《光电子技术绪论》PPT课件.ppt

1、光 电 技 术,机电工程系 刘金桂,教学内容：1.掌握电磁波的特性和辐射度学基本物理量 的意义和单位。 2.掌握光度学基本知识。 3.了解热辐射基本规律。 4.掌握辐射度参数和光度参数的换算关系 5.了解半导体的光电效应 重点：辐射度参数和光度参数的物理意义及换算关系。 难点：光度学基本知识。 学时：4学时,第1章 光电技术基础,本节课主要内容,1.1光辐射的度量。 1.2光辐射的分布和量子流速率。,一、电磁波谱与光辐射,1.电磁波的性质与电磁波谱 光是电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化的磁场（或变化电场），这种变化的电场和变化的磁场不

2、断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。,1.1光辐射的度量,电磁波具有以下性质：, 电磁波的电场 和磁场 都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。和传播方向构成右手螺旋系。 沿给定方向传播的电磁波， 和 分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。 空间各点 和 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。 任一时刻，在空间任一点， 和 在量值上的关系为 。 电磁波在真空中传播的速度为 ，介质中的传播速度为 。,电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到 射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达

3、104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。,2. 光辐射 以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm 1mm，或频率在31016Hz31011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。波数的单位习惯用cm-1。 可见光：通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390770nm范围的

4、光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。,紫外辐射：紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是10390nm。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。 红外辐射：波长在0.771000m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。,二、辐射度学与光度学基本知识,为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。 在辐射度单位体系中，辐通量（

5、又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。 光度单位体系是一套反映视觉亮暗（生理）特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。,以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。,1. 辐射量 辐射能：辐射能是以辐射形式发射、传输、接收的电磁波能量。辐射能一般用符号Q

6、e表示，其单位是焦耳（J）。 辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即 (1-1) 单位：瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。, 辐射出射度：辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即 (1-5) 单位：W/m2。,辐射强度。辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，即 (1-10) 单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。,对可见光，与式（1-10）类似，定义发光强度为 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。,（1-13）,（

7、1-14）,发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎cd。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为： 在给定方向上能发射5401012Hz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。 由式（1-13），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=4I12.566 lm。, 辐射亮度：辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。用面光源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。如

8、图2所示。 (1-15) 式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。 单位：瓦特/球面度米2（W/srm2）。,若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，这样的光源称为余弦辐射体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 余弦辐射体的辐出度Me与辐亮度Le、光出度Mv与亮度Lv的关系为：,光学系统,余弦辐射体,辐射照度：在辐射接收面上的辐照度定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即 (1-22) 单位：（W/m2）。 单色辐射度量：对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长

9、间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足 (1.2-10),（7）.辐照量和曝光量,辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。 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，即,（1-29）,辐照量He的计量单位是焦尔每平方米 J/m2。,如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（1-29）可简化为,（1-30）,与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即,（1-31）,Hv的计量单位是勒（克司）秒lx.s。,如果面元上的光照度

10、Ev与时间无关，式（1-31）可简化为,2. 光度量 由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用 与 辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完全一一对应，其关系如表1所示。 与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。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。,表1：常用辐度量和光度量之间的对应关系,1.2 光谱辐射分布与量子流速率,1.2.1 光源的光谱辐射分布参

11、量 1.光谱辐射量光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度Xe,，简称为光谱辐射量，即,式中，通用符号Xe,是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度Me,、光谱辐射强度Ie,、光谱辐射亮度Le,、光谱辐照度Ee,等。,（1-32）,同样，以符号Xv,表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为光度量的光谱密集度，简称为光谱光度量，即,式中，Xv,代表光谱光通量v,、光谱光出射度Mv,、光谱发光强度Iv,和光谱光照度Ev,等。,（1-33）,光源的辐射度参量Xe,随波长的分布曲线称为该光源的绝对光谱辐射分布曲线。,2.光源相对光谱辐射分布 该曲线任一波长处的Xe,除以峰值波长max处的光谱辐射量最大值Xe,max的商Xe,r，称为光源的相对光谱辐射量，即,（1-34）,相对光谱辐射量Xe,r与波长的关系称为光源相对光谱辐射分布。,光源在波长12 范围内发射的辐射通量,（1-35）,若积分区间从1 =0到2 ，得到光源发出的所有波长的总辐射通量,3.比辐射qe 光源在波长1 2 之间的辐通量e与总辐通量e之比称为该光源的比辐射qe，即,式中，qe没有量纲。,（1-36）,（1-37）,1.2.2 量子流速率,光源发射