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1、第一章 光电系统的常用光源,1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源 1.3 气体放电光源 1.4 激光器 1.5 光纤激光器 1.6 发光二极管(LED),一切能产生光辐射的辐射源都称为光源,天然光源 人造光源,电磁波谱,一切能产生光辐射的辐射源都称为光源,人造光源,电磁波谱,按照发光机理， 光源的分类：,需要了解各类光源的发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。,单位: （瓦每球面度）,3.辐射强度 描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。 定义为在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐射通量与立体角元之比。,4.辐射出射度 与辐射亮度,单位： （瓦每平方米）,单位
2、： （瓦每球面度平方米）,的定义 的定义,辐射出射度：通过单位面元辐射出的功率。,辐射亮度：是面元位置和辐射方向的函数，等于该方向面元辐射强度与面元表面积之比。,5.辐射照度 是照射在面元上的辐射通量与该元的面积之比。,单位： （瓦每平方米）,6.光谱辐射量或单色辐射度量、辐射量的光谱密度：是该辐射量在某波长处的单位波长间隔内的大小，是辐射量随波长的变化率。,其它辐射度量都有类似关系。,二、光度的基本物理量,1.光谱光视效率V(): 人眼对各种光波长的 相对灵敏度,详见表1.1,2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。 辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。,1）光能 单位：lm
3、s（流明秒） 2）光通量 单位：lm （流明） 3）发光强度 单位：cd（坎德拉） 发光强度 是光度量中最基本的单位。 在明视觉时，规定： 时，,即：1W = 683 lm 此时，V(）=1,V(）1 1W 683 lm,时，,可见，辐射通量与光通量之间的换算关系： 1W = 683 V(）lm ，定义：Km = 683 lm /W,有关系式：,4）光出射度 与光亮度,单位：lm /m2,单位： cd/m2 实用单位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2,5)光照度,单位：lx（勒克斯） 1lx = 1lm/m2,普适关系式：,三、光源的辐射效率与发光效率,辐射效率,发光效率,单位： l
4、m/W,1.2 热辐射光源,在热平衡条件下,绝对黑体热辐射能力最强，是一种理想的热辐射源。,由于内部原子、分子的热运动 而产生辐射的光源， 辐射光谱是连续光谱,一、理想的热辐射光源 热辐射光源：物体温度升高到足够高即可发光。需要外界提供能量，维持辐射。在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态，辐射光谱是连续光谱。 (，T)=1 绝对黑体,辐射出射度 光谱吸收比 入射辐射,普朗克公式： (黑体的单色辐射出射度),维恩位移定律： (最大辐射出射度),斯蒂芬玻尔兹曼定律： (黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，与其他性质无关）,绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布； 随着温度T的升高； 峰值波长
5、 向短波方向移动； 总出射度 迅速增加。,黑体的辐射出射度,灰体：(，T)1的热辐射光源， 具有与绝对黑体类似的辐射规律。,色温：规定两波长处热辐射源的辐射比率相同的黑体温度。色温高代表蓝绿光成分多些，色温低则表示橙红光多些。 相关色温：,1.太阳与黑体辐射器,二、实际的热辐射光源,太阳的光谱分布,非常接近于绝对黑体,黑体辐射器： 科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。 常用作标准光源，最高工作温度是3000K。 实际应用多在2000K以下。,2.白炽灯与卤钨灯 灰体 钨丝做灯丝,白炽灯 玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.43m。 可见光只占612%，用于照明； 加
6、红外滤光片可作为近红外光源。,卤钨灯 石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物（如溴化硼）;形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.253.5m。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的23倍)， 作仪器白光源.,1.3 气体放电光源,发光机理：气体放电。气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能及。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。 气体放电光源的特点： 1）发光效率高,节能。 2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。 3）寿命长，比白炽灯长210倍。
7、 4）辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。,泡壳：用玻璃或石英等材料制造； 电极：阴极、阳极或不区分（交流灯） 泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、 金属化合物蒸汽、惰性气体,基本结构,一、汞灯 泡壳内充汞蒸汽,1.低压汞灯： 作253.7nm紫外光源； 作荧光灯（日光灯）。 印刷制版、灭菌灯,2.高压汞灯： 可见辐射加强，呈带状光谱，可作高效工业照明光源。,3.球形超高压汞灯： 很好的蓝绿光点光源。 探照灯、投影仪,二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。 低压钠灯：发出波长589.0nm、589.6nm 两条谱线的单色光源。 高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。,三、金属卤
8、化物灯 泡壳内充的是金属卤化物气体。 通过金属卤化物循环，提供足够的金属原子气体。 铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。 镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。镝灯的发光波长范围为380780毫微米，为各种波长光组成的密集型光源，主峰波长为530毫微米。 钪钠灯和钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）： 近白色光源, 色温5500K。不必涂荧光粉，比汞灯更好 碘化锂：红光,四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体氙。 色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。,长弧氙灯: 电极间距为15-130cm, 工作气压105Pa, 大范围照明光源。 短弧氙灯: 电极间距为毫米级，工作气压1-2MPa,
9、 日光色点光源。,脉冲氙灯: 工作气压100Pa以下，脉冲时间极短（nSpS)，光很强,用于光泵、光信号源、照相制版、高速摄影,五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气,灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（185400nm）。 主要是依靠等离子体放电，就是指始终让氘灯处于一个稳定的氘元素（D2或者重氢）电弧状态下，使得氘灯成为高精度的分析测量仪器光源。 氘灯广泛应用于液相色谱仪的UV检测器、UVVIS分光光度计、电泳、SOx/NOx分析仪、血液检查等多种分析测试仪器中。,1.4 激光器,20世纪激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。,激光（laserligh
10、t amplification by stimulated emission of radiation) 继原子能和半导体之后的又一项重大新技术 突破了非相干光源单色亮度很低、传播时衰减快的缺陷 通过泵浦与谐振腔的作用，出射光强远大于入射光强 相位整齐、亮度高、方向性好、强度高的相干光 为信息处理提供了稳定的载息媒介,一、激光器概述 光的自发辐射和受激辐射 受激吸收 自发辐射 受激辐射 受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态，即具有相同的频率、相位、偏振状态、传播方向。 结论：受激辐射所得到的光是相干光。,激光的产生 产生激光的必要条件：实现粒子数反转,激光器的基本结
11、构,激光工作物质：晶体、玻璃、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。 激励方式：光激励、电激励、热激励、化学激励、核激励等。,泵浦-激励,激励方式: 光激励、 电激励、 热激励、 化学激励、 核激励 实现粒子数反转的过程 氦氖632.8nm 红宝石694.3nm,光学谐振腔,方向性好 相干性好,激光特性,谐振腔长度 谐振腔的作用 a. 维持光振荡，起到光放大作用。 b. 使激光产生极好的方向性。 c. 使激光的单色性好。,单色性好,能量集中,激光形成机理 电泵浦或光泵浦等； 造成工作物质中粒子数反转分布 ； 自发辐射引发受激辐射，形成光放大； 谐振腔对辐射光波选频放大。,激光的优越性 高亮
12、度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性（具有相同的频率、相位、偏振状态、传播方向）,激光器 种类：已有数百种激光器， 波长：输出波长从近紫外到远红外， 功率：辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。,二、气体激光器,工作物质是气体或金属蒸汽，通过气体放电实现粒子数反转。 所谓气体放电，是指在高电压的作用下，气体分子（或离子）发生电离而导电。 放电方式：直流连续放电（辉光放电和弧光放电）、高频放电、脉冲放电。 优点：工作物质（气体）均匀性好，谱线宽度窄，输出光束的质量相当高。 He-Ne激光器、 CO2激光器,He-Ne激光器,工作物质：He-Ne激光器是典型的惰性气体原子激光器。 Ne为工作物质，
13、He为辅助气体。 特点： He-Ne激光器输出连续光，工作波段从可见光到近红外。常用的工作波长632.8nm,其次1.15um、3.39um等。 He-Ne激光器输出光束质量很高，表现为单色性好( )和方向性好( )。 由于增益低，所以输出功率较小，一般为毫瓦量级(0.5-100mw)。 器件结构简单，造价低廉。 应用： He-Ne激光器广泛应用于准直、定位、全息照相、测量、精密计量、光盘录放、信息处理、医疗、照排印刷等领域。,He-Ne激光器,He-Ne激光器,CO2激光器,工作物质： CO2激光器是一种混合气体激光器。 CO2为工作物质，辅助气体有N2、He、CO、Xe、H2O、H2、O2
14、。 特点： CO2激光器的工作方式为连续或脉冲，工作状态可以是稳频或调谐。 输出功率相当大，能量转换效率高。 CO2激光器连续输出功率可达数十万瓦，是所有激光器中连续输 出功率最高的器件；脉冲输出能量达数万焦；脉冲可压缩到纳秒量级；脉冲功率密度可达太瓦(tw)量级。 输出波长分布在9-18um波段，已观察到的激光波长二百多条。 其中在9-11um红外波段中最重要的输出波长10.6um处在大气传输窗口，且对人眼无害。 应用： 应用于激光测距、激光制导、大气通信等领域。,CO2激光器,三、固体激光器,工作物质是由光学透明的晶体或玻璃作为固体激光器基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物
15、质一般应具有良好的物理化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。 光泵浦（气体放电灯和半导体激光器） 有脉冲输出激光器和连续输出激光器。,玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。 晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。 主要优点：能量大(掺杂离子的浓度比气体工作物质高4-5个数量级）、 峰值功率高（Q开关、倍频、锁模等技术）、 结构紧凑、坚固可靠和使用方便。,固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出能量可达千
16、焦耳级。经调 Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。 固体激光器运用Q开关技术（电光调制）, 可以得到纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。 固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进行波长转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器。 研究趋势：LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。,常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长694.3nm)、 掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG,波长1.064m）、 氟化钇锂(LiYF4,简称YLF； Nd:YLF,波长1.047或1.053 m ； Ho:Er:Tm:YLF,波长2.06 m)等。 固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用
