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光电子技术（1）,课程的性质和目的,是光物理方向的一门专业技术基础课程，讲述常用光电子技术、器件及其原理、理论。为同学们今后从事光电子技术、器件研究和开发及理解新型光电子器件打下基础。,前期课程要求,本课程是一门综合性较强的课程，涉及的前期课程包括量子力学、 固体物理、半导体物理、激光原理、激光技术、物理光学、电子技 术等。,光电子技术（1）,课程教学要求,1 希望同学们能满勤听课。,2 上课时关闭一切通讯器件，如手机。,3 教学内容的深度、广度以及顺序 可能与参考书不 一致，教学内容有较多的增加。是否记笔记，由各 位同学自己掌握，讲稿将上网，可以网上浏览，但 不能下载、复制。,4 考试方式：笔试。成绩参考平时作业,主要参考书,杨经国等编著，光电子技术，四川大学出版社,光电子技术（1）,第一章 常用电光源,1.1 辐射度量与光度量及其单位,辐射度量学描述整个电磁波谱范围的电磁辐射，以辐射能量或 辐射功率为基本量。而光度学描述可见光谱范围的电磁辐射， 以光强为基本单位。光只是电磁波谱范围内一小段波谱。,一、辐射度量及其单位,1、辐射能和单位,辐射能指传播的电磁波的能量，用Qe表示，单位为焦耳， 符号为J。它是辐射度量学的基本量之一. 辐射能用于度量脉冲辐射较方便。每个脉冲的能量。,（一）、复色辐射度量及单位,光电子技术（1）,2、辐射功率（通量）和单位,辐射功率（通量）定义为单位时间内辐射的电磁波能量，单位为焦耳/秒，即瓦特，符号w。辐射通量用于度量连续辐射较方便。数学表示：,3、辐射强度和单位,辐射强度是对点光源而言的，它定义为点发光源在给定方向上 单位立体角内的辐射功率，单位W/Sr。数学表示：,光电子技术（1）,式中，为球坐标系中的方位角。,4、辐射出射度和单位,辐射出射度是对扩展发射源定义的。它定义为单位面积辐射源 所辐射的辐射通量。单位为：瓦/米2（W/M2)。数学表示：,5、辐射亮度和单位,辐射亮度也是对扩展光源定义的。它定义为在给定方向上由单位 投影面积辐射源向单位立体角内辐射的通量。单位为瓦/米2/球面度， 符号为W/Sr/M2。数学表示：,光电子技术（1）,6、辐射照度和单位,辐射照度对辐射接受体定义，它定义为单位接收面积上所接受 到的辐射通量，单位为瓦/米2，符号W/M2。数学表示：,（二）、光谱辐射度量及单位,1、单色辐射能和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射能。单位为J/M，数学 表示：,2、单色辐射通量和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射通量，单位为W/M， 数学表示：,3、单色辐射强度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射强度，单位为W/Sr/M， 数学表示：,光电子技术（1）,光电子技术（1）,4、单色辐射出射度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射出射度，单位为W/M3， 数学表示：,5、单色辐射亮度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射亮度，单位为W/Sr/M3， 数学表示：,光电子技术（1）,6、单色辐射照度和单位,定义为某一波长处单位波长间隔内的辐射照度，单位为W/M3， 数学表示：,（三）、光谱辐射度量及积分（复色）辐射度量的关系,任一光谱辐射度量Xe()与其对应的复色辐射度量Xe之间通过积分 关系连接：,二、光度量及其单位,所谓光度量指描述人眼可见电磁波段范围的电磁辐射的量。可 见电磁辐射通常称为“光”，所以，把描述可见电磁辐射的量称 为光度量。光度量采用与辐射度量完全不同的另一套单位。,（一）、人眼的视觉特征,光电子技术（1）,光电子技术（1）,人眼就象一个探测器，它对不同波长的电磁辐射具有不同的灵敏 度。研究发现人眼对540*1012Hz或555nm的电磁辐射最灵敏，即 人眼对这一波长的单位辐射通量所产生的响应最大。国际照明委 员会规定这一最大响应值为683（流明/瓦）,1、光视效能,人眼对不同波长的单位辐射通量的响应，称为光视效能，用K() 表示，其最大值为Km=683（流明/瓦）(lm/W)。,2、光视效率,归一化光视效能称为光视效率，记为V ()，显然， V ()= K()/ Km,（二）、光度量及单位,1、复色光度量,(1)、光通量v,它定义为光源单位时间内辐射的光功率，符号为v，单位为流 明（lm）。基本单位组合表示为Cd.Sr，即1lm=1Cd.Sr,光度学中的基本量选为发光光强，其单位为坎德拉，简称坎， 符号为Cd。“坎德拉”是国际单位中七个基本单位之一。 一“坎德拉”定义为：点发光源向给定方向发出 540*1012Hz或 555nm的电磁辐射，其辐射强度为1/683W/Sr。 其它光度量的单位只能是“坎”和其它基本单位的组合。,光电子技术（1）,它是光度学的基本量，单位为坎德拉。,(2)、光量Qv,它定义为光源辐射的光能量，单位lm.s,(3)、光强度Iv(,),(4)、光出射度Mv,定义为面光源单位面积发射的光通量，单位lm/m2.数学表示：,光电子技术（1）,光电子技术（1）,(5)、发光亮度Lv,定义为单位投影面积光源向单位立体角内发射的光通量，单位 为坎/米2，记Cd/m2，又称尼特，符号nt。数学表示：,(6)、光照度Ev,定义为单位接受面积上所接收的光通量，单位为lm/m2，又称 勒克斯（Lux)。数学表示：,式中*号表示接收有关的量。,光电子技术（1）,2、单色光度量,与光谱辐射度量定义类似，同样可以定义单色光度量，Qv()， v()， Iv()，Mv()，Lv()和Ev()六个单色光度量。,3、单色光度量与复色光度量的联系,任一单色光度量Xv()与其对应的复色光度量Xv之间存在关系：,三、光度量与辐射度量的转换,光电子技术（1）,光度量与辐射度量之间通过光视效能联系起来。,光视效能 K(),单色辐射度量 Xe(),单色光度量 Xv(),X,复色辐射度量 Xe,复色光度量 Xv,复习,复习,1、辐射度量定义、单位、辐射度量学的基本量？,2、单色辐射度量定义及其与复色辐射度量的关系？,3、光视效能与光视效率的意义？,4、光度量定义、单位、光度学的基本量？,5、光度量与辐射度量间的转换？,6、一个发光强度单位的国际定义？,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,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：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、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, 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、初始电子的发射方式、弧光与 辉光放电？,8、气体放电光源的优点及放电伏安特性？,9、直流、低频和高频放电灯的稳流方式？,光电子技术（3）,5、气体放电灯的启动,正常的工作电压通常并不能使气体放电，而需要一个起始的 高压(Vz)来使气体产生预电离，并跨过非自持区，进入自持 区。,启动方法：高压启动(储能的瞬间释放)，高频高压启动(线圈耦合).,二、常用气体放电光源,分类：低压和高压气体放电光源两类。,气压影响：发射光谱、光色和发光效率等。,低气压气体放电灯：气压在10-1-10-2乇的气体光源。其光谱 特点是表现为工作原子或分子的发射谱线，即线状光谱，带 有明显的特征颜色，显色性不好。,光电子技术（3）,高气压气体放电光源：气压大于一个大气，其光谱特征为工作气体的原子或分子谱线展宽，并迭加在较强的连续背景光谱上。显色性较好。通常发光效率随压力增加而提高。,1、低压气体放电光源,（1）、低压汞灯,低压汞灯规格多、用途广。主要有两类：冷阴极辉光放电型和 热阴极弧光放电型。前者主要用作紫外光源，用于消毒、杀菌。 后者通过光谱转换后用于照明。,汞的主要辐射为253.7nm，发光效率很低。通常利用荧光粉转 换此光谱能量到需要的波段，即二次发射。如照明用就要转换 到可见区。诱杀害虫就要转换到370nm。,光电子技术（3）,（2）、低压钠灯,钠的共振辐射在人眼的敏感辐射区，不需要象汞灯那样二次 转换光谱。所以发光效率较高。 小功率钠灯主要用于光谱仪器中单色光源，大功率（45瓦） 钠灯主要用于指示、信号照明光源，如航标灯，矿井，码头等,（3）、其它低气压气体放电光源,主要有氢灯、氪灯、氢弧灯、原子光谱灯。用于各种光谱仪器中。,氢和氪灯属辉光放电灯，发射氢和氪原子光谱线。,氢弧灯：弧光放电，发射1800-4000唉的连续光谱。,原子光谱灯：又称空心阴极等，即阴极做成圆筒状，属辉光放电， 工作气体为惰性气体。 特点：稳定性好，谱线窄、强。,光电子技术（3）,汞齐灯：汞和镉、锌三种金属蒸气的弧光放电，使得光谱线在 紫外、可见区更丰富。,（4）、碳弧,一种特殊的气体放电光源-开放式电弧。,分类：普通电弧、火焰电弧和高强度碳弧。,放电发射：电极之间的空气击穿，主要在灯芯发光。其中火焰碳 弧还添加其它金属化合物。如钙、铁、钡、镉等的化合物。,电极结构：外壳(阴极，硬)和灯芯(阳极，软)，用纯碳素制造。,光谱：碳元素连续谱与空气和其它添加物的光谱的混合。,普通和高强度碳弧直流供电，而火焰碳弧交、直流供电均可。,光电子技术（3）,2、高压气体放电光源,常用的高压气体光源主要有：高压汞灯、超高压汞灯、金属卤 化物灯、高压钠灯和脉冲氙灯等。,（1）、高压汞灯,充1-5大气压的汞蒸气。光效率显著增加。,光谱特性：谱线加宽，连续背景加强、自吸收谱线形成，使紫 外辐射大大减弱，可见成份加强。,(2)、超高压汞灯,气压上升到10-20大气压，自吸收进一步加强，紫外共振辐射 几乎全部吸收，光效显著增强。,光电子技术（3）,光谱特性：具有连续辐射谱线特征。,用途：用于光学仪器和投影系统。,（3）、高压钠灯,充2000-2500乇钠蒸气，共振辐射的自吸收增强，转换为长波 发射，所以，光谱展宽，光色变好。发光效率近120lm/W。,用途：城市街道照明。,（4）、金属卤化物灯,汞蒸气与某种金属的卤化物（主要是碘化物）混合，以改善汞 灯的发光效率和光色。然而，此处汞并不参与发光，主要起如 下三方面作用：（1）提高光效；（2）改善电特性；（3）改善 启动特性。,光电子技术（3）,发光原理：启动点燃放电 加热泡壳 金属卤化物蒸发 向弧中心扩散 在高温区分解 金属发光 电弧中的金属和卤素原子向外扩散 在玻璃壳区再形成金属卤化物。,常见卤钨灯,a、铊灯：碘