光电子技术绪论.ppt

LOGO光 电 技 术 机机电工程系工程系刘金桂刘金桂教学内容：1.掌握电磁波的特性和辐射度学基本物理量 的意义和单位。2.掌握光度学基本知识。3.了解热辐射基本规律。4.掌握辐射度参数和光度参数的换算关系 5.了解半导体的光电效应重点：辐射度参数和光度参数的物理意义及换算关系。难点：光度学基本知识。学时：4学时第第1 1章章 光电技术基础光电技术基础本节课主要内容1.1光辐射的度量。1.2光辐射的分布和量子流速率。一、一、电磁波谱与光辐射电磁波谱与光辐射1.电磁波的性质与电磁波谱电磁波的性质与电磁波谱光是电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域光是电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化的磁场有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化的磁场（或变化电场），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产（或变化电场），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。1.1光辐射的度量电磁波具有以下性质：电磁波的电场 和磁场 都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。和传播方向构成右手螺旋系。沿给定方向传播的电磁波，和 分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。空间各点 和 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。任一时刻，在空间任一点，和 在量值上的关系为 。电磁波在真空中传播的速度为 ，介质中的传播速度为。电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到 射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。101410121010108106104102110-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡无线电波毫米波红外光紫外光X射线射线宇宙射线/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光图1电磁辐射波谱2.光辐射以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm1mm，或频率在31016Hz31011Hz范围内。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：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。波数的单位习惯用cm-1。可见光可见光：通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390770nm范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。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、青色、蓝色和紫色。紫紫外外辐辐射射：紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是10390nm。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。红红外外辐辐射射：波长在0.771000m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。二、辐射度学与光度学基本知识二、辐射度学与光度学基本知识为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。在在辐辐射射度度单单位位体体系系中中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系光度单位体系是一套反映视觉亮暗（生理）特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体辐射度单位体系系中的物理量。光度单位体系光度单位体系中的物理量可对比理解。1.辐射量辐射量辐辐射射能能：辐辐射射能能是是以以辐辐射射形形式式发发射射、传传输输、接接收收的的电电磁磁波波能量。辐射能一般用符号能量。辐射能一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（表示，其单位是焦耳（J）。）。辐辐射射通通量量：辐辐射射通通量量 e又又称称为为辐辐射射功功率率，定定义义为为单单位位时时间间内流过的辐射能量，即内流过的辐射能量，即(1-1)单位：瓦特（单位：瓦特（W）或焦耳）或焦耳/秒（秒（J/s）。）。辐辐射射出出射射度度：辐辐射射出出射射度度Me是是用用来来反反映映物物体体辐辐射射能能力力的的物物理理量量。定定义义为为辐辐射射体体单单位位面面积积向半空间发射的辐射通量，即向半空间发射的辐射通量，即(1-5)单位：单位：W/m2。辐辐射射强强度度。辐辐射射强强度度定定义义为为：点点辐辐射射源源在在给给定定方方向向上上发发射射的的在在单单位位立立体体角角内内的的辐辐射射通通量量，用用Ie表示，即表示，即(1-10)单位：瓦特单位：瓦特 球面度球面度-1（W sr-1）。）。对可见光，与式（对可见光，与式（1-10）类似，定义发光强度）类似，定义发光强度为为 对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为量为一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。向而异。（1-13）（1-14）发发光光强强度度的的单单位位是是坎坎德德拉拉（candela），简简称称为为坎坎cd。1979年年第第十十六六届届国国际际计计量量大大会会通通过过决决议议，将将坎坎德德拉拉重重新定义为：新定义为：在在给给定定方方向向上上能能发发射射5401012Hz的的单单色色辐辐射射源源，在在此此方方向向上上的的辐辐强强度度为为（1/683）W/sr，其其发发光光强强度度定定义义为为一个坎德拉一个坎德拉cd。由式（由式（1-13），对发光强度为），对发光强度为1cd的点光源，向给的点光源，向给定方向定方向1球面度球面度(sr)内发射的光通量定义为内发射的光通量定义为1流明流明（lm）。）。发光强度为发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的点光源在整个球空间所发出的总光通量为的总光通量为=4I12.566lm。辐射亮度：辐射亮度：辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。用面光源某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以射通量。用面光源某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。如图该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。如图2所示。所示。(1-15)式中式中 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特单位：瓦特/球面度球面度 米米2（W/sr m2）。）。AddAd图2辐射亮度示意图 若若L Le e，L Lv v与与光光源源发发射射辐辐射射的的方方向向无无关关，这这样样的的光光源源称称为为余余弦弦辐辐射射体体或或朗朗伯伯辐辐射射体体。黑黑体体是是一一个个理理想想的的余余弦弦辐辐射射体体，而而一一般般光光源源的的亮亮度度多多少少与与方方向向有有关关。粗粗糙糙表表面面的的辐辐射射体体或或反反射射体体及及太太阳阳等等是是一一个个近近似的余弦辐射体。似的余弦辐射体。v余弦辐射体余弦辐射体的辐出度的辐出度M Me e与辐亮度与辐亮度L Le e、光出度、光出度M Mv v与与亮度亮度L Lv v的关系为：的关系为：光学系统光学系统余弦辐射体余弦辐射体辐辐射射照照度度：在在辐辐射射接接收收面面上上的的辐辐照照度度定定义义为为照照射射在在面面元元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即上的辐射通量与该面元的面积之比。即(1-22)单位：（单位：（W/m2）。）。单单色色辐辐射射度度量量：对对于于单单色色光光辐辐射射，同同样样可可以以采采用用上上述述物物理理量量表表示示，只只不不过过均均定定义义为为单单位位波波长长间间隔隔内内对对应应的的辐辐射射度度量量，并并且且对对所所有有辐辐射射量量X来来说说单单色色辐辐射射度度量量与与辐辐射射度度量之间均满足量之间均满足(1.2-10)（7 7）.辐照量和曝光量辐照量和曝光量 辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。量有关。照射到物体表面某一面元的辐照度照射到物体表面某一面元的辐照度E Ee e在时间在时间t t内的积内的积分称为辐照量分称为辐照量H He e，即，即 （1-29）辐照量辐照量He的计量单位是焦尔每平方米的计量单位是焦尔每平方米J/m2。如果面元上的辐照度如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（与时间无关，式（1-29）可简化为）可简化为（1-30）与辐照量与辐照量He对应的光度量是曝光量对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某，它定义为物体表面某一面元接收的光照度一面元接收的光照度Ev在时间在时间t内的积分，即内的积分，即（1-31）Hv的计量单位是勒（克司）秒的计量单位是勒（克司）秒lx.s。如果面元上的光照度如果面元上的光照度Ev与时间无关，式（与时间无关，式（1-31）可简化为）可简化为2.光度量光度量由由于于人人眼眼的的视视觉觉细细胞胞对对不不同同频频率率的的辐辐射射有有不不同同响响应应，故故用用辐辐射射度度单单位位描描述述的的光光辐辐射射不不能能正正确确反反应应人人的的亮亮暗暗感感觉觉。光光度度单单位位体体系系是是一一套套反反映映视视觉觉亮亮暗暗特特性性的的光光辐辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与与辐辐度度学学的的基基本本物物理理量量对对应应的的来来表表示示，其其定定义义完完全全一一一一对对应应，其关系如表其关系如表1所示。所示。与与辐辐射射度度量量体体系系不不同同，在在光光度度单单位位体体系系中中，被被选选作作基基本本单单位位的的不不是是光光量量或或光光通通量量，而而是是发发光光强强度度，其其单单位位是是坎坎德德拉拉。坎坎德德拉拉不不仅仅是是光光度度体体系系的的基基本本单单位位，而而且且也是国际单位制（也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。）的七个基本单位之一。表表1：常用辐度量和光度量之间的对应关系：常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义或定义式单位物理量名称符号定义或定义式单位辐射能辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐射照度QeeMeIeLeEeedQe/dtMe=dedAIe=de/dLe=dIe/(dAcos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=v dtv=Iv dMv=dv/dA基本量Lv=dIv/(dAcos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx1.2 光谱辐射分布与量子流速率1.2.1光源的光谱辐射分布参量1.1.光谱辐射量光谱辐射量光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是光源发射的辐射能在辐射光谱范围内是按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量按波长分布的。光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度称为辐射量的光谱密度Xe,，简称为，简称为光谱辐射量光谱辐射量，即，即式中，通用符号式中，通用符号Xe,是波长的函数，代表所有的光谱辐射是波长的函数，代表所有的光谱辐射量，如光谱辐射通量量，如光谱辐射通量e,、光谱辐射出度、光谱辐射出度Me,、光谱辐射、光谱辐射强度强度Ie,、光谱辐射亮度、光谱辐射亮度Le,、光谱辐照度、光谱辐照度Ee,等。等。（1-32）同样，以符号同样，以符号Xv,表示光源在可见光区单位波长范围表示光源在可见光区单位波长范围内发射的光度量称为内发射的光度量称为光度量的光谱密集度光度量的光谱密集度，简称为，简称为光谱光谱光度量光度量，即，即式中，式中，Xv,代表光谱光通量代表光谱光通量v,、光谱光出射度、光谱光出射度Mv,、光、光谱发光强度谱发光强度Iv,和光谱光照度和光谱光照度Ev,等。等。（1-33）光源的辐射度参量光源的辐射度参量Xe,随波长随波长的分布曲线称为的分布曲线称为该光源的该光源的绝对光谱辐射分布曲线。绝对光谱辐射分布曲线。2.2.光源相对光谱辐射分布光源相对光谱辐射分布该曲线任一波长该曲线任一波长处的处的X Xe,e,除以峰值波长除以峰值波长maxmax处的光谱处的光谱辐射量最大值辐射量最大值X Xe,e,maxmax的商的商X Xe,e,r r，称为光源的相对光谱辐，称为光源的相对光谱辐射量，即射量，即 （1-34）相对光谱辐射量相对光谱辐射量Xe,r与波长与波长的关系称为的关系称为光源相对光光源相对光谱辐射分布。谱辐射分布。光源在波长光源在波长12范围内发射的辐射通量范围内发射的辐射通量（1-35）若积分区间从若积分区间从1=0到到2，得到光源发出的所有波，得到光源发出的所有波长的总辐射通量长的总辐射通量3.3.比辐射比辐射qe光源在波长光源在波长12之间的辐通量之间的辐通量e与总辐通量与总辐通量e之比称为该光源的比辐射之比称为该光源的比辐射qe，即，即式中，式中，qe没有量纲没有量纲。（1-36）（1-37）1.2.2 1.2.2 量子流速率量子流速率 光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源光源发射的辐射功率是每秒钟发射光子能量的总和。光源在给定波长在给定波长处处,由由到到+d+d 波长范围内发射的辐射通量波长范围内发射的辐射通量de除以该波长除以该波长的光子能量的光子能量hv，得到光源在该波长得到光源在该波长处每秒钟处每秒钟发射的光子数，称为发射的光子数，称为光谱量子流速率光谱量子流速率dNe,，即，即 光源在波长光源在波长为为0范围内发射的范围内发射的总量子流速率总量子流速率（1-38）（1-39）对可见光区域，光源每秒发射的总光子数对可见光区域，光源每秒发射的总光子数量子流速率量子流速率Ne或或Nv的计量单位为辐射元的光子数每秒的计量单位为辐射元的光子数每秒1/s。（1-40）