6/6光電子學基礎知識.doc第一章光輻射與發光源

教學目的

1、掌握光波在各種介質屮的傳播特性。

2、了解光度學基本知識。

3、了解熱輻射基本定律

教學重點與難點

重點：光波在電光晶體、聲光晶體屮的傳播特性。

難點：光度學基本知識。

1.1電磁波譜與光輻射

1.電磁波的性質與電磁波譜

光是電磁波。

根據麥克斯韋電磁場理論，若在空間某區域有變化電場E（或變化磁場產），在鄰近區域將產牛變化的磁場看（或變化電場E）,這種變化的電場和變化的磁場不斷地交替產牛，由近及遠以有限的速度在空間傳播，形成電磁波。

電磁波具有以下性質：

（1）電磁波的電場片和磁場芳都垂直于波的播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。E、芳和傳播方向構成右手螺旋系。

（2）沿給定方向傳播的電磁波，E和產分別在各口平面內振動，這種特性稱為偏振。

（3）空間各點E和產都作周期性變化，而且相位相同，即同時達到最大，同時減到最小。

⑷任一吋刻，在空間任一點，E和產在量值上的關系為血￡=亦//。

（5）電磁波在真空屮傳播的速度為c=丁勺“。，介質屮的傳播速度為

u=0

電磁波包括的范圍很廣，從無線電波到光波，從X射線到了射線，都屬于

波譜的一極小波段。圖屮還給出了各種波長范圍（波段）。Mun

L10”

X/nmlxlO6

-

'極遠-J?遠

11

＞屮

＞近■'1

?橙w?綠

*藍

-<＞軋

?近

＞遠1

?

聲頻電磁振蕩

亳米波

紅外光

紫外光

宇宙射線

10—

-1012-1O10

-106

-104

一」

—1()4-10'8

L1O40

電磁波的范疇，只是波長不同而己。H前己經發現并得到廣泛利用的電磁波有波長達104m以上的，也有波長短到10-5nm以下的。我們可以按照頻率或波長的順序把這些電磁波排列成圖表，稱為電磁波譜，如圖1所示，光輻射僅占電

電磁輻射波譜

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lOnm-lmm,或頻率在3xlO“Hz?3xlO“Hz范圍內。一般按輻射波長及人眼的牛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pm表示。波數的單位習慣用cm"。

可見光。通常人們提到的“光”指的是可見光。可見光是波長在390?770nm范圍的光輻射，也是人視覺能感受到“光亮”的電磁波。當可見光進入人眼時，人眼的主觀感覺依波長從長到短表現為紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍色和紫色。

紫外輻射。紫外輻射比紫光的波長更短，人眼看不見，波長范圍是1?390nm。細分為近紫外、遠紫外和極遠紫外。由于極遠紫外在空氣小幾乎會被完全吸收,只能在真空屮傳播，所以又稱為真空紫外輻射?。在進行太陽紫外輻射的研究小,常將紫外輻射分為A波段、B波段和C波段。

770622597577492455390300200

4xl041.5X106

可見光

6xl03

Me

=

~dS

紅外輻射。波長在0.77?10（）0屮n的是紅外輻射。通常分為近紅外、屮紅外和遠紅外三部分。

1.2輻射度學與光度學基本知識

為了對光輻射進行定量描述，需要引入計量光輻射的物理量。血對于光輻射的探測和計量，存在著輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。

在輻射度單位體系中，輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）o輻射度學適用于整個電磁波段。

光度單位體系是一套反映視覺亮喑特性的光輻射計量單位，被選作基本量的不是光通量血是發光強度，其基本單位是坎德拉。光度學只適用于可見光波段。

以上兩類單位體系「I|的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符號一一對應的。為了區別起見，在對應的物理量符號標角標“護表示輻射度物理量,角標w表示光度物理量。下而重點介紹輻射度單位體系屮的物理量。光度單位體系11'的物理量可對比理解。

1.輻射度的基本物理量

（1）輻射能。

輻射能是以輻射形式發射或傳輸的屯磁波（主要指紫外、可見光和紅外輻射）能量。輻射能一般用符號Q表示，其單位是焦耳（J）o

⑵輻射通量。

輻射通量0又稱為輻射功率，定義為單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）o

輻射出射度。

輻射岀射度胚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，即單位：W/m2odt

(123)

(1.2-4)

(1.2-5)

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

dle=dle{}cos6

⑷輻射強度。

輻射強度厶定義為：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,用厶表示,即

r止

°dd

單位：瓦特?球面度“(W?s4)。

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%則該點輻射體在各個方向的輻射強度厶是常量，有

①1=二

e

4兀

⑸輻射亮度。輻射亮度乙定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量。如圖2所示。

L_嘰_

",

"dScos0dfldScos0

式屮&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

)o

(1.2-6)式屮厶o是面元於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

T=eOTe~

dSe0

(1.2-7)

可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角0無關。余弦輻射體的輻射出射度為

d

①

dS

dA

(1.2-8)

⑹輻射照度。在輻射接收而丄的輻照度僅定義為照射在面元刃上的輻射

而積刃Z比。即

通量叢％與該而元的

(1.2-9)

單位：（W/m2）0

（7）單色輻射度量

對于單色光輻射，同樣可以采用丄述物理量表示，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問均滿足

(1.2-10)

2.光度的基本物理量

由于人眼的視覺細胞對不同頻率的輻射有不同響應，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應人的亮暗感覺。光度單位體系是一套反映視覺亮喑特性的光輻射計量單位，在光頻區域光度學的物理量可以用與輻度學的基本物理量Qc、%Ie.Me、J、僅對應的Ov，九、Iv、W、―、弘來表示，其定義完全??對應，其關系如表1所刀J

表1常用輻度量和光度量之間的對應關系

與輻射度量體系不同，在光度單位體系屮，被選作基木單位的不是光量或光通量，而是發光強度，其單位是坎德拉。坎德拉不僅是光度體系的基木單位,而且也是國際單位制（SI）的七個基本單位之一。

光視效率。光視效能描述某一?波長的單色光輻射通量可以產牛多少相應的單色光通量。即光視效能忌定義為同-?波長下測得的光通量與輻射通量的比

(1.2-12)

?

1V

?

\

V■A\A■

L/X\:?

?\?

1

?\

?/

?\

?

■

/???

0.0

Z,即

%(1.2-11)單位：流明/瓦特(lm/W)o

通過對標準光度觀察者的實驗測定，在輻射頻率540X1012HZ(波長555nm)處，K

兀有最大值，其數值為心=6831m/W。單色光視效率是忌用心歸化的結果，其定義為

圖3光譜光視效率Illi線

表1-5單色光視效率數值

光的顏色

k/nm匕

光的顏色

Z/nin匕

3600.00000黃

5700.95200紫

3800.000045900.757004100.00121

6100.50300

4300.01160橙

6300.26500藍4500.038006500.10700青4700.090986700.032004900.20802

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