《光辐射与光源》ppt课件

1、第二章第二章 光辐射与光源光辐射与光源 任何一种光电系统或光电子器件的运用和评价都离不开特定的光辐射源产生光辐射的物体，即光源与光辐射探测器，所以光辐射实际和光电转换的原理是光电探测技术的根底。光源的描画参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、时间及空间稳定性，等等。本章将简要引见光辐射的根本概念和原理、在光电探测技术运用中比较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。2.1 2.1 电磁波与光辐射电磁波与光辐射2.1.1 电磁波的性质与电电磁波的性质与电磁波谱磁波谱麦克斯维证明光是电磁波麦克斯维证明光是电磁波的一种表现方式。的一种表现方式。电磁波包括的

2、范围很广，电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从从无线电波到光波，从X射射线到线到 射线，都属于电磁射线，都属于电磁波的范畴，波长覆盖很宽。波的范畴，波长覆盖很宽。光辐射仅占电波谱的一极光辐射仅占电波谱的一极小波段。小波段。2.1.2 光辐射光辐射 按辐射波长及人眼的生理视觉效应，光辐射被分成三个波段：紫外辐射、可见光和红外辐射。普通在可见到紫外波段波长用nm作单位、在红外波段波长用m作单位。单位长度内，动摇反复的次数一个动摇拥有同样相位的次数，称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是长度-1，单位惯常采用cm-1。可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。390770 nm范围

3、的范围内； 紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长范围是10400 nm。红外辐射 是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射，波长范围为0.771000 m。2.2 光辐射的度量光辐射的度量 为了对光辐射进展定量描画，需求引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系物理量符号标脚标“e表示辐射度物理量，脚标“v表示光度物理量。后者是思索到人眼的客观要素后的相应计量学科，其适用性局限于可见光波段；前者那么是对电磁辐射能量的客观计量，适用于整个电磁波段。2.2.1 辐射量辐射量 辐射能辐射能 辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总

4、和；单个光辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和；单个光子的能量取决于波长或频率。辐射能普通用符号子的能量取决于波长或频率。辐射能普通用符号Qe表示，其单位表示，其单位是焦耳是焦耳J。 辐射通量辐射通量 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又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即辐射能量，即 (2.2-1) 单位：瓦特单位：瓦特W或焦耳或焦耳秒秒-1J s-1。 辐射出射度辐射出射度 简称辐出度，从辐射源外表单位面积发射出的辐射通简称辐出度，从辐射源外表单位面积发射出的辐射通量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的量，其中单位波长间隔内的辐射出

5、射度称光谱辐出度。辐出度的定义式定义式 (2.2-2) 单位：瓦特单位：瓦特米米-2W/m2。 辐射强度辐射强度 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，用立体角内的辐射通量，用Ie表示，即表示，即 (2.2-3) 单位：瓦特单位：瓦特球面度球面度-1Wsr-1。 辐射亮度辐射亮度 辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图如图2.2-1所示。所示。 (2.2-4)单位：瓦特单位：瓦特/球面度球面度米米2W/srm2。式中。式中是给定方向和辐射是给定方向和辐

6、射源面元法线间的夹角。源面元法线间的夹角。图2.2-1 辐射亮度表示图 普通，辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足式(2-5)时，称之为余弦辐射体或朗伯体 ( 2 . 2 - 5 )式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。联立式(2.2-5)、(2.2-4)，易得余弦辐射体的辐射亮度为 ( 2 . 2 - 6 ) 可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射体的辐射出射度为 ( 2 . 2 - 7 ) 辐射照度辐射照度 辐照度定义为投射到接纳器面元上的辐射通量与该面元辐照度定义为投射到接纳器面元上的辐射通量与该面元面积面积dA之比。即之比。即

7、 (2.2-8)单位：瓦特单位：瓦特米米-2W/m2。 单色辐射度量单色辐射度量 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间隔内对应的辐射度量，并且对一切辐射量义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对一切辐射量X来说单来说单色辐射度量色辐射度量Xe,与辐射度量与辐射度量Xe之间均满足之间均满足 (2.2-9)2.2.2 光度量光度量 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根本物理量对应的来表示，其定义完全一一对应，其关系如表2.2-1所示。辐射度物理量对应的光度

8、量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeeMeIeLeEeedQe/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=v dtv=Iv dMv=dv/dS基本量Lv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx 光视效能光视效能 光视效能是人眼对某一波长下单位辐射通量的产生的光光视效能是人眼对某一波长下单位辐射通量的产生的光通量，即光视效能通量，即光视

9、效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即的比之，即 (2.2-10) 单位：流明单位：流明/瓦特瓦特lm/W。经过对规范光度察看者的实验测定，白天在辐射波长经过对规范光度察看者的实验测定，白天在辐射波长555 nm夜晚那么为夜晚那么为507 nm处，处，K有最大值，其数值为有最大值，其数值为Km=683 lm/W。单色光视效率是。单色光视效率是K用用Km归一化的结果，归一化的结果，其定义为其定义为 (2.2-11)图2.2-2 光谱光视效率曲线2.3 黑体辐射黑体辐射 任何0 K温度以上的物体，都会由于其中的分子、原子遭到热激发而产生并向外部

10、发射各种波长的电磁波，这种景象称为热辐射。热辐射具有延续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决议于物体的温度。下面简要引见热辐射的一些根本定律。2.3.1 单色吸收比和单色反射比。单色吸收比和单色反射比。 当辐射从外界入射到“不透明不限于可见光不透明的物体外表上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从外表反射假设物体是透明的，那么还有一部分能量透射。需求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) 反射比反射比 反射的能量与入

11、射的能量之比称为该物体的反射比。在波长反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用表示。对于不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透明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即，即 (2.3-1) 假设物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，那么称该物体为绝对黑体简称黑体。它没有反射，也没有透射( 当然黑体依然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。图2.3-1 黑体模型 (3) 人工黑体人工黑体 作为一种理想化模型，人工黑体是人工制造的、接近于黑

12、体作为一种理想化模型，人工黑体是人工制造的、接近于黑体的模拟物。的模拟物。 对于不透明的物体，当反射系数为对于不透明的物体，当反射系数为1时，称为白体或镜面反时，称为白体或镜面反射体。现实中的物体介于黑体、白体之间。射体。现实中的物体介于黑体、白体之间。 (4) 灰体灰体 当某种物体的辐射光谱是延续的，并且在任何温度下一切各当某种物体的辐射光谱是延续的，并且在任何温度下一切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。实践比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。实

13、践物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规那么的，因此不物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规那么的，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，其发射率为介于体，其发射率为介于0与与1之间的正数。之间的正数。2.3.2 基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律 1859年，德国物理学家基尔霍夫指出：在热平衡形状下，任何辐射体的光谱辐出度与光谱吸收率的比值只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关，即 (2.3-2) 式中为黑体的单色辐射出射度。这阐明黑体必然是辐射身手最大的物体。2.3.3 普朗克公式普朗克公式

14、 1900年，普朗克假设物质辐射的能量是不延续的，只能是某一个最小能量的整数倍。由此创建了量子实际。黑体处于温度T时，在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出 (2.3-3) 式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，kB为波尔兹曼常数。 令 ，那么(2.3-3)式可改写为 (2.3-4) 第一辐射常数， 第二辐射常数。 图2.3-2为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度辐射亮度随波长的变化曲线。可见： 对应任一温度，单色辐射出射度随波长延续变化，且只需一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因此温度能独一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度即曲线下的面积。 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升

15、高而增大。w/ (m2m) 单色辐射出射度的 峰值随温度的升高 向短波方向挪动。 图2.3-2 黑体辐射单色 辐射出射度的波长分布(1) 瑞利瑞利-琼斯近似琼斯近似当很大时，当很大时， ，可得到适宜于长波长区的瑞利，可得到适宜于长波长区的瑞利-琼斯公式琼斯公式 (2.3-5)在在 时，瑞利时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。(2) 维恩近似维恩近似当当T很小时，很小时， ，可得到适宜于短波长区的维恩公式，可得到适宜于短波长区的维恩公式 (2.3-6)在在 区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。2.3.4 维恩位

16、移定律维恩位移定律 维恩位移定律定量地描画单色辐射出射度的峰值随温度的升维恩位移定律定量地描画单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向挪动。设为峰值辐出度对应的波长，有高向短波方向挪动。设为峰值辐出度对应的波长，有 (2.3-7)2.3.5 斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律提示了黑体的辐出度与绝对温度的四次玻尔兹曼定律提示了黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比，而与黑体的其他性质无关。方成正比，而与黑体的其他性质无关。 (2.3-8) 其中其中 为斯忒藩为斯忒藩-玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数。2.3.6 色温色温 为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用

17、到色温为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位为度这个量，单位为K。色温度并非热辐射光源本身的温度，而指在。色温度并非热辐射光源本身的温度，而指在规定两波长如规定两波长如1=0.47 m、2=0.66 m处具有与热辐射光处具有与热辐射光源的辐射比率一样的黑体的温度。源的辐射比率一样的黑体的温度。2.4 光源光源光源是光辐射源的简称。光源可以分为天然光源和人造光源。自然界光源按产生原理只需两大类，第一类是热效应光源细分为3种：一种是摩擦、颤振等物理效应，如飞机蒙皮辐射；一种是化学熄灭，如飞机、车辆发动机中化学反响，陨石坠落过程的熄灭；一种是热核反响，如太阳、核反响堆。第

18、二大类为生物能光源：如人体、动物发出的红外辐射，萤火虫、海洋生物发出可见光。太阳太阳 太阳是最大、最强的自然光源。太阳光谱是太阳是最大、最强的自然光源。太阳光谱是延续的，包含宇宙射线、延续的，包含宇宙射线、射线、射线、X射线、紫外辐射线、紫外辐射、可见辐射、红外辐射和射电辐射等，且辐射射、可见辐射、红外辐射和射电辐射等，且辐射特性与绝对黑体辐射特性近似。其中，近紫外、特性与绝对黑体辐射特性近似。其中，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射能可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射能的的84.62%；X射线、射线、射线、远紫外、远红外射线、远紫外、远红外及微波波段的总能量不到及微波波段

19、的总能量不到1%。地表接受的太阳。地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同，差别主要由大气辐射曲线与大气外的曲线不同，差别主要由大气的吸收和散射引起。的吸收和散射引起。 人造光源那么主要是电能转换而来的电光源，人造光源那么主要是电能转换而来的电光源，如白炽灯、汞灯、氙灯、黑体模拟器、激光器，如白炽灯、汞灯、氙灯、黑体模拟器、激光器，等等。等等。2.4.1 光源特征及描画光源特征及描画表表2.4-1 一些重要的光源特性一些重要的光源特性特 征 举 例光谱输出 连续谱光源、线光源、连续加线光源波长范围 紫外光源、可见光源、红外光源时间行为 连续光源、脉冲光源、正弦波光源、相干光源辐射度或光谱辐射度

20、 稳定性 长期、短期稳定性，预热时间寿命 使用寿命、存放时间发射面积 点光源、扩展光源空间行为 相干性2.4.2 几种典型的光源几种典型的光源2.4.2.1 延续谱光源延续谱光源 延续谱光源在较宽的波长范围内发出延续的辐射。典型的延续谱光源在较宽的波长范围内发出延续的辐射。典型的延续谱光源有白炽灯、能斯特辉光灯、碳化硅炽热棒、钨灯、延续谱光源有白炽灯、能斯特辉光灯、碳化硅炽热棒、钨灯、石英碘灯石英碘灯(3600K)、氢灯或氘灯、氙灯，等等。表、氢灯或氘灯、氙灯，等等。表2.4-2示它们的一些技术参数。示它们的一些技术参数。表表2.4-2 常见延续谱光源常见延续谱光源2.4.2.2 线光源线光源

21、 在多数原子光谱法仪器中运用的线光源包括低压弧光灯、空心阴极放电管、无极放电灯及热梯度灯。(1) 低压弧光灯 即低压弧光放电管。(2) 空心阴极灯 空心阴极灯是由玻璃控制成的封锁着低压惰性气体的放电管。(3) 无极放电灯 无极放电灯由一个数厘米长、直径512厘米的石英玻璃圆控制成。(4) 热梯度灯 热梯度灯是一种相对较新的原子线光源。2.4.3 激光器激光器 激光Laser是受激辐射光放大的简称，它是量子力学对原子在能级间的激发和辐射规律研讨及运用的直接结果，也是现代物理学的一个艰苦成果。 激光的特点是：方向性好，He-Ne激光器的激光束的发散角可达10-4 rad；亮度高、强度大，一台红宝石

22、巨脉冲激光器的辐射亮度为1015W/Srcm2；单色性好，光谱的谱线宽度很窄，激光器是最好的单色光源；相关性好；此外，激光的偏振性好。2.4.3.1 激光原理 1916年，爱因斯坦在研讨光辐射与原子跃迁时发现，处于高能态E2的原子，在它发生自发辐射之前，假设遭到外来的、能量为的光子的刺激作用，也会从高能态跃迁到，同时辐射出两个能量也为的光子，如图2.4-1(c)所示。跃迁产生的光子不仅和外来光子的频率相等，而且发射方向、初相位以及偏振态也都一样，这一过程称为受激辐射。 粒子数反转是产生激光的必要条件。 那么，如何实现粒子数反转分布呢？实践上有两个问题需求处理： 需求某种方式将尽能够多的原子输运

23、到高能级上去，这个过程称为鼓励或抽运，鼓励的方式是经过外界输入能量，使原子不断地跃迁到高能级上去，输入的能量可以是光能、气体放电、化学能或核能等。这种鼓励过程，犹如用水泵将水抽运到高处一样，所以通常又把这些提供鼓励的能源系统称为泵浦； 作为任务物质的微观原子必需求有一个原子可以停留较长的时间的能级，这些能级通常称为亚稳态故激光不能够在双能级系统中实现。在亚稳态上，原子辐射跃迁的概率很小，所以原子停留的时间比较长，容易积聚足够多的原子，从而相对与低能级上的原子实现粒子数反转。 图2.4-3 粒子数反转的实现 2.4-4 激光器的光学谐振腔 如图2.4-3所示，提高泵浦将大量低能态E1上的原子抽运

24、到激发态E2上，由于E3能级的寿命原子停留时间很短，大量原子经过自发辐射会跃迁到亚稳态能级E2上，亚稳态E2的寿命较长，自发跃迁的概率也很小，假设光抽运的强度足够大，就可以使处于E2形状的原子数N2超越处于E1形状的原子数N1，并到达，从而在能级E1和E2之间实现粒子数反转。具有这样原子数分布的发光体系在外来光子诱导下就可以产生激光。2.4.3.2 激光器o激光器是用以产生激光的安装。1958年A. L.肖洛和C. H.汤斯把微波量子放大器原理推行运用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T. H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。o激光器除了具有亚稳态构造的任务物质、泵浦外，还必需有

25、一个光学谐振腔。如图2.4-4所示，在任务物质的两端放置两块反射镜，这两块反射镜可以是平面的，也可以是凹面的，或者是一平一凹的，并使两反射镜的轴线与任务物质的轴线平行放置，这时反射竟就构成了光学谐振腔，图2.4-4所示的是平行平面谐振腔。o光学谐振腔的主要作用是获得单色性和方向性都很好的激光。谐振腔可以使偏离轴线的光子经反射后从侧面直接逸出腔外或者经过几次来回反射最终逸出腔外，只需和轴线平行的光子能在这谐振腔两反射镜之间不断往复地运转，迫使其他处于高能态的原子发生受激辐射，使轴线方向运转的光子不断添加并从部分反射镜输出，从而得到具有很高方向性的激光束。o谐振腔不仅对激光束的方向具有选择性，对激

26、光的频率也能加以选择。当激光在谐振腔中来回反射时，将构成以反射镜为节点的驻波。根据驻波条件，对一定的腔长L，仅当受激发射光波的波长满足o (2.4-2) o 的光才干在腔内构成稳定的驻波，即才干实现稳定的光振荡，而不满足上述条件的光，那么在多次反射过程中相互减弱以致消逝。利用谐振腔的这种特性可获得单色性很好的激光。2.4.3.3 激光器分类 激光器的种类非常多。如按激光器任务物质性态分类，可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等；如近激光器任务方式来分类，可分为延续式、脉冲式、调Q与超短脉冲等等；按任务物质粒子划分，那么又可分为原子激光器、分子激光器、自在电子激光器

27、、离子激光器、准分子激光器等；按输出激光的波段范围分类可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等。这里只选择几个代表性的激光器作一些引见。一、固体激光器 1960年，T. H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器普通由激光任务物质、鼓励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。二、气体激光器 气体激光器的代表是氦氖激光器、CO2激光器。世界上第一台氦氖激光器是继第一台红宝石激光器之后不久，于1960 年在美国贝尔实验室里由伊朗物理学家贾万制成的。三、液体激光器 1966年，美国IBM国际通用机器公

28、司的科学家皮特索罗金和约翰兰卡德发现了有机染料溶液产生激光的关键机制，染料激光器作为最主要的液体激光器，从此得到迅速开展。四、半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管(LD)，最先由苏联科学家H. .巴索夫发明。五、光纤激光器 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的根底上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易构成高功率密度，呵斥激光任务物质的激光能级“粒子数反转，当适当参与正反响回路构成谐振腔便可构成激光振荡输出。六、自在电子激光器 自在电子激光器又叫X射线激光器，是一种利用自在电子的受激辐射，把相对论电子束的能量转换成相关辐射的激光器件。o表表2.4

29、-3 几种常用激光器的主要谱线波长几种常用激光器的主要谱线波长2.5 光源调制与旋光效应调制器光源调制与旋光效应调制器 在光电丈量中，能够光源本身就是被测物体，也能够光源本身不是被测物体，只是用来寄载丈量信息的。在后一种运用中，由于丈量机理的需求、或者为了便于信号传输、或者为了获得信噪比增益，等等，需求对光信号进展调制，构成调制光源。调制光源就是输出参数可调控的光源，构成调制光源的技术即光源调制技术。光源调制涉及光强调制、波长或频率调制、相位调制、偏振调制等，在光通讯中也有运用。 根据调制信号是模拟信号还是数字信号，可分为模拟调制和数字调制。 按调制方式与光源的关系来分，有内调制和外调制两种。

30、前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数光强、频率等，得到光频的调幅波或调频波；后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波经过光调制器，光信号经过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进展调制，光源直接调制的优点是简单，但调制速率遭到载流子寿命及高速率下的性能退化的限制如频率啁啾等。外调制方式需求调制器或专门的介质。在光电探测系统及光通讯中，外调制运用较多。专门的光调制器件称为调光器。调光器构造复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适宜于高速率下运用。以光电式测距仪测距为例，图2.5-1 光电式测距仪任务原理图。 图2.5-1 光电式测距仪任务原理图 光电式测距仪欲测定A、B两点间的间隔D

31、，可在A点安顿能发射和接纳光波的光电测距仪，在B点设置反射棱镜，光电测距仪发出的光束经棱镜反射后，又前往到测距仪。经过测定光波在AB之间传播的时间t，根据光波在大气中的传播速度c，按下式计算间隔D (2.5-1) 光电测距仪根据测定时间t的方式，分为直接测定时间的脉冲测距法和间接测定时间的相位测距法。在直接测定时间的脉冲测距法中，需求进展光强调制，以构成激光尖脉冲，普通为内调制。 高精度的测距仪，普通采用相位式。相位式光电测距仪的测距原理是：由光源发出的光经过调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光。经过丈量调制光在待测间隔上往返传播的相位差来解算间隔。 光电测距仪根据测定时间t的方式，分为直

32、接测定时间的脉冲测距法和间接测定时间的相位测距法。在直接测定时间的脉冲测距法中，需求进展光强调制，以构成激光尖脉冲，普通为内调制。 高精度的测距仪，普通采用相位式。相位式光电测距仪的测距原理是：由光源发出的光经过调制器后，成为光强随高频信号变化的调制光。经过丈量调制光在待测间隔上往返传播的相位差来解算间隔。 假设调制光角频率为，在待丈量间隔D上往返一次产生的相位延迟为，那么对应时间t=/，于是， 间隔L可表示为 (2.5-2) 式中，：信号往返测线一次产生的总的相位延迟；：调制信号的角频率， = 2f。 将相位延迟写成两部分 (2.5-3)根据式(2.5-2)，相应的间隔 (2.5-4) N：

33、测线所包含调制波长个数。N：测线所包含缺乏波长的小数部分。 ：称为测尺长，又称“光尺。至此，间隔的丈量变成了测线所包含波长个数和缺乏一个波长的小数部分的丈量。 光源调制的实现途径很多，如电源调制，机械调制，电光调制，声光调制，磁光调制等。其中电光调制开关速度快，机构简单，因此，在激光调Q技术，混合型光学双稳器等方面运用广泛。2.5.1 几种常见的调制技术几种常见的调制技术2.5.1.1光强调制光强调制o广义地讲脉冲激光发生技术本身也是一种光强调制技术，这里，只引见为了探测的目的而采用的光强调制技术。o一、光强的电源调制o经过对光源供电电流源的控制可实现光强调制，这属于内调制的范畴。最简单的调制

34、如控制电流的通断实现激光二极管输出的有无。o吉林市北光分析仪器厂于1994年开发的“红外分光测油仪首创了卤钨灯光源脉冲调制技术，经过脉冲电路调制卤钨灯成为红外脉冲光源。o二、机械式光强调制o实现机械式光强调制的器件通称为斩光器或切光器。o机械切光器是一个开有缝隙的转盘或者是一个转动的叶片，可对光束做有控制的物理性阻断，调制频率决议于缝隙数目和马达转速。也有利用电磁阀动作来到达此种目的，如电子机械式照相机的可变光阑快门。o三、其它光强调制技术o其它光强调制技术，如电光效应、声光效应、磁光效应等均可用来实施光强调制，这些类效应统称旋光效应。2.5.1.2 波长或频率调制o波长或频率调制在激光通讯等

35、领域曾经比较完善，在光电探测领域的典型运用有波分复用光纤分布式传感等。o在灯丝上涂覆荧光粉，可改动光源输出波长；经过对钨丝灯、石英碘灯灯丝电流的设定可产生一定频谱宽度的红外辐射，构成250 nm 3 m范围内光谱辐照度的规范光源；假设使电流按照某些统计规律变化，那么可产生一定频谱宽度的近红外信号，制成宽光谱红外光源或红外干扰器。o 电光效应可以改动激光振荡的相位角，图2.5-2为利用电光效应的相位调制器的构造。o 图2.5-2 o 相位调制o 安装表示o o 加电场后，振动方向与晶体的轴相平行的光经过长度为l的晶体，其位相添加为 o (2.5-5)2.5.1.3 相位调制晶体上所加的是正弦调制

36、电场 光在晶体的输入面(z = 0)处的场矢量大小为那么在晶体输出面( z=l )处的场矢量大小可写成 (2.5-6)式中 ，为相位调制度，为晶体线性电光系数之一。2.5.1. 4 偏振调制 偏振调制指产生椭圆偏振或线偏振的调制技术，比如利用后面引见的磁光效应就能实现偏振调制。 在自然界中，不同发光物体具有各不一样的偏振系数，可用于辅助目的识别。2.5.2 旋光效应调制器旋光效应调制器 旋光效应包括 电光效应、 磁光效应、 声光效应。2.5.2. 1 电光效应 某些各向同性的透明介质如气体、液体和玻璃态固体在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的景象为电光效应。有些各

37、向异性介质在外力作用下会改动双折射性质，这类景象称为人为双折射景象，有关内容参见第三章中“3.2.2 光的偏振态与旋光。 大部分电-光调理器都是经过克尔Kerr效应或波克尔斯Pockels效应来实现的。二者都与放置在强电场中的某种物质可以产生线性双折射景象有关。外加电场可以改动寻常光和非寻常光在其中的折射率以及传播速度。假设介质被平面偏振光照射，引起的两组分光间的相位位移将导致输出椭圆偏振光。其中，一种是外加电场平行于光的传播方向，称为纵向电-光效应；另一种是外加电场垂直于光的传播方向，称为横向电-光效应。 由于双折射和延迟都与所加的电场有关，因此电-光效应就为制造电学控制的可变延迟器或波片提

38、供了一种方法。利用电光效应可以制造电光调制器、电光开关、电光光偏转器等，可用于光闸、激光器的Q开关和光波调制，并在高速摄影、光速丈量、光通讯和激光测距等激光技术中获得了重要运用。利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制。 Kerr效应 折射率与所加电场强度的二次方成正比的景象为Kerr效应或二次电光效应。 图2.5-3 Kerr盒光电调制器 图2.5-3为一液体Kerr盒光电调制器原理图。把某种液体如C6H5NO2或CS2放在装有平行板电容器的玻璃盒内，再把玻璃盒放在正交的尼科耳M和N之间，在电容器没有充电以前，线偏振光不能经过，加电场后，电容器两极板之间的液体获得单轴晶体的性质，其光轴

39、沿电场方向。装有平板电极并盛有特定液体的玻璃盒称为克尔盒，克尔盒也可以运用某些晶体，如：钛酸锶或钡，用镧修饰过的钛酸铅锆PLZT，铁磁性陶瓷，等等。实验证明，盒体折射率的差值正比于电场强度的平方，即 (2.5-7) 在经过厚度为的液体以后，光和光之间所产生的位相差为 (2.5-8) 式中的称为克尔常数，它只和液体的种类有关在这里假设电场是匀强的，并且光线进展的方向和电场方向垂直，假设平板间的间隔为d，电势差为V，因 ，故 (2.5-9) 式中 以米表示，V以伏特表示。 因此，当加在克尔盒电极上的电势差发生变化时，随之发生相应的变化，从而使透射光的强度亦将随着的变化而发生变化，因此，利用克尔盒可

40、以对偏振光进展调制，在现代激光通讯和电视安装中，利用克尔效应来调制光强已获得很大胜利。 Pockels效应效应 折射率与所加电场强度的一次方成正比的景象为折射率与所加电场强度的一次方成正比的景象为Pockels效应或线性电光效应。具有线性电光效应的晶体同时也效应或线性电光效应。具有线性电光效应的晶体同时也是压电晶体。晶体是压电晶体。晶体jingtiP21P1P21调制电压透明电极调制电压透明电极 图图2.5-4 纵向纵向Pockels盒电光调制器盒电光调制器 Pockels盒构造如图盒构造如图2.5-4所示，运用晶体普通为所示，运用晶体普通为KDP、ADP，电极那么由透明物质如电极那么由透明物

41、质如ZnO、InO等或者很薄的金属膜或其等或者很薄的金属膜或其栅或环构成。晶体本身在不加电场时通常是单轴晶体，并且其光栅或环构成。晶体本身在不加电场时通常是单轴晶体，并且其光轴沿光束的传播方向。对轴沿光束的传播方向。对Pockels效应，也可采用横向电场。效应，也可采用横向电场。 图2.5-5 横向Pockels光电调制器表示图 图2.5-5中起偏器P偏振化方向平行于晶体的x轴，且与检偏器正交，波长为的光束沿z轴(光轴)入射，电场方向平行于x轴，x、y为晶体的感应轴，与x、y轴成/4角。当光束经过长为l的晶体后，偏振光x、y两分量间产生位相差， (2.5-10) 式中n0，r22和d分别为晶体

42、的o光折射率，电光系数及厚度，V为施加的直流电压。当=时，施加的电压称为半波电压V，因此时偏振光x y两分量间产生的光程差为/2。由式(2.5-7) (2.5-11) 那么位相差可表为 (2.5-12)偏振光x、y两分量复振幅可分别写为 (2.5-13)经过检偏器的出射光，是此两分量在y轴上投影之和 (2.5-14)相应的输出光强I可写成 (2.5-15)光强透过率 (2.5-16) 由上式知透过率与电压的关系是非线性的。为了进展线性调制，在调制光路中参与一个/4波片，使其光轴与OP成45，那么 (2.5-17) 式中，V = Vm sint为交流调制信号。但是假设Vm太大，就会发生畸变，输出

43、光强中将包含奇次高次谐波成份。当VmV时，且以V0= V/2作直流偏压时，式(2.5-17)可近似为 (2.5-18) 此时调制器输出波形频率和调制频率一样，即线性调制。 对于Kerr或Pockels光电调制器，经过施加一个适当的正弦调制电压，均可得到一个正弦调制的辐射光束。Kerr盒相比，Pockels盒可得到频率为101062.51010Hz的正弦调制。假设加的脉冲电压，那么可实现上升时间为130 ns的调制。Kerr盒可以提供高约10 MHz的正弦调制辐射，需求的启动电压为530 kV，是Pockels盒的510倍。2.5.2.2 声光效应 声光效应是光经过处在超声波作用下的透明媒质时产

44、生的衍射景象。1921年布里渊Brillouin曾预言液体中的高频声波对可见光能产生衍射效应。1932年德拜Deby从实验上察看到光经过处在超声波作用下的透明媒质时，产生与光经过普通光学光栅类似的衍射景象。这是由于媒质在声波的作用下，密度会产生周期性的疏密变化，媒质中构成一声光栅，其光栅常数是声波的波长。1935年拉曼Raman和奈斯Nath发现，当入射光波波长，声波波长和声束宽度之间满足 时，平行光经过这样的声光栅产生衍射。这种声光效应称为拉曼奈斯声光衍射。 1949年威尔列特G.W Willard发现，当 1时，平行光经过这样的声光栅所产生的衍射光强分布与X射线经过晶体所产生的布喇格衍射类

45、似。这种声光效应称为布喇格声光衍射。 声光调制是经过改动超声波的强度来改动衍射光的强度实现的。普通情况下，正弦调制频率可达3100 MHz，上升时间430 ns。当 以0级1级衍射光作为输出时，效率为约为60%100%。表2-5 为几种声光调制器的技术性能参数图2.5-6 为声光器件构造图。当声光器件与入射光的传播方向有一小于90度的夹角，如图2.5-6所示时，声光器被称为布拉格Bragg盒。当声光器件与入射光的传播方向垂直放 置 时 ， 如 图 2 . 5 - 8 ， 称 为Debye-Sears安装，常用于声光频谱分析。图2.5-6声光器件构造图声光器件的性能目的 衍射效率 (2.5-19

46、)M2：声光媒质的质量因数；L:声波波面宽度；h:换能器高度；：声强；PS：声波功率。 带宽f允许的声频变化范围 f大，那么允许的信号频域越宽，或偏角范围越大，且能分辨的光点数目越多。 衍射光束偏转范围，光束发散角与能分辨的光点数N之关系为： (2.5-20) 式中，声波越过光束的时间； f声光偏转器的带宽，f应小于中心频率； f0声光调制器的中心频率。 声光频谱分析声光频谱分析如图如图2.5-7，声光盒放在透镜前焦面上，当平行光入射时，衍射角为：，声光盒放在透镜前焦面上，当平行光入射时，衍射角为： (2.5-21) 会聚于透镜后焦面上会聚于透镜后焦面上f为某一频率的射频正弦信号，后焦面为某一频率的射频正弦信号，后焦面上得到射频信号的频谱功率谱，即许多光点。其分布取决于上得到射频信号的频谱功率谱，即许多光点。其分布取决于声频分量的频率，其强度与声频分量的功率成正比。声频分量的频率，其强度与声频分量的功率成正比。 图图2.5-7 声光频谱分析仪图声光频