1、Chapter 1光輻射與發光源學習目標光度量的基本物理量光度量基本定律光電檢測系統中常用光源光輻射以電磁波形式或光子形式傳播的能量，它們可以用光學元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為光輻射分類：紫外輻射、可見光、紅外輻射可見光：波長在390nm-770nm范圍的光輻射紫外輻射：人眼看不見，波長范圍是10nm-390nm紅外輻射：波長在0.77m-1000m光學基本知識對于光輻射的探測和計量，存在著輻射度單位和光度單位兩套體系輻射度單位體系，幅通量或輻射能是基本量，只與輻射客體有關的量；基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）；適用于整個電磁波段光度單位體系是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計

2、量單位；基本量是發光強度，其基本單位是坎德拉；只適用于可見光波段輻射能：以輻射形式發射或傳輸的電磁波能量，符號Qe單位焦耳J輻射通量e輻射強度Ie （點光源）輻射亮度Le （面光源）輻射出射度Me輻射照度Ee輻射度體系單位波長間隔內對應量單位輻射度量光度量光通量 lm 光視效能K lm/w 用光通量代替輻射通量即可得到光度量發光強度Iv cd 光亮度Lv cd/m2光出射度Mv lm/m2 光照度Ev lx 視見函數V（）是對應波長為555nm的輻通量e（555）與某波長能對平均人眼產生相同光視刺激的輻通量e（）的比值。Km是一比例常數。對于波長555nm的單色光（V（555）1），Km等于6

3、83m/W。 光譜光視效率曲線常見物體的亮度光源名稱亮度 cd/m2地球上看到的太陽1.5109地球大氣層外看到的太陽1.9109普通碳弧的噴頭口1.5108超高壓球狀水銀燈1.2109鎢絲白熾燈（0.51.5）107乙炔焰8104太陽照射下的潔凈雪面3104距太陽75角的晴朗天空0.15104 基本光度量的名稱、符號和定義方程亮度計測量范圍：10-519.99cd/m2照度計顯示：3 1/2位LCD顯示，測量范圍：1Lux50,000Lux準確度：4% 10個字（5% 10個字 大于10,000Lux時）重復測試：2%感光體：光二極管附濾光鏡片光度學基本定律余弦定律亮度守恒定律照度與距離平方

4、成反比定律光度學基本定律余弦定律 朗伯余弦定律任意表面上的照度隨該表面法線與輻射能傳播方向之間的夾角余弦變化。OAA朗伯輻射表面 當被光照的表面是理想漫反射表面時（朗伯余弦表面），則由該表面輻射的光強也服從余弦定律，即朗伯輻射表面在某方向輻射光強隨該方向和法線之間夾角余弦變化照度與距離平方成反比定律當均勻點光源向空間發射球面波，則點光源在傳輸方向上某點的照度與該點到點光源距離平方成反比。亮度守恒定律當光束在同一種介質中傳輸時，沿其傳輸路徑任取兩個面元 和 ， 并使通過面元 的光束也通過面元 ，它們之間的距離是 ，面元法線與光傳輸方向夾角分別為 和 r斯特藩-波爾茲曼定律對所有波長的輻射出射度積

5、分，得到黑體的輻射出射度，它只與黑體的溫度有關，而與其他性質無關為斯特藩-波爾茲曼常數物體真實的溫度斯特藩-玻耳茲曼定律通常用于測量高溫物體(如冶煉爐、鋼水、太陽或其他發光天體等)溫度測量，也是遙感技術和紅外跟蹤技術的理論依據。 紅外測溫系統簡化圖假定物體發出波長（12）全被探測器探測到。物體單位面元向外定向發射的紅外功率為P(V) 利用全輻射定律，黑體在該溫度下總輻射出射度為T4；則該物體單位面元單位立體角內發射的功率紅外測溫黑體輻射分布函數Fb（12），表示波長范圍內黑體發射出的輻射能在其輻射能中所占的份額。表面單元面元ds與法線方向成夾角 方向上單位立體角內輻射功率為P( )紅外測溫 光

6、學成像面元 S鏡頭所形成的立體張角光電檢測系統中常用光源光源的基本參數常用光源典型激光器光源的基本參數發光效率在給定波長范圍內，某一光源所發出的光通量 與產生該光通量所需要的功率P之比，稱為該光源的發光效率，表示為種類 發光效率 (lm/W) 功耗 (W)白熾燈1540節能熒光燈709白光LED燈809光譜分布光源的輻射能隨波長分布的關系峰值波長譜線寬度光譜分布線狀光譜帶狀光譜連續光譜混合光譜空間光強分布特性若在光源輻射光的空間某一截面上，將發光強度相同的點連線，便得到該光源在該截面的發光強度曲線。高壓鈉燈配光曲線光源 熱輻射光源：物體通電后溫度升高 鎢絲燈 氣體放電光源：電流通過氣體放電而發

7、光 汞燈 鈉燈 半導體發光器件 場致發光屏、發光二極管 激光光源 產生相干光源，能夠激發出激光并能實現激光的 持續發射的器件固體激光器、氣體激光器、半導體激光器熱輻射光源 太陽光復合光，但是很好的平行光源白熾燈 鎢絲加熱而發光，發出連續光譜 發光穩定、簡單 應用在光柵的莫爾測量中，對燈絲的結構有所要求，主要是限制發光強度的方向性 氣體放電光源 利用氣體放電發光將氫、氦、氘、氙、氪或金屬蒸汽充入燈中，在電場作用下激勵出電子和離子。當電子和離子分別向陽極和陰極運動，它們再次與氣體原子和分子發生碰撞激勵出新的電子和離子，如此使一些原子躍遷到高能級，由于高能級不穩定，回到低能級時發出光子 發光效率高，

8、壽命長，光色范圍大。如普通高壓汞燈發光波長大約為400500nm半導體發光器件 LED : 在電場作用下使半導體的電子和空穴復合而發光的器件 輻射光的波長取決于半導體材料的禁帶寬度Eg ，不同材料制成發光二極管發出不同的波長，比如紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等 自發發射/nm相對發光強度1.00.80.60.40.200 500 600 700 800GaAsPGaP綠GaP紅光譜分布和峰值波長光強分布特性很強方向性VmA2468-8-6-4-280204060-20-40-60-80LED 伏安特性激光原理（激光產生的基本原理和方法）Laser Light Amplif

9、ication by Stimulated Emission of Radiation 受激輻射產生的光放大激光器的三個基本組成部分是增益介質、諧振腔和激勵能源。如果用某種激勵方式,將介質的某一對能級間形成粒子數反轉分布,由于自發輻射和受激輻射的作用,將有一定頻率的光波產生,在腔內傳播,并被增益介質逐漸增強、放大。被傳播的光波決不是單一頻率的（通常所謂某一波長的光，不過是光中心波長而已）。激活媒質的物質狀態 ：氣體激光器、液體激光器、固體激光器、半導體激光器激活媒質的粒子結構 ：原子、離子、分子和自由電子激光器 激光器的分類 光束特點 氣體激光器和固體激光器大都采用兩塊具有共軸線的球面鏡作為反

10、射鏡構成諧振腔，成為共軸球面腔；如果兩個球面鏡焦點重合，成為共焦腔。共焦腔的光振幅分布是高斯分布。激光特點共焦腔激光特點光的單色性 激光譜線寬度很窄，即波長變化范圍很小，單色性好。如He-Ne激光器發出的波長為632.8nm的紅光，光頻f為4.741014Hz，而高精度穩頻后頻率的變化只有2Hz。 半導體激光器熱穩定性差，所以譜線寬度遠比He-Ne激光器差。激光的特點 方向性 He-Ne激光器方向性最好，發散角可達到310-4rad；用于準直測量；固體激光器約為10-2rad；半導體激光器縱向發射角約為510激光的特點 亮度激光在空間傳播是一個立體角很小的圓錐光束；發散角和立體角的關系氣體激光

11、器亮度為104108固體激光器亮度為1071011激光的特點相干性 激光的單色性好，所以其相干性也非常好；是目前光源中相干性最好的光源 干涉測量；散斑測量；全息測量縱模描述為光場分布沿光傳播方向分布 激光的縱模和橫模相干加強條件波長和頻率關系滿足條件諧振頻率激光的縱模只有諧振腔的光學長度等于半波長整數倍的那些光波才能形成穩定的振蕩輸出為了獲得單一的縱模輸出，可通過選擇諧振腔的腔長和在反射鏡上鍍選頻波長的增強膜的方法來達到激光的縱模和橫模橫模描述的是激光光斑上的能量分布情況典型激光器固體激光器固體激光器以絕緣晶體或玻璃為工作物質，其中參雜少量可以產生激光的激活離子（主要采用三價的穩定離子，如Cr

12、3+,Nd3+,Yb3+,Er3+)。該激活離子受到泵浦光源（閃光燈、半導體激光）作用產生光激勵，在固體激光材料中形成粒子反轉分布，并以其本身固有的波長發射激勵燈激光介質燈光反射鏡輸出反射鏡全反射鏡輸出激光 紅寶石激光器最早研制的激光器通常產生694.3nm激光，由工作介質的特性所決定 鈦寶石激光器一種連續可調固體激光器，在很寬的波長范圍（660nm1180nm)內連續可調常見的固體激光器釹釔鋁石榴石激光器在加工方面，主要使用Nd:YAG激光器，平均功率從瓦特至千瓦級，用于打孔、切割、劃片、焊接、表面雕刻等。提高了加工工藝，比如吉列剃須刀，每個刀片厚度只有0.1毫米，其切割就是采用一臺激光焊接

13、機在半秒鐘內完成。在醫療上，采用固體激光器易于通過光纖傳輸的特點，發展了內窺鏡手術固體激光器的應用典型激光器氣體激光器氣體激光器是以氣體或金屬蒸汽作為工作物質的激光器 氣體激光器的特點 發射的譜線分布在一個很寬的波長范圍內，波長遍布從 紫外到遠紅外整個光譜區域。 氣體工作物質均勻性較好，輸出光束的質量較高 容易實現大功率連續輸出，如二氧化碳激光器目前可到萬瓦級 具有轉換效率高、工作物質豐富、結構簡單和成本低的特點放電激勵方式分類 激勵原子躍遷（中性原子激光器） He-Ne激光器 激勵離子躍遷（離子激光器） 惰性氣體激光器 金屬蒸汽激光器 激勵分子躍遷（分子激光器） CO2激光器 激勵原子、離子

14、重新締結為激發分子，躍遷（準分子激光器） 稀有氣體準分子激光器氣體激光器工作原理在可見光及紅外波段可產生多條譜線Ne原子實現激光躍遷，He作為輔助氣體用來提高泵浦效率He-Ne激光器有三條最強的激光譜線（632.8nm,1.15m，3.39m）影響He-Ne激光器輸出功率的因素：工作物質尺寸、諧振腔損耗； He和Ne兩種氣體的比例；毛細管的管徑；不隨放電電流的增加單調上升，存在一個最佳放電電流；與充氣壓強p和管徑d有關，存在一個最佳的pd值氣體激光器 He-Ne激光器He-Ne激光器型號QJH-Type(腔長mm)150180200250280300350最佳工作電流mA3445667輸出功率

15、mW0.30.50.81.533.55外徑mm130303035353535主要特點：輸出功率大(最大輸出功率可達10kw以上)，能量轉換效率高，輸出波長正好處于大氣窗口；廣泛應用于激光加工、醫療、大氣通信和軍事領域以CO2 、N2和He的混合氣體作為工作物質，激光躍遷發生在CO2分子上；N2作用是提高激光高能級的激勵效率；He則有助于激光下能級的抽空CO2激光器典型激光器半導體激光器半導體激光器的特點則是體積小，重量輕，結構簡單，但輸出的功率較小，單色性也較差 廣泛應用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印和激光雷達等方面 LD的基本結構：三層不同的半導體疊加而成的雙異質結結構，上下電極p型和

16、n型半導體分別構成，電流流過電極，大量的載流子（電子、空穴）注入到激活層激光電極電極激活層半導體激光器的特性半導體激光器伏安特性曲線半導體激光器功率曲線半導體激光器光譜特性半導體激光器電源驅動單片機LD電源驅動及保護顯示A/D轉換D/A轉換致冷劑光功率及溫度采樣放大溫度控制電流驅動功率穩定控制控制保護半導體激光器的特性激光器用途作為信息載體的光子源這類光子源主要用于光通信、光信息處理、光測量、光傳感等信息光子學技術中。仿效電子學，可稱之弱光器件，屬于這類器件的主要有半導體激光器、激光二極管泵浦的固體激光器、光纖與波導激光器以及某些氣體激光器等。作為能量載體的激光器這類光子源主要用于光子與物質相互作用的光子學技術中，