《光电子技术》课件：热辐射、气体辐射光源

1、常用的热辐射光源1、白炽灯钨丝加热发光，玻壳内充氩或氮汽，以抑制钨丝蒸发。特性：1）白炽灯的光参数（如光通量，光效）与电参数（电压、电流、电功率等）寿命之间有密切的关系。要延长灯的寿命，可在略低于额定电压的情况下使用。注：光效（发光效率）h指光源所发出的光通量与输入的功率之比：2）白炽灯具有正电阻性，其热电阻是冷电阻的1216倍。因此，白炽灯在刚启动时有瞬时的大电流，选择熔断时应考虑这个电流，实际使用时，如能使灯泡逐步加压加热至正常电流，在很大程度上可处长灯泡的寿命。优点：价格低、使用方便，光谱连续，显色性好。（注：显色性是指光源显现被照物体颜色的性能。通常用“显色指数来表示：物体被光源照射显

2、现的颜色与被太阳照射显示颜色符合的程度称为显色指数，用R表示。太阳光的显色指数定为100）缺点: 钨蒸发损耗,寿命短;玻璃壳变黑,光通量降低2、卤钨灯在白炽灯中改充卤素元素气体，如Br2，I2等，卤素与蒸发出的钨反应：T+W+X2 WX（气态）T-卤钨循环：在玻璃壳附近，温度较低，生成挥发性卤钨化合物WX，阻止钨沉积在玻璃壳上。当WX扩散至灯丝附近温度较高的区域时,分解释放出的W又沉积在灯丝上,这就是卤钨循环,它抑制了钨损耗，延长了钨丝的寿命,同时防止玻璃壳变黑,保持了光通量.优点（相对于白炽灯）：（1）体积小（不到同功率白炽灯体积的1/10）；（2）光通量稳定（寿终时光通量为开始时的95%,

3、而白炽灯仅为60%）；（3）光效率高(达20-30lm/w，白炽灯约为10lm/w)（4）色温高（达3300K，而白炽灯约为2300-3000K）（5）寿命长（达2000小时，而白炽灯750-1000小时）。应用：卤钨灯发射谱与白炽灯大致相同,但性能明显优于白炽灯,所以应用广泛用于广场、放影、舞台、汽车的照明。气体放电光源一、气体放电光源的基本原理1、气体放电与电子发射气体放电指电流通过气体媒质时的放电发光现象。在光源中用得较多的是辉光和弧光放电两类。（1）气体放电灯结构：主要包括放电气体(或金属蒸气)、阴极C、阳极A和玻璃罩（2）气体放电发光的基本过程：初始电子被加速; 加速电子与气体分子碰

4、撞，弧光放电型气体放电灯CAgasglass shell加速电源灯丝电源R能量传给气体分子，使其激发、跃迁到高能级。受激发分子返回低能态时，发射光子。（3）初始电子的产生（阴极发射）方式：热电子发射使阴极温度升高，部分电子得到足够能量，克服金属的逸出功，逸出金属表面。热电子发射是弧光放电的主要形式之一，产生电流较强。正离子轰击发射（冷阴极发射）利用高动能的正离子轰击阴极，使阴极发射电子。冷阴极发射是辉光放电的主要形式，产生电流较弱。（注：冷阴极发射效率很低，产生电流较弱，所以，辉光放电光源的阴极通常较大，做成圆筒状。冷阴极发射对熔点要求不高，但要求能承受正离子轰击。一般用铝、镍、铁、铜等材料做

5、冷阴极。为了使正离子获得足够动能，通常在阴极附近设置大的电位差）2、气体放电的伏安特性I（A）VABCDEFGH气体放电的伏-安特性曲线着火电压VzABC-非自持放电，导电电子来源于外界催离作用（射线、光、热），电流较小，气体不发光。CH-自持放电，当触发元件(启动器)产生瞬时高压Vz (着火电压，远高于220伏), 气体被碰撞、电离、激发, 电流增大，放电自持并伴随发光。注：C-G段为辉光放电区，GH为弧光放电区。工作在GH区的弧光放电灯的电流大，且负阻特性明显，容易引起过流而烧毁元件，需要接入镇流器(电阻、电感或电容)。（直流时用电阻，低频用电感，高频用电容）3 热辐射源相比,气体放电光源

6、的优点：（1）可获得高色温，色温范围宽（2300-10000K，而卤钨灯约为3300K）（2）辐射光谱可选择性好，选择适当的发光材料即可。（3）发光效率远比热辐射的高（汞灯（荧光灯）约为50lm/w，高压钠灯可达120lm/w，而卤钨灯只有20-30lm/w）（4）寿命长，寿命期内光通量稳定。（荧光灯：5000小时；金属卤化物灯约10000小时，高压汞灯达到约10000小时，高压钠灯约25000小时，而卤钨灯才2000小时）二、常用气体放电光源分类低压气体放电灯：气压为10-1-10-2乇 (1乇= 1atm /760)高压气体放电光源：气压大于一个大气压气压不同将影响发射光谱、光色和发光效率

7、等：低压灯发射线状光谱，带有明显的特征颜色，显色性不好，发光效率较低。高压灯的线状光谱有展宽，有较强的连续成分，再加上自吸收效应，可见光成分加强，显色性变好，发光效率随压力增加而提高。注：1）光谱展宽：主要来源于高压气体分子间的相互作用引起的碰撞加宽和热运动引起的多普勒加宽。(碰撞加宽为均匀加宽，所有原子的加宽相同，因碰撞，波列中断，为非正弦波，所以不是单色光，即展宽。而多普勒加宽是由于分子相对于探测器有不同的速度，趋近探测器的，其频率变高，远离探测器的，其频率变低，这是非均匀加宽。对谱线加宽贡献最大。253.7nm高压汞蒸气吸收谱示意图 2）自吸收效应：由气体放电管中心发射出来的光，必须经过

8、边缘的低温区，由于边缘的温度较低，因而这里处于基态的同类原子较多。这些低能态的同类原子能吸收高能态原子发射出来的光，这就是自吸收效应。当原子浓度较低时，谱线不呈现自吸现象；原子浓度增大，谱线自吸现象加强。自吸收主要在紫外区，所以最终是使得紫外辐射大大减弱，可见成分加强,显色性变好，发光效率也提高.1、低压气体放电光源（1）低压汞灯低压汞灯规格多、用途广。主要有两类：1）冷阴极辉光放电型，主要用作紫外光源，用于消毒、杀菌。2）热阴极弧光放电型，通过光谱转换后用于照明（荧光灯）。(汞的主要辐射为253.7nm，通常利用荧光粉转换此光谱能量到需要的波段，即二次发射。如照明用就要转换到可见区。诱杀害虫

9、就要转换到370nm)（2）、低压钠灯钠的辐射在人眼的敏感区，不需要作光谱转换, 所以发光效率较高。小功率钠灯主要用于光谱仪器中单色光源，大功率(>45瓦)钠灯主要用于指示、信号照明光源，如航标灯，矿井，码头等。（3）、其它低气压气体放电光源主要有氢灯、氪灯、氢弧灯、原子光谱灯。用于各种光谱仪器中。2、高压气体放电光源常用的高压气体光源主要有：高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯和脉冲氙灯等。（1）、高压汞灯与超高压汞灯一般充1-5大气压的汞蒸气，气压上升到10-20大气压为超高压汞灯，光效率显著增加。用途：用于光学仪器和投影系统。（2）、高压钠灯充2-4大气压钠蒸气，光色较好，

10、发光效率高达120 lm/W。用途：城市街道照明。（3）金属卤化物灯灯内是金属的卤化物（主要是碘化物）与汞蒸气的混合物，汞并不参与发光（汞的激发能比这些金属高，主要是金属受激发光）。汞主要起改善启动特性和电特性，提高光效的作用。发光原理：启动点燃放电（汞）加热泡壳附在壳上的金属卤化物蒸发并扩散 在高温区分解分解出来的金属因受激发而发出该金属的特征光谱，同时电弧中的金属和卤素原子向外扩散 在玻璃壳区再形成金属卤化物。不断循环，持续提供金属蒸气。常见金属卤化物灯a、铊灯：碘化铊发光峰波长为535nm，用于水下照明和光化学工业。（铊有极毒）b、镝灯：碘化镝、碘化汞和碘化铊混合。光色好，光谱接近太阳，是理想的影视摄影和印刷制板光源。c、钠铊铟灯：碘化钠