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光机电测控技术基础,任课教师:严晗 武汉理工大学 机电工程学院,第2章 光电技术基础,目录 2-1 光的基本概念 2-2 光辐射与热辐射 2-3 光源的基本特性参数 2-4 光电技术中的光源 2-5 光路分析的基本规律 2-6 光辐射调制概述,当辐射从外界入射到“不透明”（不限于可见光不透明）的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。需要强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。 (1) 吸收比 被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用表示。 (2) 反射比 反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用表示。对于不透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即,2-2 光辐射与热辐射,黑体辐射,(3)黑体 若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。它没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。,2-2 光辐射与热辐射,(4)白体 对于不透明的物体，当反射系数为1时，称为白体或镜（面反射）体。现实中的物体介于黑体、白体之间。 (5) 灰体 当某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下所有各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看作是灰体，其发射率为介于0与1之间的正数。 发射率是物体通过表面向外辐射的电磁能与同温度的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的比值。,2-2 光辐射与热辐射,描述物体的辐射与吸收的关系,热平衡状态时，物体从周围吸收辐射的能量恰好等于本身发射辐射而减少的能量，物体就处于热平衡状态。此时，物体的状态可用一个确定的温度T 来表征。 基尔霍夫定律：在任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的辐射本领M(,T )和吸收率(,T ） 的比值与物体的性质无关；只是波长及温度T 的函数；且恒等于同温度绝对黑体的辐射本领：,基尔霍夫定律,2-2 光辐射与热辐射,描述点源的辐照度与距离关系,点光源向空间辐射时一般是球面波。 点光源在传输方向上某点的辐射照度和该点到点光源的距离平方成反比：,当实际光源不能看成点源时，上式计算结果有较大误差。当把 (光源的半径)时，近似有,距离平方反比定律,2-2 光辐射与热辐射,普朗克定律,描述黑体的光谱辐射出射度与波长、绝对温度直接的关系,黑体光谱辐射出射度为：,式中 h普朗克常数,k玻尔兹曼常数,c光速,2-2 光辐射与热辐射,每条曲线都有一个峰值，随着温度的升高，此峰值向短波方向移动,普朗克曲线,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 外光电效应：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。,2-2 光辐射与热辐射,光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象 温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流,光热效应,2-2 光辐射与热辐射,光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。在成份分析、结构研究、光电检测、照明设计等方面，都离不开一定型式的光源。 在光电系统中，光源往往起着关键的作用，正确选择光源，对设计光电系统和解决具体光电检测问题有重要意义。,2-3 光源的基本特性参数,自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。,光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：,混合光谱,低压汞灯、激光,高压汞灯、高压钠灯,荧光灯,热辐射光源、白炽灯,光谱功率分布（相对光谱功率分布）,2-3 光源的基本特性参数,线状光谱,带状光谱,连续光谱,光谱功率分布应由测量对象的要求来决定,在目视光学系统中，采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。 对于彩色摄影用光源，为了获得较好的色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。 在紫外分光光度计中，通常使用紫外辐射较强光源。 紫外光刻系统中，采用365nm波长谱线辐射较强的光源，高压汞灯。,2-3 光源的基本特性参数,光源是一门专门技术学科，涉及光学、原子物理、电真空和色度学等多门知识，内容非常丰富。而且，随着光源技术的发展，可提供光电探测用的光源品种也日趋增多。 热辐射光源 气体放电光源 固体发光光源 激光器,2-4 光电技术中的光源,一、热辐射光源,热辐射光源三个特点： (1)它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制它们发光或辐射性质； (2) 发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，但紫外辐射和可见光辐射含量很少； (3)采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。 应用：热辐射光源除了用作照明或在各种光学和光电探测系统中充当一般光源外，还可用作光度或辐射度测量中的标准光源或标准辐射源(辐射定标)。其作用是完成计量工作中的光度或辐射度标准的传递。这在光学和光电检测中是必不可少的。,2-4 光电技术中的光源,1. 人造黑体辐射源,光谱范围：红外光区(0.75m2.5m或0.75m 6m),结构 辐射源：铜或不锈钢圆筒内有圆锥腔 绝缘层：石棉和硅酸盐水泥 加 热：电阻丝加热 温 度：温度计、自动控温仪 光 阑：黑体辐射输出,2-4 光电技术中的光源,2白炽灯,2-4 光电技术中的光源,发射连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2。,白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年，美国的爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。 现代的钨丝白炽灯到1908年才由美国发明家库利奇试制成功。发光体是用金属钨拉制的灯丝，这种材料最可贵的特点是其熔点很高，即在高温下仍能保持固态。一只点亮的白炽灯的灯丝温度高达3000。正是由于炽热的灯丝产生了光辐射，才使电灯发出了明亮的光芒。 因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体，并在灯泡的玻璃表面上沉积，使灯泡变黑，所以白炽灯都被造成“大腹便便”的外型，这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较大的表面上弥散开。否则的话，灯泡在很短的时间内就会被熏黑了。由于灯丝在不断地被升华，所以会逐渐变细，直至最后断开，这时一只灯泡的寿命也就结束了。,2-4 光电技术中的光源,二、气体放电光源,利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。 气体放电原理：密封在泡壳内的气体或金属气体在电场的作用下激励出电子和离子，电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射，这就是气体放电原理。 优点： 发光效率高，比同瓦数白炽灯高2倍以上； 不用灯丝发光，具有牢固、结构紧凑优点； 寿命长，比白炽灯长10倍； 光色适应性强。 有较强的竞争力，在光电技术和照明工程中得到广泛的应用。,2-4 光电技术中的光源,1. 汞灯,汞灯又称水银灯，是利用汞蒸气放电发光而制成的。按汞蒸气压的不同可分为低压、高压和超高压三种。,2-4 光电技术中的光源,（1）低压汞灯,管内气压为10-410-5大气压。 放电时主要辐射两条共振辐射线：253.7nm和185.0nm。共振辐射线是指原子从激发态跃迁到基态时所发出的辐射，即主要是汞元素原子的特征谱线。 应用：光谱仪的波长基准、紫外杀菌、光化学反应及荧光分析等。,2-4 光电技术中的光源,（2）高压汞灯,灯内的汞蒸气压约为15个大气压，由于在高气压时相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，产生了谱线的压力加宽和多卜勒加宽，辐射的光谱中有很强的连续成份，紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加。 高压汞灯的发光效率达64lm/W， 应用：照明、光学仪器、光化反应、紫外线理疗、荧光分析等方面。,2-4 光电技术中的光源,（3）超高压汞灯,灯内的汞蒸气体大于10200个大气压。随着汞蒸气压的提高，原子激发到高能级的几率增大，紫外辐射减弱，共振辐射几乎全部被吸，可见光谱线加宽。连续背景谱线明显加强，红外谱辐射增强。 球形超高压汞灯中的电极距离为毫米级，放电电弧集中在电极之间。因此电弧的亮度很高，常应用于光学仪器、荧光分析和光刻技术等方面。,2-4 光电技术中的光源,（4）日光灯（又称荧光灯） 日光灯管两端装有灯丝，玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉，管内被抽成真空度10-3-10-4毫米汞柱后，充入微量的氩和稀薄的汞蒸气。汞蒸气电离导电产生紫外线而激发萤光粉发出柔和的可见光。 日光灯会发出许多美丽有色的光。这就是由荧光粉里所含的化学药品的性质来定了，例如涂上钨酸镁的，发蓝白色光，涂上硼酸镉的发淡红色光。,2-4 光电技术中的光源,（5）节能灯,节能灯，又称为省电灯泡、电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体式荧光灯，是指将荧光灯与镇流器（安定器）组合成一个整体的照明设备。节能灯的尺寸与白炽灯相近，与灯座的接口也和白炽灯相同，所以可以直接替换白炽灯。节能灯的光效比白炽灯高得多，同样照明条件下，前者所消耗的电能要少得多，所以被称为节能灯。,2-4 光电技术中的光源,2. 氙灯,氙灯惰性气体氙在两个钨电极之间的高压电孤放电从而发出强光的光源。 高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近，色温为6000K左有，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。,2-4 光电技术中的光源,氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种,2-4 光电技术中的光源,当氙灯的电极间距为1.5300cm时称为长弧氙灯，细管形，工作气压为1个大气压，发光效率为2530lm/w。 当氙灯的电极间距缩短到毫米数量级时称为短弧氙灯，灯内的氙气气压约为1020个大气压。该灯的电弧亮度很高，其阴极点的最大亮度可达几十万坎德拉每平方厘米，电弧的亮度在阴极和阳极距离上分布是很不均匀的。短弧氙灯常用于电影放映、荧光分光光度计及模拟等场合。 脉冲氙灯的发光是不连续的，可以在瞬时(1091012s)获得除激光以外最强的光通和亮度。它用高压电脉冲激发产生光脉冲。脉冲氙灯广泛用作固体激光器的光泵、高速摄影、航空照相、频闪观察仪器、光学仪器、激光武器等方面。,2-4 光电技术中的光源,3空心阴极灯,空心阴极灯(也叫原子光谱灯)是属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。 结构：其阴极由金属元素或其他合金制成空心圆柱型，圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。 原理：被溅散出来的阴极金属原子蒸汽，在空心阴极灯中被激发，辐射出该金属的原子特征谱线。 优点：辐射出的金属原子谱线很窄，强度很大，稳定性好。 应用：用作对微量金属元素吸收光谱定性或定量分析的光源，以及用于光谱仪器波长定标上。,2-4 光电技术中的光源,4. 氘灯,工作原理：加热灯丝，产生电子发射，当阳极加高压后，氘( )原子在灯内受高速电子碰撞而激发，从阳极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱(185500nm)。 优点：氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长。 应用：各种紫外分光光度计的连续紫外光源。,2-4 光电技术中的光源,三、固体发光光源,固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象叫场致发光，也称为电致发光。 目前常见的场致发光有三种形态，即粉末、薄膜和结型。 II一VI族化合物半导体是实际唯一的粉末和薄膜场致发光材料 III一V族发光材料在发光二极管方面有广泛应用。,2-4 光电技术中的光源,1粉末场致发光光源,按激发方式不同，场致发光光源有交流电场激发和直流电场激发两种。 (1)交流粉末场致发光光源 该器件的发光材料(通常为ZnS:Cu)悬浮在介电系数很高、透明而又绝缘的胶合介质中，并被两电极所挟持。 两电极之间通常没有一条完整的导电支路，所以不能用直流激励。当在两电极间加上交变电场时，粉末就会产生场致发光。,1-玻璃基板；2透明导电膜；3发光材料；4反射层；5背电极；6防潮树脂；7防潮盖板,2-4 光电技术中的光源,优点与缺点,与其它光源相比,它有独特的优点： (1)固体化、平板化，占地小，易于安装； (2)面积、形状几乎不受限制，因而可以通过光刻、金属电极掩蔽镀膜等方法制成任意发光图形； (3)无红外辐射冷光源，因而隐蔽件好，对周围环境没有影响； (4)视角大，光线柔和，易于观察； (5)寿命长，功耗低，发光易于电控。 缺点：亮度较低、驱动电压高、老化快等。,2-4 光电技术中的光源,(2)直流粉末场致发光光源,直流粉末场致发光光源的结构与交流情况类似，但其发光材料的涂层是导电的CuxS，而不是大量分布在中间的绝缘胶合介质。 正常使用之前，需在两电极上施加短暂的高压脉冲，使铜离子从紧挨着阳极的发光体表面上失落。,失落铜离子的表面,ZnSCu，Mn CuxS涂层,阴极,透明阳极,2-4 光电技术中的光源,应用： (1)特殊照明：仪表表盘、飞机座舱、坑道等； (2)数字、符号显示：可以做成大型的数字钟、电子称等显示； (3)模拟显示。如显示生产工艺流程和大型设备的工作状态，各种应急系统标志显示等； (4)矩阵显示，又叫交叉电极场致发光显示。主要用于雷达、航迹显示及电视等； (5)像转换及像增强器。把场致发光屏与光导材料联合使用，可以做成显像器件等等。,2-4 光电技术中的光源,2薄膜场致发光光源,将固体发光材料制成薄膜的形式，在电场的作用下出现的发光现象，称为薄膜场致发光。 优点：薄膜场致发光可以有很高的分辨率，成像质量高，显示对比度好。可制成各种形状，视角大，光线柔和，制备工艺简单，造价便宜等。 应用：在显示和显像方面是很有前途的发光器件。,2-4 光电技术中的光源,3发光二极管(LED, Light Emitting Diode ),发光二极管是少数载流子在pn结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。 加正向偏压时，在外电场作用下，在pn结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来。,2-4 光电技术中的光源,2-4 光电技术中的光源,发光二极管的基本结构,球透镜,环氧树脂,P层,有源层,N层,发光区,(a)正面发光型,微透镜,P型限制层,有源层,波导层,N型限制层,(b)侧面发光型,2-4 光电技术中的光源,发光二极管的基本结构,正极 (Ni/Au)：100nm,正极ITO层:0.2-0.8 m,p-GaN：140nm,发光层：113nm,GaN缓冲层：30nm,负极(Ti/Al)：220nm,衬底材料：75-150 m,n-GaN: 4 m,同质pn结,存在的问题： 增益区太厚(110 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度 无法对产生的光进行有效约束,同质pn结： 两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结 特点： - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成,2-4 光电技术中的光源,双异质结构,异质结,0.3 mm,不连续的带隙结构 加强对载流子的束缚,不连续分布的折射率 加强对产生光子的约束,2-4 光电技术中的光源,面发光二极管,优点：LED到光纤的耦合效率高,载流子注入,2-4 光电技术中的光源,边发光二极管,优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低,载流子注入,30,120,2-4 光电技术中的光源,化合半导体材料 - 直接带隙材料 - 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物),LED光源的材料和工作波长,单质半导体材料 - 间接带隙材料 - 不适合做光源,LED基本材料： - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：10001700 nm长波长光源 x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长,不同的材料具有不同的带隙结构，可以产生不同的波长，可应用于不同的系统,2-4 光电技术中的光源,合金比率与发光波长的关系,直接带隙,间接带隙,2-4 光电技术中的光源,LED的输出光谱,特点： 1. 自发辐射光 - LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽,- 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60120 nm,2-4 光电技术中的光源,LED的内部量子效率和内部功率,内量子效率 hint,那么LED的内部发光功率为：,2-4 光电技术中的光源,LED优势及优点,1、发光效率高 LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯5070流明/瓦，钠灯90140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。 2、耗电量少 LED单管功率0.030.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.53.5伏，电流1518毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。,2-4 光电技术中的光源,LED优势及优点,3、使用寿命长 采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达510年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。 4、安全可靠性强 发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。 5、有利于环保 LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得49年中每年几倍的节能净收益期。,2-4 光电技术中的光源,自从高亮度白光LED问世后，由于它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命的特点，在照明应用上受到各的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，取得了一些成果。 LED灯的应用是一个综合技术的应用，它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。,2-4 光电技术中的光源,四、激光器,1激光器的工作原理 组成：工作物质、谐振腔和泵浦源 常用的泵浦源是辐射源或电源。利用泵浦源能将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件。处于这一状态的原子或分子称为受激原子或分子。 当高能态粒子跃迁到低能态而产生辐射后，它通过受激原子时会感应出同相位同频率的辐射。这些辐射波沿由两平面构成的谐振腔来回传播时，沿轴线的来回反射次数最多，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大，这样，受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。,2-4 光电技术中的光源,2. 激光器的类型,按工作物质分类，激光器可分为气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。 (1)气体激光器 气体激光器采用的工作物质很多，激励方式多样，发射波长也最广。这里主要介绍氦氖激光器，氩离子激光器和二氧化碳激光器。,2-4 光电技术中的光源,a. 氦氖激光器,氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器，在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质，用高反射比的多层介质膜反射镜作为谐振腔，则可获得激光输出，输出的波长为632.8nm、1.15m、3.39m。 主要用于精密计量、全息术、准直测量等。,2-4 光电技术中的光源,b. 氩离子激光器,氩离子激光器的工作物质是氩气，在低气压大电流下工作。 连续的氩离子激光器在大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子的轰击，因此小功率放电管常用耐高温的熔石英做成，大功率放电常用高导热系数的石墨或BeO陶瓷做成。 放电管外部通常用水冷却，降低工作温度。 输出的谱线属于离子光谱线，主要输出波长有452.9nm、476.5nm、496.5nm、488.0nm、514.5nm，其中488.0nm和514.5nm二条谱线为最强，约占总输出功率的80。,2-4 光电技术中的光源,c. 二氧化碳激光器,二氧化碳激光器的工作物质主要是二氧化碳，掺入少量N2和He等气体，是典型的分子气体激光器。 激光输出谱线波长分布在911m的红外区域，典型的波长为10.6m。 二氧化碳激光器的激励方式通常有低气压纵向连续激励和横向激励两种。 应用：金属材料的切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。,2-4 光电技术中的光源,(2)固体激光器,工作物质是具有特殊能力的高质量的光学破璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。 红宝石激光器是发现最早、用途最广的晶体激光器。,工作原理：圆拄形的红宝石棒的两个端面研磨后再抛光，使两个端面相互平行，构成两面反射镜。与红宝石棒平行的是作为激励源的脉冲氙灯。脉冲氙灯的瞬时强烈闪光会聚到红宝石棒上，红宝石激光器便输出波长为694.3nm的脉冲红色激光。 激光器的工作是单次脉冲式。脉冲宽度为几毫秒量级。输出能量可达1100焦耳。,2-4 光电技术中的光源,(3)染料激光器,染料激光器以染料为工作物质。染料溶解于某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。某些染料，当在脉冲氙灯或其它激光的强光照射下，可成为具有放大特性的激活介质，用染料激活介质做成的激光器。 在其谐振腔内放入色散元件，通过调谐色散元件的色散范围，可获得不同的输出波长，称为可调谐染料激光器。 染料激光器有连续和脉冲两种工作方式。连续方式输出稳定，线宽小，功率大于1W。脉冲方式的输出功率高，脉冲输出能量可达120mJ。,半反镜,高反镜,激励光,激光,染料,2-4 光电技术中的光源,(4)半导体激光器,半导体激光器的工作物质是半导体材料。它的原理与发光二极管相似。pn结就是激活介质。 砷化镓同质结半导体激光器的结构如下左，两个与结平面垂直的晶体解理面构成了谐振腔。pn结通常用扩散法或液相外延法制成。当pn结正向注入电流时，则可激发激光。 半导体激光器光输出与电流特性曲线如下右，其中受激发射曲线与电流轴的交点就是该激光器的阈值电流，它表示半导体激光器产生激光输出所需的最小注入电流。,2-4 光电技术中的光源,根据材料及结构的不同，目前半导体激光器的波长为0.33m44m。 优点：半导体激光器体积小、重量轻、效率高，寿命超过一万小时。 应用：光通信、光学测量、自动控制等方面，是最有前途的辐射源之一。 缺点：输出像散光束，发散角大，垂直于结方向1230o，平行于结方向28o。,2-4 光电技术中的光源,光路是光源与探测器之间的光学通道 光路由光学元件和传输介质如真空或空气构成。 在光路中，光不可避免地要与物质发生作用，这种作用表现为透射、聚焦、折射、反射、衍射、干涉、偏振、散射、吸收等现象。这些作用或过程都可用于光电测量。 光信号在光路中的传播时，光的参数如幅度、相位、频率、偏振等都可能发生变化； 光束可以合路、分路、改变方向； 本节分别讲述光路分析的基本定律、光路中的光现象、光学元件、光在大气中的传播与衰减,2-5 光路分析的基本规律,1.基本光学关系式,在光电探测系统的光路分析中，用几个基本定律就可以推导出其它许多重要的关系式。在本节有关问题讨论中始终都要用到守恒定律、折射定律、反射定律和吸收定律。 1.1 守恒定律 对于波长为的辐射，将被吸收、被反射、被透射的能量分数依次记作()、()、()，可将能量守恒定律表示成 () + () + () = 1,2-5 光路分析的基本规律,1.2 反射和折射定律,电磁波在真空中的速度与在某物质中传播速度之比称为该物质的绝对折射率，即 这里e，m，为无量纲的相对介电常数、相对磁导率。 折射率随着入射波长变化的现象叫做色散,2-5 光路分析的基本规律,设光在介质中传播的距离记为x、速度记为，则光线在多种不同介质中传播的总时间 又因为i = c0/ni，故可改写为 上式的分子称为光程（OPL），等效于时间t内光在真空中的传播距离。,2-5 光路分析的基本规律,光的传播服从Fermat原理：当光从一点传播到另外一点时，它将沿着具有最短光程长度的路径传播。 Snell折射定理： n1sin1 = n2sin2 当光在两种不同折射率物体表面微元反射时，有反射定律：反射角等于入射角。 反射角、入射角为光线与面微元法线方向的夹角，在同一介质中； 而入射角、折射角则在不同介质中。,2-5 光路分析的基本规律,1.3 界面反射损失,如果非偏振辐射以非垂直的角度照射到界面上，根据Fresnel的完整方程，它的反射率随入射角1、折射角2的变化是： 对于垂直入射的单色光，有Fresnel方程来描述反射率 根据公式，两种介质的折射率差别越大，反射也就越大； 一些专门调和的玻璃胶可以使两块同一材质的光学玻璃无反射地粘合在一起。,2-5 光路分析的基本规律,1.4 吸收定律,对吸收现象的研究建立在如下的几条假设上 入射光线是单色的； 吸收粒子（分子、原子、离子等等）的吸收行为是相互独立的； 入射辐射由平行光线构成，并与吸收介质的表面相垂直； 光束横截面经历的光程相同； 吸收介质是均匀的，且不会散射辐射； 入射通量不足于导致饱和效应。对激光来说，其光束非常强，使原子的吸收能力饱和，即容易把能够吸收光子的原子激发到激发态，从而不能更多地吸收其它光子，叫做饱和效应。,2-5 光路分析的基本规律,考虑吸收剂浓度均匀的吸收介质。设照射在吸收物薄片上的辐射通量为，而透过的辐射通量为d。当入射通量增加时，光束中被吸收的光子数目也成比例地增加，也就是说d与成正比；同样，由于与光束相作用的吸收剂的数目和薄片的厚度成db正比： d= kdb 式中的比例常数k称为吸收系数，负号表示光通量随厚度的增加而减少。设厚度从0到b的变化使得光通量从0变为，有 对上式积分，易得ln(/0) = kb，或 上式表明，随着通过吸收剂的路径增加，辐射通量（功率）按幂指数率减小，用于研究辐射在均匀介质中传播时的吸收。,2-5 光路分析的基本规律,在原子光谱分析中，k与浓度有关；在分子光谱中，k= kc，被分解成与物质组分及其浓度相关的两项。在吸收光谱中，更多的是关注透过率T =/0，或吸收度A= log(T)的测量。这样一来 或 即吸收度等于吸收组分的吸收系数a、厚度b和组分浓度c的乘积。当c的单位为molL-1时，b的单位是cm时，a称为摩尔吸光系数，习惯用表示，单位Lmol-1cm-1。即 在紫外可见光谱范围内强吸收分子的值可达104105。上式称为Beer- Lambert定律。,2-5 光路分析的基本规律,2 光路中的光现象,光在光路中传播时，会不可避免地和物质发生作用，产生各种各样的光学现象， 除了反射、折射和吸收，还会有干涉、衍射、偏振、散射等等。,2-5 光路分析的基本规律,2.1 波的叠加,(1)干涉 干涉指两列或多列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 相干 两个波的相差2 1恒为0或者固定值，则这两个波被称之为相干的。相干是产生干涉的必要条件，另外一个条件是两个波源的频率几乎相同。 非偏振光可以描述成两个正交的、振幅相同但相位差随时间变化的平面偏振波合成的结果，故在满足相长干涉、相消干涉的情况下，也有干涉现象产生。,2-5 光路分析的基本规律,光波干涉的产生 采用分波前装置时，部分初级波前被用来发出可产生干涉图案的次级波，经典的Yang双缝干涉实验就是这样的一个例子。在Michelson干涉仪中采用了分振幅装置，初级波本身被分成两个部分，按不同路径组合后再产生干涉。由薄膜和一系列不同厚度的薄片也可以产生干涉，如Fabry-Perot滤光片、Fabry-Perot干涉计、Newton环干涉装置，等等。,牛顿环干涉图样,2-5 光路分析的基本规律,(2) 衍射,当障碍物的线度与光波波长可比拟时，光线偏离直线传播，进入几何暗影区，并形成明暗相间的条纹的现象。衍射也是波叠加的结果，表现为直线传播的光束在遇到障碍时的绕射。 按照光源和屏到障碍物的距离，可以把衍射分为两种：当光源和屏与障碍物的距离都是有限远，或其中一个是有限远时，称为菲涅耳（Fresnel）衍射。当光源和屏与障碍物的距离都是无限远时，称为夫琅禾费（Fraunhofer）衍射；在实验室常利用凸透镜的聚焦性模拟来自“无限远处”的平行光。,2-5 光路分析的基本规律,艾里斑 如图所示，当单色平行光垂直照射到小孔上，产生衍射，衍射光被透镜L会聚到屏幕E上，形成明暗交替的圆环，中心光斑较亮，称为艾里斑。设艾里斑的直径为d，透镜的焦距为f，单色光的波长为，圆孔的直径为D，由理论计算可得，艾里斑对透镜光心的张角为,夫琅禾费衍射,2-5 光路分析的基本规律,(3)光学仪器的分辨率,瑞利判据： 当一个艾里斑的边缘，正好与另一个艾里斑的中心重合时，这两个艾里斑刚好能被区分开。瑞利判据也是一条经验判据，它是根据正常人的眼睛的分辨能力提出的，正常人的眼睛可以分辨出光强差20%的差别，当一个艾里斑边缘与另一个艾里斑中心重叠时，两艾里斑中心的光强是中心线连线中点处光强的1.2倍，刚好被人的眼睛区分开。,2-5 光路分析的基本规律,光学仪器的分辨率： 根据瑞利判据，两个艾里斑中心对圆孔中心的张角，正好等于艾里斑半径对圆孔中心的张角时，如图所示，这两个艾里斑恰好能被区分可。因此，瑞利判据可用下式表示 最小分辨角,2-5 光路分析的基本规律,最小分辨角越小，光学仪器的分辨本领越大，所以常用最小分辨角的倒数来表示光学仪器的分辨率，即 上式表明，增大透镜的直径D，或减少入射光的波长都可以提高光学仪器的分辨率。在天文望远镜中，为了提高分辨率和增加光通量，总是用直径很大的透镜作物镜；而在显微镜中，为了提高分辨率，可用紫外光照射，在电子显微镜中，电子物质波的波长很短（0.010.1nm），因此电子显微镜的分辨率可比一般光学显微镜提高数千倍。,2-5 光路分析的基本规律,2.2 光的偏振态与旋光,光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做偏振。偏振光包括如下几种： 线偏振光，在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。 部分偏振光，光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。 椭圆偏振光，在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。 圆偏振光，旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。,2-5 光路分析的基本规律,Ey领先EX 2 7/4 3/2 5/4 3/4 /2 /4 0,Ex领先Ey 0 /4 /2 3/4 5/4 3/2 7/4 2,椭圆偏振 偏振的应用： 立体电影； 照相技术中用于消除不必要的反射光或散射光； 制造用于测量的光学器件； 以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及激光调制。,2-5 光路分析的基本规律,偏振的度量偏振度 若与最大和最小振幅对应的光强分别为Imax和Imin，则偏振度的定义为 对于自然光：Imax=Imin，P=0，偏振度最小； 线偏振光： Imin=0，P=1，偏振度最大； 部分偏振光：0P1。,2-5 光路分析的基本规律,(1) 光偏振的产生,从自然光获得线偏振光的方法有以下四种：利用反射和折射、二向色性、晶体的双折射、散射。另外，线偏振光可以经过波晶片产生圆偏振光和椭圆偏振光。,2-5 光路分析的基本规律,(2) 人为双折射现象：,某些各向同性介质在外力（机械力、电场力）作用下会变成各向异性介质，从而产生双折射现象，而有些各向异性介质在外力作用下会改变双折射性质，这类现象称为人为双折射现象。 电光效应在外界电场作用下会形成各向异性而产生双折射。在磁场作用下，Faraday效应也能使非晶体产生双折射现象。 光弹性效应：玻璃、塑料等非晶体在通常情况下是各向同性的，但在机械应力（拉力或压力）作用下会变成各向异性而显示双折射现象，这就是光弹性效应。利用光弹性效应来研究应力分布方法已经成为一个专门的学科，称为光测弹性力学。,2-5 光路分析的基本规律,光弹性效应,2-5 光路分析的基本规律,(3) 旋光现象,线偏振光通过某些物质后，其偏振面将也会以光传播方向为轴线转过一定角度，类似于磁光Faraday效应，这种现象称为旋光现象，是Arago在1811年发现的。 能够产生旋光现象的物质称为旋光物质，又分两类：(1) 右旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按顺时针方向转动的物质，如葡萄糖、石英; (2) 左旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按逆时针方向转动的物质，如 果糖。 旋光效应,2-5 光路分析的基本规律,1）对于晶体旋光物质，振动面的旋转角与光在物质中所经过的距离l成正比，即 =l 式中，为旋光率，与波长和物质性质有关。 如石英：对=589.3 nm，=21.7/mm； 对=405 nm，=48.9/mm。 2）对于液体类旋转物质（如松节油、糖溶液等），振动面旋转的角度与光在物质中所经过的距离l、以及溶液浓度成正比，即 =lc 式中，c：溶液浓度； ：旋光率，与波长和溶液性质与温度有关。,2-5 光路分析的基本规律,2.3 散射,光子与物质粒子的作用会产生散射，所散射的辐射的强度、频率及角度都可用来分析物质的性质，如进行光谱分析。如果散射频率与入射频率相同，称这样的散射为弹性散射；如果散射频率不等于入射频率，则称发生了非弹性散射；康普顿散射则二者兼有。 Brillouin 和Raman 散射都是非弹性散射，Brillouin散射主要来自热声波对入射能量波的反射，而Raman 散射则起源于分子的振动能量子的增减。,2-5 光路分析的基本规律,(1) 弹性散射,通常，弹性散射被分成三类，即Rayleigh散射、Debye散射、Mie散射。也有人将Rayleigh散射、Debye散射归为一类，统称为Rayleigh-Debye散射。散射的类型与粒子相对于周围介质的折射率和粒子相对于入射辐射的波长有关，表列出了散射的大致判据 弹性散射的分类 表中，s、m散射体、介质的折射率，ds散射体的主要半径。,2-5 光路分析的基本规律,(a) Rayleigh散射,Rayleigh散射是散射体的大小远比入射光束波长小的分子、原子这样一些粒子产生的散射。在这种情况下，可以把散射体当作二次发射的点光源。对单个粒子而言，用非偏振辐射可获得一个关于散射角为对称的散射照度 其中，是以m3为单位的粒子极化性，是入射辐射的波长，是入射和散射光线间的角度，E0是入射光束的辐射照度，d是散射中心到探测器之间的距离。极化性是一个给定入射频率在粒子中诱导产生一个偶极的有效程度的一个度量。极化性大致随粒子体积大小不同而变化，式表明散射辐射强度将随粒子大小增加而增加。因此，在含有各种大小不同粒子的样品中，较大粒子对散射起的作用最大。此外，用非偏振入射辐射时，在垂直方向产生的散射辐射是线偏振的。,2-5 光路分析的基本规律,(b)大粒子散射,二十世纪初Mie和Debye先后用质点模型详细计算了电磁波的散射，建立了经典的MIE散射理论。MIE散射理论是均匀介质球形颗粒在单色平面波照射下远场散射的精确解，其主要物理量有消光系数Kext、散射系数Ksca、吸收系数Kabs、散射振幅函数S1、S2,2-5 光路分析的基本规律,(2) 康普顿散射,康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。实验发现： (1) 散射光中除了和原波长0相同的谱线外还有0的谱线。 (2) 波长的改变量 =0随散射角(散射方向和入射方向之间的夹角)的增大而增加. (3) 对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量相同。波长为的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。,2-5 光路分析的基本规律,康普顿利用光子理论成功地解释了这些实验结果。X射线的散射是单个电子和单个光子发生弹性碰撞的结果。碰撞前后动量和能量守恒，有 化简后得到 称为康普顿散射公式。 称为电子的康普顿波长。,2-5 光路分析的基本规律,(3) 非弹性散射,康普顿效应是X射线光子与电子碰撞的结果，是光同原子之间的相互作用；如果用可见光与分子碰撞，则会发生Raman散射，其最大特点是散射光的波长和入射光不同。 可以区分出两种类型的非弹性散射，即拉曼（Raman）散射和布里渊（Brillouin）散射。前者是由分子中的振动和转动跃迁引起的，可发生较大的频率位移且与入射角无关；后者由介质中的热波动引起，是一种可以发生随散射角度不同而变化的具有小频率位移的散射。,2-5 光路分析的基本规律,Raman散射,Raman散射是激光与大气中液体和气体分子之间的一种非弹性相互作用过程（也会发生在光纤中），产生了向长波或短波方向的移动。 拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。,2-5 光路分析的基本规律,Brillouin散射,布里渊散射是布里渊(Brillouin)于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声子和磁振子等。 由布里渊散射实验可测出散射峰的频移，线宽及强度。由频移可直接算出声速，这是和用超声技术测量声速互补的方法，其特点是可测高频声子和高衰减的情况，试样比超声测量用的小得多。由声速可以算出弹性常数，由声速的变化可以得到关于声速的各向异性，弛豫过程和相变的信息。由线宽 （需用高分辨装置）可以研究声衰减过程，这与非简谐性和结构弛豫等有关。根据强度的测量可以研究声子和电子态的耦合等。,2-5 光路分析的基本规律,3. 光学元件,除光调制器以外，光电探测系统中的光学元件大略可分为： 成像与导光元件、 滤光与色散（分光）元件、 干涉仪系统等三类。,2-5 光路分析的基本规律,3.1 成像与导光元件,成像与导光元件主要有反射镜、透镜、光纤。 (1) 反射镜 常用的反射镜有平面镜、球面镜、抛物面镜。 (2) 透镜 透镜是一种将光线聚合或分散的设备。 (3) 光纤 光纤全称光导纤维，是利用全反射规律而使光沿着弯曲途径传播的光学元件。,2-5 光路分析的基本规律,光纤不仅在通信领域取得了广泛的应用，而且在分光广度计中也用来实现不同地点的光传输。光纤的构造见图。 光纤构造图，实际的光纤在薄层之外还有保护层,2-5 光路分析的基本规律,上图中，在纤芯和包层的分界面上发生全反射的约束条件是 对纤芯内的光束轨迹，有 ， 又因为 ， 故在光纤内部发生全反射的条件可写成 或 考虑到，角1和入射角0的关系服从Snell定律，即 于是，式可改写为,2-5 光路分析的基本规律,通过式可求出光纤内部发生全反射时的最大的入射角c ；若入射角0大于c，则只会在芯壁表面发生部分反射，并将有一部分光线穿出光纤。可被光纤接收的光锥定义为数值孔径，符号 NA= 光纤芯直径一般为50600 m，而外包层的折射率比中心低0.020.2，因而，NA值一般在0.11.5之间。,2-5 光路分析的基本规律,3.2 滤光与分光器件,滤光与分光器件一般包括滤光片、棱镜、