光電子技術(shù)chapter1課件

光電子技術(shù)（1）課程的性質(zhì)和目的是光物理方向的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，講述常用光電子技術(shù)、器件及其原理、理論。為同學(xué)們今后從事光電子技術(shù)、器件研究和開發(fā)及理解新型光電子器件打下基礎(chǔ)。前期課程要求本課程是一門綜合性較強(qiáng)的課程，涉及的前期課程包括量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理、激光原理、激光技術(shù)、物理光學(xué)、電子技術(shù)等。光電子技術(shù)（1）課程教學(xué)要求1希望同學(xué)們能滿勤聽課。2上課時(shí)關(guān)閉一切通訊器件，如手機(jī)。3教學(xué)內(nèi)容的深度、廣度以及順序可能與參考書不一致，教學(xué)內(nèi)容有較多的增加。是否記筆記，由各位同學(xué)自己掌握，講稿將上網(wǎng)，可以網(wǎng)上瀏覽，但不能下載、復(fù)制。4考試方式：筆試。成績參考平時(shí)作業(yè)主要參考書楊經(jīng)國等編著，光電子技術(shù)，四川大學(xué)出版社光電子技術(shù)（1）第一章常用電光源§1.1

輻射度量與光度量及其單位輻射度量學(xué)描述整個(gè)電磁波譜范圍的電磁輻射，以輻射能量或輻射功率為基本量。而光度學(xué)描述可見光譜范圍的電磁輻射，以光強(qiáng)為基本單位。光只是電磁波譜范圍內(nèi)一小段波譜。一、輻射度量及其單位1、輻射能和單位輻射能指傳播的電磁波的能量，用Qe表示，單位為焦耳，符號為J。它是輻射度量學(xué)的基本量之一.輻射能用于度量脈沖輻射較方便。每個(gè)脈沖的能量。（一）、復(fù)色輻射度量及單位光電子技術(shù)（1）式中，為球坐標(biāo)系中的方位角。4、輻射出射度和單位輻射出射度是對擴(kuò)展發(fā)射源定義的。它定義為單位面積輻射源所輻射的輻射通量。單位為：瓦/米2（W/M2)。數(shù)學(xué)表示：5、輻射亮度和單位輻射亮度也是對擴(kuò)展光源定義的。它定義為在給定方向上由單位投影面積輻射源向單位立體角內(nèi)輻射的通量。單位為瓦/米2/球面度，符號為W/Sr/M2。數(shù)學(xué)表示：光電子技術(shù)（1）6、輻射照度和單位輻射照度對輻射接受體定義，它定義為單位接收面積上所接受到的輻射通量，單位為瓦/米2，符號W/M2。數(shù)學(xué)表示：（二）、光譜輻射度量及單位1、單色輻射能和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射能。單位為J/M，數(shù)學(xué)表示：2、單色輻射通量和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，單位為W/M，數(shù)學(xué)表示：3、單色輻射強(qiáng)度和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射強(qiáng)度，單位為W/Sr/M，數(shù)學(xué)表示：光電子技術(shù)（1）光電子技術(shù)（1）6、單色輻射照度和單位定義為某一波長處單位波長間隔內(nèi)的輻射照度，單位為W/M3，數(shù)學(xué)表示：（三）、光譜輻射度量及積分（復(fù)色）輻射度量的關(guān)系任一光譜輻射度量Xe()與其對應(yīng)的復(fù)色輻射度量Xe之間通過積分關(guān)系連接：二、光度量及其單位所謂光度量指描述人眼可見電磁波段范圍的電磁輻射的量?？梢婋姶泡椛渫ǔ７Q為“光”，所以，把描述可見電磁輻射的量稱為光度量。光度量采用與輻射度量完全不同的另一套單位。（一）、人眼的視覺特征光電子技術(shù)（1）光電子技術(shù)（1）人眼就象一個(gè)探測器，它對不同波長的電磁輻射具有不同的靈敏度。研究發(fā)現(xiàn)人眼對540*1012Hz或555nm的電磁輻射最靈敏，即人眼對這一波長的單位輻射通量所產(chǎn)生的響應(yīng)最大。國際照明委員會規(guī)定這一最大響應(yīng)值為683（流明/瓦）1、光視效能人眼對不同波長的單位輻射通量的響應(yīng)，稱為光視效能，用K()表示，其最大值為Km=683（流明/瓦）(lm/W)。2、光視效率歸一化光視效能稱為光視效率，記為V()，顯然，

V()=K()/Km它是光度學(xué)的基本量，單位為坎德拉。(2)、光量Qv它定義為光源輻射的光能量，單位lm.s(3)、光強(qiáng)度Iv(,)(4)、光出射度Mv定義為面光源單位面積發(fā)射的光通量，單位lm/m2.數(shù)學(xué)表示：光電子技術(shù)（1）光電子技術(shù)（1）(5)、發(fā)光亮度Lv定義為單位投影面積光源向單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，單位為坎/米2，記Cd/m2，又稱尼特，符號nt。數(shù)學(xué)表示：(6)、光照度Ev定義為單位接受面積上所接收的光通量，單位為lm/m2，又稱勒克斯（Lux)。數(shù)學(xué)表示：式中*號表示接收有關(guān)的量。光電子技術(shù)（1）2、單色光度量與光譜輻射度量定義類似，同樣可以定義單色光度量，Qv()，v()，Iv()，Mv()，Lv()和Ev()六個(gè)單色光度量。3、單色光度量與復(fù)色光度量的聯(lián)系任一單色光度量Xv()與其對應(yīng)的復(fù)色光度量Xv之間存在關(guān)系：復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)1、輻射度量定義、單位、輻射度量學(xué)的基本量？2、單色輻射度量定義及其與復(fù)色輻射度量的關(guān)系？3、光視效能與光視效率的意義？4、光度量定義、單位、光度學(xué)的基本量？5、光度量與輻射度量間的轉(zhuǎn)換？6、一個(gè)發(fā)光強(qiáng)度單位的國際定義？光電子技術(shù)（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(shù)（2）式中顯然，1表示消耗功率P后轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為光通量的效率。通常稱2為理想光效。光電子技術(shù)（2）描述物體熱輻射能力，物體的輻射本領(lǐng)用它的光譜輻射出射度表示：（2）吸收本領(lǐng)(,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(shù)（2）通常，Me(,T)和(,T)的分布不僅隨T變化，而且隨物體的性質(zhì)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(lǐng)與其吸收本領(lǐng)之比是一個(gè)與物體性質(zhì)無關(guān)的普適函數(shù)，這個(gè)普適函數(shù)只依賴和T兩個(gè)變量。即：這個(gè)普適函數(shù)就是黑體的輻射分布公式，它困擾了19世紀(jì)的科學(xué)。同時(shí)導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生。能量量子化正是普朗克為了導(dǎo)出與黑體熱輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的理論公式過程中提出來的。光電子技術(shù)（2）2、黑體輻射（1）、黑體黑體指吸收本領(lǐng)(,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(lǐng)與黑體的輻射本領(lǐng)之比：上式表明好的發(fā)射體也是好的吸收體，同時(shí)也表明實(shí)驗(yàn)上只需測量發(fā)射率或吸收本領(lǐng)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(lǐng)較方便。（2）黑體輻射本領(lǐng)—普朗克輻射公式光電子技術(shù)（2）4、色溫和相關(guān)色溫色溫是用黑體的溫度來標(biāo)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(guān)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(guān)色溫。二、常用熱輻射光源1、白熾燈鎢絲加熱發(fā)光，玻殼內(nèi)充氬或氮汽。特點(diǎn)：電流大、溫度高、色溫高，顯色性好，正電阻性。光電子技術(shù)（2）缺點(diǎn)：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(yīng)：W+X2WX（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(yīng)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(diǎn)：（1）體積?。唬?）光通量穩(wěn)定。（3）光效率高，20-30流明/瓦；（4）色溫高，達(dá)3300K；（5）壽命長。光電子技術(shù)（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(nèi)。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(biāo)準(zhǔn)光源。光電子技術(shù)（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(zhì)時(shí)產(chǎn)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(jié)構(gòu)：放電氣體、陰極、陽極和玻璃罩氣體放電發(fā)光的基本過程：①、初始電子加速②、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(shù)（2）③、受激發(fā)分子返回基態(tài)時(shí)，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(chǎn)生，陰極發(fā)射方式主要有三種：①、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(shù)（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。②、正離子轟擊發(fā)射正離子轟擊就是利用高動(dòng)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(diǎn)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(dòng)能，通常在陰極附近設(shè)置大的電位差。③、場致發(fā)射場致發(fā)射就是對陰極表面施加強(qiáng)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(yīng)用于平板顯示的一種技術(shù)。光電子技術(shù)（2）2、氣體輻射根據(jù)能帶理論，當(dāng)施加強(qiáng)電場時(shí)，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(dá)陽極過程中要與氣體分子發(fā)生復(fù)雜的相互作用,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(zhì)的分子能發(fā)射不同顏色的光。光電子技術(shù)（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(diǎn)：（1）可獲得高色溫，不像熱輻射光源色溫受燈絲熔點(diǎn)限制。（2）輻射光譜可選擇性好，只要選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)光材料即可；（3）發(fā)光效率遠(yuǎn)比熱輻射的高；（4）壽命長，壽命期內(nèi)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(fù)習(xí)要點(diǎn)1、人造光源的發(fā)光效率與理想光效？2、發(fā)射本領(lǐng)、吸收本領(lǐng)與基爾霍夫定律？3、黑體概念、黑體輻射分布特點(diǎn)？4、熱輻射體分類、色溫與相關(guān)色溫？5、鹵鎢燈結(jié)構(gòu)、鹵鎢循環(huán)原理及鹵鎢燈特點(diǎn)？6、標(biāo)準(zhǔn)照明體、標(biāo)準(zhǔn)光源、A、B、C標(biāo)準(zhǔn)照明體？7、氣體放電發(fā)光的工作原理、初始電子的發(fā)射方式、弧光與輝光放電？8、氣體放電光源的優(yōu)點(diǎn)及放電伏安特性？9、直流、低頻和高頻放電燈的穩(wěn)流方式？光電子技術(shù)（3）5、氣體放電燈的啟動(dòng)正常的工作電壓通常并不能使氣體放電，而需要一個(gè)起始的高壓(>Vz)來使氣體產(chǎn)生預(yù)電離，并跨過非自持區(qū)，進(jìn)入自持區(qū)。啟動(dòng)方法：高壓啟動(dòng)(儲能的瞬間釋放)，高頻高壓啟動(dòng)(線圈耦合).二、常用氣體放電光源分類：低壓和高壓氣體放電光源兩類。氣壓影響：發(fā)射光譜、光色和發(fā)光效率等。低氣壓氣體放電燈：氣壓在10-1-10-2乇的氣體光源。其光譜特點(diǎn)是表現(xiàn)為工作原子或分子的發(fā)射譜線，即線狀光譜，帶有明顯的特征顏色，顯色性不好。光電子技術(shù)（3）高氣壓氣體放電光源：氣壓大于一個(gè)大氣，其光譜特征為工作氣體的原子或分子譜線展寬，并迭加在較強(qiáng)的連續(xù)背景光譜上。顯色性較好。通常發(fā)光效率隨壓力增加而提高。1、低壓氣體放電光源（1）、低壓汞燈低壓汞燈規(guī)格多、用途廣。主要有兩類：冷陰極輝光放電型和熱陰極弧光放電型。前者主要用作紫外光源，用于消毒、殺菌。后者通過光譜轉(zhuǎn)換后用于照明。汞的主要輻射為253.7nm，發(fā)光效率很低。通常利用熒光粉轉(zhuǎn)換此光譜能量到需要的波段，即二次發(fā)射。如照明用就要轉(zhuǎn)換到可見區(qū)。誘殺害蟲就要轉(zhuǎn)換到370nm。光電子技術(shù)（3）（2）、低壓鈉燈鈉的共振輻射在人眼的敏感輻射區(qū)，不需要象汞燈那樣二次轉(zhuǎn)換光譜。所以發(fā)光效率較高。小功率鈉燈主要用于光譜儀器中單色光源，大功率（>45瓦）鈉燈主要用于指示、信號照明光源，如航標(biāo)燈，礦井，碼頭等（3）、其它低氣壓氣體放電光源主要有氫燈、氪燈、氫弧燈、原子光譜燈。用于各種光譜儀器中。氫和氪燈屬輝光放電燈，發(fā)射氫和氪原子光譜線。氫弧燈：弧光放電，發(fā)射1800-4000唉的連續(xù)光譜。原子光譜燈：又稱空心陰極等，即陰極做成圓筒狀，屬輝光放電，工作氣體為惰性氣體。特點(diǎn)：穩(wěn)定性好，譜線窄、強(qiáng)。光電子技術(shù)（3）汞齊燈：汞和鎘、鋅三種金屬蒸氣的弧光放電，使得光譜線在紫外、可見區(qū)更豐富。（4）、碳弧一種特殊的氣體放電光源-開放式電弧。分類：普通電弧、火焰電弧和高強(qiáng)度碳弧。放電發(fā)射：電極之間的空氣擊穿，主要在燈芯發(fā)光。其中火焰碳弧還添加其它金屬化合物。如鈣、鐵、鋇、鎘等的化合物。電極結(jié)構(gòu)：外殼(陰極，硬)和燈芯(陽極，軟)，用純碳素制造。光譜：碳元素連續(xù)譜與空氣和其它添加物的光譜的混合。普通和高強(qiáng)度碳弧直流供電，而火焰碳弧交、直流供電均可。光電子技術(shù)（3）2、高壓氣體放電光源常用的高壓氣體光源主要有：高壓汞燈、超高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和脈沖氙燈等。（1）、高壓汞燈充1-5大氣壓的汞蒸氣。光效率顯著增加。光譜特性：譜線加寬，連續(xù)背景加強(qiáng)、自吸收譜線形成，使紫外輻射大大減弱，可見成份加強(qiáng)。(2)、超高壓汞燈氣壓上升到10-20大氣壓，自吸收進(jìn)一步加強(qiáng)，紫外共振輻射幾乎全部吸收，光效顯著增強(qiáng)。光電子技術(shù)（3）光譜特性：具有連續(xù)輻射譜線特征。用途：用于光學(xué)儀器和投影系統(tǒng)。（3）、高壓鈉燈充2000-2500乇鈉蒸氣，共振輻射的自吸收增強(qiáng)，轉(zhuǎn)換為長波發(fā)射，所以，光譜展寬，光色變好。發(fā)光效率近120lm/W。用途：城市街道照明。（4）、金屬鹵化物燈汞蒸氣與某種金屬的鹵化物（主要是碘化物）混合，以改善汞燈的發(fā)光效率和光色。然而，此處汞并不參與發(fā)光，主要起如下三方面作用：（1）提高光效；（2）改善電特性；（3）改善啟動(dòng)特性。光電子技術(shù)（3）發(fā)光原理：啟動(dòng)點(diǎn)燃放電加熱泡殼金屬鹵化物蒸發(fā)向弧中心擴(kuò)散在高溫區(qū)分解金屬發(fā)光電弧中的金屬和鹵素原子向外擴(kuò)散在玻璃殼區(qū)再形成金屬鹵化物。常見鹵鎢燈a、鉈燈：碘化鉈與汞的混合氣體。發(fā)光峰波長為535nm，用于水下照明和光化學(xué)工業(yè)。b、鏑燈：碘化鏑、碘化汞和碘化鉈及汞的混合物。光色好，光譜接近太陽，色溫在5000-6000K，光效達(dá)80流明/瓦。顯色指數(shù)為90，是理想的電影、電視攝影和印刷照相制板光源。C