光电检测技术课件1

1、Chapter 1光辐射与发光源学习目标光度量的基本物理量光度量基本定律光电检测系统中常用光源光辐射以电磁波形式或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分类：紫外辐射、可见光、红外辐射可见光：波长在390nm-770nm范围的光辐射紫外辐射：人眼看不见，波长范围是10nm-390nm红外辐射：波长在0.77m-1000m光学基本知识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体系辐射度单位体系，幅通量或辐射能是基本量，只与辐射客体有关的量；基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）；适用于整个电磁波段光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计

2、量单位；基本量是发光强度，其基本单位是坎德拉；只适用于可见光波段辐射能：以辐射形式发射或传输的电磁波能量，符号Qe单位焦耳J辐射通量e辐射强度Ie （点光源）辐射亮度Le （面光源）辐射出射度Me辐射照度Ee辐射度体系单位波长间隔内对应量单位辐射度量光度量光通量 lm 光视效能K lm/w 用光通量代替辐射通量即可得到光度量发光强度Iv cd 光亮度Lv cd/m2光出射度Mv lm/m2 光照度Ev lx 视见函数V（）是对应波长为555nm的辐通量e（555）与某波长能对平均人眼产生相同光视刺激的辐通量e（）的比值。Km是一比例常数。对于波长555nm的单色光（V（555）1），Km等于6

3、83m/W。 光谱光视效率曲线常见物体的亮度光源名称亮度 cd/m2地球上看到的太阳1.5109地球大气层外看到的太阳1.9109普通碳弧的喷头口1.5108超高压球状水银灯1.2109钨丝白炽灯（0.51.5）107乙炔焰8104太阳照射下的洁净雪面3104距太阳75角的晴朗天空0.15104 基本光度量的名称、符号和定义方程亮度计测量范围：10-519.99cd/m2照度计显示：3 1/2位LCD显示，测量范围：1Lux50,000Lux准确度：4% 10个字（5% 10个字 大于10,000Lux时）重复测试：2%感光体：光二极管附滤光镜片光度学基本定律余弦定律亮度守恒定律照度与距离平方

4、成反比定律光度学基本定律余弦定律 朗伯余弦定律任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。OAA朗伯辐射表面 当被光照的表面是理想漫反射表面时（朗伯余弦表面），则由该表面辐射的光强也服从余弦定律，即朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和法线之间夹角余弦变化照度与距离平方成反比定律当均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点到点光源距离平方成反比。亮度守恒定律当光束在同一种介质中传输时，沿其传输路径任取两个面元 和 ， 并使通过面元 的光束也通过面元 ，它们之间的距离是 ，面元法线与光传输方向夹角分别为 和 r斯特藩-波尔兹曼定律对所有波长的辐射出射度积

5、分，得到黑体的辐射出射度，它只与黑体的温度有关，而与其他性质无关为斯特藩-波尔兹曼常数物体真实的温度斯特藩-玻耳兹曼定律通常用于测量高温物体(如冶炼炉、钢水、太阳或其他发光天体等)温度测量，也是遥感技术和红外跟踪技术的理论依据。 红外测温系统简化图假定物体发出波长（12）全被探测器探测到。物体单位面元向外定向发射的红外功率为P(V) 利用全辐射定律，黑体在该温度下总辐射出射度为T4；则该物体单位面元单位立体角内发射的功率红外测温黑体辐射分布函数Fb（12），表示波长范围内黑体发射出的辐射能在其辐射能中所占的份额。表面单元面元ds与法线方向成夹角 方向上单位立体角内辐射功率为P( )红外测温 光

6、学成像面元 S镜头所形成的立体张角光电检测系统中常用光源光源的基本参数常用光源典型激光器光源的基本参数发光效率在给定波长范围内，某一光源所发出的光通量 与产生该光通量所需要的功率P之比，称为该光源的发光效率，表示为种类 发光效率 (lm/W) 功耗 (W)白炽灯1540节能荧光灯709白光LED灯809光谱分布光源的辐射能随波长分布的关系峰值波长谱线宽度光谱分布线状光谱带状光谱连续光谱混合光谱空间光强分布特性若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，便得到该光源在该截面的发光强度曲线。高压钠灯配光曲线光源 热辐射光源：物体通电后温度升高 钨丝灯 气体放电光源：电流通过气体放电而发

7、光 汞灯 钠灯 半导体发光器件 场致发光屏、发光二极管 激光光源 产生相干光源，能够激发出激光并能实现激光的 持续发射的器件固体激光器、气体激光器、半导体激光器热辐射光源 太阳光复合光，但是很好的平行光源白炽灯 钨丝加热而发光，发出连续光谱 发光稳定、简单 应用在光栅的莫尔测量中，对灯丝的结构有所要求，主要是限制发光强度的方向性 气体放电光源 利用气体放电发光将氢、氦、氘、氙、氪或金属蒸汽充入灯中，在电场作用下激励出电子和离子。当电子和离子分别向阳极和阴极运动，它们再次与气体原子和分子发生碰撞激励出新的电子和离子，如此使一些原子跃迁到高能级，由于高能级不稳定，回到低能级时发出光子 发光效率高，

8、寿命长，光色范围大。如普通高压汞灯发光波长大约为400500nm半导体发光器件 LED : 在电场作用下使半导体的电子和空穴复合而发光的器件 辐射光的波长取决于半导体材料的禁带宽度Eg ，不同材料制成发光二极管发出不同的波长，比如红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等 自发发射/nm相对发光强度1.00.80.60.40.200 500 600 700 800GaAsPGaP绿GaP红光谱分布和峰值波长光强分布特性很强方向性VmA2468-8-6-4-280204060-20-40-60-80LED 伏安特性激光原理（激光产生的基本原理和方法）Laser Light Amplif

9、ication by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射产生的光放大激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式,将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布,由于自发辐射和受激辐射的作用,将有一定频率的光波产生,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大。被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。激活媒质的物质状态 ：气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器激活媒质的粒子结构 ：原子、离子、分子和自由电子激光器 激光器的分类 光束特点 气体激光器和固体激光器大都采用两块具有共轴线的球面镜作为反

10、射镜构成谐振腔，成为共轴球面腔；如果两个球面镜焦点重合，成为共焦腔。共焦腔的光振幅分布是高斯分布。激光特点共焦腔激光特点光的单色性 激光谱线宽度很窄，即波长变化范围很小，单色性好。如He-Ne激光器发出的波长为632.8nm的红光，光频f为4.741014Hz，而高精度稳频后频率的变化只有2Hz。 半导体激光器热稳定性差，所以谱线宽度远比He-Ne激光器差。激光的特点 方向性 He-Ne激光器方向性最好，发散角可达到310-4rad；用于准直测量；固体激光器约为10-2rad；半导体激光器纵向发射角约为510激光的特点 亮度激光在空间传播是一个立体角很小的圆锥光束；发散角和立体角的关系气体激光

11、器亮度为104108固体激光器亮度为1071011激光的特点相干性 激光的单色性好，所以其相干性也非常好；是目前光源中相干性最好的光源 干涉测量；散斑测量；全息测量纵模描述为光场分布沿光传播方向分布 激光的纵模和横模相干加强条件波长和频率关系满足条件谐振频率激光的纵模只有谐振腔的光学长度等于半波长整数倍的那些光波才能形成稳定的振荡输出为了获得单一的纵模输出，可通过选择谐振腔的腔长和在反射镜上镀选频波长的增强膜的方法来达到激光的纵模和横模横模描述的是激光光斑上的能量分布情况典型激光器固体激光器固体激光器以绝缘晶体或玻璃为工作物质，其中参杂少量可以产生激光的激活离子（主要采用三价的稳定离子，如Cr

12、3+,Nd3+,Yb3+,Er3+)。该激活离子受到泵浦光源（闪光灯、半导体激光）作用产生光激励，在固体激光材料中形成粒子反转分布，并以其本身固有的波长发射激励灯激光介质灯光反射镜输出反射镜全反射镜输出激光 红宝石激光器最早研制的激光器通常产生694.3nm激光，由工作介质的特性所决定 钛宝石激光器一种连续可调固体激光器，在很宽的波长范围（660nm1180nm)内连续可调常见的固体激光器钕钇铝石榴石激光器在加工方面，主要使用Nd:YAG激光器，平均功率从瓦特至千瓦级，用于打孔、切割、划片、焊接、表面雕刻等。提高了加工工艺，比如吉列剃须刀，每个刀片厚度只有0.1毫米，其切割就是采用一台激光焊接

13、机在半秒钟内完成。在医疗上，采用固体激光器易于通过光纤传输的特点，发展了内窥镜手术固体激光器的应用典型激光器气体激光器气体激光器是以气体或金属蒸汽作为工作物质的激光器 气体激光器的特点 发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，波长遍布从 紫外到远红外整个光谱区域。 气体工作物质均匀性较好，输出光束的质量较高 容易实现大功率连续输出，如二氧化碳激光器目前可到万瓦级 具有转换效率高、工作物质丰富、结构简单和成本低的特点放电激励方式分类 激励原子跃迁（中性原子激光器） He-Ne激光器 激励离子跃迁（离子激光器） 惰性气体激光器 金属蒸汽激光器 激励分子跃迁（分子激光器） CO2激光器 激励原子、离子

14、重新缔结为激发分子，跃迁（准分子激光器） 稀有气体准分子激光器气体激光器工作原理在可见光及红外波段可产生多条谱线Ne原子实现激光跃迁，He作为辅助气体用来提高泵浦效率He-Ne激光器有三条最强的激光谱线（632.8nm,1.15m，3.39m）影响He-Ne激光器输出功率的因素：工作物质尺寸、谐振腔损耗； He和Ne两种气体的比例；毛细管的管径；不随放电电流的增加单调上升，存在一个最佳放电电流；与充气压强p和管径d有关，存在一个最佳的pd值气体激光器 He-Ne激光器He-Ne激光器型号QJH-Type(腔长mm)150180200250280300350最佳工作电流mA3445667输出功率

15、mW0.30.50.81.533.55外径mm130303035353535主要特点：输出功率大(最大输出功率可达10kw以上)，能量转换效率高，输出波长正好处于大气窗口；广泛应用于激光加工、医疗、大气通信和军事领域以CO2 、N2和He的混合气体作为工作物质，激光跃迁发生在CO2分子上；N2作用是提高激光高能级的激励效率；He则有助于激光下能级的抽空CO2激光器典型激光器半导体激光器半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差 广泛应用于激光通信、光存储、光陀螺、激光打印和激光雷达等方面 LD的基本结构：三层不同的半导体叠加而成的双异质结结构，上下电极p型和

16、n型半导体分别构成，电流流过电极，大量的载流子（电子、空穴）注入到激活层激光电极电极激活层半导体激光器的特性半导体激光器伏安特性曲线半导体激光器功率曲线半导体激光器光谱特性半导体激光器电源驱动单片机LD电源驱动及保护显示A/D转换D/A转换致冷剂光功率及温度采样放大温度控制电流驱动功率稳定控制控制保护半导体激光器的特性激光器用途作为信息载体的光子源这类光子源主要用于光通信、光信息处理、光测量、光传感等信息光子学技术中。仿效电子学，可称之弱光器件，属于这类器件的主要有半导体激光器、激光二极管泵浦的固体激光器、光纤与波导激光器以及某些气体激光器等。作为能量载体的激光器这类光子源主要用于光子与物质相互作用的光子学技术中，