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1、光的本性“光”，是我们十分熟悉的对象。我们天天接触光，处 处利用光。光是人类生存的基础，是美化世界的信使 ，是生产发展的工具。对地球而言，太阳是最大的光 源，宇宙间的恒星，全都是发光体。虽然我们生活在光的世界，时刻感觉道光的存在，但 是我们对于光的本性的认识却经历了漫长的岁月，这 种认识过程知道现在还在继续着。第二章 光电检测技术基础 十七世纪之前：感性认识阶段墨翟 墨经 （ 公元前468公元前376）欧几里德 光学 （公元前330公元前275）经验规律平面镜成像，反射定律光的触须说十七世纪：几何光学、光学仪器利佩尔兹：1608年，荷兰的利佩尔兹发明望远镜开普勒（15711630）：研制开普勒
2、天文望远镜，1611年著 作折光学，提出照度定律，得出折射角和入射角近似成 正比关系，解释近视眼和远视眼原因斯涅儿：1621年在一篇文章中给出入射角的余割和折射角的 余割之比为常数笛卡尔：1620年给出用正弦函数表述的折射定律费马：1657年指出光在介质中传播时所走路程取极值的原理 费马原理，并根据这个原理推出光的反射和折射定律十七世纪中叶，几何光学基础基本奠定牛顿：1672年完成三棱镜色散实验，发现了牛顿圈，1704 年出版光学一书中提出光的微粒说光的微粒说可以解释反射和折射定律，但不能解释牛顿圈惠更斯：1678年创建光的波动说，提出次波原理仍局限在几何光学方面，没有指出光现象的周期性，没有
3、提到波长、相位的概念，不能说明干涉、衍射等有关 光的本性的现象十八世纪：光的理论没什么进展，大多说科学家接受 了光的微粒说十九世纪：光的电磁理论托马斯杨：1801年用双缝显示了光的干涉现象，第一次 成功的测定了光的波长，用干涉原理令人满意的解释了白 光照射下薄膜颜色的由来菲涅尔：1815年用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成 了惠更斯菲涅尔原理，不仅可以解释光在各向同性介质 中的直线传播，还可以解释光绕过障碍物的衍射现象，是 波动光学一个非常重要的原理法拉第：1845年发现了光的震动在强磁场中的旋转，揭示 光学现象和电磁现象的内在联系韦伯：1856年发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于 真空
4、中的光速300000000米/秒麦克斯韦：1860年提出光是电磁波的理论电磁波（在真空中C=2.9979250X108米/秒）与光的 速度完全一样，并且都不需要传播媒质；电磁波的 理论都可以用来描述光的各种现象，理论与实践在 许多方面都很吻合。光的电磁理论揭示了光的电磁 本质，使人们对光本性的认识大大提高了一步。波的频率是由波源确定的，它就等于波源震动的频率，而 波速是由媒质决定的波传播的速度（简称波速）V 和波长、周期T（或频率f ）的关系是：一个完整的波的长度，叫做 波长，用符号表示。波前进一个波长所需的时间，叫 做波的周期，用符号T表示。它也 等于媒质中的点振动一次的时间 （单位用秒）。
5、周期T的倒数是波的频率，用符号f表示，是指单位时间内 波前进距离内完整波的数目，（单位用次/秒，叫做赫兹） 。电磁波在不同媒质传播时，它的速度是不同的，但 都比真空中的速度C要小。光在空气中的速度略小 于C，通常可用C来近似，光在水中的传播速度只有 C的四分之三，在玻璃中的传播速度是C的三分之二 。在真空中，电磁波的速度、波长、频率之间的关系为C=f由于光波的波长很短，用米或厘米作单位都嫌太大 ，而采用更小的单位微米（m）、纳米（nm）和埃 （），它们之间的换算关系为：1m=103mm=106m=109nm=1010 二十世纪光的波粒二象性光的电磁理论所遇到的主要困难是不能解释光和物 质相互作
6、用的某些现象，例如炽热黑体辐射中能量 随波长分布的问题，特别是1887年赫兹发现的光电 效应。普朗克：1900年提出量子假说，认为各种频率的电 磁波（包括光），只能像微粒似得以一定最小份的 能量发生（它称为能量子，正比于频率），成功的 解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时期。爱因斯坦：1905年发展了普朗克的能量子假说，把 量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，建立了他的 “光子学说”。他认为光波的能量是“量子化”的 ，辐射能量是由许多分立能量元组成，这种能量元 称为“光子”。“光子”不同于牛顿微粒说中的粒 子，“光子”是和光的频率相联系的，光同时具有 微粒和波动两种特性。光具有波粒二象性，既是电
7、磁波，又是光子流。波粒二象 性是光的属性，反映了“光”这个统一物两个矛盾着的侧 面，在某些情况下，它主要表现为波动性，而在另外一些 情况下，它又主要表现为粒子性。例如，光在传播过程中 ，主要表现它的波动性，但当光与物质相互作用发生能量 交换时就突出的显示出它的粒子性。有关光的一些基本概念【光】严格地说，光是人类眼睛所能观察到的一种辐射。由实验证明光就是电磁辐射，这部分电磁波的波长范围 约在紫光的0.38微米到红光的0.78微米之间。波长在0.78微米以上到1000微米左右的电磁波称为“红外线”。在0.38微米以下到0.01微米左右的称为“紫外线 ”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器
8、或 摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。所以在光学 中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线 均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁波谱中的一部分 。【光源】物理学上指能发出一定波长范围的电 磁波（包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不 可见光）的物体;通常指能发出可见光的发光体。 凡物体自身能发光者，称作光源，又称发光体，如 太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都是。但像月 亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看 到它们，这样的反射物体不能称为光源。光源主要 可分为：热辐射光源，例如太阳、白炽灯、炭精灯 等；气体放电光源，例如水银灯、荧光灯等；激光 器是一种新型光源，具有发射
9、方向集中、亮度高、 相干性优越和单色性好的特点。【光速】一般指光在真空中的传播速度，它的特征是：（1） 一切电磁辐射在真空中传播的速率相同，且与辐 射的频率无关；（2）无论真空中还是其它物质媒质中，无论用什么方 法也不能使一个信号以大于光速C的速率传播；（3）真空中光速与用以进行观测的参照系无关。如果 在一伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为 C=2.99793X108米/秒，那么，在相对此参照系以速度v平行 于光信号运动的另一个伽利略参照系中，所观测到的光信 号速率一定也是C，而不是C+v（或C-v），这就是相对论的 基础；（4） 光在真空中的速度为C，在其它媒质中，光的速 度均小于C，且
10、随媒质的性质和光波的波长而不同。【色散】复色光被分解为单色光，而形成光谱的现象，称之为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统 ”的仪器来实现。【光谱】 复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列 的图案。各种色光依一定顺序排列而成的光带叫做光谱。最基本的光谱有二种：一种是太阳光那样的从红到紫所有色光的 光谱，各种色光紧密排列，中间没有界线，这种光谱就称 为连续光谱。另一种是像汞灯那样的光谱，在从红到紫的 波长区域内，只有几根彩色的亮线，这种光谱称为线光谱 。【光的颜色】 波长在0.4微米左右的光呈紫色，随着波长的增加，依次呈现蓝、青、绿、黄
11、、橙 、红各色。波长大于0.78微米的光，因为在红光的 外端，所以称为红外光。同样，波长短于0.38微米 的光由于处在紫光外端，也就称为紫外光。紫外光 和红外光虽然不能为眼睛所感觉，但对眼睛还是有 作用的，过量的紫外光和红外光对人眼都有损害作 用，我们应该注意适当的防护。严格来说，不同波长所反映的颜色应该是不同的，所以用波长来鉴别光波比用颜色来鉴别光波更为科学而且定 量。显然，白光是一种复色光，但复色光并不一定 是白光。严格来说，单色光是指只含有一种波长的 光，但实际上是不可能的，它总包含有一定的波长 范围。如果一种颜色的光再不能分解为其它颜色的光 ，这种光称为单色光。而由单色光合成的光则称为
12、 复色光。光度学与辐射度学光电系统可以看作是光能的传递和接收系统 。辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、 光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是 否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的 指标。 辐射度学辐射度学研究光辐射在产生、传输和探测时 所涉及的许多辐射量的度量。名称符号定义方程单位符号辐射能Qe焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量， 辐射功率瓦特W辐射强度e瓦特球面度Wsr-1辐射亮度e 瓦特球面度 平方米Wm-2 sr-1辐射出射度e瓦特平方米Wm-2辐射照度e瓦特平方米Wm-2基本辐射度量的名称、符号和定义光度学光度学研究对可见光的能量的计算，它使用 的参量称为光
13、度量。以人的视觉习惯为基础建立 。 不同颜色的可见光，不仅颜色感觉不同，而 亮度感觉也不同。如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛，则 会发现：波长为555纳米的光看上去最亮，黄光和 青光较亮，而红光和紫光较弱。这就是说人眼对黄 绿色光最灵敏，对黄、青光较灵敏，而对红、紫光 不灵敏。人眼的这种感觉特性可以用曲线表示出来， 如图所示，称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，我 们通常把它叫做视见函数曲线V ()。实线：为视线较亮时测得 的，称为明视见曲线虚线：为视线较暗时测得 的，称为暗视见曲线所有光度计量均以明 视觉为基础名称符号定义方程单位符号光量Qv光通量对时间 积分流明秒lm s光通量流明lm发光强
14、度v坎德拉cd亮度v 坎德拉平方 米cdm-2 光出射度v流明平方米lmm-2照度v勒克斯lx光度学度量的名称、符号和定义 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对 应的。辐射度量下标为e（emission），光度 量下标为v（visibility)。 光度量只在可见光区（ nm) 才有意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。 晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为20lx 阴天室外50500lx 阴天室内550lx 月光（满月）2500lx 日光灯5000lx 电视
15、机荧光屏100lx 阅读书刊时所需的照度50-60lx 在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜0.001lx辐射通量的光谱分布与接收器的光谱响应辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通 量各不相同。总的辐通量为各个组成波长的辐通 量的总和。下图为某辐射通量的连续分布曲线。 辐射通量的光谱分布曲线给定波长0处极小波长间隔d内的辐射通量de称为单色辐通量。e=de/de称为光谱辐通量。此式中e称为全色辐通量。 单色辐通量的积分为此式中e称为多色辐通量。 许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接 收器对不同波长电磁辐射的响应程度(反应灵敏度) 称为光谱响应度或光谱
16、灵敏度。对人眼来说采用光 谱光视效能K()来表征不同波长辐射下的响应能力 ，光谱光视效能K()为同一波长下光谱光通量与光 谱辐通量之比，即K()=v/eV()=K()/Km由于人眼在频率为5401012Hz(m=555nm，该 波长称为峰值波长)的辐射下，K()最大，记以Km ，Km = 683lmW-1。对于某给定波长下的Km，定义 光谱光视效率V()为半导体基础知识导体、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，按物质形态分为气体、液 体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两 者之间的半导体。 电阻率10-6 10-3欧姆厘米范围内导体 电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体的特性（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关 系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例如 纯锗（Ge），温度每升高10度
