光電子學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

6/6光電子學(xué)基礎(chǔ)知識(shí).doc第一章光輻射與發(fā)光源

教學(xué)目的

1、掌握光波在各種介質(zhì)屮的傳播特性。

2、了解光度學(xué)基本知識(shí)。

3、了解熱輻射基本定律

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

重點(diǎn)：光波在電光晶體、聲光晶體屮的傳播特性。

難點(diǎn)：光度學(xué)基本知識(shí)。

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。

根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，若在空間某區(qū)域有變化電場E（或變化磁場產(chǎn)），在鄰近區(qū)域?qū)a(chǎn)牛變化的磁場看（或變化電場E）,這種變化的電場和變化的磁場不斷地交替產(chǎn)牛，由近及遠(yuǎn)以有限的速度在空間傳播，形成電磁波。

電磁波具有以下性質(zhì)：

（1）電磁波的電場片和磁場芳都垂直于波的播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。E、芳和傳播方向構(gòu)成右手螺旋系。

（2）沿給定方向傳播的電磁波，E和產(chǎn)分別在各口平面內(nèi)振動(dòng)，這種特性稱為偏振。

（3）空間各點(diǎn)E和產(chǎn)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。

⑷任一吋刻，在空間任一點(diǎn)，E和產(chǎn)在量值上的關(guān)系為血￡=亦//。

（5）電磁波在真空屮傳播的速度為c=丁勺“。，介質(zhì)屮的傳播速度為

u=0

電磁波包括的范圍很廣，從無線電波到光波，從X射線到了射線，都屬于

波譜的一極小波段。圖屮還給出了各種波長范圍（波段）。Mun

L10”

X/nmlxlO6

-

'極遠(yuǎn)-J?遠(yuǎn)

11

＞屮

＞近■'1

?橙w?綠

*藍(lán)

-<＞軋

?近

＞遠(yuǎn)1

?

聲頻電磁振蕩

亳米波

紅外光

紫外光

宇宙射線

10—

-1012-1O10

-106

-104

一」

—1()4-10'8

L1O40

電磁波的范疇，只是波長不同而己。H前己經(jīng)發(fā)現(xiàn)并得到廣泛利用的電磁波有波長達(dá)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

電磁輻射波譜

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程稱為光輻射。一般認(rèn)為其波長在lOnm-lmm,或頻率在3xlO“Hz?3xlO“Hz范圍內(nèi)。一般按輻射波長及人眼的牛理視覺效應(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用nm、在紅外波段波長用pm表示。波數(shù)的單位習(xí)慣用cm"。

可見光。通常人們提到的“光”指的是可見光?？梢姽馐遣ㄩL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從長到短表現(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更短，人眼看不見，波長范圍是1?390nm。細(xì)分為近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外。由于極遠(yuǎn)紫外在空氣小幾乎會(huì)被完全吸收,只能在真空屮傳播，所以又稱為真空紫外輻射?。在進(jìn)行太陽紫外輻射的研究小,常將紫外輻射分為A波段、B波段和C波段。

770622597577492455390300200

4xl041.5X106

可見光

6xl03

Me

=

~dS

紅外輻射。波長在0.77?10（）0屮n的是紅外輻射。通常分為近紅外、屮紅外和遠(yuǎn)紅外三部分。

1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)

為了對光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計(jì)量光輻射的物理量。血對于光輻射的探測和計(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）o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亮喑特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量血是發(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。

以上兩類單位體系「I|的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符號(hào)一一對應(yīng)的。為了區(qū)別起見，在對應(yīng)的物理量符號(hào)標(biāo)角標(biāo)“護(hù)表示輻射度物理量,角標(biāo)w表示光度物理量。下而重點(diǎn)介紹輻射度單位體系屮的物理量。光度單位體系11'的物理量可對比理解。

1.輻射度的基本物理量

（1）輻射能。

輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)耐痛挪ǎㄖ饕缸贤?、可見光和紅外輻射）能量。輻射能一般用符號(hào)Q表示，其單位是焦耳（J）o

⑵輻射通量。

輻射通量0又稱為輻射功率，定義為單位時(shí)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）o

輻射出射度。

輻射岀射度胚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，即單位：W/m2odt

(123)

(1.2-4)

(1.2-5)

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

dle=dle{}cos6

⑷輻射強(qiáng)度。

輻射強(qiáng)度厶定義為：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,用厶表示,即

r止

°dd

單位：瓦特?球面度“(W?s4)。

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%則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度厶是常量，有

①1=二

e

4兀

⑸輻射亮度。輻射亮度乙定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖2所示。

L_嘰_

",

"dScos0dfldScos0

式屮&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

)o

(1.2-6)式屮厶o是面元於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

T=eOTe~

dSe0

(1.2-7)

可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角0無關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為

d

①

dS

dA

(1.2-8)

⑹輻射照度。在輻射接收而丄的輻照度僅定義為照射在面元刃上的輻射

而積刃Z比。即

通量叢％與該而元的

(1.2-9)

單位：（W/m2）0

（7）單色輻射度量

對于單色光輻射，同樣可以采用丄述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內(nèi)對應(yīng)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問均滿足

(1.2-10)

2.光度的基本物理量

由于人眼的視覺細(xì)胞對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。光度單位體系是一套反映視覺亮喑特性的光輻射計(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Qc、%Ie.Me、J、僅對應(yīng)的Ov，九、Iv、W、―、弘來表示，其定義完全??對應(yīng)，其關(guān)系如表1所刀J

表1常用輻度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系

與輻射度量體系不同，在光度單位體系屮，被選作基木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木單位,而且也是國際單位制（SI）的七個(gè)基本單位之一。

光視效率。光視效能描述某一?波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)牛多少相應(yīng)的單色光通量。即光視效能忌定義為同-?波長下測得的光通量與輻射通量的比

(1.2-12)

?

1V

?

\

V■A\A■

L/X\:?

?\?

1

?\

?/

?\

?

■

/???

0.0

Z,即

%(1.2-11)單位：流明/瓦特(lm/W)o

通過對標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測定，在輻射頻率540X1012HZ(波長555nm)處，K

兀有最大值，其數(shù)值為心=6831m/W。單色光視效率是忌用心歸化的結(jié)果，其定義為

圖3光譜光視效率Illi線

表1-5單色光視效率數(shù)值

光的顏色

k/nm匕

光的顏色

Z/nin匕

3600.00000黃

5700.95200紫

3800.000045900.757004100.00121

6100.50300

4300.01160橙

6300.26500藍(lán)4500.038006500.10700青4700.090986700.032004900.20802

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