1、第一章：光輻射與發光源2. 光輻射以電磁波形式或粒子（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。一般認為其波長在10nm1mm，或頻率在3´1016Hz3´1011Hz范圍內。一般按輻射波長及人眼的生理視覺效應將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見光和紅外輻射。一般在可見到紫外波段波長用nm、在紅外波段波長用mm表示。波數的單位習慣用cm-1。1. 輻射量 輻射能。輻射能是以輻射形式發射或傳輸的電磁波（主要指紫外、可見光和紅外輻射）能量。輻射能一般用符號Qe表示，其單位是焦耳（J）。 輻射通量。輻射通量Fe又稱為輻射功率，定義為單

2、位時間內流過的輻射能量，即 (1.2-1)單位：瓦特（W）或焦耳·秒（J·s）。 輻射出射度。輻射出射度Me是用來反映物體輻射能力的物理量。定義為輻射體單位面積向半空間發射的輻射通量，即 (1.2-2)單位：W/m2。輻射強度。輻射強度定義為：點輻射源在給定方向上發射的在單位立體角內的輻射通量，用Ie表示，即 (1.2-3)單位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）。由輻射強度的定義可知，如果一個置于各向同性均勻介質中的點輻射體向所有方向發射的總輻射通量是Fe，則該點輻射體在各個方向的輻射強度Ie是常量，有 (1.2-4) 輻射亮度。輻射亮度定義為面輻射源在

3、某一給定方向上的輻射通量。如圖2所示。 (1.2-5)式中q是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。單位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。SqdFdSdW圖2 輻射亮度示意圖顯然，一般輻射體的輻射強度與空間方向有關。但是有些輻射體的輻射強度在空間方向上的分布滿足 (1.2-6)式中Ie0是面元dS沿其法線方向的輻射強度。符合上式規律的輻射體稱為余弦輻射體或朗伯體。(1.2-6)式代入(1.2-5)式得到余弦輻射體的輻射亮度為 (1.2-7)可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角q無關。余弦輻射體的輻射出射度為 (1.2-8)輻射照度。在輻射接收面上的輻照度定義為照射在

4、面元dA上的輻射通量與該面元的面積之比。即 (1.2-9)單位：（W/m2）。單色輻射度量 對于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內對應的輻射度量，并且對所有輻射量X來說單色輻射度量與輻射度量之間均滿足 (1.2-10)考點1：(理解)：由輻射通量和輻射強度之間的關系式(1.2-4)可知，一個輻射強度為1 W·sr-1的點光源，總輻射通量等于W。現在假設有一個以這個點光源為球心、半徑為1m的球面包圍這個點光源，則該球面上的輻射照度為Ee=Ie/R2。這一結果表明，一個均勻點光源在空間一點的輻射照度與該光源輻射強度成正比，與距離的平方成反比。（P4）考點

5、2：坎德拉定義：一個光源發出頻率為540*1012Hz的單色輻射，若在一給定方向上的輻射強度為(1/683)W/sr時, 則該光源在該方向上的發光強度就是1cd.考點3：（理解、分析圖）問: 點光源均勻發光(l=500nm), 發光強度I=100cd,則總光通量Fl = ,總輻射功率為Fe,l = . 答:總光通量Fl = òIdW=4pI =400p(lm), 總輻射功率Fe,l=F,l/683Vl=400p/(683´0.3)=6.1(W)圖3 光譜光視效率曲線8.色溫（考點4）為了表示一個熱輻射光源所發出光的光色性質，常用到色溫度這個量，單位為K。色溫度是指在規定兩波

6、長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。由于色溫度是按規定的兩波長處的輻射比率來比較的，所以色溫度相同的熱輻射光源的連續譜也可能不相似，若規定的波長不同，色溫度往往也不相同。至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。8007006005004000.00.20.4習 題11.1 設在半徑為Rc的圓盤中心法線上，距盤圓中心為l0處有一個輻射強度為Ie的點源S，如圖所示。試計算該點源發射到盤圓的輻射功率。l0SRc第1題圖 解答：因為，且在立體角內的輻射通量全部照在面元上。面

7、元的 根據立體角定義可知：，這里的，代入上式，得到：解答完畢。1.2 如圖所示，設小面源的面積為DAs，輻射亮度為Le，面源法線與l0的夾角為qs；被照面的面積為DAc，到面源DAs的距離為l0。若qc為輻射在被照面DAc的入射角，試計算小面源在DAc上產生的輻射照度。LeDAsDAcl0qsqc第2題圖解答：因為，推出：又因為推出：最后根據 第二章 光輻射的傳播2.1 何為大氣窗口，試分析光譜位于大氣窗口內的光輻射的大氣衰減因素。對某些特定的波長，大氣呈現出極為強烈的吸收。光波幾乎無法通過。根據大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區分成八個區段，將透過率較高的波段稱為大氣窗口。衰減的原因是大

8、氣分子的少量吸收和散射占主導地位的損耗，大氣溶膠的吸收和散射。2.2 何為大氣湍流效應，大氣湍流對光束的傳播產生哪些影響？是一種無規則的漩渦流動，流體質點的運動軌跡十分復雜，既有橫向運動，又有縱向運動，空間每一點的運動速度圍繞某一平均值隨機起伏。這種湍流狀態將使激光輻射在傳播過程中隨機地改變其光波參量，使光束質量受到嚴重影響，出現所謂光束截面內的強度閃爍、光束的彎曲和漂移（亦稱方向抖動）、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現象，統稱為大氣湍流效應。2.5 何為電光晶體的半波電壓？半波電壓由晶體的那些參數決定？電光晶體加入外電場后，當光波的兩個垂直分量的光程差為半個波長（相應的相位差為p）時所需要

9、加的電壓，稱為半波電壓。2.10 一束線偏振光經過長，直徑的實心玻璃，玻璃外繞匝導線，通有電流。取韋爾德常數為，試計算光的旋轉角由公式和計算。答案：0.31252.15 光波水下傳輸有那些特殊問題？主要是設法克服這種后向散射的影響。措施如下：1 適當地選擇濾光片和檢偏器，以分辨無規則偏振的后向散射和有規則偏振的目標反射。2 盡可能的分開發射光源和接收器。采用如圖2-28所示的距離選通技術。當光源發射的光脈沖朝向目標傳播時，接收器的快門關閉，這時朝向接收器的連續后向散射光便無法進入接收器。當水下目標反射的光脈沖信號返回到接收器時，接收器的快門突然打開并記錄接收到的目標信息。這樣就能有效的克服水下

10、后向散射的影響。第三章 光束的調制和掃描1.振幅調制振幅調制就是載波的振幅隨調制信號的規律而變化的振蕩，簡稱調幅。若調制信號是一時間的余弦函數，即 (3.1-2)調幅波的表達式為 (3.1-3)調幅波的頻譜為 (3.1-4)頻譜由三個頻率成分組成，第一項是載頻分量，第二、三項是稱為邊頻分量，如圖1所示。上述分析是單余弦信號調制的情況。如果調制信號是一復雜的周期信號，則調幅波的頻譜將由載頻分量和兩個邊頻帶組成。t2wmwc-wm wc wc+wm wAcmaAc/2maAc/2圖1 調幅波頻譜2.頻率調制和相位調制調頻或調相就是光載波的頻率或相位隨著調制信號的變化規律而改變的振蕩。因為這兩種調制

11、波都表現為總相角y(t)的變化，因此統稱為角度調制。對頻率調制來說，就是中的角頻率wc隨調制信號變化 (3.1-5)則調制波的表達式為 (3.1-6)同樣，相位調制就是 相位角jc隨調制信號的變化規律而變化，則調相波的表達式為 (3.1-8)由于調頻和調相實質上最終都是調制總相角，因此可寫成統一的形式 (3.1-9)上式按三角公式展開，并應用得到 (3.1-10)可見，在單頻余弦波調制時，其角度調制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻組成。顯然，若調制信號不是單頻余弦波，則其頻譜將更為復雜。3. 強度調制強度調制使光載波的強度(光強)隨調制信號規律變化的激光振蕩，如圖2所示。光束

12、調制多采用強度調制形式，這是因為接收器一般都是直接響應其所接收的光強。光束強度定義為光波電場的平方 (3.1-11)于是，強度調制的光強可表示為 (3.1-12)仍設調制信號是單頻余弦波，則 (3.1-13)I(t)t調制信號載波圖2 強度調制強度調制波的頻譜可用前面所述的類似方法求得，其結果與調幅波略有不同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻wm和直流分量。以上幾種調制方式所得到的調制波都是一種連續振蕩波，統稱為模擬調制。直接調制（考點一：理解、熟悉）直接調制(內調制)主要是把要傳遞的信息轉變為電流信號注入半導體光源（激光二極管LD或半導體發光二極管LED），從而獲得調制光信

13、號。是目前光纖通信系統普遍采用的實用化調制方法。根據調制信號的類型，直接調制又可以分為模擬調制和數字調制兩種，前者是有連續的模擬信號（如電視、語音等信號）直接接對光源進行光強度調制，后者是用脈沖編碼調制數字信號對光源進行強度調制，下面介紹這兩種調制方法。1.半導體激光器（LD）直接調制的原理圖3為砷鎵鋁雙異質結注入式半導體激光器的輸出光功率與驅動電流的關系曲線。圖4所示半導體激光器的光譜特性。10080604020850 950 1050波長(mm)相對輻射強度(%)高于閾值低于閾值圖4 半導體激光器的光譜特性10500 50 100 It 150 200驅動電流(mA)輸出功率(mW)圖3半

14、導體激光器的輸出特性圖5所示的是半導體激光器調制原理以及輸出光功率與調制信號的關系曲線。為了獲得線性調制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調制信號電流的同時加一適當的偏置電流Ib，這樣就可以使輸出的光信號不失真。輸出功率直流偏置調制信號輸出光強信號ttt(b)CLLD調制信號直流偏置(a)圖5半導體激光器調制 (a) 電原理圖；(b) 調制特性曲線半導體激光器處于連續調制工作狀態時，無論有無調制信號，由于有直流偏置，所以功耗較大，甚至引起溫升，會影響或破壞器件的正常工作。2.半導體發光二極管（LED）的調制特性LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)1

15、6141210864200 100 200 300 400圖6 LED與LD 的Pout-I曲線比較半導體發光二極管由于不是閾值器件，它的輸出光功率不像半導體激光器那樣會隨注入電流的變化而發生突變，因此，LED的PI特性曲線的線性比較好。圖6示出了LED與LD的PI特性曲線的比較。3.半導體光源的模擬調制 無論是使用 LD或LED作光源，都要施加偏置電流Ib，使其工作點處于LD或LED的PI特性曲線的直線段，如圖7所示。其調制線性好壞與調制深度m有關： LEDUb+EcIc已調光波(a)PoutItIco(b)圖7 模擬信號驅動電路激光強度調制 (a) 驅動電路；(b) LED工作特性4.半導

16、體光源的脈沖編碼數字調制如前所述，數字調制是用二進制數字信號“1”和“0”碼對光源發出的光波進行調制。而數字信號大都采用脈沖編碼調制，即先將連續的模擬信號通過“抽樣”變成一組調幅的脈沖序列，再經過“量化”和“編碼”過程，形成一組等幅度、等寬度的矩形脈沖作為“碼元”，結果將連續的模擬信號變成了脈沖編碼數字信號。然后，再用脈沖編碼數字信號對光源進行強度調制，其調制特性曲線如圖8所示。由于數字光通信的突出優點，所以其有很好應用的前景。首先因為數字光信號在信道上傳輸過程中引進的噪聲和失真，可采用間接中繼器的方式去掉，故抗干擾能力強；其次對數字光纖通信系統的線性要求不高，可充分利用光源（LD）的發光功率

17、；第三數字光通信設備便于和脈沖編碼電話終端、脈沖編碼數字彩色電視終端、電子計算機終端相連接，從而組成既能傳輸電話、彩色電視，又能傳輸計算機數據的多媒體綜合通信系統。聲光掃描器的主要性能參量（考點2）聲光掃描器的主要性能參量有三個:可分辨點數，它決定描器的容量。偏轉時間t，其倒數決定掃描器的速度。衍射效率hs，它決定偏轉器的效率。3.43.7 用PbMoO4晶體做成一個聲光掃描器，取n=2.48，M2=37.75´10-15s3/kg，換能器寬度H=0.5mm。聲波沿光軸方向傳播，聲頻fs=150MHz，聲速vs=3.99´105cm/s，光束寬度d=0.85cm，光波長l=

18、0.5mm。 為獲得100%的衍射效率，聲功Ps率應為多大？解： ， 答案：0.195W第4章 光輻射的探測技術§1 光電探測器的物理效應光電探測器能把光輻射量轉換成另一種便于測量的物理量的器件。一、光子效應和光熱效應（考點一）1. 光子效應指單個光子的性質對產生的光電子起直接作用的一類光電效應。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內部電子狀態的改變。光子能量的大小，直接影響內部電子狀態的改變。特點：光子效應對光波頻率表現出選擇性，響應速度一般比較快。2. 光熱效應探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態的改變，而是把吸收的光能變為晶格的熱運動能量，引起探測元件溫度上升,

19、溫度上升的結果又使探測元件的電學性質或其他物理性質發生變化。特點：原則上對光波頻率沒有選擇性，響應速度一般比較慢。（在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。）二、光電發射效應外光電效應（器件：光電管、光電倍增管）指光照下,物體向表面以外的空間發射電子（即光電子）的現象。 -光電發射體（光陰極）愛因斯坦方程：為光電子的動能，為光電發射體的功函數。外光電效應條件：“紅限”(截止波長) （考點二，截止波長、頻率）截止波長指的是,單模光纖通常存在某一波長,當所傳輸的光波長超過該波長時,光纖只能傳播一種模式(基模)的光,而在該波長之下,光纖可傳播多種模式(包含高階

20、模)的光。當保持電路輸入信號的幅度不變，改變頻率使輸出信號降至最大值的0.707倍，或某一特殊額定值時該頻率稱為截止頻率。（考點三：推導）對本征半導體，設每秒鐘激發載流子對的數目為N，則， 光電導：DG與每秒鐘所激發的載流子對數N成正比, 即與光功率成正比。光電導效應就是光照下探測器的電導率增大的效應，光照越強，光電導越大。 光電流: 電流增量并不等于每秒鐘光激發的電量 eN, 定義光電導效應的電流增益:對N型半導體，光照時電子濃度增加量Dn是主要的，有： 五、溫差電效應（考點四：溫差電效應）當兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導體）兩端并聯熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯回路中就產生電動

21、勢，稱為溫差電動勢。提高測量靈敏度若干個熱電偶串聯起來使用熱電堆六、熱釋電效應（考點五）熱釋電材料電介質一種結晶對稱性很差的壓電晶體在常態下具有自發電極化(即固有電偶極矩)。 熱電體的|決定了面電荷密度的大小，當發生變化時，面電荷密度也跟著變化。| |值是溫度的函數溫度升高| |減小。升高到Tc值時,自發極化突然消失,TC稱為居里溫度。熱釋電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢，一般在11000秒量級。熱釋電探測器是一種交流或瞬時響應的器件。§2 光電探測器的性能參數(考點六)一、積分靈敏度R二、光譜靈敏度R三、頻率靈敏度Rf（響應頻率fc和響應時間）四、量子效率五、通量閾

22、Pth和噪聲等效功率NEP六、歸一化探測度D*(讀作D星)七、噪聲七、光電轉換定律光輻射量轉換為光電流量的過程光電轉換。 D探測器的光電轉換因子式中：探測器的量子效率基本的光電轉換定律： (1)光電探測器對入射功率有響應,響應量是光電流。因此,一個光子探測器可視為一個電流源。(2)因為光功率P正比于光電場的平方,故常常把光電探測器稱為平方律探測器。或者說,光電探測器本質上一個非線性器件。例題：(考點7：會解)例如，若RL=Rg=1M,2,光敏面積為1cm2,則V不能超過632V，若光敏面積為0.01cm2,則V不允許超過63V.。(p131)幾種典型的光敏電阻 (P133) 考點8，記。（1）

23、CdS和CdSe低造價、可見光輻射探測器光電導增益比較高(103104)響應時間比較長(大約50ms)（2）PbS近紅外輻射探測器波長響應范圍在13.4m，峰值響應波長為2m內阻（暗阻）大約為1M響應時間約200s（3）InSb在77k下,噪聲性能大大改善峰值響應波長為5m響應時間短（大約50×10-9s）（4）HgxCd1-xTe探測器化合物本征型光電導探測器,它是由HgTe和GdTe兩種材料混在一起的固溶體,其禁帶寬度隨組分x呈線性變化。當x=0.2時響應波長為814m,工作溫度77k，用液氮致冷。考點：光電轉換原理，為什么M=1？（考點9） 短路電流和開路電壓精確表達式的推導短

24、路電流和開路電壓精確表達式的推導 短路電流RL=0，則u=0,由（4-102）得: 光電池的短路電流與光功率成線性關系。光電池作為測量元件時，負載電阻應盡量取得小些，使之滿足“短路”條件,從而使光電池成為線性元件.開路電壓RL=,i=0,開路電壓與光功率成非線性關系.P139 在室溫（300K）下，(考點10 P146) 例題：已知某Si光電二極管的靈敏度S=0.5.P147頻率響應特性影響因素（擴散時間、耗盡層中的漂移時間、結電容效應），哪兩個重要，為什么？(考點11 P153) 若mm2，(考點12 P159) 光頻外差探測有哪些物理量？ P165 4.1 比較光子探測器和光熱探測器在作用

25、機理、性能及應用特點等方面的差異。答：光子效應是指單個光子的性質對產生的光電子起直接作用的一類光電效應。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內部電子狀態的改變。光子能量的大小，直接影響內部電子狀態改變的大小。因為，光子能量是h，h是普朗克常數, 是光波頻率，所以，光子效應就對光波頻率表現出選擇性，在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應速度一般比較快。光熱效應和光子效應完全不同。探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態的改變，而是把吸收的光能變為晶格的熱運動能量，引起探測元件溫度上升,溫度上升的結果又使探測元件的電學性質或其他物理性質發生變化。所以，光熱效應與單光子能量h的大小沒有

26、直接關系。原則上，光熱效應對光波頻率沒有選擇性。只是在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應的響應速度一般比較慢，而且容易受環境溫度變化的影響。值得注意的是，以后將要介紹一種所謂熱釋電效應是響應于材料的溫度變化率，比其他光熱效應的響應速度要快得多，并已獲得日益廣泛的應用。4.7 比較直接探測和外差探測技術的應用特點第5章 光電成像系統§1 固體攝像器件考點1：深刻理解并掌握“電荷耦合器件（CCD）與其他器件相比，最突出的特點用光注入的辦法產生”固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息

27、（可見光、紅外輻射等），轉換為按時序串行輸出的電信號 視頻信號，而視頻信號能再現入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）一、電荷耦合攝像器件電荷耦合器件（CCD）特點）以電荷作為信號CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉移CCD工作過程信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程電荷耦合器件的基本原理（1）電荷存儲 構成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器電荷耦合器件必須工作在瞬態和深度耗盡狀態（2）電荷轉移以三相表面溝道CCD為例表面溝道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）轉移溝道在界面的CCD器件 體內溝道（或埋溝道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用離子注入方法改變轉移溝道的結構，從而使勢能極小值脫離界面而進入襯底內部，形成體內的轉移溝道，避免了表面態的影響，使得該種器件的轉移效率高達99.999以上，工作頻率可高達100MHz，且能做成大規模器件（3）電荷檢測浮