光电子学基础知识

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《光电子学基础知识》

简介:

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6/6光电子学基础知识.doc  第一章光辐射与发光源   教学目的   1、掌握光波在各种介质屮的传播特性。   2、了解光度学基本知识。   3、了解热辐射基本定律   教学重点与难点   重点:光波在电光晶体、声光晶体屮的传播特性。   难点:光度学基本知识。   1.1电磁波谱与光辐射   1.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E (或变化磁场产),在邻近区域将产牛变化的磁场看(或变化电场E),这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产牛,由近及远以有限的速度在空间传播,形成电磁波。   电磁波具有以下性质:   (1)电磁波的电场片和磁场芳都垂直于波的播方向,三者相互垂直,所以电磁波是横波。E、芳和传播方向构成右手螺旋系。   (2)沿给定方向传播的电磁波,E和产分别在各口平面内振动,这种特性称为偏振。   (3)空间各点E和产都作周期性变化,而且相位相同,即同时达到最大,同时减到最小。   ⑷ 任一吋刻,在空间任一点,E和产在量值上的关系为血£ =亦//。   (5)电磁波在真空屮传播的速度为c = 丁勺“。,介质屮的传播速度为   u =0   电磁波包括的范围很广,从无线电波到光波,从X射线到了射线,都属于   波谱的一极小波段。图屮还给出了各种波长范围(波段)。 Mun   L10”   X/nm lxlO 6   -   '极远 -J ?远   1 1   >屮       >近 ■ '1   ?橙 w ?绿       *蓝   - < >轧   ?近   >远 1       ?   声频电磁振荡   亳米波   红外光   紫外光   宇宙射线   10 —   -1012 -1O 10   -106   -104   一」   —1()4 -10'8   L 1O 40   电磁波的范畴,只是波长不同而己。H 前己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。我们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   电磁辐射波谱   2.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。一般认为其波长在 lOnm-lmm,或频率在3xlO“Hz ?3xlO“Hz 范围内。一般按辐射波长及人眼的 牛理视觉效应将光辐射分成三部分:紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可 见到紫外波段波长用nm 、在红外波段波长用pm 表示。波数的单位习惯用cm"。   可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390?770nm 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。   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1?390nm 。 细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气小几乎会被完全吸收, 只能在真空屮传播,所以又称为真空紫外辐射?。在进行太阳紫外辐射的研究小, 常将紫外辐射分为A 波段、B 波段和C 波段。   770 622 597 577 492 455 390 300 200   4xl04 1.5X106   可 见 光   6xl03   M e   =   ~dS       红外辐射。波长在0.77?10()0屮n 的是红外辐射。通常分为近红外、屮红外 和远红外三部分。   1.2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。血对于光辐 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,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 )o 辐射度学 适用于整个电磁波段。   光度单位体系是一套反映视觉亮喑特性的光辐射计量单位,被选作基本量 的不是光通量血是发光强度,其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波 段。   以上两类单位体系「I|的物理量在物理概念上是不同的,但所用的物理符号 一一对应的。为了区别起见,在对应的物理量符号标角标“护表示辐射度物理量, 角标w 表示光度物理量。下而重点介绍辐射度单位体系屮的物理量。光度单位 体系11'的物理量可对比理解。   1.辐射度的基本物理量   (1)辐射能。   辐射能是以辐射形式发射或传输的屯磁波(主要指紫外、可见光和红外辐 射)能量。辐射能一般用符号Q 表示,其单位是焦耳(J )o   ⑵辐射通量。   辐射通量0又称为辐射功率,定义为单位时间内流过的辐射能量,即   (1.2-1)   单位:瓦特(W )或焦耳?秒(J-s )o   辐射出射度。   辐射岀射度胚是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积 向半空间发射的辐射通量,即 单位:W/m 2o dt   (123)   (1.2-4)   (1.2-5)   图2辐射亮度示意图 显然,一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。 但是有些辐射   体的辐射强度在空间方向上的分布满足   dl e = dl e{} cos 6   ⑷辐射强度。   辐射强度厶定义为: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,用厶表示,即   r 止   ° dd   单位:瓦特?球面度“(W ?s4)。   由辐射强度的定义可知,如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向 所有方向发射的总辐射通量是 % 则该点辐射体在各个方向的辐射强度厶是 常量,有   ① 1 =二   e   4兀   ⑸辐射亮度。 辐射亮度乙定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图2所示。   L _ 叽 _   ",   "dS cos 0 dfldS cos 0   式屮&是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。 单位:瓦特/球面度?米2       (W/sr-m 2   )o   (1.2-6) 式屮厶o 是面元於沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐   射体称为余弦 辐射体或朗伯体。(1.2-6)式代入(1.2-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为   T = eO T e ~   dS e0   (1.2-7)   可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的,与方向角0无关。余弦辐射体的辐射出 射度为   d   ①   dS   dA       (1.2-8)   ⑹ 辐射照度。在辐射接收而丄的辐照度仅定义为照射在面元刃上的辐射   而积刃Z 比。即   通量丛%与该而元的   (1.2-9)   单位:(W/m 2)0   (7)单色辐射度量   对于单色光辐射,同样可以采用丄述物理量表示,只不过均定义为单位波 长间隔内对应的辐射度量,并且对所有辐射量X 来说单色辐射度量与辐射度量 之问均满足   (1.2-10)   2. 光度的基本物理量   由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应,故用辐射度单位描述 的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮喑特性 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基本物理量 Qc 、% I e . Me 、J 、仅对应的O v ,九、Iv 、W 、―、弘来表示,其定义完全 ??对应,其关系如表1所刀J   表1常用辐度量和光度量之间的对应关系      与辐射度量体系不同,在光度单位体系屮,被选作基木单位的不是光量或 光通量,而是发光强度,其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基木单位, 而且也是国际单位制(SI )的七个基本单位之一。   光视效率。光视效能描述某一?波长的单色光辐射通量可以产牛多少相应的 单色光通量。即光视效能忌定义为同-?波长下测得的光通量与辐射通量的比   (1.2-12)   ?       1V       ?       \   V ■ A \ A ■   L/ X \: ?   ? \ ?   1   ? \   ? /   ? \   ?   ■   / ? ??   0.0       Z,即   % (1.2-11) 单位:流明/瓦特(lm/W)o   通过对标准光度观察者的实验测定,在辐射频率540X 1012H Z (波长555nm) 处,K   兀有最大值,其数值为心=6831m/W 。单色光视效率是忌用心归化的 结果,其定义为       图3光谱光视效率Illi 线   表1-5单色光视效率数值   光的颜色   k/nm 匕   光的颜色   Z/nin 匕       360 0.00000 黄   570 0.95200 紫   380 0.00004 590 0.75700 410 0.00121   610 0.50300   430 0.01160 橙   630 0.26500 蓝 450 0.03800 650 0.10700 青 470 0.09098 670 0.03200 490 0.20802   690

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