1.光的基本属性解析

1、1电子工程学院2前言 美国政府将光子学与光子技术列为国家发展的重点，认为该领域美国政府将光子学与光子技术列为国家发展的重点，认为该领域“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力”，并肯定，并肯定“通信通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域”。v德国，政府已确定光子学是本世纪初德国，政府已确定光子学是本世纪初“对保持德国在国际技术对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键技术之一市场上的先进地位至关重要的关键技术之一” 。v 日本有评论认为日本有评论认为“21世纪具有代表意义的主导产业，第一是光

2、电世纪具有代表意义的主导产业，第一是光电子产业，第二是信息通信产业子产业，第二是信息通信产业”。3v我国政府十分重视光电子技术和产业的发展，已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国家重点发展计划，继1986年3月王大恒等四位专家倡导的“863计划”之后，在此基础上开始了“973计划”，这两个高科技计划的重点是光电子产业光电子产业。v据国家统计资料显示，受信息化、数字化、网络化浪潮的推动，中国的光电信息市场和产业也呈现出高速增长态势，成为拉动整个国民经济增长的第一支柱行业。武汉、广东和长春等地提出了建设中国光谷的规划。4光电子学光电子学 OptoOpto-electronics (1

3、955)-electronics (1955) 光学与电子学相结合的产物。将电光学与电子学相结合的产物。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子学所不可能产生的许多新功产生电子学所不可能产生的许多新功能。能。 以前由电子方法实现的任务现在用光以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成学方法来完成 光电子技术。光电子技术。 5 专家断言： 光电子技术是继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命。而光电子技术的核心和关键是光电信息转换技术，也就是说光电信息转换技术是重中之重重中之重。 6本课程内容简介本课程内容简介 光电子学与光电子技术作为高新科学技术光电子学

4、与光电子技术作为高新科学技术的产生和发展始于激光器的诞生；光电子学与光的产生和发展始于激光器的诞生；光电子学与光电子技术是伴随微电子学与微电子技术、材料学电子技术是伴随微电子学与微电子技术、材料学等主多学科的发展而发展起来的；光电子技术的等主多学科的发展而发展起来的；光电子技术的开速发展和遍及各个领域的广泛应用，使其不断开速发展和遍及各个领域的广泛应用，使其不断地向其他学科领域渗透，同事也推动着其它学科地向其他学科领域渗透，同事也推动着其它学科的发展。的发展。7教学目标 使学生获得光电子技术的理论基础，掌握光电信息转换和电光信息转换的原理，了解利用光电子技术对各种物理量进行测量的基本方法，并具

5、备一定设计开发光电测控系统的能力。 课程基本情况：课程基本情况：n1） 计划学时：48n2） 教学周数：16n3） 学分：3学分8考核评定方式考核评定方式 平时平时(30%)+考试考试(70%)=成绩成绩平时成绩平时成绩作业情况到课情况考试方式：闭卷考试方式：闭卷9几点要求几点要求：1. 及时和老师沟通，沟通渠道dongdong xupt. edu. cn/ 153536452272. 有事情提前请假3. 按时到课，遵守课堂纪律10 光的基本属性光的基本属性 理论和实验都以证明，光子和所有微观粒子一样，具有波粒二重性。11光的电磁理论基础麦克斯韦方程组物质方程波动方程电磁波谱12 (4)法拉弟

6、电磁感应定律，右式：通过空间任一曲面S的磁通量的变化率。左式：沿环线l的电动势。意义：变化的磁场可以产生电场，电场不一定要由带电粒子产生。“-”号表示感应电动势具有阻碍磁场变化的趋势。1. 积分式一、麦克斯韦方程组（1）（2）(3)磁场的高斯定律:从封闭曲面S流出和流入的磁通量相等麦克斯韦-安培定律。表示：不仅流过A的传导电流可以产生一个环行磁场，而且电位移随时间的变化（称为位移电流）也能在周边产生一个环行磁场。又称为全电流定律电场的高斯定理：通过闭合曲面A的电通量等于A所包围体积V内总自由电荷数13rrE = rrrrrH = j +一、麦克斯韦方程组2. 微分式：求解空间某给定点的电磁场时

7、用微分式。( 5 )( 6 )( 7 )( 8 )BtDt D = B = 0高频交变电场是有旋场电场是有源场磁场是无源场感生磁场是有旋场14二、物质方程:电导率:介电常数:磁导率:极化率各向异性介质1516四 光的能量及其度量单位n4.1能流密度矢量EB1 S =E2=174.2 电磁波谱与光辐射电磁波谱与光辐射 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。 18电磁波谱电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，

8、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。19101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡无线电波微波红外光紫外光X射线射线宇宙射线/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光图1 电磁辐射波谱20电磁波具有以下性质： 电磁波的电场 和

9、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 。 HrErErHrErHrErHr001=cHE=1=v21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光辐射。一般认为其波长在10nm 1mm，或频率在31016Hz31011Hz范围内

10、。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：紫外辐射紫外辐射、可见光可见光和红外辐射红外辐射。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。 22紫外辐射紫外辐射：紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1390nm。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

11、空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段、B波段和C波段。红外辐射红外辐射：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。 23辐射度学与光度学基本知识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在辐射度单位体系中，辐通量（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，被选作基

12、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。 24辐射度学中的基本量辐射度学中的基本量n一一. .辐射通量辐射通量n单位时间内整个辐射体所辐射的总能量单位时间内整个辐射体所辐射的总能量, ,用符号用符号 表示表示n辐射通量就是辐射功率，单位：瓦特，辐射通量就是辐射功率，单位：瓦特，W Wn大部分辐射体辐射都有一定的波长范围，通常用辐射大部分辐射体辐射都有一定的波长范围，通常用辐射通量的光谱密集度曲线通量的光谱密集度曲线 表示辐射通量按波长分表示辐射通量按波长分布的特性布的特性n设在设在 波长范围内辐射功率波长范围内辐射功率ee+dde=0lim25n上式也可以写

13、成上式也可以写成n总的辐射功率总的辐射功率n二二. . 辐射强度辐射强度n辐射体在不同的方向上的辐射特性不同辐射体在不同的方向上的辐射特性不同n在给定的方向上取立体角在给定的方向上取立体角d d，在，在d d范围内的辐射通量范围内的辐射通量为为d dee，将，将d dee和和d d的比值定义为在这个方向上的辐的比值定义为在这个方向上的辐射强度射强度n单位是瓦单位是瓦/ /球面度球面度, W/sr, W/srAdsded0N=0dee=0dee=ddIee26n三三. . 辐出射度，辐照度辐出射度，辐照度n在在A A点处取微小面积点处取微小面积dsds，n假定在假定在dsds辐射出的辐射通量为辐

14、射出的辐射通量为d dee，n则辐出射度为则辐出射度为n如果是被辐射，则为辐照度如果是被辐射，则为辐照度n单位：瓦特单位：瓦特/ /平方米平方米, W/m, W/m2 2AdsdeAdsdedsdMee=dsdEee=27n四四. . 辐亮度辐亮度n在在A A点周围取微面点周围取微面dsds，在，在nAOAO方向取微小立体角方向取微小立体角d dn设在设在AOAO方向上的投影面积为方向上的投影面积为dsdsn nndsdsn n=ds.cos=ds.cosn设在设在AOAO方向上的辐射强度为方向上的辐射强度为IeIe，则辐亮度为，则辐亮度为n因为因为n所以所以n单位：瓦特单位：瓦特/ /（球面

15、度（球面度. .平方米），平方米），W/(sr.mW/(sr.m2 2) )AdsdeNd0needsIL =ddIee=ddsdLnee28人眼的视见函数人眼的视见函数n亮暗的产生亮暗的产生n视觉强弱与波长视觉强弱与波长n视见函数视见函数V(V() )即光谱光效率函数即光谱光效率函数n人眼对人眼对555nm555nm的视觉敏感度最大，的视觉敏感度最大， V(V()=1)=1nV(V() ) 1 1)()555()(eeIIV=29举例：举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体人眼同时观察距离相同的两个辐射体A A和和B B，假定辐射强度相，假定辐射强度相同，同，A A辐射波长为辐射波长为600

16、nm, B600nm, B辐射波长为辐射波长为500nm500nm。V(600)=0.631 V(500)=0.323V(600)=0.631 V(500)=0.323A A对人眼产生的视觉强度是对人眼产生的视觉强度是B B对人眼产生视觉强度的对人眼产生视觉强度的0.631/0.3230.631/0.323倍，近似倍，近似2 2倍。倍。若要使若要使A A和和B B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A A的辐射的辐射强度只需要辐射体强度只需要辐射体B B强度的一半。强度的一半。30n光度学中的基本量光度学中的基本量n一一. . 光通量光通量n人眼接收的辐射通量为

17、人眼接收的辐射通量为n d dI.dI.dn视觉强弱与辐射通量和视见函数成正比视觉强弱与辐射通量和视见函数成正比n d dC.V(C.V(). d). deen二二. . 发光强度发光强度n在人眼观察方向上，人眼接收的光通量在人眼观察方向上，人眼接收的光通量d d与与瞳孔所张的立体角瞳孔所张的立体角d d之比，即发光强度之比，即发光强度dedIeA=ddI31n含义：按人眼视觉强弱来度量的辐射强度含义：按人眼视觉强弱来度量的辐射强度n单位：坎，坎德拉单位：坎，坎德拉, cd, cd。如果发光体发光的波长为。如果发光体发光的波长为555nm555nm，并且在指定方向上的辐射强度为并且在指定方向上

18、的辐射强度为 ， 则发光体在该方向上的发光强度为则发光体在该方向上的发光强度为1 1坎坎n坎德拉是光度学中的基本量坎德拉是光度学中的基本量n常数常数C C，将，将V(V()=1, Ie)=1, Ie=1/683, I=1cd=1/683, I=1cd代入代入n C=683(cd.sr)/WC=683(cd.sr)/WnI=683.V(I=683.V().Ie).IeeeIVCIddVCI).(.).(.=)/(6831srWIe=32n光通量的单位光通量的单位n 如果发光体在所观察的方向上的发光强度为如果发光体在所观察的方向上的发光强度为1 1个坎个坎德拉，则这个发光体辐射在单位立体角内的光通

19、量为德拉，则这个发光体辐射在单位立体角内的光通量为1 1个流明个流明n I I1cd, 1cd, d d =1sr =1sr d dI.dI.dn 1 lm = 1cd. Sr 1 lm = 1cd. Srn光谱光视效能光谱光视效能k(k() )n d dC.V(C.V(). d). deen k( k()=C.V()=C.V()=683V()=683V()n d dk(k(). d). deen最大光谱光视效能最大光谱光视效能kmkmn km=683(cd.sr)/w km=683(cd.sr)/w33n光视效能光视效能n其中其中k():光谱光视效能光谱光视效能ne光谱密集度光谱密集度=00

20、0)()(dkdkdee=0dee=00)(ddkkeee34n光视效能表示辐射体消耗光视效能表示辐射体消耗1W1W的功率所发出的流明数的功率所发出的流明数nK K越大，意味着光源的发光效率越高越大，意味着光源的发光效率越高n例如例如n钨丝灯：钨丝灯： k=89.2 k=89.2 流明流明/ /瓦瓦n日光灯：日光灯： k=2741 k=2741 流明流明/ /瓦瓦 钨丝灯：钨丝灯： k=89.2 流明流明/瓦瓦 日光灯：日光灯： k=2741 流明流明/瓦瓦 据报道，全国约有据报道，全国约有15亿只白炽灯亿只白炽灯 问题：为什么用手摸日光灯，不烫手问题：为什么用手摸日光灯，不烫手 而摸白炽灯却

21、烫手？而摸白炽灯却烫手？35n三三. .光出射度光出射度n光源单位面积发出的光通量。光源单位面积发出的光通量。n四四. .光照度：单位受照面积接受的光通量。光照度：单位受照面积接受的光通量。n单位：勒克司流明单位：勒克司流明/ /平方米平方米 , lx , lx ，lx=lm/mlx=lm/m2 2n房间里照明情况的好坏是由光照度决定的房间里照明情况的好坏是由光照度决定的dsdsd ddBAdsdM=dsdE=36n五五. . 光亮度光亮度n光亮度表示发光面在不同位置和不同方向上的发光特光亮度表示发光面在不同位置和不同方向上的发光特性性n微小面元微小面元dsds在在AOAO方向上的投影方向上的

22、投影ndsdsn n=ds.cos=ds.cosn光亮度光亮度n光亮度表示发光面在单位投影面积在单位立体角内所光亮度表示发光面在单位投影面积在单位立体角内所发出的光通量。单位：坎发出的光通量。单位：坎/ /平方米平方米 cd/mcd/m2 2Adsdd0INcos.dsIdsILn=ddsdL.cos.37常见光源的亮度常见光源的亮度（单位面积的发光强度（单位面积的发光强度 cd/m2）38计算举例：有一均匀磨砂球形灯,直径为17cm,光通量为2000lm,求该灯的光亮度.解:根据光亮度与发光强度的关系来求.ndsIL=2322222/1071027. 215.1591027. 2)217.

23、0(15.15942000mcdLmRdscdIn=灯39表1：常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度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QeeMeIeLeEe edQe/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/m2lx40光的相干性n光的相干

24、性是指在不同的空间点，不同时刻光波场的某些特性（如相位）之间的相关性。n空间相干性n时间相干性41光辐射的量子理论基础光辐射的量子理论基础受激吸收概率：受激吸收概率：t121121sdtdnnW=）(1212=BW为爱因斯坦吸收系数为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。只与粒子本身的性质有关。12B）(为辐射场能量密度为辐射场能量密度1n 为为E1能级上的原子数密度能级上的原子数密度,（1) 受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。42(2) 自发辐射自发辐射1221EEh=光子能量：光子能量：自发跃迁概率：自发跃迁概率：221211ndtdnAsp=单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内， 上粒子的减少为：上粒子的减少为：221212nAdtdndtdnsp=2E于是有：于是有：)exp()exp(0221022stntAnn=211As=为为 自发辐射寿命。自发辐射寿命。2E处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只自发辐射只与原子本身性质有关，与原