度為2.62×1012m-3非本征半導(dǎo)體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)摻入Si晶體后，產(chǎn)生的多余電子受到的束縛很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。As除了用4個(gè)價(jià)電子和周圍的Si建立共價(jià)鍵之外，還剩余一個(gè)電子As+導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV施主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主能級(jí)

施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶電子濃度增加

N型材料，施主能級(jí)第V族元素稱為施主雜質(zhì)，被它束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱為施主能級(jí)。由于施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶，因此施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶。Ef非本征半導(dǎo)體材料：p型由于B只有3個(gè)價(jià)電子，因此B和周圍4個(gè)Si的共價(jià)鍵還少1個(gè)電子B容易搶奪周圍Si原子的電子成為負(fù)離子并產(chǎn)生多余空穴B–第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)摻入Si晶體后，產(chǎn)生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以讓多余孔穴自由導(dǎo)電。導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV受主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布受主能級(jí)

受主能級(jí)電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加

P型材料，受主能級(jí)第III族元素容易搶奪Si的電子而被稱為受主雜質(zhì)。被它束縛的空穴所處的能級(jí)稱為受主能級(jí)EA。當(dāng)空穴獲得較小的能量DEA之后就能擺脫束縛，反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴。因此，受主能級(jí)位于靠近價(jià)帶EV的禁帶中。Ef

PN結(jié)耗盡層（a）P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；PN結(jié)的能帶和電子分布P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng)擴(kuò)散漂移在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖；勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見(jiàn)圖4.5(b)。耗盡區(qū)擴(kuò)散電子pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)PN結(jié):---+++U電勢(shì)pnEf1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動(dòng)P-N結(jié)施加反向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時(shí)，耗盡區(qū)加寬，勢(shì)壘加強(qiáng)。(a)反向偏壓使耗盡區(qū)加寬少數(shù)載流子漂移U擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)P-N結(jié)施加正向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時(shí)，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，耗盡區(qū)變窄，勢(shì)壘降低。使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生光輻射。(b)正向偏壓使耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄Upnpn擴(kuò)散>漂移hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。外加電場(chǎng)注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光

發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管。

它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能，是一種新型能源。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。

磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。發(fā)光二極管短波長(zhǎng)0.8～0.9μm雙異質(zhì)結(jié)GaAs/AlGaAs面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)1.3μm雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個(gè)N－AlGaAs有源層，及其兩邊的P－AlGaAs和N－AlGaAs導(dǎo)光層（限制層）。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，但比其它周圍材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光波從其端面射出。發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路發(fā)光二極管工作需要加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動(dòng)電流。典型的驅(qū)動(dòng)電路如圖4－16所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過(guò)調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場(chǎng)合，需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號(hào)通過(guò)一電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號(hào)所調(diào)制。發(fā)光二極管歸納起來(lái)它具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)屬于低電壓(1-2V)、小電流(每個(gè)發(fā)光單元只需10mA)器件，在室溫下即可得到足夠的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)發(fā)光響應(yīng)速度快(10-7~10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用．因此性能穩(wěn)定；(4)易于和集成電路匹配，且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單；(5)與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光的半寬度一般為幾十納米；(6)小型、耐沖擊。當(dāng)然它也存在一些缺點(diǎn)，主要是功率較小，只有pw、mW級(jí)；光色有限，較難獲得短波發(fā)光(如紫外、藍(lán)色)，且發(fā)光效率低

發(fā)光二極管的工作特性LED的特性參數(shù)(1)量子效率。發(fā)光二極管一般用量子效率來(lái)表示。

輻射復(fù)合發(fā)光的光子并不是全部都能離開(kāi)晶體向外發(fā)射，光子有部分被吸收，只有一部分發(fā)射出去。因此，將單位時(shí)間發(fā)射到外部的光子數(shù)除以單位時(shí)間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對(duì)數(shù)定義為外部量子效率：表征器件這一性能的參數(shù)就是外量子效率，表示，

Ｎr為產(chǎn)生的光子數(shù)，Ｇ為注入的電子空穴數(shù)NT為器件射出的光子數(shù)LED的內(nèi)部量子效率和內(nèi)部功率內(nèi)量子效率hint那么LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：例一雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP材料的LED，其峰值波長(zhǎng)為1310nm，輻射性復(fù)合時(shí)間和非輻射型復(fù)合時(shí)間分別為30ns和100ns，驅(qū)動(dòng)電流為40mA。可以得到：可以得到LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：并非所有產(chǎn)生的光都能輸出：光出射錐限制層光的產(chǎn)生和波導(dǎo)區(qū)限制層反射光出射光LED解理面n1>n2其中T(f)為菲涅爾透射系數(shù)，f

=0時(shí)：假定外界介質(zhì)為空氣(n2=1)，可以得到：例：LED典型的折射率為3.5，那么其外量子效率為1.41%，這說(shuō)明光功率僅有很小的一部份能夠從LED中發(fā)射出去。和LED的外部量子效率和外部功率

對(duì)GaAs這類直接帶隙半導(dǎo)體，ηin可接近100％。但ηex很小，如CaP[Zn-O]紅光發(fā)射效率ηex很小，最高為15％；發(fā)綠光的GaP[N]的ηex約為0.7％；對(duì)發(fā)紅光的GaAs0.6P0.4，其ηex約為0.4％；對(duì)發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68P[Te，Zn]的ηex約為0.1％。提高外部量子效率的方法有：①用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹(shù)脂（n2=1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；②把晶體表面加工成半球形；③用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對(duì)光吸收。②發(fā)光效率能量效率：發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比，單位lm/W電流效率：光強(qiáng)度與注入電流之比，單位為cd/A2.P-I特性

LED的P-I特性如圖4.13所示。P表示輸出光功率(mW),I表示注入電流(mA)。圖4.13LED的P-I特性總的來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，LEDP-I特性曲線具有非常優(yōu)良的線性；電流過(guò)大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使曲線的斜率減小。通常，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾mW。3.光譜特性

λ0為L(zhǎng)ED的峰值工作波長(zhǎng)(典型值為0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ為譜線寬度，其定義為光強(qiáng)度下降到最大值一半時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)寬度。

LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。圖4.14InGaAsPLED的光譜特性LED的頻率響應(yīng)可以表示為式中為調(diào)制頻率，P()為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率的輸出光功率，e為注入載流子的壽命。當(dāng)=c=1/e時(shí)，P(c)=0.707P(0)。在接收機(jī)中，檢測(cè)電流正比于光功率，光功率下降到0.707時(shí)，接收電功率下降到0.7072=0.5倍，即下降了3dB。因此，c定義為截止頻率。4.調(diào)制特性適當(dāng)增加工作電流載流子壽命縮短調(diào)制帶寬增加一般地：f面=20~30MHz，f邊

=100~150MHz不同載流子壽命下的LED調(diào)制曲線(2)發(fā)光光譜和發(fā)光效率

①LED的發(fā)光光譜：LED發(fā)出光的相對(duì)強(qiáng)度(或能量)隨波長(zhǎng)(或頻率)變化的分布曲線。

決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率。則

發(fā)射光譜的形成由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無(wú)關(guān)。材料波長(zhǎng)/nm材料波長(zhǎng)/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs8