第01章光辐射源(zm2015秋)

第1章光辐射源光电探测与信号处理

光学与电子信息学院赵茗副教授zhaoming@1.2半导体的基础知识1.1辐射度学与光度学光电探测与信号处理1.4典型光辐射源1.3黑体辐射1.1.1光的基本概念1.1.2辐射度量1.1.4两条基本定律1.1.3光度量1.1辐射度学与光度学

电磁空间安全－－光学波段光学谱区0.01μm~1000μm可见光区0.38μm~0.78μm红外区0.78μm~1000μm紫外区0.01μm~0.38μm已开发利用波段待开发光子能量公式可见光的光子能量范围为:?～?eV

1.1.1光的基本概念1.1.2辐射度量1.1.4两条基本定律1.1.3光度量1.1辐射度学与光度学辐射度量与光度量有什么区别？各自所描述的量有哪些？对等吗？二者之间如何换算？???在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类：一类是物理的——辐射度量（0.01～1000µm,radiometricterms），是用能量单位描述光辐射能的客观物理量；另一类是生理的——光度量（0.38～0.78µm,photometricterms），是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度．即光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所接收到辐射量的度量，为主观量；

辐射度量（

Xe）电磁波（0.01～1000µm）客观（物理）光度量（Xv

）可见光（0.38～0.78µm）主观（生理）?辐射度量与光度量有什么区别？辐射度量和光度量的对照表?各自所描述的量有哪些？对等吗？一、与光源有关的辐射度参数与光度参数1．辐（射）能和光能(radiant/luminousenergy)辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量，用符号Qe表示，单位为焦耳（J）。光能：光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，单位为流明秒（lm·s）。2．辐（射）通量和光通量(radiant/luminouspower/flux)辐射通量：又称辐射功率P，是辐射能的时间变化率(单位时间内发射、传播或接收的辐射能),以符号Φe表示，单位为瓦（W），即光通量：单位时间内发射、传播或接收的所有可见光谱能量的时间变化率Φv，单位为流明（lm-lumens）或或3．辐(射)出(射)度和光出(射)度(radiant/luminousexitance)辐(射)出(射)度：对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内（2π）发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，单位为瓦（特）每平方米[W／m2]，即光出(射)度：对可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dΦv与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，单位为勒(克司)[lx-lux]或[lm/m2]，即4．辐(射)强度和发光强度(radiant/luminousintensity)

辐(射)强度：对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，单位为瓦（特）每球面度[W/sr]，即发光强度：类似定义，单位为坎德拉[cd]或[lm/sr]，即坎德拉（candela）的由来：1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz（波长为555nm）的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。

坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为：1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为？。各向同性点光源：各个方向强度相等在有限立体角Ω内发射的总通量？所有方向？各向异性点光源：各个方向强度不等在有限立体角Ω内发射的总通量？所有方向？

实际上，一般辐射源多为各向异性的辐射源，其辐射强度随方向而变化，如图所示。

点辐射源在整个空间发射的辐通量为：5．辐(射)亮度和光亮度(radiance/luminance)

辐(射)亮度：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，θ为所给方向与面元法线之间的夹角单位为W／sr.m2，即光亮度：类似定义，单位为坎德拉每平方米[cd/m2]或lm/(m2.sr)，即常用：熙提(sb)＝lm/(cm2.sr)常见光源亮度晴天：10000cd/m2晴天日落后：1cd/m2

蜡烛火焰：约0.5sb钨丝灯泡：约500sb

辐射强度I辐射出射度M辐射亮度L源特点点源面源面源化点源辐射特点立体角内2π空间立体角内三个发射量的区别和关系二、与接收器有关的辐射度参数与光度参数1.辐照度与光照度(irradiance/illuminance)

辐照度Ee：照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元的面积dA的商，单位是：瓦（特）每平方米[W/m2]，即光照度：单位是[lx]典型照度：办公室工作：20～100lx

满月的地面：0.2lx晴朗夏日采光良好的室内：100～500lx照度计教室测试演示2．辐照量和曝光量辐照量：照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分称为辐照量He，单位为焦耳每平方米[J/m2]，即曝光量：单位为勒（克司）秒[lx.s],曝光不足曝光合适曝光过度几点注意

注意不要混淆辐照度Ee与辐出度Me。对同一个光源来说，光源离光照面越远，光照面上的照度越小；光源离光照面越近，光照面上的照度越大。光源与光照面距离一定的条件下，垂直照射与斜射比较，垂直照射的照度大；光线越倾斜，照度越小。点辐射源：（相对概念）辐射源与观测点之间距离大于辐射源最大尺寸10倍时，可当做点源处理，否则称为扩展源（有一定面积）。同灯同距照在白纸和黑纸上，照度相同，亮度不同。思考题1.设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。（2Rc/l0<<1:15）

l0SRc思考题2.在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，求：空间任意一点P的光照度EV=?

EV=/s=4/4x2=1/x2?二者之间如何换算？如何从特例推出一般换算表达式？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不一样。绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。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，称之为“标准光度观察者”光谱光视效率，或称之为视见函数。明视觉光谱光视效率（亮度大于3cd/m2时）;暗视觉光谱光视效率（亮度小于0.001cd/㎡时）Vˊ(λ)V(λ)55032人眼的光谱光视效率的数值2．光谱光视效能明视觉的最大光谱光视效能Km:

式中Km＝683lm/W，为明视觉的最大光谱光视效能，亦称光功当量，它表示：在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大处(V=1)，1W的辐射通量对应相当的光通量为683lm。暗视觉的最大光谱光视效能K’m:

式中K’m＝1725lm/W，为暗视觉的最大光谱光视效能，它表示：在波长为507nm处，即人眼暗视觉光谱光视效率最大处(V’=1)，1W的辐射通量对应相当的光通量为1725lm。更普遍的表达：如果是连续辐射量，该如何变换成光度量？思考题3.已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？V(632.8nm)=0.24解:

Φv,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3

=0.492(lm)思考题4.已知某探测器的峰值波长535nm的响应度为100µA/lm，请问1W的535nm入射能产生多大电流？解一：将1W的535折换成光通量再计算解二：将光通量响应度折算成辐射通量响应度再计算思考题5.He-Ne激光器：功率Pλ＝10mw,λ=632.8nm,V（λ）=0.24,发射点直径d=1mm,发散半角θ=1mrad(毫弧度)，求光亮度L。太阳亮度的440倍！1.1.1光的基本概念1.1.2辐射度量1.1.4两条基本定律1.1.3光度量1.1辐射度学与光度学1.辐射强度余弦定律（Lambert’scosinelaw）定义：辐射表面在某方向上的辐射强度随与该方向和表面法线之间夹角的余弦而变化。符合余弦定律的发光体称为“余弦辐射体”、“郎伯辐射体”或“朗伯源”：太阳、荧光屏、毛玻璃灯罩等漫反射体。朗伯源辐射亮度L与观察角θ无关；出射度和亮度满足如下关系：余弦辐射体的光亮度等于光出射度的π分之一dAdA辐射源在2π空间发射的辐通量为：推导过程2.距离平方反比定律思考题2.在O点处，有一点光源，发光强度为1cd，求：空间任意一点P的光照度EV=?

EV=I/x2=1/x21.1辐射度学与光度学1.2半导体的基础知识光电探测与信号处理1.4典型光辐射源1.3黑体辐射1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2半导体的基础知识1.2.5载流子的扩散与漂移1.2.6PN结1．原子能级与晶体能带3.价电子--自由电子，要吸收能量特别指出：1.价带中电子，价电子－－不能参与导电2.导带中电子，自由电子－－能参与导电最外层电子自由电子

电子共有化，能级扩展为能带绝缘体、半导体、金属的能带图SiOEg=5.2evSiEg=1.1evEg=0电阻率1012Ω·cm10-3—1012Ω·cm10-6—10-3Ω·cm半导体具有独特光电特性－－重要应用价值本征半导体结构完整、纯净的半导体称为本征半导体，又称I型半导体。杂质半导体半导体中可人为掺入少量杂质包括N型半导体和P型半导体半导体分类2．半导体的能带N型半导体P型半导体本征半导体53总结：N型半导体与P型半导体的比较半导体所掺杂质多数载流子（多子）少数载流子（少子）特性N型施主杂质

电子

空穴电子浓度nn>>空穴浓度pnP型受主杂质

空穴

电子电子浓度np<<空穴浓度pp1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.5载流子的扩散与漂移1.2.6PN结1-14热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为电子占据率为0.5时所对应的能级——“标尺”1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.5载流子的扩散与漂移1.2.6PN结1．吸收定律Φ(x)=Φ0(1－r)e-αx

α=4πμ/λ

Q：光波越长，材料的穿透力？2．半导体对光的吸收——本征吸收和非本征吸收本征吸收：

光子能量足够大，价带中的电子能激发到导带

非本征吸收：光子能量不足以使价带中的电子激发到导带，包括杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收本征吸收电子－空穴对杂质吸收本征吸收杂质吸收波长增大本征吸收与非本征吸收比较：电子或空穴Q1：杂质半导体中有本征吸收吗？Q2：本征吸收和杂质吸收谁占主体？Q3：杂质吸收怎么实现？1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.5载流子的扩散与漂移1.2.6PN结1．非平衡载流子的产生和复合非平衡载流子（过剩载流子）光生载流子热生载流子本征吸收时显著改变少子浓度本征光吸收是少子行为产生：复合：－－使非平衡载流子浓度增加的运动－－使非平衡载流子浓度减小的运动2.非平衡载流子的寿命①表征复合的强弱②τc决定线性光电导探测器的时间特性③τc的大小与材料的微观复合结构、掺杂及缺陷等因素有关。τc的物理意义：τc的适应条件（一定温度下为常数）：－－本征吸收和杂质吸收，弱光照N型半导体弱光照下本征吸收时光生载流子寿命1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.5载流子的扩散与漂移1.2.6PN结1．扩散2．漂移

载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为。载流子受电场作用所发生的运动称为漂移。（diffusion）（drift）扩散长度电子漂移速度电子迁移率1.2半导体的基础知识1.2.1能带理论1.2.2热平衡状态下的载流子1.2.4非平衡状态下的载流子1.2.3半导体对光的吸收1.2.5载流子的扩散与漂移1.2.6PN结PN结的形成(depletionlayer＆potentialbarrier)能带弯曲PN结势垒PN结的特性在一定温度条件下，本征激发的少子浓度一定，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本与偏压大小无关，该电流也称反向饱和电流。1.2半导体的基础知识1.1辐射度学与光度学光电探测与信号处理1.4典型光辐射源1.3黑体辐射什么是黑体？有哪些与黑体相关的定律？它们之间的关系？???1.3.1发射率和基尔霍夫定律1.3.2普朗克辐射公式1.3.4斯蒂芬-玻尔兹曼定律1.3.3维恩位移定律1.3黑体辐射???什么是黑体？能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体－－简称黑体能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射并且能全部辐射所有波长辐射的物体叫绝对黑体－－简称黑体绝对黑体是理想热辐射源，自然界并不存在！！研究黑体辐射意义：－－比较基准

▲黑体模拟器

▲近似黑体，如太阳、地球、海水······

▲用黑体某些特性表征光源和辐射体人造黑体辐射源（黑体模拟器）光谱发射率一般物体黑体－－强吸收体必是强发射体！！！基尔霍夫定律：热平衡状态下任何物体的光谱辐出度与光谱吸收比相等，与物体材料性质无关常见物体发射率伪彩色图：颜色—温度根据地面物体发射率的差别及对环境辐射的反射率的差别，遥感系统能把道路、河流等地形区分开来。红外遥感1.3.1发射率和基尔霍夫定律1.3.2普朗克辐射公式1.3.4斯蒂芬-玻尔兹曼定律1.3.3维恩位移定律1.3黑体辐射??黑体辐射光谱光谱分布?峰值?总辐射?黑体光谱辐出度与波长、绝对温度之间关系峰值波长变化?1.3.2普朗克公式峰值波长与绝对温度之间关系1.3.3维恩位移定律黑体峰值辐出度W·m-2.µm-1黑体总辐出度1.3.4斯蒂芬-玻尔兹曼定律斯蒂芬-玻尔兹曼常量维恩位移定律

－－峰值波长斯蒂芬－玻尔兹曼定律

－－总辐射出度普朗克辐射公式

－－光谱辐射能分布比较：求导取极值积分重要概念－－灰体常见的三类辐射体思考题1.已知黑体温度T=1000K，求：其峰值波长、光谱辐射度峰值、在λ=4µm处的光谱辐射出射度、λ=3～5µm波段的辐射出射度。思考题例1-2.计算目标辐射在光电探测器上的辐照度。黑体温度为T=500K，出光小孔直径D=1cm，与光电探测器的距离d=2.5m，忽略辐射能量在大气传输中的衰减，试计算黑体在光电探测器的上的辐照度E。解：（1）黑体辐射出射度：（2）黑体（朗伯体）辐射强度：（3）黑体（朗伯体）辐射照度：1.2半导体的基础知识1.1辐射度学与光度学光电探测与信号处理1.4典型光辐射源1.3黑体辐射1.4.1光源的基本特性参数1.4.2热辐射光源1.4.4激光二极管1.4.3气体放电光源1.4典型光辐射源1.4.5发光二极管1.辐射效率和发光效率辐射效率：在给定１～２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.发光效率：某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比.单位：lm/W常用光源的发光效率光源种类发光效率(lm/W)备注普通钨丝灯（白炽灯）8~18灯丝发光卤钨灯14~30普通荧光灯35~60低压汞灯（气体放电）三基色荧光灯55~90高压汞灯30~40高压气体放电高压钠灯90~100球形氙灯30~40金属卤化物灯60~80LED发光效率：~250lm/W2.光谱功率分布图1-25四种典型的光谱分布连续光谱源线状光谱源带状光谱源混合光谱源3.空间光强分布配光曲线：在空间某一截面上,将各向异性光源的空间发光强度矢量(矢量的长度与该方向的发光强度成正比)端点连起来，即得到光源在该截面上的发光强度曲线。杭州远方GO1900L灯具配光曲线测试系统4.光源的色温分布温度（分布色温）：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辐射源的分布温度。色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为辐射源的色温。同色异谱同色异谱1.4.1光源的基本特性参数1.4.2热辐射光源1.4.4激光二极管1.4.3气体放电光源1.4典型光辐射源1.4.5发光二极管自然辐射源黑体辐射器白炽灯与卤钨灯热辐射源太阳：黑体色温5900K自然辐射源人工模拟绝对黑体－－黑体模拟器－－恒温空腔黑体辐射－－所有波长入射－－多次漫射及吸收黑体辐射器可见光谱中部和黑体辐射曲线相差约0.5％整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2％色温限制：～2800K光谱范围：0.4~3μm

白炽灯特点：光电技术常用测试光源：色温2856K白炽钨丝灯

——标准A光源灯丝发光，卤钨化合循环—寿命长发光效率～30lm/W，高于白炽灯色温限制：～3200K光谱范围：0.25~3.5μm

卤钨灯特点：白炽灯与卤钨灯1.4.1光源的基本特性参数1.4.2热辐射光源1.4.4激光二极管1.4.3气体放电光源1.4典型光辐射源1.4.5发光二极管（1）效率高。比同瓦数白炽灯发光效率高2～10倍。（2）结构紧凑。不是靠灯丝发光，电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。（3）寿命长。一般比白炽灯长2～10倍。（4）辐射光谱可以选择，只要选择适当的发光材料即可。

气体放电光源特点：利用气体放电原理制成的光源低压汞灯：利用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线。主要辐射253.7nm紫外光，可用于光谱仪波长校准/荧光分析/紫外杀菌。——传统型荧光灯即低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，属于低气压弧光放电光源。253.7nm184.9nm汞灯氙灯氙灯光谱与日光最为接近；色温6000K；长弧氙灯：广场、车站等公共场所照明；短弧氙灯：照相、摄影、电影放映、日光模拟；脉冲氙灯：固体激光器光泵、高速摄影、光信号源等原子光谱灯又称空心阴极灯；主要作用是引出标准谱线的光束，确定标准谱线的分光位置，以及确定吸收光谱中的特征波长。主要用于微量元素光谱分析。氘灯灯壳内充有高纯度氘气；连续紫外光谱：185～400nm；在486.0nm、583.0n