光电子技术LectureNew.ppt

1、光电子技术（2）,四、发光效率,发光效率是对人造光源而言的，指光源所发出的光通量与输入的 功率之比。 对电光源，发光效率指发出的光通量与电光源消耗的电功率之比。,用辐射度量和光度量表示：,光电子技术（2）,式中,显然，1表示消耗功率P后转换为可见光谱范围的电磁辐射的效 率，2表示可见光谱范围的辐射功率转换为光通量的效率。通常 称2为理想光效。,1.2 热辐射描述与光源,一、热辐射性质,1、基尔霍夫定律,任何物体总是在不断地向外辐射能量，同时也在接收外来 的辐射能量。接收的能量大于发射的能量，此物体的温度 升高，反之，温度下降。当接收与辐射达到平衡时，物体 的温度保持恒定。所以，温度是度量物体热

2、辐射平衡的一 个参数。,（1）辐射本领Me(,T),光电子技术（2）,光电子技术（2）,描述物体热辐射能力，物体的辐射本领用它的光谱辐射出射 度表示：,（2）吸收本领 (,T),描述物体吸收辐射的能力，定义为物体吸收的在到+d范 围的辐射通量与入射的同一光谱范围的辐射通量之比：,光电子技术（2）,通常，Me(,T)和(,T)的分布不仅随T变化，而且随物体的 性质而变化，并且变化可能千差万别，然而，基尔霍夫定律 表明：任何物体的发射本领与其吸收本领之比是一个与物体 性质无关的普适函数，这个普适函数只依赖和T两个变量。 即：,这个普适函数就是黑体的辐射分布公式，它困扰了19世纪的科 学。同时导致了

3、量子力学的诞生。能量量子化正是普朗克为了 导出与黑体热辐射实验结果一致的理论公式过程中提出来的。,光电子技术（2）,2、黑体辐射,（1）、黑体,黑体指吸收本领(,T)恒为1的热辐射体。,定义物体的发射率为物体的辐射本领与黑体的辐射本领之比：,上式表明好的发射体也是好的吸收体，同时也表明实验上只需 测量发射率或吸收本领之一，通常对发光源测量发射率较方便， 而不发光的物体，测量吸收本领较方便。,（2）黑体辐射本领普朗克辐射公式,光电子技术（2）,式中C1=2hc2=(3.7418320.000020)*10-16 W m2 C2=c h/k=(1.438786 0.000045)*10-2 m K

4、,黑体辐射性质：（1）单峰结构；（2）辐射能量随温度增加， 存在关系Meb(T)=T4；（3）峰值波长随温度升高蓝移，存在 关系mT=a=2898m K。,3、热辐射体分类,分为黑体、灰体和选择辐射体,光电子技术（2）,4、色温和相关色温,色温是用黑体的温度来标度普通热辐射源的温度。 色温：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色完全一样， 则称该热辐射体的色温为T；,相关色温：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色最接近， 则称T为该黑体的相关色温。,二、常用热辐射光源,1、白炽灯,钨丝加热发光，玻壳内充氩或氮汽。,特点：电流大、温度高、色温高，显色性好，正电阻性。,光电子技术（2）,缺点

5、：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，卤素与钨反应：,W+X2 WX（气态）,T+,T-,灯丝附近温度高，钨蒸汽压高，抑制钨蒸发。在玻璃壳附近， 温度较低，形成WX，阻止钨沉积在玻璃壳上而损耗。所以， 卤钨反应抑制了钨损耗，延长了钨丝的寿命。,与白炽灯比较，卤钨灯特点：（1）体积小；（2）光通量稳 定。（3）光效率高，20-30流明/瓦；（4）色温高，达3300K； （5）寿命长。,光电子技术（2）,3、标准照明体,4、标准光源,标准照明体指特定的光谱功率分布。,CIE针对不同的用途定义了不同的标准照明体，其中常用的三 种标准照

6、明体为：,标准照明体A：温度为2856K的黑体所发出的光谱,标准照明体B：相关色温约为4874K的直射阳光的光谱,标准照明体C：相关色温为6774K的平均日光的光谱,标准光源指实现标准照明体的发光源。常用标准光源有三种,（1）黑体,光电子技术（2）,根据黑体辐射本领可得其辐射亮度，,由此辐射公式可得各种色温的光谱功率分布，因此，它是初级 标准光源。但是，直接使用它不方便。常使用通过它校正过的 其它次级标准光源。如钨带灯、碳弧等。,（2）、钨带灯,钨带灯由2*0.05*L mm3尺寸的钨带发光，封装在真空或充惰 性气体的玻璃壳内。对紫外标准光源，需要开一石英窗口。 钨带灯为低压大电流供电，需要稳

7、流。,只要知道了钨的发射率(,T)，就能通过黑体的光谱求得钨带,光电子技术（2）,灯的光谱亮度：,（3）、钨管灯,又名钨管黑体灯，由厚度约25m的钨皮，卷成直径约2mm的 钨管，管长约45mm，管芯装一钨丝，钨管一端开1mm孔径， 钨丝通电发光从此孔射出。钨管放入真空或充氩汽的玻璃壳内。 钨管灯在可见区的发射率很高，是最接近黑体的一种灯。是一 种良好的标准光源。,光电子技术（2）,1.3、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产生的放电现象。气体放电 的种类很多，但在光源中用得较多的是辉光和弧光放电两类。,气体放电灯结构：放电气体、阴极、

8、阳极和玻璃罩,气体放电发光的基本过程：,、初始电子加速,、加速电子与气体分子碰撞，能量传给气体分子，使其激发、 跃迁到高能级,光电子技术（2）,、受激发分子返回基态时，发射光子，即发光。 发射波长：,E=E2-E1， E2、E1分别为分子激发态和基态能量。,初始电子由阴极发射产生，阴极发射方式主要有三种：,、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。金属热发射电流密度：,式中A0=4emek2/h3，为金属的逸出功,光电子技术（2）,上式表明，升温或降低金属逸出功，均有利提高发射电流。 热电子发射是弧光放电的主要形式之一。,、正离子轰击发射,正离子轰击

9、就是利用高动能的正离子轰击阴极，使阴极发射电 子，它是辉光放电的主要形式，又称冷阴极发射。由于冷阴极 发射效率很低，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。,、场致发射,场致发射就是对阴极表面施加强电场，克服逸出功，使大量的 电子发射。它是目前正在研究、应用于平板显示的一种技术。,光电子技术（2）,2、气体辐射,根据能带理论，当施加强电场时，能带会发生弯曲，从而降 低了表面的逸处功。,电子从阴极到达阳极过程中要与气体分子发生复杂的相互作用,

10、气体分子被加速电子轰击后会跃迁到高能级或电离，处于激发 态的分子不稳定，会自发辐射返回基态，并发射出光子，光子 能量为：,式中E光子能量，单位电子伏特，为光子波长，单位微米。EH为 分子的高激发态电位，EL为低激发态电位。所以不同物质的分子能 发射不同颜色的光。,光电子技术（2）,共振辐射：从激发态向基态跃迁的辐射。,气体放电光源的优点：（1）可获得高色温，不像热辐射光源 色温受灯丝熔点限制。（2）辐射光谱可选择性好，只要选择 适当的发光材料即可；（3）发光效率远比热辐射的高； （4）寿命长，寿命期内光通量稳定。,3、气体放电的伏安特性,4、气体放电灯的稳流,直流供电用电组稳流,低频交流供电用电感,高频交流用电容稳流,复习要点,1、人造光源的发光效率与理想光效？,2、发射本领、吸收本领与基尔霍夫定律？,3、黑体概念、黑体辐射分布特点？,4、热辐射体分类、色温与相关色温？,5、卤钨灯结构、卤钨循环原理及卤钨灯特点？,6、标准照明体、标准光源、A、B、C标准照明体？,7、气体放电发光的工作原理、初始电子的发射