改-2光电仪器中的常用光源分解

改-2光电仪器中的常用光源分解第一页，共105页。光源的分类天然光源——太阳、人体人造光源——荧光灯、发光二激管、激光器按产生机理热辐射光源——连续光谱（太阳）气体放电光源——荧光灯、钠灯固体发光光源——发光二极管激光器——半导体激光器、固体激光器第二页，共105页。太阳光照明为人眼提供的属于人类的世界面貌人造图像探测器、显示器（CCD）怎么还原属于人类的世界面貌人造光源怎样取代太阳照明（显色性）第三页，共105页。10um第四页，共105页。相干性、准直性好、亮度高容易被调制第五页，共105页。第二章光电仪器中的常用光源光源的分类第一节光源的基本特性参数第二节热辐射光源第三节气体放电光源第四节固体发光光源第五节激光器第六页，共105页。第一节光源的基本特性参数辐射效率和发光效率光谱功率分布空间光强分布光源的色温光源的颜色第七页，共105页。辐射效率和发光效率辐射效率在给定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

第八页，共105页。发光效率某一光源的发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比。发光效率越高越适合照明，但不一定适合显色555纳米绿光发光效率理论上可达683lm/W白炽灯的发光效率极限是52lm/W第九页，共105页。第十页，共105页。第十一页，共105页。光谱功率分布描述光源的辐射功率随波长的分布情况四种典型的光谱分布λλλλP(λ)P(λ)P(λ)P(λ)线状光谱带状光谱连续光谱混合光谱第十二页，共105页。氦氖激光器线状光谱第十三页，共105页。高压汞灯带状光谱（紫外曝光固化）第十四页，共105页。荧光高压汞灯（用于照明、投影仪）第十五页，共105页。高压钠灯带状光谱第十六页，共105页。白炽灯连续光谱可见光第十七页，共105页。荧光灯混合光谱第十八页，共105页。光栅光谱仪第十九页，共105页。选择光源时，应根据测量对象的要求来决定光谱功率分布目视光学系统：一般选可见光谱辐射比较丰富的光源（日光灯，白炽灯）彩色摄影用光源：选用类似日光色光源，卤钨灯紫外分光光度计：氘灯，紫外汞灯，紫外辐射较强第二十页，共105页。空间光强分布空间光强分布曲线（配光曲线）极坐标法：各方向矢径长度正比光强分布在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。第二十一页，共105页。一般白炽灯配光曲线第二十二页，共105页。LED灯管配光曲线第二十三页，共105页。光源的色温分布温度(用黑体温度描述光源光谱分布)

热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，那麽该黑体的温度就称为该辐射源的分布温度。这种辐射体的光谱辐亮度可表示为：对于气体放电光源，其光谱能量分布很少与黑体的相似，所以对这些光源来讲，分布温度没有意义第二十四页，共105页。色温(用黑体温度表示光源颜色)辐射源发光时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。由于颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同，相对光谱功率分布（分布温度）不一定相同。低色温光源主要是红外辐射，通常称为“暖光”；色温提高后，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。

第二十五页，共105页。第二十六页，共105页。常用光源色温值一览表类别

光源色温值K

自

然

光日出、日落的阳光日出1小时的阳光日出2小时的阳光

9点~16点正午阳光日光（散射光与直射光的

混合光）晴天阴影处均匀的云遮日阴天

2000350047005000~58005500~58005500

6000左右6400~69006500以上冷光对于云层的穿透能力比暖光强第二十七页，共105页。常用光源色温值一览表类别

光源色温值K

人

造

光

火柴的火焰

腊烛光

标准烛光

40W—60W白炽灯

100W—200W白炽灯

500W钨丝灯

卤钨灯、碘钨灯金属卤化物灯摄影日光灯电子闪光灯

日光色荧光灯

三基色荧光灯

1700185019302600280029603150~32005600~6000550060005500~60003200~6000第二十八页，共105页。光源的颜色作为光源，除了要求光效高之外，还要求它发出的光具有良好的颜色。光源的颜色有两方面的意思：色表和显色性。色表：用眼睛直接观察光源时所得到颜色感觉，叫光源的色表高压钠灯呈黄色，荧光灯的呈白色。显色性：当用光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射照射下（日光下）所呈现的颜色的一致性。国际照明委员会（ＣＩＥ）规定了１４种特殊物体作为检验光源显色性的“试验色”。第二十九页，共105页。显色性第三十页，共105页。第三十一页，共105页。高压汞灯路灯色表好：白色。显色性差：照射的人的面孔时，看起来好像在脸上抹了一层青灰钨丝灯色表差：偏红、偏黄显色性好：受照物体的颜色却很少失真氙灯色表好：白色显色性好第三十二页，共105页。第三十三页，共105页。第二章光电仪器中的常用光源光源的分类第一节光源的基本特性参数第二节热辐射光源第三节气体放电光源第四节固体发光光源第五节激光器第三十四页，共105页。第二节热辐射光源特点

辐射特性与温度密切相关辐射特性可以用普朗克公式进行计算光谱分布为连续光谱（光谱范围很宽）分类人工辐射源：人造黑体、白炽灯等目标辐射源：飞机、坦克等自然辐射源：太阳、地面、云层等第三十五页，共105页。太阳大气层外，辐照度中紫外占6.46%，可见46.25%，红外47.29%地面，大气的吸收光谱比较复杂。第三十六页，共105页。第三十七页，共105页。大气窗口及红外材料大气窗口电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口大气对电磁波有散射和吸收等因数的影响遥感中使用的一些大气窗口为：0.3～1.155μm(紫外、可见光、近红外窗口)遥感摄影成像的最佳波段0.3~0.4μm，透过率约为70%0.4~0.7μm，透过率大于95%0.7~1.1μm，透过率约为80%第三十八页，共105页。1.4~1.9μm（近红外窗口）透过率为60%~95%，其中1.55~1.75μm透过率较高。该波段在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段。用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图2.0~2.5μm（近红外窗口）透过率约80%。3.5~5.0μm（中红外窗口）透过率为60%~70%。该波段物体的热辐射较强。3.55~3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图第三十九页，共105页。8.0~14.0μm（热红外窗口）透过率约80%。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。1.0~1.8mm（微波窗口）透过率约35%~40%2.0~5.0mm（微波窗口）透过率约50%~70%8.0~1000.0mm（微波窗口）透过率约100%。由于微波具有穿云透雾的特性，因此具有全天候、全天时的工作特点第四十页，共105页。可见光380-780nm红外材料第四十一页，共105页。红外窗口材料

红外透射率高化学稳定性高便于封接等特点1~3微米：锗、硅、石英；3~5微米：白宝石（氧化铝单晶）、硅、氟化镁、氟化钙；8~14微米：锗、硅、硫化锌第四十二页，共105页。

红外光学玻璃

无定形结构，比晶体材料的光学均匀性好可用以制作大尺寸的光学零件大气中的性能是稳定制备及退火比晶体简单近、中红外：石英玻璃、K-8玻璃和N344玻璃第四十三页，共105页。红外光学晶体

一种主要的红外光学材料可以选择透过任何红外光谱波段的晶体晶体中折射率和色散的变化比其它材料强得多晶体的熔点高，热稳定性好石英(SiO2)

、萤石(CaF2)

、氟镁石(MgF2)

、锗、硅第四十四页，共105页。各种红外线透材料及其性质第四十五页，共105页。红外透射材料第四十六页，共105页。红外透射材料第四十七页，共105页。白炽灯白炽灯的特点：钨丝熔点高（3680K），蒸发率低，高温时仍有足够的强度，加工容易能量损失大，可见辐射仅有8%～18%。发光效率与寿命之间存在矛盾显色性好应用：照明，用作光电测量、辐射度量和光度量的标准光源分类真空白炽灯：防止钨丝高温氧化充气白炽灯：惰性气体（原子碰撞,抑制钨蒸发）卤钨白炽灯：在充气白炽灯内掺入微量卤族元素第四十八页，共105页。充气钨丝灯真空钨丝灯卤钨灯第四十九页，共105页。真空钨丝灯：并非高真空，消气剂五氮化三磷P3N5升华时能吸收氧气和水蒸气，阻止钨丝氧化蒸发。充气钨丝灯：氩、氮等惰性气体，不与蒸发出来的钨原子反应，部分钨原子能碰巧返回或被气体分子碰撞回灯丝，有效抑制钨的蒸发，提高工作温度，增大发光效率第五十页，共105页。新问题：对流的气体会把更多的热量传递给玻壳，并通过玻壳散失到周围的空间，增加热的损失，降低发光效率。解决办法：氪、氙传热本领差，造成的热损失小。发光效率比充氩、氮的灯泡高约30％，而灯泡的寿命并不缩短。氪、氙含量少，只有氩的含量的万分之一和十万分之一，所以制取困难，身价高昂，十分难得，只有在特殊需要的情况下使用。第五十一页，共105页。卤钨灯：在玻璃壳内充入碘、溴等卤族元素的化合物（氯化碘、溴化硼）。钨的再生循环：

钨＋卤素——卤钨化合物——钨＋卤素。解决了发光效率与寿命之间的矛盾。卤钨灯壁管温度>250度，否则，卤钨化合物凝结其上，不能太高，否则，卤钨化合物分解，钨沉积在管壁上。科4第五十二页，共105页。卤钨灯优点：体积小，是同功率白炽灯的0.5%～3%，使光学系统小型化。光通量稳定，最终时的光通量为开始时的95%～98%，而白炽灯为60%。紫外线较丰富。发光效率比白炽灯高2～3倍。寿命长第五十三页，共105页。第二章光电仪器中的常用光源光源的分类第一节光源的基本特性参数第二节热辐射光源第三节气体放电光源第四节固体发光光源第五节激光器第六节紫外光源第五十四页，共105页。第三节气体放电光源定义：通过气体放电将电能转换为光的一种电光源气体放电原理由激励源激励出电子或离子，并使它们高速向两极运动；快速运动的电子或离子与气体原子或阴极碰撞,激励出更多的电子或离子，使气体变为导电气体；受激气体原子从激发态返回基态，将获得的内能以光辐射的形式释放出来。发光气体有：氢、氦、氘、氙、氪金属蒸气：汞、镉、钠、铟、ta铊、di镝第五十五页，共105页。气体放电种类：用得较多的是辉光放电和弧光放电。辉光放电一般用于霓虹灯和指示灯。弧光放电可有很强的光输出，照明光源都采用弧光放电。荧光灯、高压汞灯、钠灯和金属卤化物灯是应用最多的照明用气体放电灯结构：各种气体放电灯都由泡壳、电极和放电气体构成，基本结构大同小异。泡壳与电极之间是真空气密封接，泡壳内充有放电气体。气体放电灯不能单独接到电路中去，必须与触发器、镇流器等辅助电器一起接入电路才能启动和稳定工作。第五十六页，共105页。放电灯的启动通常要施加比电源电压更高的电压，有时高达几千伏或几万伏以上放电灯的光辐射与电流密度的大小、气体的种类及气压的高低有关。一定种类的气体原子只能辐射某些特定波长的光谱线。低气压时，放电灯的辐射光谱主要就是该原子的特征谱线。气压升高时，放电灯的辐射光谱展宽，向长波方向发展。当气压很高时，放电灯的辐射光谱中才有强的连续光谱成分。第五十七页，共105页。共同特点发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高2～10倍，节能。发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。光色适应性强，改变气体成分、压力，可以得到主要在某一范围的辐射源。结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震，抗冲击。寿命长。一般比白炽灯长2～10倍。光输出维持特性好，在寿命终止时仍能提供60～80％的初始光输出第五十八页，共105页。第二章光电仪器中的常用光源光源的分类第一节光源的基本特性参数第二节热辐射光源第三节气体放电光源第四节固体发光光源第五节激光器第六节紫外光源第五十九页，共105页。第四节固体发光光源应电子仪器的固体化、小型化和集成化的需求，要求光源固体化（没有灯泡）场致发光（电致发光）固体发光材料在电场作用下直接将电能转化为光能的发光现象固体发光材料：Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物种类——按形态分粉末场致发光光源（直流或交流）薄膜场致发光光源（直流或交流）结型场致发光光源（发光二极管）第六十页，共105页。种类——按激发过程注入式电致发光由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子和空穴在晶体内再复合时发光的现象。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（LED）本征电致发光高场电致发光荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复基态时辐射发光低能电致发光指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励发光现象第六十一页，共105页。低能电致发光现在尽管还不能直接用来照明，却是一种十分理想的暗间显示光源。如飞机、轮船仪表的显示，夜间障碍物、电影院安全门与座位指示等高场电致发光与LED被认为是大屏幕显示最有前途的发展方向第六十二页，共105页。交流粉末场致发光光源将荧光粉悬浮在介电系数很高、透明的胶合有机介质中，并将之夹持在两电极之间而构成脉冲激发的发光峰衰减时间常数为微秒量级能连续工作约1000小时采用不同的荧光粉可获得红、蓝、黄、绿等各色光显示。

第六十三页，共105页。直流粉末场致发光光源结构基本与交流粉末器件相似，但其荧光粉的涂层是导电的CuS正常使用前必须在两电极上施加短暂作用的高电压脉冲器件功率转换效率仅0.1%，但发光亮度高达300cd/m2（V=100V）第六十四页，共105页。直流薄膜场致发光光源发光层夹在两平板电极间，两电极至少一个是透明或半透明的发光层无绝缘介质，直接和电极接触，加之薄膜只有1微米左右，在直流、低压下可发光第六十五页，共105页。交流薄膜场致发光光源发光层和平板电极间多了层介质，只有在交流激发下才能发光工作电压100-300V，发光效率0.1%，寿命在5000小时以上（有报道称>2万小时）第六十六页，共105页。发光二级管LEDLED的发光机理

正向偏压的p-n结：两极向PN结注入电子和空穴，电子和空穴在节区复合，发光又称注入式场致发光光源pnV第六十七页，共105页。LED特性及参数伏安特性正向开启电压：GaAs：1VGaAsP：1.5VGaP：1.8～2V反向击穿电压：一般在-5V以上。晶格中的电子被强拉出来参与导电。IFVFcba第六十八页，共105页。量子效率注入的载流子一部分复合，一部分不复合。复合的一部分以发光形式释放能量，一部分将能量变成晶格振动的热能。区别于一般辐射源用输出与输入能量比值来表示光效率。内量子效率：产生的光子数与注入的电子空穴对数之比。外量子效率：射出的光子数与注入的电子空穴对数之比。第六十九页，共105页。由于半导体材料折射率较高，如GaAs的折射率为3.6，临界角很小（16.1。），大部分光在材料表面都被全反射回去，故外量子效率很低。解决办法：将PN界封在圆球形透明高折射率塑料球心处第七十页，共105页。发光与电流的关系电流密度小:光出射度与电流密度呈线性关系电流密度过大:由于PN结发热，复合率降低，光出射度出现饱和趋势。第七十一页，共105页。发光与环境温度的影响环境温度高，LED散热慢，结温升高，复合几率下降，光亮度下降。第七十二页，共105页。响应时间发光二极管发光或熄灭时对输入脉冲电流的延迟时间。上升时间随电流的增加呈指数减小。GaP：100μs间接跃迁材料GaAs1-xPx：n个ns直接跃迁材料第七十三页，共105页。光谱特性发光二极管发出的波长和带宽主要取决于发光材料及其掺杂材料，主要分布在可见光和红外区发光波长实际发射的光具有一定的带宽（半宽度约0—30nm）。第七十四页，共105页。寿命电流密度小于1A/cm2，106h（100年）；亮度随时间变化：。τ为老化时间常数，为106hA/cm2。第七十五页，共105页。LED的驱动电路调制频率可达几十兆。LED的供电电路中一般要加限流电阻以限定其最大工作电流。工作状态直流状态交流状态脉冲状态线性变换状态第七十六页，共105页。科5第七十七页，共105页。第二章光电仪器中的常用光源光源的分类第一节光源的基本特性参数第二节热辐射光源第三节气体放电光源第四节固体发光光源第五节激光器第六节紫外光源第七十八页，共105页。第五节激光器基本概念工作原理激光模式高斯光束激光器类型第七十九页，共105页。基本概念受激吸收：类似于本征吸收，电子吸收外来光子后由低能态跃迁到高能态第八十页，共105页。自发辐射：

类似于复合时发光，电子从高能态回落到低能态，释放出一个光子第八十一页，共105页。受激辐射：低能态能量为E0，若电子（原子）处于高能态E1，当一能量恰好满足的入射光子经过该电子（原子）附近，处于高能态的电子（原子）就会跌落到低能态并辐射出与入射光子完全相同的光子来，而原入射光子不损耗（光放大）完全相同的光子是指频率、相位、偏振态和传播方向都完全一样（受激辐射是相干的）。第八十二页，共105页。粒子数反转：物质处于热平衡状态下，高能态的粒子数远少于低能态粒子数，一能量为hv=E2-E1的光子入射，引起受激吸收的概率要远大于受激辐射的概率，受激吸收占主导，入射光因吸收而衰减;只有让高能态粒子数多于低能态粒子数，入射光子引起受激辐射的概率才会大于受激吸收的概率，光子不但不被吸收反而得到放大。第八十三页，共105页。泵浦为实现粒子束反转，把粒子由低能态抽运到高能态的行为泵浦需要泵浦激励源激励方式：光泵：固体激光器、燃料激光器电激发：气体激光器其它激发：热激发、化学激发、核激发第八十四页，共105页。工作原理组成最简单的激光器由增益介质、泵浦源和谐振腔组成谐振腔作用：提供光学正反馈、控制振荡光束方向光在增益介质中来回一次所产生的增益必须大于各种损耗（反射镜透射损耗、衍射损耗、几何损耗）第八十五页，共105页。第八十六页，共105页。激光的模式驻波条件

光波在腔镜上来回反射并发生干涉，为在腔内形成稳定的振荡，需满足相长干涉条件：光波在腔内沿轴线来回一周的光程为λ的整数倍谐振频率：相邻纵模的频率间隔第八十七页，共105页。纵模：

每一个腔对应的谐振频率都有无数个但激光工作物质的荧光谱线线宽却是有限的因此，激光器的纵模数也是有限的，当腔长L越短，纵模的频率间隔越大，激光器纵模数越少，频宽越窄，单色性越好。第八十八页，共105页。横模在横向上不同的光场稳定分布第八十九页，共105页。第九十页，共105页。高斯光束横截面上振幅服从高斯分布光斑半径：振幅减小到中心值1/e处的r值第九十一页，共105页。光斑半径在激光传播方向上按双曲线规律扩展。ω0为束腰，Z0为从束腰处到21/2束腰处的距离束腰越小，光束越发散，准直光束的一般都较大第九十二页，共105页。激光器类型气体（氦氖、氩离