光电信号检测光辐射基础和光源

第一章光辐射基础和光源光电信号检测2/3/20231

0.001

1

200

300380760nm1μm7μm1mm1cm1m1km可见光近红外中红外（毫米波）远红外微波近紫外远紫外真空紫外γ射线射线X无线电波长波序言光辐射狭义：可见光广义：可见光、红外辐射、

X射线、紫外辐射……2/3/20232光源——发出光辐射的物体

自然光源——被动光电探测系统人造光源——主动光电探测系统2/3/20233光的基本性质光具有波粒二象性波动性：解释干涉、衍射、偏振等——物理光学、应用光学粒子性：解释光电效应、光与介质的相互作用、吸收、散射等——本课的基础2/3/20234两种定量描述方式辐射度学量：用能量单位描述光辐射能的客观物理量

（物理的），用下脚标“e”表示。光度学量：描述光辐射能被平均人眼接受后所引起的视觉刺激的强度，（生理的），用下脚标“v”表示。光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为基础，受到了主观视觉的限制，不是客观的物理学描述方法。辐射度学量和光度学量是一一对应的，它们之间有着一定的关系。§1-1辐射的基本概念2/3/20235一、辐射度学的基本物理量1．辐射能Qe:

辐射能是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位为J(焦耳)。当辐射能被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量，如热能、电能等。2．辐射通量Φe:

又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能，Φe

＝dQe／dt，单位为W(瓦)。2/3/20236

3．辐射强度Ie

：点辐射源在给定方向单位立体角内的辐射通量，单位为W/sr（瓦每球面度），

Ie＝dΦe／dΩ。

4．辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量，即Ee

＝dΦe／dA，单位为W／m2(瓦每平方米)。dA是投射辐射通量dΦe的面积元。2/3/20237

5．辐射出射度Me：扩展辐射源单位面积所辐射的通量，即dΦe／dS，dΦe由是扩展源表面dS在各方向上所发出的辐射通量，单位为

W／m2(瓦每平方米)。

Ee和Me的单位相同，其区别在于：Ee是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而Me则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。2/3/20238

6．辐射亮度Le：扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量。单位为W／sr·m2（瓦每球面度平方米）Le：随方向变化而变化2/3/20239辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐射所组成。为了研究各种波长的辐射通量，需要对某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。

7．光谱辐射通量Φe（λ）：辐射源发出的光在波长λ处的单位波长间隔内的辐射通量。也叫辐射通量的光谱密度。即光谱辐射通量是辐射通量随波长的变化率。

单位为W／μm(瓦每微米)，或W／nm(瓦每纳米)。2/3/202310二、光度的基本物理量

1．光谱光视效率：人的视神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的；对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低；另外，受视觉生理和心理影响，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差异。视见函数（“标准光度观察者”光谱光视效率）：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度。2/3/202311明视觉光谱光视效率：亮度>3cd/m2，V(λ)，峰值在

555nm，锥体细胞暗视觉光谱光视效率：亮度<0.001cd/m2，V′(λ)，峰值在

507nm，杆状细胞0507555700620380V(λ)V'(λ)波长（nm）光谱光视效率0.20.40.60.81.02/3/2023122、光度的基本物理量光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为基础，受到了主观视觉的限制，不是客观的物理学描述方法；只在可见光波段有意义；用下脚标“v”表示，辐射度学量和光度学量是一一对应的。2/3/202313辐射度量和光度量的对照表辐射度量符号单位光度量符号单位辐射能Qe

J光能QV

lm·s

辐射通量Φe

W光通量ΦVlm

辐射照度Ee

W·m-2

光照度EVlx=lm·m-2

辐射出度MeW·m-2

光出射度MVlx辐射强度Ie

W·sr-1

发光强度IV

cd=lm·sr-1

辐射亮度Le

W·m-2sr-1光亮度LVcd·m-22/3/202314坎德拉（candela，cd）：发光强度（IV

）的单位，国际单位制中七个基本单位之一。定义是发出频率为540×1012Hz(对应在空气中555nm)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为1cd。流明（lm）：光通量（ΦV）的单位，定义是发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角（1sr）内发出的光通量。勒克斯（lx）：光照度（EV）的单位，它相当于1lm的光通量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度。光度量的主要单位2/3/202315

Φe与Φv的函数关系：Km：光功当量，明视觉的最大光谱光视效率系数，它表示人眼对波长为555nm光辐射产生光感觉的效能。Km＝680lm/W光度量与辐射量之间的统一函数关系ò=780

380

d)()(lllVXKXemV辐射度学量光度学量ò=780

380

d)()(lllVΦKΦemV2/3/202316适用于红外波段任何物体只要它的温度高于热力学温度（0K或摄氏-273℃），它就一定不断地发射电磁辐射（热辐射）。只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变，物体就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。三、热辐射的基本物理量2/3/202317热辐射：热辐射源的特性：热平衡辐射：由于外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。是它的辐射能量直接与它的温度有关。如果物体从周围物体吸收幅射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射过程达到平衡状态，这称为热平衡辐射。在研究热平衡辐射所遵从的规律时，我们假定物体发射能量和吸收能量的过程中，除了物体的热状态有所改变外，它的成分不发生变化。热辐射的辐射光谱是连续的。热辐射不仅与物体温度有关，而且与物体表面特征有关。2/3/202318物体温度变化时，颜色会发生变化2/3/2023192/3/2023201.

辐射本领：是辐射体表面在单位波长间隔、单位面积内所辐射的通量。2.

吸收率：在单位波长间隔内，被物体吸收的通量与入射通量之比（与温度T和波长l有关）2/3/202321温度辐射：任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，这称为温度辐射。3.

绝对黑体：黑体是一种完全的温度辐射体，定义为吸收率α(l

,T)

=1的物体为绝对黑体，其辐射本领为一般物体α(l

,T)﹤1，在所有物体中，在同一温度T下，对任何波长，绝对黑体的吸收率最大，它的辐射本领也最大。客观世界中，真正的绝对黑体是不存在的。但是，人工黑体（表面涂黑的球形或柱形空腔）可以制作得非常接近于绝对黑体。同一温度下，某物体的辐出度同一物体的吸收率2/3/202322任何实际物体的辐射本领与相同温度下的绝对黑体的辐射本领有如下关系：不同的实际物体辐射特性由吸收率的不同来体现；描述了实际物体的辐射特性与黑体辐射特性的差别。因此，从辐射问题研究意义上讲，引入一个物体的发射率与吸收率相呼应更合乎逻辑。2/3/2023234.

物体的发射率ε(l

,T)：物体的辐射本领M'λ(l,T)与绝对黑体辐射本领M'lb(l,T)之比与上面的公式对比，可得出处于热平衡状态的物体，其发射率一定等于其吸收率。任何吸收辐射能力强的物体，其辐射发射本领必定强。2/3/202324沙特：沙漠地区，夏季气温50度以上，为什么穿黑色衣服？2/3/202325λMλ(λ,T)§1-2热辐射的基本定律热辐射的分类黑体辐射：连续谱（不透明物体或炽热稠密气体辐射）灰体辐射：连续谱（发射率低，多数物体接近于灰体）其他辐射：不规则、线状、带状光谱（受激气体辐射）2/3/202326

描述物体的辐射与吸收的关系热平衡状态时，物体从周围吸收辐射的能量恰好等于本身发射辐射而减少的能量，物体就处于热平衡状态。此时，物体的状态可用一个确定的温度T来表征。基尔霍夫定律：在任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的辐射本领Ml

(l,T)和吸收率α(l

,T)的比值与物体的性质无关；只是波长l及温度T的函数；且恒等于同温度绝对黑体的辐射本领：一、基尔霍夫定律这与黑体的定义是完全一致的2/3/202327二、兰伯特余弦定律兰伯特定律描述了黑体辐射源向半球空间内的辐射亮度沿高低角的变化规律。兰伯特定律规定，若面积元dF在法线入向的辐射亮度为LN，则它在高低角θ的方向上的辐射亮度为对于绝对黑体，兰伯特定律极为正确。对于不光滑物体，经验证明这一定律可适用于θ＝0o～60o的情况。2/3/202328描述点源的辐照度与距离关系点光源向空间辐射时一般是球面波。点光源在传输方向上某点的辐射照度和该点到点光源的距离平方成反比：当实际光源不能看成点源时，上式计算结果有较大误差。当把(光源的半径)时，近似有RlE三、距离平方反比定律EOlL为发光表面的辐射亮度2/3/202329四、亮度守恒定律描述亮度传输规律光辐射在不同介质中传输时，如果没有光能损失，光束的基本辐亮度是守恒的，即有：光辐射能在传输介质中没有损失时，表面2的辐射亮度和表面1的辐射亮度是相等的即辐射亮度是守恒的。2/3/202330若有光学系统：n、n’分别为物空间和像空间的折射率，τ为光学系统的透射比。τ<1，光学系统可以改变传输光束的发散或会聚状态，但是无助于亮度的增加。2/3/202331五、普朗克定律描述黑体的光谱辐射出射度与波长、绝对温度直接的关系黑体光谱辐射出射度为：式中

h—普朗克常数k—玻尔兹曼常数c—光速2/3/2023322/3/202333每条曲线都有一个峰值，随着温度的升高，此峰值向短波方向移动普朗克曲线（波长/μm）2/3/2023342/3/202335普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式，并于1901年发表。是热辐射最基本的定律。其目的是改进由威廉·维恩提出的维恩近似。维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合，但在长波范围内偏差较大；而瑞利-金斯公式则正好相反。普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好。在推导过程中，普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。得到普朗克公式的前提假设是这些振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍，这些基本能量单位只与电磁波的频率有关，并且和频率成正比。然后，普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。2/3/202336这即是普朗克的能量量子化假说，这一假说的提出比爱因斯坦为解释光电效应而提出的光子概念还要至少早五年。然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束，他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔（也就是构成物质的原子）内的微小振子而言的，用半经典的语言来说就是束缚态必然导出量子化。普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释，他只是相信这是一种数学上的推导手段，从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合。不过最终普朗克的量子化假说和爱因斯坦的光子假说都成为了量子力学的基石。

2/3/202337本定律由德国物理学家威廉·维恩（WilhelmWien）于1893年通过对实验数据的经验总结提出。威廉·维恩提出本定律的时间是在普朗克黑体辐射定律出现之前，且过程完全基于对实验数据的经验总结。后来证明，本定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论。六、维恩位移定律描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律。

设黑体辐射的峰值波长，则存在如下的简单关系：已知物体的温度时，可以计算其峰值辐射波长，反之亦然。（温度与峰值波长成反比）2/3/202338将代回普朗克定律公式，可得峰值辐射波长处的辐射出射度：黑体的光辐射出射度的峰值与绝对温度的五次方成正比维恩位移定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论2/3/202339维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是6000K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律

2/3/202340七、斯忒藩—波耳兹曼定律本定律由斯洛文尼亚物理学家约瑟夫·斯特藩（JožefStefan）和奥地利物理学家路德维希·波兹曼分别于1879年和1884年各自独立提出。提出过程中斯特藩通过的是对实验数据的归纳总结，波兹曼则是从热力学理论出发，通过假设用光（电磁波辐射）代替气体作为热机的工作介质，最终推导出与斯特藩的归纳结果相同的结论。本定律最早由斯特藩于1879年3月20日以ÜberdieBeziehung

zwischen

der

Wärmestrahlungundder

Temperatur

（《论热辐射与温度的关系》）为论文题目发表在维也纳科学院的大会报告上，这是唯一一个以斯洛文尼亚人的名字命名的物理学定律。2/3/202341

描述黑体辐射出射度与温度的关系黑体在半球空间辐射出射度与黑体温度有下述简单关系（由普朗克公式阶段积分得到）：计算例：当T＝300K时，Meb＝460W/m2；当T＝6000K时，Meb＝7.36×107W/m2。二者相差16万倍。2/3/202342光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。在成份分析、结构研究、光电检测、照明设计等方面，都离不开一定型式的光源。在光电系统中，光源往往起着关键的作用，正确选择光源，对设计光电系统和解决具体光电检测问题有重要意义。§1-3

光源的基本特性参数和光源的选择2/3/2023431.辐射效率与发光效率辐射效率定义：在给定λ1～λ2波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率，即：相应地，对于可见光范围，某一光源的发光效率为：辐射通量W/W光通量lm/W一、光源的基本特性参数2/3/202344光源种类发光效率光源种类发光效率普通钨丝灯8～18高压汞灯30～40卤钨灯14～30高压钠灯90～100普通荧光灯35～60球形氙灯30～40三基色荧光灯55～90金属卤化物灯60～80常用光源的发光效率（单位：lm/W）2/3/202345自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。

光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：线状光谱带状光谱连续光谱混合光谱低压汞灯、激光高压汞灯、高压钠灯荧光灯热辐射光源、白炽灯2.光谱功率分布（相对光谱功率分布）2/3/202346光谱功率分布应由测量对象的要求来决定在目视光学系统中，采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用紫外辐射较强光源。紫外光刻系统中，采用365nm波长谱线辐射较强的光源，高压汞灯。2/3/202347对于各向异性光源，其发光强度在空间各方向上是不同的。配光曲线：若在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。3.空间光强分布0o超高压球形氙灯光强分布曲线水平平面垂直平面0o30o60o90o-30o-60o-90o-120o120o150o180o-150o提高光能利用率：选择发光强度高的方向作为照明方向反光罩

2/3/202348

描述光源的辐射特性黑体的温度决定了它的光辐射特性。对非黑体辐射，它的某些特性常可用黑体辐射特性来近似地表示。分布温度辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。色温辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。相关色温对于一般光源，它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。4.光源的色温2/3/2023495.光源的颜色色表：用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。显色性：当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。显色性好的光源（白炽灯、卤钨灯、镝灯等），适用于辨色要求较高的场合，如彩色电影、彩色电视的拍摄和放映，染料、彩色印刷等行业。显色性差的光源（高压汞灯、高压钠灯等），一般用于道路、隧道、码头等辨色要求较低的场合。2/3/202350二、光源选择的基本要求1．对光源发光光谱特性的要求基本要求：光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需要。光源和光电探测器之间的光谱匹配系数，描述两光谱特性间的重合程度或一致性。Wλ为光源光辐射通量的相对值；Sλ为在光电探测器灵敏度的相对值。2/3/2023512．对光源发光强度的要求光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常检测；光源强度过高，会导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等，同时也导致不必要的能源消耗而造成浪费。因此在系统设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计，并按估计来选择光源。2/3/2023523．对光源稳定性的要求依据不同的检测对象来确定（脉冲、连续量）。同时也应考虑光源的造价，过分的要求会使设备昂贵，而对检测并无好处。稳定光源发光的方法：可采用稳压电源供电。可采用稳流电源供电。所用光源应预先进行老化处理。可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。2/3/2023534．对光源其它方面的要求如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；以及光源发光率和空间分布等；2/3/202354自然光源：太阳、月亮、地球、星体、天空和地球上的物体……特点：光源的辐射对于光电探测系统来说通常很不稳定，而且无法控制。处理方法：直接测量、分析、统计。星等：星的亮暗程度用地面所接收到的照度来衡量，具体表示为星等数字的大小（不一定是整数）。星等数字越大，对地面的照度越弱。各星等间每差五等，其照度差为100倍。n>m比零等星更亮的星为负数。5.自然光源2/3/202355各自然辐射源的星等和地面的照度辐射源星等对地面的照度（lx）太阳-26.731.30×105点光源（1cd距1m处）-13.91.00满月-12.52.67×10-1金星（最亮时）-4.31.39×10-4天狼星-1.429.8×10-6零等星02.65×10-6一等星11.05×10-6六等星61.05×10-82/3/202356光源亮度比较光源及条件光亮度光源及条件光亮度光源及条件光亮度太阳(大气外测定)1.9×109低压汞灯2~3×104碘钨灯5×107太阳(海平面测定)1.6×109钠光灯1~2×105碳弧灯1.8×108月亮2.5×10350W钨丝灯4.08×106超高压汞灯108~109天空(夏天平均)5×103200W充气钨丝灯1.33×107超高压氙灯1010天空(秋天平均)3×1032500K黑体5.3×106球形脉冲氙灯1011氖灯1×10310000K黑体1.12×1010乙炔焰8×104气体、固体激光器(W/m2

sr)105~1010调Q激光器(W/m2

sr)1014~1017单位：cd/m22/3/202357§1-4光电技术中常用光源简介光源是一门专门技术学科，涉及光学、原子物理、电真空和色度学等多门知识，内容非常丰富。而且，随着光源技术的发展，可提供光电探测用的光源品种也日趋增多。热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器2/3/202358一、热辐射光源热辐射光源三个特点：(1)它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制它们发光或辐射性质；(2)发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，但紫外辐射和可见光辐射含量很少；(3)采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。应用：热辐射光源除了用作照明或在各种光学和光电探测系统中充当一般光源外，还可用作光度或辐射度测量中的标准光源或标准辐射源(辐射定标)。其作用是完成计量工作中的光度或辐射度标准的传递。这在光学和光电检测中是必不可少的。2/3/2023591.人造黑体辐射源酚醛管铜屏蔽光阑加热电阻丝石棉和硅酸盐水泥黑体辐射源结构原理图温度计（测温）光谱范围：红外光区(0.75μm～2.5μm或0.75μm

～6μm)结构辐射源：铜或不锈钢圆筒内有圆锥腔绝缘层：石棉和硅酸盐水泥加热：电阻丝加热温度：温度计、自动控温仪光阑：黑体辐射输出2/3/2023602．白炽灯2/3/202361白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年，美国的爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。现代的钨丝白炽灯到1908年才由美国发明家库利奇试制成功。发光体是用金属钨拉制的灯丝，这种材料最可贵的特点是其熔点很高，即在高温下仍能保持固态。一只点亮的白炽灯的灯丝温度高达3000℃。正是由于炽热的灯丝产生了光辐射，才使电灯发出了明亮的光芒。因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体，并在灯泡的玻璃表面上沉积，使灯泡变黑，所以白炽灯都被造成“大腹便便”的外型，这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较大的表面上弥散开。否则的话，灯泡在很短的时间内就会被熏黑了。由于灯丝在不断地被升华，所以会逐渐变细，直至最后断开，这时一只灯泡的寿命也就结束了。

2/3/202362发射连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5％，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2％。灯丝的热电阻的阻值是其冷电阻阻值的12—16倍，所以，在灯的启动瞬时有较大的电流。在选择熔断器或用白炽灯作半导体整流的负载时，应考虑这个瞬时电流。电压与参数关系图用于照明时浪费电能2．白炽灯2/3/202363在所有用电的照明灯具中，白炽灯的效率是最低的，它所消耗的电能只有很小的部分，即12％－18％可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失了。至于照明时间，这种电灯的使用寿命通常不会超过1000小时。澳大利亚：2009年停止生产，最晚在2010年逐步禁止使用传统的白炽灯。澳大利亚是世界上第一个计划全面禁止使用传统白炽灯的国家。台湾：规划2010年开始执行白炽灯禁产政策，2012年全面禁产。美国：2012年1月到2014年1月。

中国：预计10年内禁用（禁售）白炽灯，为加快推进节能减排，逐步淘汰白炽灯，加快推广节能灯，国家发改委日前与联合国开发计划署（UNDP）、全球环境基金（GEF）合作共同开展“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯”项目，支持研究编制《中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯行动计划》。

2/3/202364二、气体放电光源利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电原理：密封在泡壳内的气体或金属气体在电场的作用下激励出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射，这就是气体放电原理。优点：发光效率高，比同瓦数白炽灯高2～10倍，节能；不用灯丝发光，具有牢固、结构紧凑优点；寿命长，比白炽灯长2～10倍；光色适应性强等特点。因而有较强的竞争力，在光电技术和照明工程中得到广泛的应用。2/3/2023651.汞灯汞灯又称水银灯，是利用汞蒸气放电发光而制成的。按汞蒸气压的不同可分为低压、高压和超高压三种。2/3/202366

1.汞灯

（1）低压汞灯管内气压为10-4～10-5大气压。

放电时主要辐射两条共振辐射线：253.7nm和185.0nm。共振辐射线是指原子从激发态跃迁到基态时所发出的辐射，即主要是汞元素原子的特征谱线。应用：光谱仪的波长基准、紫外杀菌、光化学反应及荧光分析等。2/3/202367灯内的汞蒸气压约为1～5个大气压，由于在高气压时相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，产生了谱线的压力加宽和多卜勒加宽，辐射的光谱中有很强的连续成份，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加。高压汞灯的发光效率达64lm/W，应用：照明、光学仪器、光化反应、紫外线理疗、荧光分析等方面。1.汞灯

（2）高压汞灯2/3/202368灯内的汞蒸气体大于10～200个大气压。随着汞蒸气压的提高，原子激发到高能级的几率增大，紫外辐射减弱，共振辐射几乎全部被吸，可见光谱线加宽。连续背景谱线明显加强，红外谱辐射增强。球形超高压汞灯中的电极距离为毫米级，放电电弧集中在电极之间。因此电弧的亮度很高，常应用于光学仪器、荧光分析和光刻技术等方面。1.汞灯

（3）超高压汞灯2/3/202369（4）日光灯（荧光灯）

日光灯管两端装有灯丝，玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉，管内被抽成真空度10-3-10-4毫米汞柱后，充入微量的氩和稀薄的汞蒸气。汞蒸气电离导电产生紫外线而激发萤光粉发出柔和的可见光。日光灯发光不含红外线，所以它的光是很温和的，不伤眼睛；因为不含有红外线，用起来比较省电；日光灯会发出许多美丽有色的光。这就是由荧光粉里所含的化学药品的性质来定了，例如涂上钨酸镁的，发蓝白色光，涂上硼酸镉的发淡红色光。

2/3/202370节能灯，又称为省电灯泡、电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体式荧光灯，是指将荧光灯与镇流器（安定器）组合成一个整体的照明设备。节能灯的尺寸与白炽灯相近，与灯座的接口也和白炽灯相同，所以可以直接替换白炽灯。节能灯的光效比白炽灯高得多，同样照明条件下，前者所消耗的电能要少得多，所以被称为节能灯。

1.汞灯

（5）节能灯2/3/2023712.氙灯氙灯惰性气体氙在两个钨电极之间的高压电孤放电从而发出强光的光源。高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近，色温为6000K左有，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。2/3/202372氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种2/3/202373当氙灯的电极间距为1.5~300cm时称为长弧氙灯，细管形，工作气压为1个大气压，发光效率为25～30lm/w。当氙灯的电极间距缩短到毫米数量级时称为短弧氙灯，灯内的氙气气压约为10～20个大气压。该灯的电弧亮度很高，其阴极点的最大亮度可达几十万坎德拉每平方厘米，电弧的亮度在阴极和阳极距离上分布是很不均匀的。短弧氙灯常用于电影放映、荧光分光光度计及模拟等场合。脉冲氙灯的发光是不连续的，可以在瞬时(10－9～10－12s)获得除激光以外最强的光通和亮度。它用高压电脉冲激发产生光脉冲。脉冲氙灯广泛用作固体激光器的光泵、高速摄影、航空照相、频闪观察仪器、光学仪器、激光武器等方面。2/3/2023743．空心阴极灯

空心阴极灯(也叫原子光谱灯)是属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。结构：其阴极由金属元素或其他合金制成空心圆柱型，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。原理：被溅散出来的阴极金属原子蒸汽，在空心阴极灯中被激发，辐射出该金属的原子特征谱线。优点：辐射出的金属原子谱线很窄，强度很大，稳定性好。应用：用作对微量金属元素吸收光谱定性或定量分析的光源，以及用于光谱仪器波长定标上。2/3/2023754.氘灯工作原理：加热灯丝，产生电子发射，当阳极加高压后，氘()原子在灯内受高速电子碰撞而激发，从阳极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱(185～500nm)。优点：氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长。应用：各种紫外分光光度计的连续紫外光源。2/3/202376三、固体发光光源固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象叫场致发光，也称为电致发光。目前常见的场致发光有三种形态，即粉末、薄膜和结型。II一VI族化合物半导体是实际唯一的粉末和薄膜场致发光材料III一V族发光材料在发光二极管方面有广泛应用。2/3/2023771．粉末场致发光光源按激发方式不同，场致发光光源有交流电场激发和直流电场激发两种。

(1)交流粉末场致发光光源该器件的发光材料(通常为ZnS:Cu)悬浮在介电系数很高、透明而又绝缘的胶合介质中，并被两电极所挟持。两电极之间通常没有一条完整的导电支路，所以不能用直流激励。当在两电极间加上交变电场时，粉末就会产生场致发光。1-玻璃基板；2－透明导电膜；3－发光材料；4－反射层；5－背电极；6－防潮树脂；7－防潮盖板2/3/202378优点与缺点与其它光源相比,它有独特的优点：(1)固体化、平板化，占地小，易于安装；(2)面积、形状几乎不受限制，因而可以通过光刻、金属电极掩蔽镀膜等方法制成任意发光图形；(3)无红外辐射冷光源，因而隐蔽件好，对周围环境没有影响；(4)视角大，光线柔和，易于观察；(5)寿命长，功耗低，发光易于电控。缺点：亮度较低、驱动电压高、老化快等。2/3/202379(2)直流粉末场致发光光源直流粉末场致发光光源的结构与交流情况类似，但其发光材料的涂层是导电的CuxS，而不是大量分布在中间的绝缘胶合介质。正常使用之前，需在两电极上施加短暂的高压脉冲，使铜离子从紧挨着阳极的发光体表面上失落。失落铜离子的表面ZnSCu，MnCuxS涂层阴极透明阳极2/3/202380应用：(1)特殊照明：仪表表盘、飞机座舱、坑道等；(2)数字、符号显示：可以做成大型的数字钟、电子称等显示；(3)模拟显示。如显示生产工艺流程和大型设备的工作状态，各种应急系统标志显示等；(4)矩阵显示，又叫交叉电极场致发光显示。主要用于雷达、航迹显示及电视等；(5)像转换及像增强器。把场致发光屏与光导材料联合使用，可以做成显像器件等等。2/3/2023812．薄膜场致发光光源将固体发光材料制成薄膜的形式，在电场的作用下出现的发光现象，称为薄膜场致发光。优点：薄膜场致发光可以有很高的分辨率，成像质量高，显示对比度好。可制成各种形状，视角大，光线柔和，制备工艺简单，造价便宜等。应用：在显示和显像方面是很有前途的发光器件。2/3/2023823．发光二极管(LED,LightEmittingDiode

)发光二极管是少数载流子在p－n结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。加正向偏压时，在外电场作用下，在p—n结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来。2/3/202383优点、缺点、应用优点：(1)属于低电压(1－2v)、小电流(每个发光单元只需10mA）器件，在室温下即可得到高亮度(一般3000cd／m2以上)；(2)发光响应速度快（10－7－10－9秒)；(3)性能稳定，寿命长(一般105小时以上)；(4)易于和集成电路匹配，且驱动简单；(5)与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米；(6)体积小、耐冲击。缺点：功率较小(μW，mW)、光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝色)，且发光效率低应用：作为仪表指示器和小型超小型文字、数字显示器等方面。随着大功率和多功能器件的发展，其应用范围将日益扩大。2/3/202384自从高亮度白光LED问世后，由于它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命的特点，在照明应用上受到各的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，取得了一些成果。LED灯的应用是一个综合技术的应用，它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。但目前关键技术问题还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。要使LED灯进入千家万户，可能还要等几年。

2/3/202385四、激光器

1．激光器的工作原理

组成：工作物质、谐振腔和泵浦源常用的泵浦源是辐射源或电源。利用泵浦源能将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件。处于这一状态的原子或分子称为受激原子或分子。当高能态粒子跃迁到低能态而产生辐射后，它通过受激原子时会感应出同相位同频率的辐射。这些辐射波沿由两平面构成的谐振腔来回传播时，沿轴线的来回反射次数最多，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大，这样，受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。泵浦源全反镜工作物质半反镜2/3/2023862.激光器的类型按工作物质分类，激光器可分为气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。(1)气体激光器气体激光器采用的工作物质很多，激励方式多样，发射波长也最广。这里主要介绍氦氖激光器，氩离子激光器和二氧化碳激光器。2/3/202387a.氦氖激光器氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器，在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质，用高反射比的多层介质膜反射镜作为谐振腔，则可获得激光输出，输出的波长为632.8nm、1.15μm、3.39μm。主要用于精密计量、全息术、准直测量等。2/3/202388b.氩离子激光器氩离子激光器的工作物质是氩气，在低气压大电流下工作。连续的氩离子激光器在大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子的轰击，因此小功率放电管常用耐高温的熔石英做成，大功率放电常用高导热系数的石墨或BeO陶瓷做成。放电管外部通常用水冷却，降低工作温度。输出的谱线属于离子光谱线，主要输出波长有452.9nm、476.5nm、496.5nm、488.0nm、514.5nm，其中488.0nm和514.5nm二条谱线为最强，约占总输出功率的80％。2/3/202389c.二氧化碳激光器二氧化碳激光器的工作物质主要是二氧化碳，掺入少量N2和He等气体，是典型的分子气体激光器。激光输出谱线波长分布在9～11μm的红外区域，典型的波长为10.6μm。二氧化碳激光器的激励方式通常有低气压纵向连续激励和横向激励两种。应用：金属材料的切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。2/3/202390(2)固体激光器工作物质是具有特殊能力的高质量的光学破璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。红宝石激光器是发现最早、用途最广的晶体激光器。工作原理：圆拄形的红宝石棒的两个端面研磨后再抛光，使两个端面相互平行，构成两面反射镜。与红宝石棒平行的是作为激励源的脉冲氙灯。脉冲氙灯的瞬时强烈闪光会聚到红宝石棒上，红宝石激光器便输出波长为694.3nm的脉冲红色激光。激光器的工作是单次脉冲式。脉冲宽度为几毫秒量级。输出能量可达1～100焦耳。2/3/202391(3)染料激光器染料激光器以染料为工作物质。染料溶解于某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。某些染料，当在脉冲氙灯或其它激光的强光照射下，可成为具有放大特性的激活介质，用染料激活介质做成的激光器。在其谐振腔内放入色散元件，通过调谐色散元件的色散范围，可获得不同的输出波长，称为可调谐染料激光器。染料激光器有连续和脉冲两种工作方式。连续方式输出稳定，线宽小，功率大于1W。脉冲方式的输出功率高，脉冲输出能量可达120mJ。半反镜高反镜激励光激光染料2/3/202392(4)半导体激光器半导体激光器的工作物质是半导体材料。它的原理与发光二极管相似。p—n结就是