第一章光電技術(shù)基礎(chǔ)演示文稿

第一章光電技術(shù)基礎(chǔ)演示文稿本文檔共99頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分優(yōu)選第一章光電技術(shù)基礎(chǔ)本文檔共99頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分課程性質(zhì)：專業(yè)必修課程考核平時(shí)成績(jī)：30％期末考試：70%致謝承蒙參考書目、論文為課件提供了理論承蒙許多網(wǎng)站提供了各種資料聲明此課件僅僅用于課堂教學(xué)，不得用于其他商業(yè)用途成績(jī)考核&致謝本文檔共99頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分基本內(nèi)容第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)第2章光電導(dǎo)器件第3章光生伏特器件第4章光電發(fā)射器件第5章熱輻射探測(cè)器件第6章發(fā)光器件與光電耦合器件第7章光電信息變換第8章圖像信息的光電變換第9章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)第10章光電信息變換技術(shù)的典型應(yīng)用第11章光電技術(shù)的新發(fā)展

本文檔共99頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分典型的光電器件：1.半導(dǎo)體激光器（GaAs/GaAlAs異質(zhì)結(jié)激光器）；2.PN結(jié)發(fā)光二極管；3.光電探測(cè)器（光敏電阻，紅外探測(cè)器、pn結(jié)光伏探測(cè)器）；4.光電池（非晶硅太陽能電池-硅光電池）本文檔共99頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分5.光電成像系統(tǒng)（CCD電荷耦合器件：數(shù)碼攝像，CMOS攝像器件，紅外焦平面陣列）；6.顯示器：電致發(fā)光顯示技術(shù)（LED），液晶顯示；7.光纖通信；8.激光雷達(dá)；9.光纖傳感器等本文檔共99頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分緒論(Introduction)光電技術(shù)是由光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門嶄新的技術(shù)。

主要內(nèi)容是利用光電結(jié)合的原理和方法，實(shí)現(xiàn)信息的獲取、發(fā)送、探測(cè)、傳輸、變換、存儲(chǔ)、處理和重現(xiàn)等。光電技術(shù)是研究“光子”與物質(zhì)中“電子”相互作用的一門科學(xué)，它以光學(xué)和電子學(xué)為基礎(chǔ)，綜合利用光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械、儀器儀表、材料科學(xué)、控制科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)解決各種工程應(yīng)用課題的技術(shù)學(xué)科本文檔共99頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

21世紀(jì)的信息網(wǎng)絡(luò)是以IP（或IP/ATM）協(xié)議控制下的密集波分復(fù)用（DWDM）為基礎(chǔ)的光核心網(wǎng)，

包括有線（光纖或HFC）、無線等不同接入類型、不同業(yè)務(wù)規(guī)模的各種接入網(wǎng)所形成的一個(gè)靈活、大容量的綜合網(wǎng)。其中全光通信網(wǎng)（AON）是主體，

全光網(wǎng)中的傳輸和交換容量均達(dá)到Tb/s量級(jí)，將比現(xiàn)有傳輸速率提高100倍以上。

光纖通信及其相應(yīng)的光電子材料、器件、系統(tǒng)設(shè)備在內(nèi)的市場(chǎng)在今后15-20年內(nèi)仍會(huì)以高的速率持續(xù)增長(zhǎng)。產(chǎn)品主要有連接器附件和元件、耦合器、衰減器、隔離器、波分復(fù)用器等。光電子產(chǎn)業(yè)1.信息光電子產(chǎn)業(yè)本文檔共99頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

由于具有相干性好、單色性好、高亮度等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，激光在工業(yè)和醫(yī)療方面的應(yīng)用前景非常可觀，可用來切割、焊接、打孔、熱處理、劃片、光刻以及用來進(jìn)行手術(shù)、鎮(zhèn)痛、理療等治療。激光加工設(shè)備還將繼續(xù)沿高功率、高質(zhì)量、高可靠、低成本的方向發(fā)展。

2.能量光電子產(chǎn)業(yè)本文檔共99頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

光電子材料和元器件是光電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著決定性的作用。4.光子學(xué)及光通信器件

主要包括光子的產(chǎn)生、探測(cè)、控制和處理，因此，必須有相應(yīng)的光子學(xué)器件，光子學(xué)器件的時(shí)間響應(yīng)和單道超大容量要比電子學(xué)器件高得多，這對(duì)信息技術(shù)的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。

3.光電子材料和元器件產(chǎn)業(yè)

本文檔共99頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分5.光存儲(chǔ)器件

20世紀(jì)末期興起的光存儲(chǔ)，特別是光盤存儲(chǔ)技術(shù)將對(duì)信息的存取產(chǎn)生重大影響。數(shù)字光盤存儲(chǔ)技術(shù)正向更高存儲(chǔ)密度和更高存儲(chǔ)速度方向發(fā)展。角度、波長(zhǎng)、空間與移動(dòng)復(fù)用的全息存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)和作為緩沖海量信息存儲(chǔ)。三維存儲(chǔ)技術(shù)，如光子引發(fā)的電子俘獲三維存儲(chǔ)光盤和光盤燒孔存儲(chǔ)等高密度存儲(chǔ)等。本文檔共99頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分5.光傳感器件

光電傳感器件在光信號(hào)的電學(xué)處理方面已經(jīng)在通信、工業(yè)過程控制、光電信號(hào)處理以及光計(jì)算領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，其蘊(yùn)涵的市場(chǎng)份額是極為巨大的。6.光顯示器件信息的顯示體現(xiàn)了真正的人機(jī)互動(dòng)關(guān)系。在光子與光電子材料與器件產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占有極為重要的地位。在這一領(lǐng)域可發(fā)展液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)，電致發(fā)光顯示（EL）、YAG激光顯示等產(chǎn)業(yè)化工程。

7.光能量轉(zhuǎn)換器件

8.光學(xué)圖像器件本文檔共99頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分本文檔共99頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)

本文檔共99頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分光電器件構(gòu)成：光輻射源（光源）:外部產(chǎn)生（探測(cè)器）和內(nèi)部產(chǎn)生（發(fā)光）兩種；

光電轉(zhuǎn)換部分：光轉(zhuǎn)換為電，或電轉(zhuǎn)換為光；本文檔共99頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分光輻射源:可見光:

太陽,白熾燈,日光燈,激光器,發(fā)光二極管,熒光燈,水銀燈,鈉等紅外線:

紅外激光器,太陽,有機(jī)體即無機(jī)體紫外線:

紫外燈,X射線,放射性金屬:射線本文檔共99頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分光探測(cè)器:光電效應(yīng),光電倍增管,可見光功率計(jì),光通量計(jì)紅外探測(cè)器紫外探測(cè)器熒光光譜儀納曼光譜儀紅外光譜儀單色儀本文檔共99頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

任何一種光電系統(tǒng)或光電子器件的使用和評(píng)價(jià)都離不開特定的光輻射源與光輻射探測(cè)器，所以光輻射和光電轉(zhuǎn)換原理是光電子技術(shù)的基本研究?jī)?nèi)容之一。本章主要介紹光輻射的基本概念和原理，以及在光電子技術(shù)中應(yīng)用比較普遍的典型光輻射源。

本文檔共99頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分1.電磁波的性質(zhì)與電磁波譜

由麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，這樣就產(chǎn)生了電磁波。電視臺(tái)聲光電電磁波發(fā)射本文檔共99頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分⑴電磁波的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。E和H傳播方向構(gòu)成右手螺旋系。⑵沿給定方向傳播的電磁波，E和H分別在各自平面內(nèi)振動(dòng)，這種特性稱為偏振。電磁波的性質(zhì)本文檔共99頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分⑷在任一時(shí)刻空間任一點(diǎn)，E和H在量值上的關(guān)系為⑸電磁波在真空中傳播的速度為介質(zhì)中的傳播速度為⑶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。本文檔共99頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分電磁波譜本文檔共99頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分本文檔共99頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分2.光輻射光以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量?？捎霉鈱W(xué)元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長(zhǎng)在10nm~1mm，或頻率在31016Hz~31011Hz范圍內(nèi)。一般按輻射波長(zhǎng)及人眼的生理視覺效應(yīng)將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波長(zhǎng)用nm、在紅外波段波長(zhǎng)用m表示。波數(shù)單位習(xí)慣用cm-1。本文檔共99頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分可見光：通常人們提到的“光”指的是可見光。波長(zhǎng)在390~770nm范圍的光輻射，也是人視覺能感受到“光亮”的電磁波。當(dāng)可見光進(jìn)入人眼時(shí)，人眼的主觀感覺依波長(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：紫外輻射比紫光波長(zhǎng)更短，人眼看不見，波長(zhǎng)范圍是1~390nm。又分為近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外。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，又稱為真空紫外輻射。在進(jìn)行太陽紫外輻射的研究中，常分為A波段(近紫外)、B波段和C波段（遠(yuǎn)紫外）。本文檔共99頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分紅外輻射：波長(zhǎng)在0.77~1000m的是紅外輻射。通常分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三部分。

在可見光云圖上，輻射越大，色調(diào)越白。輻射越小，色調(diào)越暗。通常云層越厚，反照率越大，色調(diào)也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現(xiàn)為黑色，陸地反照率比海洋略大，表現(xiàn)為灰色，而潮濕或森林覆蓋的地區(qū)表現(xiàn)為灰暗的色調(diào)。在電視顯示的衛(wèi)星云圖上，地表和海洋常用綠色和藍(lán)色表示?？梢姽庠茍D本文檔共99頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需引入計(jì)量光輻射的物理量。對(duì)于光輻射的探測(cè)和計(jì)量，存在著輻射度和光度學(xué)兩套不同的單位體系。1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)(1)在輻射度單位體系(2)光度單位體系本文檔共99頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分輻射度單位體系:輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，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:

反映視覺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)只適用于可見光波段。本文檔共99頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分兩類單位體系中的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)。為了區(qū)別，在對(duì)應(yīng)的物理量符號(hào)標(biāo)角“e”表示輻射度物理量，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。本文檔共99頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分1.輻射量⑴輻射能：以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪芰浚ㄖ饕缸贤?、可見光和紅外輻射）。一般用符號(hào)Qe表示，其單位是焦耳（J）。⑵輻射通量：輻射通量e又稱為輻射功率。為單位時(shí)間內(nèi)流過的輻射能量，即單位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。本文檔共99頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分⑶輻射出射度Me:反映物體輻射能力的物理量。輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即單位：W/m2。⑷輻射強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，用Ie表示，即單位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。

本文檔共99頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分即SddSd圖2輻射亮度示意圖如果一個(gè)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，有本文檔共99頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分⑸輻射亮度:面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖所示。SddSd圖2輻射亮度示意圖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/sr·m2）。本文檔共99頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分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Ie0是面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度，又稱為余弦輻射體或朗伯體。(1)式代入(2)式得到余弦輻射體的輻射亮度為本文檔共99頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為⑹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上的輻射通量與該面元的面積之比。即單位：（W/m2）。本文檔共99頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分輻出度Me為出射強(qiáng)度，輻照度Ee為物體接受的強(qiáng)度，注意區(qū)別。反射體接受輻射后，一部分反射，一部分吸收，則反射出射度為：

本文檔共99頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分輻照量He：在一定時(shí)間內(nèi)照射到物體某一面元的輻照度。單位：J/m2曝光量Hv:物體表面在一定時(shí)間內(nèi)接收到的光照度Ev.

本文檔共99頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分(7)輻射效率與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總通量e與外界提供給光源的功率P之比，稱為光源的輻射效率；e=/P100%無量綱光源發(fā)射的總通量e與提供的功率P之比，稱為發(fā)光效率；

v=/P100%單位：流明每瓦（lm·W-1）

本文檔共99頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分2.光源的光譜輻射參量光源發(fā)射的光能是按波長(zhǎng)進(jìn)行分布的。在單位波長(zhǎng)內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度在可見光區(qū)單位波長(zhǎng)發(fā)射的光度量為光譜光度量

本文檔共99頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分光源在波長(zhǎng)λ1、λ2區(qū)間內(nèi)發(fā)射的輻通量量子流速率：光源發(fā)射的輻射功率是每秒發(fā)射光子能量的總和。若λ~λ+dλ區(qū)間的輻射通量為等de,除以該波長(zhǎng)的光子能量h,為光源在λ處的光子總量，稱為光譜量子流速率dNλ本文檔共99頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分在λ1~λ2光譜量子流速率Nλ在可見光區(qū)，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)為本文檔共99頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分由于人眼的視覺細(xì)胞對(duì)不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位不能正確反應(yīng)人對(duì)光輻射亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺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)的來表示，其定義完全一一對(duì)應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。本文檔共99頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

光度學(xué)的基本單位為坎德拉，也是國(guó)際單位制（SI）七個(gè)基本單位之一。定義為：一個(gè)光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色（黃色）輻射，若在給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr,則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd.本文檔共99頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分任何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。1.3物體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。本文檔共99頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分1.單色吸收比和單色反射比。任何物體向周圍發(fā)射電磁波的同時(shí)，也吸收周圍物體發(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。本文檔共99頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分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）。反射比：反射的能量與入射的能量之比。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（T）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，即本文檔共99頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分2.基爾霍夫輻射定律在相同溫度下，不同物體對(duì)相同波長(zhǎng)的單色輻射出射度(M)與單色吸收比(α)之比都相等，并等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻射出射度。即式中

為黑體的單色輻射出射度。本文檔共99頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分3.普朗克公式黑體處于溫度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)。令本文檔共99頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分則(3)式可改寫為本文檔共99頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度（輻射亮度）隨波長(zhǎng)的變化曲線?？梢姡罕疚臋n共99頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分⑴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）。⑵單色輻射出射度隨溫度的升高而增大。⑶單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。本文檔共99頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分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

在時(shí)，瑞利-瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1%。5.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

本文檔共99頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分在區(qū)域內(nèi)，維恩公式與普朗克公式的誤差小于1%。

6.維恩位移定律單色輻射出射度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)7.斯忒藩-玻爾茲曼定律其中為斯忒藩-玻爾本文檔共99頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分茲曼常數(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)無關(guān)。

8.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。本文檔共99頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分色溫度是指在規(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。本文檔共99頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分由于色溫度是按規(guī)定的兩波長(zhǎng)處的輻射比率來比較的，所以色溫度相同的熱輻射光源的連續(xù)譜也可能不相似，若規(guī)定的波長(zhǎng)不同，色溫度往往也不相同。至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個(gè)光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。本文檔共99頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分1.4.1人眼的視覺靈敏度

用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)=0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ。把波長(zhǎng)=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的V(λ)，即明視覺光譜光視效率本文檔共99頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在波長(zhǎng)555nm處，L有最大值，其數(shù)值為L(zhǎng)m=683lm/W。單色光視效率是L用Lm歸一化的結(jié)果，其定義為本文檔共99頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分本文檔共99頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

對(duì)于正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長(zhǎng)為507nm處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長(zhǎng)λ的光譜輻射亮度

Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值V`(λ）也是一個(gè)無量綱的相對(duì)值，它與波長(zhǎng)的關(guān)系如上圖中的虛線所示。暗視覺光譜光視效率本文檔共99頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分1.4.3輻射體光視效能

一個(gè)熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻射通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即

對(duì)發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，總光通量Φv為

本文檔共99頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分由上面的式子可以得到

式中,V是輻射體的光視效率。

標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖所示，圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對(duì)光譜輻射分、光譜光視效率V（λ）和光譜光視效率與相對(duì)光譜輻射分布之積，積分

為曲線所圍的面積Al，而積分

本文檔共99頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

面積A2。因此，可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲

燈的光視效能Kw為lm/W

已知某種輻射體的光視效能K和輻射量Xe，就能夠計(jì)算出該輻射體的光度量Xv，該式是輻射體的輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

本文檔共99頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分例如，對(duì)于色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為17lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm。由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測(cè)光照度時(shí)，照度將顯著下降。本文檔共99頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分例

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？

解

He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)本文檔共99頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分三、半導(dǎo)體的光電性質(zhì)1.半導(dǎo)體的光吸收(1)本征吸收光照下，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子的這種帶與帶間躍遷的吸收過程。本征吸收發(fā)生的必要條件：光子能量h大于等于禁帶寬度Eg,即hh0=Eg本征吸收限：當(dāng)光子頻率小于0(波長(zhǎng)大于0)時(shí)，吸收系數(shù)迅速下降，對(duì)應(yīng)的頻率0或波長(zhǎng)0為本征吸收限。本文檔共99頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分hEg只有波長(zhǎng)小于L的輻射才能產(chǎn)生本征吸收本文檔共99頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分直接躍遷：躍遷過程中，價(jià)帶中的電子垂直躍遷到具有相同波矢k的導(dǎo)帶上。直接帶隙半導(dǎo)體：在本征吸收過程中，產(chǎn)生電子的直接躍遷過程間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值不具有相同的k的半導(dǎo)體。在本征吸收過程中，產(chǎn)生電子的間接躍遷過程本文檔共99頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分（2）雜質(zhì)吸收在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子（施主或受主原子），在半導(dǎo)體的帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子吸收光能發(fā)生躍遷引起的光吸收。Si、Ge而言，施主通常是V族元素。電離能較小，在Si中約0.04～0.05eV，Ge中約0.01eV。施主雜質(zhì)：在半導(dǎo)體中產(chǎn)生導(dǎo)電電子，其摻雜的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)電離能ΔED：本文檔共99頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分受主雜質(zhì)：能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)。p型半導(dǎo)體：依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)電離能ΔEA：本文檔共99頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

如果光子的能量小于禁帶寬度Eg或小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不能躍遷到導(dǎo)帶稱為自由電子。但可以與價(jià)帶上的空穴形成一個(gè)束縛較弱的電子-空穴對(duì)，這種電子-空穴對(duì)稱為激子。激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。（3）激子吸收雜質(zhì)吸收限：雜質(zhì)吸收限波長(zhǎng)總是大于本征吸收的波長(zhǎng)限。本文檔共99頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分（4）自由載流子吸收當(dāng)入射光子頻率較小，不能引起導(dǎo)帶-價(jià)帶間的躍遷，但導(dǎo)帶上的電子（空穴）在其所在的導(dǎo)帶（價(jià)帶）內(nèi)的能級(jí)上躍遷發(fā)生的光吸收，通常稱為帶內(nèi)躍遷。由于帶內(nèi)能級(jí)間隔很小，所以其吸收譜基本上為連續(xù)譜。（5）晶格吸收-又稱為聲子吸收晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外普去的光子能量的吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)的動(dòng)能，宏觀上引起物體溫度的升高。本文檔共99頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分1.6.光電效應(yīng)

光輻射的物理效應(yīng)分類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)光子效應(yīng)

探測(cè)器外光電效應(yīng)（1）光陰極發(fā)射光電子（2）光電子倍增；打拿極倍增通道電子倍增（1）光電管；（2）光電倍增管；（3）像增強(qiáng)管內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導(dǎo)（本征、非本征）；（2）光生伏特；pn結(jié)雪崩，肖特基勢(shì)壘光電池，光電二極管，雪崩二極管，肖特基勢(shì)壘光電二極管本文檔共99頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

光熱效應(yīng)

探測(cè)器（1）測(cè)輻射熱計(jì)（2）負(fù)電阻溫度系數(shù)；正電阻溫度系數(shù)超導(dǎo)（1）熱敏電阻測(cè)輻熱計(jì)；（2）金屬測(cè)輻熱計(jì)；（3）超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器（1）溫差電；（2）熱釋電其他熱電偶、熱電堆熱釋電探測(cè)器高萊盒，液晶等本文檔共99頁；當(dāng)前第74頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分1.6.1內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種.本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。種本文檔共99頁；當(dāng)前第75頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分光電導(dǎo)現(xiàn)象——只發(fā)生在半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)，金屬?zèng)]有光電導(dǎo)效應(yīng)外電場(chǎng)作用下，載流子漂移運(yùn)動(dòng)：本文檔共99頁；當(dāng)前第76頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分載流子濃度載流子的運(yùn)動(dòng)速度導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱（σ）在截面為S,長(zhǎng)度為l的材料上流過電流I，則界面上的電流密度為

J=I/S=E設(shè)導(dǎo)體的內(nèi)的電子數(shù)密度為n,電子的漂移速度vd,則電流強(qiáng)度為則電流密度為本文檔共99頁；當(dāng)前第77頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

電場(chǎng)不很強(qiáng)時(shí)(E<103V/cm),Vd和E成正比，設(shè)比例系數(shù)為μ，則滿足關(guān)系式：Vd=μE,J=Eμ稱為載流子的遷移率，反映電子在晶體中運(yùn)動(dòng)能力的大小。本文檔共99頁；當(dāng)前第78頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分電子電流：微觀角度：空穴電流：漂移電流宏觀角度：對(duì)半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率與遷移率成正比。本文檔共99頁；當(dāng)前第79頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分載流子的漂移運(yùn)動(dòng)用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率來描述：電導(dǎo)G半導(dǎo)體的電阻Rd：光照下在半導(dǎo)體中產(chǎn)生新的載流子，產(chǎn)生非平衡載流子n、p，本文檔共99頁；當(dāng)前第80頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分影響電導(dǎo)率因素：

1、載流子濃度相關(guān)影響因素

2、載流子遷移率相關(guān)影響因素（平均自由時(shí)間）散射（碰撞）本征半導(dǎo)體:摻雜半導(dǎo)體:重?fù)诫s半導(dǎo)體近似:對(duì)n型半導(dǎo)體，n>>p,=nqn;對(duì)p型半導(dǎo)體，p>>n,=nqp;對(duì)本征半導(dǎo)體，p=n,=niq(n+p)本文檔共99頁；當(dāng)前第81頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長(zhǎng)λ滿足如下條件：式中Eg是禁帶寬度,Ei是雜質(zhì)能帶寬度。本文檔共99頁；當(dāng)前第82頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分n和p又稱之為光生載流子。顯然,n和p將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)量G,我們稱之為光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱為本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)。電導(dǎo)增量為電導(dǎo)的增加將在外電路電流增加iA=bxd本文檔共99頁；當(dāng)前第83頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分在弱輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為材料有關(guān)性質(zhì)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長(zhǎng)度l的平方成反比。

（1）在弱輻射作用下，光生載流子濃度Δny等于光生空穴濃度Δp，Δn=Δp，光電導(dǎo)靈敏度為可得

本文檔共99頁；當(dāng)前第84頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分

強(qiáng)輻射作用下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。

（2）在強(qiáng)輻射的作用下

本文檔共99頁；當(dāng)前第85頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分2.光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。

當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí)，價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分開，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

本文檔共99頁；當(dāng)前第86頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，在其交接面處形成PN結(jié)。PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件，如結(jié)型晶體管、集成電路的心臟。pn結(jié)附近電離的受主、施主所帶電荷稱為空間電荷（不可移動(dòng)）。所在的區(qū)域?yàn)榭臻g電荷區(qū)本文檔共99頁；當(dāng)前第87頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分熱平衡下，多數(shù)載流子的擴(kuò)散作用于少數(shù)載流子由于內(nèi)電場(chǎng)的漂移作用相抵消，沒有凈電流通過pn結(jié)。稱為零偏狀態(tài)。內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)PN空穴電子擴(kuò)散漂移如果pn結(jié)正向電壓偏置（p正，n負(fù)），則有較大正向電流流過pn結(jié)。若pn結(jié)反向電壓偏置，則有一很小的電流流過pn結(jié)。該電流在反向擊穿前幾乎不變，稱為反向飽和電流。本文檔共99頁；當(dāng)前第88頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分pn結(jié)的伏安特性為：Id是暗電流，iso是反向飽和電流零偏條件下如果照射光的波長(zhǎng)滿足條件：無論光照n區(qū)或p區(qū)，都會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。本文檔共99頁；當(dāng)前第89頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分光照下，在P區(qū)光生空穴對(duì)空穴濃度影響很小，而對(duì)電子濃度影響很大，從P形成電子擴(kuò)散勢(shì)。若P區(qū)厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，則電子進(jìn)入pn結(jié)，內(nèi)建電場(chǎng)掃向n區(qū)，光生電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分開，p區(qū)、n區(qū)兩端形成負(fù)的開路電壓，稱為光生伏特效應(yīng)。本文檔共99頁；當(dāng)前第90頁；編輯于星期二\18點(diǎn)10分