第一章光电技术基础课件.ppt

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1、第一章光电技术基础第1页，此课件共101页哦教材和参考资料教材和参考资料教材：王庆有等，教材：王庆有等，光电技术光电技术，电子工业出版社，电子工业出版社参考资料：参考资料：1.光电技术概论光电技术概论作者作者:安毓英等，安毓英等，电子工业出版社；电子工业出版社；2.光光电电技技术术作作者者:江江文文杰杰施施建建华华，科科学学出出版版社社，2009；3.光光电电子子技技术术基基础础教教程程 作作者者:郭郭培培源源 梁梁丽丽北北京京航航空航天大学。空航天大学。第2页，此课件共101页哦课程性质：专业必修课程性质：专业必修课程考核课程考核平时成绩：平时成绩：30期末考试：期末考试：70%致谢致谢承蒙

2、参考书目、论文为课件提供了理论承蒙参考书目、论文为课件提供了理论承蒙许多网站提供了各种资料承蒙许多网站提供了各种资料声明声明此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他商业用此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他商业用途途成绩考核成绩考核&致谢致谢第3页，此课件共101页哦基本内容基本内容第第1章光电技术基础章光电技术基础 第第2章光电导器件章光电导器件 第第3章光生伏特器件章光生伏特器件 第第4章光电发射器件章光电发射器件 第第5章热辐射探测器件章热辐射探测器件 第第6章发光器件与光电耦合器件章发光器件与光电耦合器件 第第7章光电信息变换章光电信息变换 第第8章图像信息的光电变换章图像信息的光电变换

3、第第9章光电信号的数据采集与计算机接口技术章光电信号的数据采集与计算机接口技术 第第10章章 光电信息变换技术的典型应用光电信息变换技术的典型应用 第第11章章 光电技术的新发展光电技术的新发展 第4页，此课件共101页哦典型的光电器件：典型的光电器件：1.半导体激光器（半导体激光器（GaAs/GaAlAs异质结激光器）；异质结激光器）；2.PN结发光二极管；结发光二极管；3.光电探测器光电探测器（光敏电阻，（光敏电阻，红外探测器、红外探测器、pn结光伏结光伏探测器探测器）；）；4.光电池（非晶硅太阳能电池光电池（非晶硅太阳能电池-硅光电池）硅光电池）第5页，此课件共101页哦5.光电成像系统

4、（光电成像系统（CCD电荷耦合器件：数码摄像，电荷耦合器件：数码摄像，CMOS摄像器件，红外焦平面阵列）；摄像器件，红外焦平面阵列）；6.显示器：电致发光显示技术（显示器：电致发光显示技术（LED），液晶显），液晶显示；示；7.光纤通信；光纤通信；8.激光雷达；激光雷达；9.光纤传感器等光纤传感器等第6页，此课件共101页哦绪绪论论(Introduction)光电技术光电技术是由光学技术和电子技术相结合而形成的一门崭新的是由光学技术和电子技术相结合而形成的一门崭新的技术。技术。主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现信息信息的获取、的获取、发送、探测、传

5、输、变换、存储、处理和重现等。发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。光电技术光电技术是研究是研究是研究是研究“光子光子光子光子”与物质中与物质中“电子电子”相互作用的一门科相互作用的一门科学，它以光学和电子学为基础，综合利用光学、电子学、精密学，它以光学和电子学为基础，综合利用光学、电子学、精密机械、仪器仪表、材料科学、控制科学和计算机技术解决各种机械、仪器仪表、材料科学、控制科学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科工程应用课题的技术学科第7页，此课件共101页哦 21世纪的信息网络是以世纪的信息网络是以IP（或（或IP/ATM）协议控制下的密集）协议控制下的密集波分复用（波分复用

6、（DWDM）为基础的）为基础的光核心网光核心网，包括有线（光纤或包括有线（光纤或HFC）、无线等不同接入类型、不同业务规模的各种接入网）、无线等不同接入类型、不同业务规模的各种接入网所形成的一个灵活、大容量的综合网。其中全光通信网所形成的一个灵活、大容量的综合网。其中全光通信网（AON）是主体，）是主体，全光网中的传输和交换容量均达到全光网中的传输和交换容量均达到Tb/s量级，量级，将比现有传输速率提高将比现有传输速率提高100倍以上。倍以上。光纤通信及其相应的光电子材料、器件、系统设备在内的市场光纤通信及其相应的光电子材料、器件、系统设备在内的市场在今后在今后15-20年内仍会以高的速率持续

7、增长。年内仍会以高的速率持续增长。产品主要有连接器附件和元件、耦合器、衰减器、隔离器、波产品主要有连接器附件和元件、耦合器、衰减器、隔离器、波分复用器等。分复用器等。光电子产业光电子产业1.信息光电子产业第8页，此课件共101页哦由于具有相干性好、单色性好、高亮度等独特优点，激光在工业和医疗方面的应用前景非常可观，可用来切割、焊接、打孔、热处理、划片、光刻以及用来进行手术、镇痛、理疗等治疗。激光加工设备还将继续沿高功率、高质量、高可靠、低成本的方向发展。2.2.能量光电子产业能量光电子产业第9页，此课件共101页哦光电子材料和元器件是光电子产业的基础，对光电子产业的发展起着决定性的作用。4.4

8、.光子学及光通信器件光子学及光通信器件 主要包括光子的产生、探测、控制和处理，因此，必须有相应的光子学器件，光子学器件的时间响应和单道超大容量要比电子学器件高得多，这对信息技术的发展有很大的推动作用。3.3.光电子材料和元器件产业光电子材料和元器件产业 第10页，此课件共101页哦5.光存储器件光存储器件 20世纪末期兴起的光存储，特别是光盘存储技术将对信息的存取产生重大影响。数字光盘存储技术正向更高存储密度和更高存储速度方向发展。角度、波长、空间与移动复用的全息存储可以实现和作为缓冲海量信息存储。三维存储技术，如光子引发的电子俘获三维存储光盘和光盘烧孔存储等高密度存储等。第11页，此课件共1

9、01页哦5.光传感器件光传感器件光电传感器件在光信号的电学处理方面已经在通信、工业过程控制、光电信号处理以及光计算领域发挥巨大的作用，其蕴涵的市场份额是极为巨大的。6.6.光显示器件光显示器件 信息的显示体现了真正的人机互动关系。在光子与光电子材料与器件产业领域占有极为重要的地位。在这一领域可发展液晶显示(LCD)、等离子体显示(PDP)，电致发光显示（EL）、YAG激光显示等产业化工程。7.光能量转换器件光能量转换器件8.光学图像器件光学图像器件第12页，此课件共101页哦第13页，此课件共101页哦第第1章光电技术基础章光电技术基础 第14页，此课件共101页哦光电器件构成：光电器件构成：

10、1.光辐射源光辐射源（光源）（光源）:外部产生（探测器）外部产生（探测器）和内部产生（发光）两种；和内部产生（发光）两种；2.光电转换部分：光转换为电，或电转换为光电转换部分：光转换为电，或电转换为光；光；第15页，此课件共101页哦光辐射源光辐射源:可见光可见光:太阳太阳,白炽灯白炽灯,日光灯日光灯,激光器激光器,发光发光二极管二极管,荧光灯荧光灯,水银灯水银灯,钠等钠等红外线红外线:红外激光器红外激光器,太阳太阳,有机体即无机有机体即无机体体紫外线紫外线:紫外灯紫外灯,X射线射线,放射性金属放射性金属:射线射线第16页，此课件共101页哦光探测器光探测器:光电效应光电效应,光电倍增管光电倍

11、增管,可见光功率计可见光功率计,光通量计光通量计红外探测器红外探测器紫外探测器紫外探测器荧光光谱仪荧光光谱仪纳曼光谱仪纳曼光谱仪红外光谱仪红外光谱仪单色仪单色仪第17页，此课件共101页哦 任何一种光电系统或光电子器件的使用和任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测不开特定的光辐射源与光辐射探测器器，所以，所以光辐射和光电转换原理光辐射和光电转换原理是光电子技是光电子技术的基本研究内容之一。术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射的本章主要介绍光辐射的基本概念和原理基本概念和原理，以及，以及在光电子技术中应用比较普遍的典型在光电子技术中应用比较普遍的典

12、型光光辐射源。辐射源。第18页，此课件共101页哦n n1.电磁波的性质与电磁波谱电磁波的性质与电磁波谱 由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。电视台电视台声光声光电电电磁波发射电磁波发射第19页，此课件共101页哦n n 电磁波的电场电磁波的电场E E和磁场和磁场和磁场和磁场H都垂直于波的传播方向，三者都垂直于波的传播方向，三者都垂直于波的传播方向，三者都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。相互垂直，所以电磁波是横波

13、。相互垂直，所以电磁波是横波。相互垂直，所以电磁波是横波。E和和和和H传播方向构成右手传播方向构成右手传播方向构成右手传播方向构成右手螺旋系。螺旋系。螺旋系。螺旋系。w 沿给定方向传播的电磁波，沿给定方向传播的电磁波，E和和H分别在各自分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。平面内振动，这种特性称为偏振。w电磁波的性质电磁波的性质第20页，此课件共101页哦n n在任一时刻空间任一点，E和H在量值上的关系为n n 电磁波在真空中传播的速度为n n介质中的传播速度为w 空间各点空间各点E和和H都作周期性变化，而且相位都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。相同，即同时达到最大

14、，同时减到最小。第21页，此课件共101页哦电磁波谱第22页，此课件共101页哦第23页，此课件共101页哦n n2.光辐射光辐射n n光以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的光以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量。可用光学元件反射、成像或色散，这能量。可用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为种能量及其传播过程称为光辐射。光辐射。一般认为一般认为其波长在其波长在10 nm1 mm，或频率在，或频率在3 1016Hz3 1011Hz范围内。范围内。w一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐

15、射。紫外辐射、可见光和红外辐射。一般一般在可见到紫外波段波长用在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长、在红外波段波长用用 m表示。波数单位习惯用表示。波数单位习惯用cm-1。第24页，此课件共101页哦n n可见光：可见光：通常人们提到的通常人们提到的“光光”指的是可见指的是可见光。波长在光。波长在390770nm范围的光辐射，也范围的光辐射，也是人视觉能感受到是人视觉能感受到“光亮光亮”的电磁波。的电磁波。n n当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依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、长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。青色

16、、蓝色和紫色。w紫外辐射：紫外辐射：紫外辐射比紫光波长更短，人眼看不见，波长紫外辐射比紫光波长更短，人眼看不见，波长范围是范围是1390nm。又分为近紫外、远紫外和极远紫外。极远。又分为近紫外、远紫外和极远紫外。极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，又称为紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，又称为真空紫外辐射。真空紫外辐射。w在进行太阳紫外辐射的研究中，常分为在进行太阳紫外辐射的研究中，常分为A波段波段(近紫外近紫外)、B波段和波段和C波段（远紫外）。波段（远紫外）。第25页，此课件共101页哦n n红外辐射：红外辐射：波长在波长在0.771000 m的是红外的是红外

17、辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。分。在可見光云图上，輻射越大，色調越白。輻射越小，色調越暗。通常云层越厚，反照率越大，色調也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現为黑色，陸地反照率比海洋略大，表現为灰色，而潮湿或森林覆蓋的地區表現為灰暗的色調。在電視显示的卫星云图上，地表和海洋常用綠色和藍色表示。可見光云图第26页，此课件共101页哦n n对光辐射进行定量描述，需引入计量光辐射对光辐射进行定量描述，需引入计量光辐射的物理量。对于光辐射的探测和计量，存在的物理量。对于光辐射的探测和计量，存在着着辐射度和光度学辐射度和光度学两套不同的单位体

18、系。两套不同的单位体系。1.1 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识(1)在辐射度单位体系在辐射度单位体系(2)光度单位体系光度单位体系第27页，此课件共101页哦n n辐射度单位体系:n n辐通量（又称为辐通量（又称为辐射功率辐射功率）或者辐射能是基）或者辐射能是基本量，只与辐射客体有关的量。其基本单位本量，只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（是瓦特（W）或者焦耳（）或者焦耳（J）。辐射度学适用）。辐射度学适用于整个电磁波段。于整个电磁波段。光度单位体系光度单位体系:反映反映视觉亮暗特性视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，

19、其基本单作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是位是坎德拉坎德拉。光度学只适用于可见光波段。光度学只适用于可见光波段。第28页，此课件共101页哦n n两类单位体系中的物理量在物理概念上不同，两类单位体系中的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。但所用的物理符号一一对应。n n为了区别，在对应的物理量符号标角为了区别，在对应的物理量符号标角“e”表表示辐射度物理量，角标示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。表示光度物理量。下面重点介绍下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量辐射度单位体系中的物理量。光。光度单位体系中的物理量可对比理解。度单位体系中的物理量可对比理解。第29页

20、，此课件共101页哦n n1.辐射量辐射量n n 辐射能：辐射能：以辐射形式发射或传输的电磁波以辐射形式发射或传输的电磁波能量（主要指紫外、可见光和红外辐射）。能量（主要指紫外、可见光和红外辐射）。一般用符号一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（表示，其单位是焦耳（J）。）。w 辐射通量：辐射通量：辐射通量辐射通量 e又称为辐射功率。为单又称为辐射功率。为单位时间内流过的辐射能量，即位时间内流过的辐射能量，即w单位：瓦特（单位：瓦特（W）或焦耳）或焦耳 秒（秒（J s）。）。第30页，此课件共101页哦n n 辐射出射度辐射出射度Me:反映物体辐射能力的物理反映物体辐射能力的物理量。辐射体单位面积

21、向半空间发射的辐射通量。辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即量，即n n单位：单位：W/m2。w辐射强度：点辐射源在给辐射强度：点辐射源在给 定方向上发射的在定方向上发射的在单单位立体角内位立体角内的辐射通量，用的辐射通量，用Ie表示，即表示，即w单位：瓦特单位：瓦特 球面度球面度-1（W sr-1）。）。第31页，此课件共101页哦n n即SddSd图2 辐射亮度示意图w如果一个各向同性均匀介质中的如果一个各向同性均匀介质中的点辐射体点辐射体向向所有方向所有方向发射的总辐射通量是发射的总辐射通量是 e，则该点辐射体，则该点辐射体在各个方向的辐射强度在各个方向的辐射强度Ie是常量，有是常量

22、，有第32页，此课件共101页哦n n 辐射亮度辐射亮度:面辐射源在某一给定方向上的面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图所示。辐射通量。如图所示。SddSd图2 辐射亮度示意图w是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。w单位：瓦特/球面度米2（W/srm2）。第33页，此课件共101页哦n n一般辐射体的辐射强度与一般辐射体的辐射强度与空间方向空间方向有关。有关。n n但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足分布满足wIe0是面元是面元dS沿其法线方向的辐射强度，又称为沿其法线方向的辐射强度，又称为余弦辐射体或朗伯体余弦辐射体或朗伯体。(1)式代入式

23、代入(2)式得到余弦式得到余弦辐射体的辐射亮度为辐射体的辐射亮度为第34页，此课件共101页哦n n余弦辐射体的辐射亮度是均匀的余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角，与方向角 无关。余弦辐射体的辐射出射度为无关。余弦辐射体的辐射出射度为w辐射照度：在辐射接收面上的辐照度辐射照度：在辐射接收面上的辐照度Ee定义定义为照射在面元为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积上的辐射通量与该面元的面积之比。即之比。即w单位：（单位：（W/m2）。）。第35页，此课件共101页哦辐辐出度出度Me为出射强度，辐照度为出射强度，辐照度Ee为物体接受的为物体接受的强度，注意区别。强度，注意区别。反射体接受辐射

24、后，一部分反射，一部分吸收，则反射出反射体接受辐射后，一部分反射，一部分吸收，则反射出射度为：射度为：第36页，此课件共101页哦辐照量辐照量He：在一定时间内照射到物体某一面元的辐照在一定时间内照射到物体某一面元的辐照度。度。单位：单位：J/m2曝光量曝光量Hv:物体表面在一定时间内接收到的光照度物体表面在一定时间内接收到的光照度Ev.第37页，此课件共101页哦(7)辐射效率与发光效率辐射效率与发光效率 光源所发射的总通量光源所发射的总通量 e与外界提供给光源的功率与外界提供给光源的功率P之比，称为光源的辐射效率；之比，称为光源的辐射效率；e=/P 100%无量纲无量纲光源发射的总通量光源

25、发射的总通量 e与提供的功率与提供的功率P之比，称为发之比，称为发光效率；光效率；v=/P 100%单位：流明每瓦（单位：流明每瓦（lmW-1）第38页，此课件共101页哦2.光源的光谱辐射参量光源的光谱辐射参量光源发射的光能是按波长进行分布的。在单位波光源发射的光能是按波长进行分布的。在单位波长内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度长内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度在可见光区单位波长发射的光度量为光谱光度在可见光区单位波长发射的光度量为光谱光度量量 第39页，此课件共101页哦光源在波长光源在波长1 1、2 2区间内发射的辐通量区间内发射的辐通量量子流速率：量子流速率：光源发射的辐射功率是每秒

26、发射光子能量的总光源发射的辐射功率是每秒发射光子能量的总和。和。若若+d+d区间的辐射通量为等区间的辐射通量为等 d d e,e,除以该波长除以该波长的光子能量的光子能量h h,为光源在为光源在处的光子总量，称为处的光子总量，称为光谱量子光谱量子流速率流速率dN第40页，此课件共101页哦在在12 光谱量子流速率光谱量子流速率N在可见光区，光源每秒发射的总光子数为在可见光区，光源每秒发射的总光子数为第41页，此课件共101页哦n n由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位不能正确反应人对同响应，故用辐射度单位不能正确反应人对光辐射亮暗感

27、觉。光辐射亮暗感觉。w光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射光度单位体系是一套反映视觉亮暗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度学的基本物理量w对应的对应的 来表示，其定义完全来表示，其定义完全一一对应，其关系如表一一对应，其关系如表1所示。所示。第42页，此课件共101页哦 光度学的基本单位为坎德拉，也是国际单位制（光度学的基本单位为坎德拉，也是国际单位制（SI）七个基本单位之一。七个基本单位之一。定义为：一个光源发出频率为定义为：一个光源发出频率为5401012Hz的单色（黄色）辐射，若在给定方向上的辐射的

28、单色（黄色）辐射，若在给定方向上的辐射强度为强度为1/683 W/sr,则该光源在该方向上的发光强度为则该光源在该方向上的发光强度为1 cd.第43页，此课件共101页哦n n任何任何0 K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发热激发而而发射电磁波的现象称为发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射。1.3 物体热辐射物体热辐射w热辐射具有热辐射具有连续的辐射谱连续的辐射谱，波长自，波长自远红外区到紫远红外区到紫外区外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体

29、的的温度温度。本节介绍热辐射的一些基本定律。本节介绍热辐射的一些基本定律。第44页，此课件共101页哦n n1.单色吸收比和单色反射比。n n任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。透明的，则还有一部分能量透射）。w吸收比：吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比称被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该

30、物体的为该物体的吸收比吸收比。在波长。在波长 到到+d 范围内的吸收范围内的吸收比称为比称为单色吸收比单色吸收比，用，用 表示。表示。第45页，此课件共101页哦w若若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于收比都等于1，即，即 ，则称该物体为，则称该物体为绝对绝对黑体（简称黑体）黑体（简称黑体）。n n反射比反射比：反射的能量与入射的能量之比。反射的能量与入射的能量之比。在在波长波长 到到+d 范围内相应的反射比称为范围内相应的反射比称为单色单色反射比反射比，用，用（T）表示。对于不透明的物体，表示。对于不透明的物体，单色吸收比单色吸收比 和

31、单色反射比之和等于和单色反射比之和等于1，即即第46页，此课件共101页哦n n2.基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律n n 在相同温度下，不同物体对相同波长的在相同温度下，不同物体对相同波长的单色辐射出射度单色辐射出射度(M)与单色吸收比与单色吸收比()之比都之比都相等，并等于该温度下相等，并等于该温度下黑体黑体对同一波长的单对同一波长的单色辐射出射度。即色辐射出射度。即式中式中 为黑体的单色辐射出射度。为黑体的单色辐射出射度。第47页，此课件共101页哦n n3.普朗克公式普朗克公式n n黑体处于温度黑体处于温度T 时，在波长时，在波长 处的处的单色辐射出单色辐射出射度射度由普朗克公式给出由

32、普朗克公式给出w式中式中h为普朗克常数，为普朗克常数，c为真空中的光速，为真空中的光速，kB为波尔兹为波尔兹曼常数。曼常数。w令令第48页，此课件共101页哦则则(3)式可改写为式可改写为第49页，此课件共101页哦n n不同温度条件下黑体的不同温度条件下黑体的单色辐射出射度单色辐射出射度（辐（辐射亮度）随波长的变化曲线。可见：射亮度）随波长的变化曲线。可见：第50页，此课件共101页哦n n对应任一温度，单色辐射出射度随波长连对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射曲线不相交。因而温

33、度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。的面积）。w单色辐射出射度随温度的升高而增大。单色辐射出射度随温度的升高而增大。w单色辐射出射度的峰值随温度的升高单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向短波方向移动。向移动。第51页，此课件共101页哦n n4.瑞利瑞利-琼斯公式琼斯公式n n当当当当 很大时，可得到适合于长波长很大时，可得到适合于长波长很大时，可得到适合于长波长很大时，可得到适合于长波长区的瑞利区的瑞利-琼斯公式琼斯公式 n n在在在在 时，时，时，时，瑞利瑞利瑞利瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误琼斯公式与普朗克公式的

34、误差小于差小于1%1%。w5.维恩公式维恩公式w当很小时，当很小时，可得到适合于短，可得到适合于短波长区的维恩公式波长区的维恩公式 第52页，此课件共101页哦n n在在 区域内，维恩公式与普朗克区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于公式的误差小于1%。n n6.维恩位移定律维恩位移定律n n单色辐射出射度最大值对应的波长单色辐射出射度最大值对应的波长 w7.斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律w其中其中 为斯忒藩为斯忒藩-玻尔玻尔 第53页，此课件共101页哦n n兹曼常数兹曼常数:斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体辐射出射度只

35、与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。的其他性质无关。w8.色温色温w为了表示一个热辐射光源所发出光的为了表示一个热辐射光源所发出光的光色光色性质，性质，常用到常用到色温度色温度这个量，单位为这个量，单位为K。第54页，此课件共101页哦色温度是指在规定色温度是指在规定两波两波长处具有与热辐射光源长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的辐射比率相同的黑体的温度。的温度。w色温度并非热辐射光源本身的温度。色温度并非热辐射光源本身的温度。第55页，此课件共101页哦w由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比由于色温度是按规定的两波长处的辐射比率来比较的，所以色温度相同的热辐射光源的较的，所

36、以色温度相同的热辐射光源的连续谱连续谱也也可能不相似，可能不相似，w若规定的波长不同，色温度往往也不相同。若规定的波长不同，色温度往往也不相同。w至于非热辐射光源，色温度只能给出这个至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，光源光色的大概情况，一般来说，色温高代色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。成分多些。第56页，此课件共101页哦1.4.1 1.4.1 人眼的人眼的视觉灵敏度灵敏度 用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）用各种单色辐射分别刺激正常人（标准观察者）眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现

37、波长眼的锥状细胞，当刺激程度相同时，发现波长=0.555m处的光谱辐射亮度处的光谱辐射亮度Le,m小于其它波长的光小于其它波长的光谱辐亮度谱辐亮度Le,。把波长。把波长=0.555m的光谱辐射亮度的光谱辐射亮度L Le e,m被其它波长的光谱辐亮度被其它波长的光谱辐亮度Le,除得的商，定义为正常除得的商，定义为正常人眼的人眼的V()，即，即明视觉光谱光视效率明视觉光谱光视效率第57页，此课件共101页哦w通过对标准光度观察者的实验测定，在通过对标准光度观察者的实验测定，在波长波长555nm处，处，L 有最大值，其数值为有最大值，其数值为Lm=683 lm/W。单色光视效率是。单色光视效率是L

38、用用Lm归一化的结果，归一化的结果，其定义为其定义为第58页，此课件共101页哦第59页，此课件共101页哦 对于正常人眼的圆柱细胞，以微弱的各种单色辐射刺激时，发现在相同刺激程度下，波长为507nm处的光谱辐射亮度Le，507nm小于其他波长的光谱辐射亮度 Le,。把 Le，507nm 与Le,的比值V(）也是一个无量纲的相对值，它与波长的关系如上图中的虚线所示。1.4.2暗视觉光谱光视效率第60页，此课件共101页哦1.4.3 1.4.3 辐射体光视效能辐射体光视效能 n n一个热辐射体发射的总光通量v与总辐射通量e之比，称为该辐射体的光视效能K，即 对发射连续光谱辐射的热辐射体，总光通量

39、v为 第61页，此课件共101页哦n n由上面的式子可以得到由上面的式子可以得到由上面的式子可以得到由上面的式子可以得到 n n n n n n 式中式中,V是辐射体的光视效率。是辐射体的光视效率。标准钨丝灯发光光谱的分布如图所示，图中的曲线分别为标准钨丝灯的相对光谱辐射 分 、光谱光视效率V（）和光谱光视效率与相对光谱辐射分布之积 ，积分 为曲线所围的面积Al，而积分 第62页，此课件共101页哦 面积A2。因此，可得标准钨丝 灯的光视效能Kw为lm/W 已知某种辐射体的光视效能K和辐射量Xe，就能够计算出该辐射体的光度量Xv，该式是辐射体的辐射量和光度量的转换关系式。第63页，此课件共10

40、1页哦n n例例如如，对对于于色色温温为为 2 2 856 856 K K的的标标准准钨钨丝丝灯灯其其光光视视效效能能为为17lm/W17lm/W，当当标标准准钨钨丝丝灯灯发发出出的的辐辐射射通通量量为为e e100W100W时，其光通量为时，其光通量为 v v=1710lm=1710lm。n n 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测

41、光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降光照度时，照度将显著下降。第64页，此课件共101页哦n n例例例例 已已已已知知知知某某某某He-NeHe-Ne激激激激光光光光器器器器的的的的输输输输出出出出功功功功率率率率为为为为3mW3mW，试试试试计计计计算算算算其其其其发发发发出出出出的光通量为多少的光通量为多少的光通量为多少的光通量为多少lmlmlmlm？n n n n 解解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，可以计激光器输出的光为光谱辐射通量，可以计算出它发出的光通量为算出它发出的光通量为 v,=K,ee,=KmV()e,=6830.24310-3=0.

42、492(lm)第65页，此课件共101页哦三、三、半导体的光电性质半导体的光电性质1.半导体的光吸收半导体的光吸收(1)本征吸收本征吸收光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价带光照下，价带中的电子吸收光子能量后从价带跃迁到导带，跃迁到导带，产生电子产生电子-空穴对。电子的这种带空穴对。电子的这种带与带间跃迁的吸收过程。与带间跃迁的吸收过程。本征吸收发生的必要条件：光子能量本征吸收发生的必要条件：光子能量h 大于等于禁带大于等于禁带宽度宽度Eg,即即 h h 0=Eg本征吸收限：当光子频率小于本征吸收限：当光子频率小于 0(波长大于波长大于 0)时，时，吸收系吸收系数迅速下降，对应的频率数迅速下

43、降，对应的频率 0或波长或波长 0为本征吸收限。为本征吸收限。第66页，此课件共101页哦h Eg只有波长小于只有波长小于 L的辐射才能产生本征吸收的辐射才能产生本征吸收第67页，此课件共101页哦直接跃迁直接跃迁：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁到：跃迁过程中，价带中的电子垂直跃迁到具有相同波矢具有相同波矢k的导带上。的导带上。直接带隙半导体直接带隙半导体：在本征吸收过程中，产生电子的直接：在本征吸收过程中，产生电子的直接跃迁过程跃迁过程间接带隙半导体间接带隙半导体：导带极小值和价带极大值不具有相同导带极小值和价带极大值不具有相同的的k的半导体。在本征吸收过程中，产生电子的间接跃迁的半导体。

44、在本征吸收过程中，产生电子的间接跃迁过程过程第68页，此课件共101页哦（2）杂质吸收）杂质吸收 在半导体中掺入杂质原子（施主或受主原子），在半导体中掺入杂质原子（施主或受主原子），在半导体的带隙中引入杂质能级，束缚在杂质能级在半导体的带隙中引入杂质能级，束缚在杂质能级上的电子吸收光能发生跃迁引起的光吸收。上的电子吸收光能发生跃迁引起的光吸收。SiSi、GeGe而言，施主通常是而言，施主通常是V V族元素。电离能较小，在族元素。电离能较小，在SiSi中约中约0.040.040.05eV0.05eV，GeGe中约中约0.01eV0.01eV。施主杂质：在半导体中产生导电电子，其掺杂的半导体施主杂

45、质：在半导体中产生导电电子，其掺杂的半导体称为称为n型半导体型半导体施主杂质电离能电离能ED：第69页，此课件共101页哦受主杂质：能够接受电子而产生导受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴的杂质。电空穴的杂质。p型半导体：型半导体：依靠价带空穴导电的半导体。依靠价带空穴导电的半导体。受主杂质电离能电离能EA：第70页，此课件共101页哦 如果光子的能量小于禁带宽度如果光子的能量小于禁带宽度Eg或小于杂质或小于杂质电离能（电离能（ED或或EA）时，电子不能跃迁到导带称为）时，电子不能跃迁到导带称为自由电子。但可以与价带上的空穴形成一个束缚较自由电子。但可以与价带上的空穴形成一个束缚较弱的弱的电子

46、电子-空穴对空穴对，这种电子，这种电子-空穴对称为空穴对称为激子激子。激子吸收不会改变半导体的导电特性。激子吸收不会改变半导体的导电特性。（3）激子吸收激子吸收杂质吸收限：杂质吸收限：杂质吸收限波长总是大于本征吸收的波长限。杂质吸收限波长总是大于本征吸收的波长限。第71页，此课件共101页哦（4）自由载流子吸收自由载流子吸收 当入射光子频率较小，不能引起导带当入射光子频率较小，不能引起导带-价带间的跃价带间的跃迁，但迁，但导带上的电子（空穴）在其所在的导带（价导带上的电子（空穴）在其所在的导带（价带）内的能级上跃迁发生的带）内的能级上跃迁发生的光吸收光吸收，通常称为，通常称为带内带内跃迁跃迁。

47、由于带内能级间隔很小，所以其吸收谱基本上为。由于带内能级间隔很小，所以其吸收谱基本上为连续谱。连续谱。（5）晶格吸收）晶格吸收-又称为声子吸收又称为声子吸收 晶格原子对远红外普去的光子能量的吸收，转变为晶格原子对远红外普去的光子能量的吸收，转变为晶格振动的动能，宏观上引起物体温度的升高。晶格振动的动能，宏观上引起物体温度的升高。第72页，此课件共101页哦1.6.1.6.光电效应光电效应 光辐射的物理效应分类：光子效应和光热效应光辐射的物理效应分类：光子效应和光热效应光辐射的物理效应分类：光子效应和光热效应光辐射的物理效应分类：光子效应和光热效应光子效应光子效应 探测器探测器外光电效应外光电效

48、应（1 1）光阴极发射光电子）光阴极发射光电子）光阴极发射光电子）光阴极发射光电子（2 2）光电子倍增；）光电子倍增；）光电子倍增；）光电子倍增；打拿极倍增打拿极倍增打拿极倍增打拿极倍增通道电子倍增通道电子倍增通道电子倍增通道电子倍增（1 1）光电管；）光电管；）光电管；）光电管；（2 2）光电倍增管；）光电倍增管；）光电倍增管；）光电倍增管；（3 3）像增强管）像增强管）像增强管）像增强管内光电效应内光电效应（1 1）光电导（本征、非）光电导（本征、非）光电导（本征、非）光电导（本征、非本征）；本征）；本征）；本征）；（2 2）光生伏特；）光生伏特；）光生伏特；）光生伏特；pnpn结结结结

49、雪崩，肖特基势垒雪崩，肖特基势垒雪崩，肖特基势垒雪崩，肖特基势垒光电池，光电二极管，光电池，光电二极管，光电池，光电二极管，光电池，光电二极管，雪崩二极管，肖特基势雪崩二极管，肖特基势雪崩二极管，肖特基势雪崩二极管，肖特基势垒光电二极管垒光电二极管垒光电二极管垒光电二极管第73页，此课件共101页哦 光热效应光热效应 探测器探测器（1）测辐射热计）测辐射热计（2）负电阻温度系数；）负电阻温度系数；正电阻温度系数正电阻温度系数 超导超导（1）热敏电阻测辐热计；）热敏电阻测辐热计；（2）金属测辐热计；）金属测辐热计；（3）超导远红外探测器）超导远红外探测器（1）温差电；）温差电；（2）热释电）热释

50、电 其他其他热电偶、热电堆热电偶、热电堆热释电探测器热释电探测器高莱盒，液晶等高莱盒，液晶等第74页，此课件共101页哦1.6.1 1.6.1 内光电效应内光电效应 1.光电导效应 光电导效应可分为光电导效应可分为本征光电导本征光电导效应与效应与杂质光电导杂质光电导效应效应两种两种.本征半导体或杂质半导体本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入价带中的电子吸收光子能量跃入导带导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这