光電子技術-01

1、光電子技術光電子技術主講教師：薛國剛主講教師：薛國剛參考書籍 1、光電子技術，安毓(yu)英，電子工業(yè)出版社 2、光電子技術基礎，朱京平，科學出版社 3、光電技術，王慶有，電子工業(yè)出版社 4、激光技術，藍信鉅，華中理工大學出版社 5、光學教程，葉玉堂，清華大學出版社光電系統(tǒng)構成光源光源傳輸傳輸調(diào)制調(diào)制探測探測信號處理信號處理授課內(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、光輻射的探測技術第一章 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 和磁場 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，這種特性稱為偏振。 空間各點 和 都作周期性變化，而且相位相同，即同時達到最大，同時減到最小。 任一時刻，在空間任一點， 和 在量值上的關系為 。 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極遠遠中近紅橙黃綠藍紫近遠極遠可見光圖1 電磁輻射波譜電磁波

3、包括的范圍很廣，從無線電波到光波，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達104m以上的，也有波長短到10-5nm以下的。我們可以按照頻率或波長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。一般認為其波長在10nm1mm，或頻率在31016Hz31011Hz范圍內(nèi)。一般按輻射波長及人眼的生理視覺效應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用n

4、m、在紅外波段波長用m表示。波數(shù)的單位習慣用cm-1。可見光。通常人們提到的“光”指的是可見光?？梢姽馐遣ㄩL在390770nm范圍的光輻射，也是人視覺能感受到“光亮”的電磁波。當可見光進入人眼時，人眼的主觀感覺依波長從長到短表現(xiàn)為紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍色和紫色。 紫外輻射。紫外輻射比紫光的波長更短，人眼看不見，波長范圍是10390nm。細分為近紫外、遠紫外和極遠紫外。由于極遠紫外在空氣中幾乎會被完全吸收，只能在真空中傳播，所以又稱為真空紫外輻射。在進行太陽紫外輻射的研究中，常將紫外輻射分為A波段、B波段和C波段。 紅外輻射。波長在0.771000m的是紅外輻射。通常分為近紅外、中紅外

5、和遠紅外三部分。 1.2輻射度學與光度學基本知識 為了對光輻射進行定量描述，需要引入計量光輻射的物理量。而對于光輻射的探測和計量，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的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學適用于整個電磁波段。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強度，其基本單位是坎德拉。光度學只適用于可見光波段。 以上兩類單位體系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符號一一對應的。為了區(qū)別起見，在對應的物理量符號標角標“e”表示輻射度物理

6、量，角標“v”表示光度物理量。下面重點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?、可見光和紅外輻射）能量。輻射能一般用符號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，定義為單位時間內(nèi)流過的輻射能量，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輻射強度。輻射強度定義為：點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由輻射強度的定義可知，如果一個置于各向同性均勻介質(zhì)中的點輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是e，則該點輻射體在各個方向的輻射強度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度與空間方向有關。但是有些輻射體的輻射強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)可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無關。除了黑體（太陽，日光標準色溫為5400K）、灰體外，實驗表明，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。白雪對陽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 對于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內(nèi)對應的輻射度量，并且對所有輻射量X來說單色輻射度量與輻射度量之間均滿足 (1.2-10) 0,dXXee2. 光度量 由于人眼的視覺細胞對不同頻率的輻射有不同響應，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應人的亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，在光頻區(qū)域光度學的物理量可以用與輻度學的基本物理量 對應的 來表示，其定義完全一一對應，其關系如表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，而且也是國際單位制（SI）的七個基本單位之一。表1常用輻度量和光度量之間的對應關系光視效能。光視效能描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應的單色光通量。即光視效能K定義為同一波長下測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通過對標準光度觀察者的實驗測定，在輻射頻率5401012Hz（波長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歸一化的結果，其定義為 (1.2-12) evmmKKKV1400

11、5006007008000.00.20.40.60.81.0VV波 長(nm)光視 效 率圖3 光譜光視效率曲線（明視覺）（暗視覺） 1.3熱輻射基本定律任何0K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波，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，波長自遠紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長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。 任何物體向周圍發(fā)射電磁波的同時，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能。當輻射從外界入射到不透明的物體表面上時，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。在波長到+d范圍內(nèi)相應的反射比稱為單色反射比，用 表示。對于不透明的物體，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，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即 ，則稱該物體為絕對黑體（簡稱黑體）。 1)(T2. 基爾霍夫輻射定律 在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長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同一波長的單色輻射出射度。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，在波長 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）隨波長的變化曲線?？梢姡簩我粶囟?，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值，對應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。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分布4.瑞利-瓊斯公式 當 很大時， ，可得到適合于長波長區(qū)的瑞利-瓊斯公式 (1.3-5)在 時，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 很小時， ，可得到適合于短波長區(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應的波長 (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，而與黑體的其他性質(zhì)無關。 4)(TTMvb)KsJ/m(10670. 54288.色溫 為了表示一個熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫度這個量，單位為K。色溫度是指在規(guī)定兩波長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