光电系统常用光源.pptx
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1、第一章第一章 日常生活中的常用光源日常生活中的常用光源1.1 1.1 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源1.4 1.4 激光器激光器1.5 1.5 发光二极管发光二极管(LED)(LED)爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说能量子假说,提出了光量子理论:提出了光量子理论:光是一种以光速运动的光子流光是一种以光速运动的光子流,以电磁波方以电磁波方式传播的粒子。式传播的粒子。光子和其它基本粒子一样光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量具有能量、动量和质量。和质
2、量。它的粒子属性(能量、动量、质量等)和波它的粒子属性(能量、动量、质量等)和波动属性(频率、波矢、偏振等)之间的关系满动属性(频率、波矢、偏振等)之间的关系满足:足:光子的基本特性光子的基本特性变化的电场产生磁场变化的电场产生磁场变化的磁场产生电变化的磁场产生电场场电磁波谱与光辐射电磁波谱与光辐射 一切能产生光辐射的辐射源都称为光源一切能产生光辐射的辐射源都称为光源天然光源天然光源人造光源人造光源电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱按照发光机理,按照发光机理,按照发光机理,按照发光机理,光源的分类:光源的分类:光源的分类:光源的分类:需要了解需要了解需要了解需要了解各类光源各类光源各类光源各类光
3、源的发光机的发光机的发光机的发光机理、重要理、重要理、重要理、重要特性、适特性、适特性、适特性、适用场合,用场合,用场合,用场合,以便正确以便正确以便正确以便正确选用光源。选用光源。选用光源。选用光源。1.1 1.1 辐射度学与光度学的辐射度学与光度学的 介绍描述光辐射的一套参量介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量 1.1.辐射能辐射能 单位为单位为J J(焦耳)(焦耳)2.2.辐射通量辐射通量 又称辐射功又称辐射功率率 单位为单位为W W(瓦、焦耳每秒)(瓦、焦耳每秒)3.3.辐射强度辐射强度 描述点辐射源描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。的辐射功率在
4、不同方向上的分布。基础知识基础知识单位单位:(瓦每球面(瓦每球面度)度)4.4.辐射出射度辐射出射度 与辐射亮度与辐射亮度单位:单位:(瓦每平方米)(瓦每平方米)单位:单位:(瓦每球面度平方米(瓦每球面度平方米)的定义的定义 的定义的定义5.5.辐射照度辐射照度 单位:单位:(瓦每平方米)(瓦每平方米)6.6.光谱辐射量光谱辐射量 辐射量的光谱密度,辐射量随波长的变化率辐射量的光谱密度,辐射量随波长的变化率。光谱辐射通量光谱辐射通量 与波长的与波长的关系关系其它辐射度量都有类似关系其它辐射度量都有类似关系。二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量1.1.光谱光视效率光谱光视效率V():V():
5、人眼对各种光波长的人眼对各种光波长的 相对灵敏度相对灵敏度详见表详见表1.11.1 2.2.光度量光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度辐射度量量是客观物理量,是客观物理量,光度量体现了人的视觉特性。光度量体现了人的视觉特性。1 1)光能)光能 单位:单位:lmlms(流明(流明秒秒)2 2)光通量)光通量 单位:单位:lm lm(流明)(流明)3 3)发光强度)发光强度 单位:单位:cdcd(坎德拉)(坎德拉)发光强度发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时,规定:是光度量中最基本的单位。在明视觉时,规定:时,时,即:即:1W=683 lm 1W=683
6、 lm 此时,此时,V(V()=1=1 V(V()1 1W 1 1W 683 lm683 lm 时,时,可见,辐射通量与光通量之间的换算关系:可见,辐射通量与光通量之间的换算关系:1W=683 V(1W=683 V()lmlm,定义:定义:Km=683 lmKm=683 lm/W/W有关系式:有关系式:4 4)光出射度)光出射度 与光亮度与光亮度 单位:单位:lmlm/m/m2 2单位:单位:cd/mcd/m2 2实用单位:实用单位:sb(sb(熙提熙提)1sb=1sb=10104 4cd/mcd/m2 25)5)光照度光照度 单位:单位:lxlx(勒克斯)(勒克斯)1lx=1lm/m1lx=
7、1lm/m2 2普适关系式:普适关系式:三、光源的辐射效率与发光效率三、光源的辐射效率与发光效率辐射效率辐射效率发光效率发光效率 单位:单位:lm/Wlm/Wl例例如如,对对于于色色温温为为 2856 2856 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。l 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
8、。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。1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源一、理想的热辐射光源一、理想的热辐射光源 (,T)=1 T)=1 绝对黑体绝对黑体在热平衡条件下在热平衡条件下绝对黑体热辐射能力最强。绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源生辐射的光源辐射光谱是连续光谱辐射光谱是连续光谱普朗克公式普朗克公式维恩位移维恩位移定律定律斯蒂芬斯
9、蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律随着温度随着温度T的升高,的升高,峰值波长峰值波长 向短波方向移动,向短波方向移动,总出射度总出射度 迅速增加迅速增加。绝对黑体的温度决定了它的绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱辐射光谱分分布布灰体:灰体:(,T)T)1 1的热辐射光源,的热辐射光源,具有与具有与绝对黑体绝对黑体类似的辐射规律。类似的辐射规律。色温;相关色温色温;相关色温1.1.太阳与黑体辐射器太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布太阳的光谱分布非常接近于非常接近于绝对黑体绝对黑体黑体辐射器:黑体辐射器:科学制作的小孔科学制作的小孔空腔结构,可以空腔结构,可以很好地实现
10、绝对很好地实现绝对黑体的辐射功能。黑体的辐射功能。常用作标准光源,常用作标准光源,最高工作温度是最高工作温度是3000K3000K。2.2.白炽灯与卤钨灯白炽灯与卤钨灯 灰体灰体 钨丝做灯丝钨丝做灯丝玻璃泡壳玻璃泡壳;色温约色温约2800K,2800K,辐射光谱约辐射光谱约0.40.43 3m m。可见光占可见光占6 612%12%,用于照明;,用于照明;加红外滤光片可作为近红外光源。加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 (如溴化硼)(如溴化硼);形成卤钨循环。形成卤钨循环。色温色温3200K3200K以上以上,辐射光
11、谱为辐射光谱为0.250.253.5m3.5m。发光效率可达发光效率可达30lm/W(30lm/W(为白炽灯的为白炽灯的2 23 3倍倍),作仪器白光源作仪器白光源.卤钨灯卤钨灯 白炽灯白炽灯1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源发光机理:发光机理:气体放电。气体放电。泡壳:用玻璃或石英等材料制造;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)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、泡壳内充入发光用的气体:金属蒸汽、金属化合物蒸汽、惰性气体金属化合物蒸汽、惰性气体基基本本结结构构气体放电光源的特点:气体放电光源的特点:1 1)发光效率高)发光效率
12、高,节能。节能。2 2)电极牢固紧凑,耐震,抗冲击。)电极牢固紧凑,耐震,抗冲击。3 3)寿命长,比白炽灯长)寿命长,比白炽灯长2 21010倍。倍。4 4)辐射光谱可以选择,只要选用适当)辐射光谱可以选择,只要选用适当的发光材料。的发光材料。一、汞灯一、汞灯 泡壳内充汞蒸泡壳内充汞蒸汽汽1.1.低压汞灯:低压汞灯:作作253.7nm253.7nm紫外光源;紫外光源;作荧光灯(作荧光灯(日光灯)。日光灯)。2.2.高压汞灯:高压汞灯:可见辐射加强,呈带状可见辐射加强,呈带状 光谱,可作光谱,可作高效照明光源。高效照明光源。3.3.球形超高压汞灯:球形超高压汞灯:很好的蓝绿光点光源。很好的蓝绿光
13、点光源。二、钠灯二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠滴。与金属钠滴。低压钠灯:低压钠灯:发出波长发出波长589nm589nm、589.6nm 589.6nm 两条谱线的单色光源。两条谱线的单色光源。高压钠灯:高压钠灯:接近白光,亮度高,用于照明光源。接近白光,亮度高,用于照明光源。三、金属卤化物灯三、金属卤化物灯 泡壳内充的是泡壳内充的是 金属卤化物气体。金属卤化物气体。通过通过金属金属 卤化物循环,卤化物循环,提供足够的提供足够的 金属原子金属原子 气体。气体。铊灯(碘化铊):铊灯(碘化铊):绿光,峰值绿光,峰值535nm535nm。镝灯(碘化镝、碘化铊):镝
14、灯(碘化镝、碘化铊):色温色温6000K6000K。钠铊铟灯(碘化钠、碘化铊、碘化铟):钠铊铟灯(碘化钠、碘化铊、碘化铟):近白色光源近白色光源,色温色温5500K5500K。四、氙灯四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体泡壳内充的是是惰性气体氙。氙。色温色温6000K6000K,亮度高,被称为,亮度高,被称为“小太阳小太阳”,寿命长。,寿命长。长弧氙灯长弧氙灯:短弧氙灯短弧氙灯:脉冲氙灯脉冲氙灯:日光色点光源日光色点光源大范围照明大范围照明光源光源脉冲脉冲时间极短(时间极短(nSnSpS)pS),光很强,光很强,用于用于光泵、光信号源、光泵、光信号源、照相制版、高速摄影照相制版、高速摄影五、氘灯五
15、、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气泡壳内充有高纯度的氘气灯灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长,的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长,常用作连续紫外光源(常用作连续紫外光源(185185400nm400nm)。)。1.4 1.4 激光器激光器一、激光器概述一、激光器概述 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。崭新的阶段。激激光光器器的的基基本本结结构构 激激光光形形成成机机理理电泵浦或光泵浦;电泵浦或光泵浦;造成工作物质中粒子数反转分布造成工作物质中粒子数反转分布,自发辐射引发受激辐射;自发辐射引发受激辐射;谐振腔
16、对辐射光波选频放大。谐振腔对辐射光波选频放大。激激光光的的优优越越性性高亮度、高方向性、高单色性高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性和高度的时间空间相干性 已有数百种激光器,输出波长从近紫外直到已有数百种激光器,输出波长从近紫外直到远红外,辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。远红外,辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。激光将对激光将对2121世纪的科技腾飞和产业世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响!革命产生深远的影响!1.1.气体激光器气体激光器工工作作物物质质是是气气体体或或金金属属蒸蒸汽汽,通通过过气气体体放电实现粒子数反转。放电实现粒子数反转。工工作作物物质质(气气体体)均均匀匀性性好
17、好,输输出出光光束束的质量相当高。的质量相当高。2.2.固体激光器固体激光器工工作作物物质质是是掺掺杂杂的的晶晶体体或光学玻璃,光泵浦。或光学玻璃,光泵浦。有有脉脉冲冲输输出出激激光光器器和和连连续输出激光器。续输出激光器。主主要要优优点点:能能量量大大、峰峰值值功功率率高高、结结构构紧紧凑凑、坚固可靠和使用方便。坚固可靠和使用方便。3.3.染料激光器染料激光器工作物质是有机染料溶液,光泵浦。工作物质是有机染料溶液,光泵浦。输输出出激激光光波波长长可可以以在在很很宽宽范范围围内内调调谐谐,有极好的光束质量。有极好的光束质量。有有连连续续输输出出的的激激光光器器,也也有有脉脉冲冲输输出出的的激光
18、器。激光器。可可产产生生超超短短光光脉脉冲冲,峰峰值值功功率率达达几几百百MWMW。4.4.半导体激光器(半导体激光器(LDLD)工工作作物物质质是是半半导导体体材材料料形形成成的的P-NP-N结。结。与结平面垂直的晶体与结平面垂直的晶体解理面构成解理面构成F-PF-P谐振腔。谐振腔。对对P-NP-N结正向注入电流或结正向注入电流或光泵浦光泵浦,可激发激光。可激发激光。体积小,重量轻,易调制,功耗低;体积小,重量轻,易调制,功耗低;波长覆盖面广(波长覆盖面广(0.330.334444m m););能量转换效率高,有大功率、高集成度器件。能量转换效率高,有大功率、高集成度器件。主主要要优优点点二
19、、代表性的固体激光器二、代表性的固体激光器YAG激光器激光器 基质晶体基质晶体Y3Al 5O12热物理性能优良,热物理性能优良,使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。输出波长输出波长1064nm1064nm,加倍频技术可输出,加倍频技术可输出532nm532nm。已经实现了已经实现了KWKW级大功率输出,广泛用于激光级大功率输出,广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。加工、激光医疗、科学研究之中。输出波长输出波长2.94m,2.94m,用于激光医疗。用于激光医疗。输出波长输出波长2.1m,2.1m,用于激光医疗用于激光医疗 ,空间光通信。空间光通信
20、。可调谐的固体激光器可调谐的固体激光器 输出激光有宽的调谐范围(输出激光有宽的调谐范围(700-1000nm700-1000nm,峰,峰值波长值波长800nm800nm),应用广泛,并实现飞秒脉冲。),应用广泛,并实现飞秒脉冲。可调谐范围可调谐范围700-800nm700-800nm。采用调。采用调Q Q技术,输技术,输出出755nm755nm脉冲激光,在激光医疗中很重要。脉冲激光,在激光医疗中很重要。激光二极管(激光二极管(LDLD)泵浦的固体激光器)泵浦的固体激光器LDLD泵浦泵浦:实现高效率的能量转换实现高效率的能量转换 用用LDLD列阵泵浦固体激光器列阵泵浦固体激光器实现了高功率激光输
21、出。实现了高功率激光输出。非线性频率转换得到短波长固体激光器非线性频率转换得到短波长固体激光器 固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进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行波长转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器得到绿光、蓝光、紫外固体激光器.LDLD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结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、价格便宜的合,以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。可调谐激光器。研研究究趋趋势势光纤激光器和光纤放大器光纤激光器和光纤放大器LDLD泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。双包层光
22、纤激光器已经实现了双包层光纤激光器已经实现了KWKW级大功率输出。级大功率输出。光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著,信号光信号光输入增益光纤将得以放大。光纤放大器的出现输入增益光纤将得以放大。光纤放大器的出现,是是光纤通信发展史上的重要里程碑。光纤通信发展史上的重要里程碑。一、一、光辐射的量子理论基础光辐射的量子理论基础1 1、三种跃迁、三种跃迁 受激吸收概率:受激吸收概率:为爱因斯坦吸收系数为爱因斯坦吸收系数,只与粒子本身的性质有关。只与粒子本身的性质有关。为辐射场能量密度为辐射场能量密度 为为E1能级上的原子数密度能级上的原子数密度,(1)受激吸收处于
23、低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下,吸收一个光子,跃迁到高能级态。(2)自发辐射自发辐射 光子能量:光子能量:自发跃迁概率:自发跃迁概率:单位时间、单位体积内,单位时间、单位体积内,上粒子的减少为:上粒子的减少为:于是有:于是有:为为 自发辐射寿命。自发辐射寿命。处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态,并同时向外辐射出一个光子(自发辐射只自发辐射只与原子本身性质有关,与原子本身性质有关,与辐射场的与辐射场的 无无关)关)。(3)受激辐射受激辐射受激辐射的概率:受激辐射的概率:称为爱因斯坦受激发射系数。称为爱因斯坦受激发射系数。处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下,跃迁到低能级态,并
24、同时辐射辐射出一个与入射光子完出一个与入射光子完全一样的光子全一样的光子。受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性相干性。2 2、爱因斯坦关系、爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 (同一量子态占据的光子数目),在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为:单位时间内,的原子数为:由于系统处于热平衡状态系统处于热平衡状态,则应有:即:所以有:热平衡状态下,按波尔兹曼分布:即:热平衡条件下,光辐射的能量密度的普朗克公式为:比较两式有:上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同,则有:结
25、论:结论:u 三个爱因斯坦系数是相互关联的。u对一定的原子体系而言,自发辐射系数 A21 与受激辐射系数 B21 之比正比于 的三次方,因而 两能级相差越大,就越高,A,B的比值就越大,也就是 越高自发辐射越容易,受激辐射越困难。一般在热平衡下,主要是自发辐射。二、激光的产生二、激光的产生 1、普通光源的发光、普通光源的发光受激吸收和自发辐射受激吸收和自发辐射 常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等发光)是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级(E2)的电子寿命很短(一般
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