光电子学基础知识

第一章光辐射与发光源教学目的1、掌握光波在各种介质中的传播特性。2、了解光度学基本知识。3、了解热辐射基本定律教学重点与难点重点：光波在电光晶体、声光晶体中的传播特性。难点：光度学基本知识。1.1电磁波谱与光辐射1.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，若在空间某区域有变化电场E（或变化磁场H），在邻近区域将产生变化的磁场H（或变化电场E），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。电磁波具有以下性质：⑴电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。HE、和传播方向构成右手螺旋系。⑵沿给定方向传播的电磁波，E和H分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。⑶空间各点E和H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。⑷任一时刻，在空间任一点，E和H在量值上的关系为EH。⑸电磁波在真空中传播的速度为00c，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。我们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。图中还给出了各种波长范围（波段）。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10nm~1mm，或频率在31016Hz~31011Hz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。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390~770nm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。紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1~390nm。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。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段、B波段和C波段。红外辐射。波长在0.77~1000m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。1.2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。在辐射度单位体系中，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。光度单位体系是一套反映视觉亮暗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系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。1.辐射度的基本物理量⑴辐射能。辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（J）。⑵辐射通量。辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即dtdQee(1.2-1)单位：瓦特（W）或焦耳·秒（J·s）。⑶辐射出射度。辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即eedMdS(1.2-2)单位：W/m2。⑷辐射强度。辐射强度Ie定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，即ddIee(1.2-3)单位：瓦特·球面度-1（W·sr-1）。由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有4eeI(1.2-4)⑸辐射亮度。辐射亮度Le定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图2所示。coscos2dSdddSdILeee(1.2-5)式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度·米2（W/sr·m2）。图2辐射亮度示意图显然，一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足cos0eedIdI(1.2-6)式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。(1.2-6)式代入(1.2-5)式得到余弦辐射体的辐射亮度为00eeeLdSdIL(1.2-7)可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射体的辐射出射度为0eeeLdSdM(1.2-8)⑹辐射照度。在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA上的辐射通量dΦe与该面元的面积dA之比。即dAdEee(1.2-9)单位：（W/m2）。⑺单色辐射度量对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单色辐射度量与辐射度量之间均满足0,dXXee(1.2-10)2.光度的基本物理量由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反应人的亮暗感觉。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度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee对应的Q、Φ、I、M、L、E来表示，其定义完全一一对应，其关系如表1所示。表1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QeeMeIeLeEee＝dQe/dtMe=dedSIe=de/dLe=dIe/(dScos)Ee=de/dAJWW/m2W/srW/m2·srW/m2光量光通量光出射度发光强度(光)亮度(光)照度QvvMvIvLvEvQv=vdtv=IvdMv=dv/dS基本量Lv=dIv/(dScos)Ev=dv/dAlmslmlm/m2cdcd/m2lx与辐射度量体系不同，在光度单位体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。光视效率。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即evK(1.2-11)单位：流明/瓦特（lm/W）。通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率5401012Hz（波长555nm）处，K有最大值，其数值为Km=683lm/W。单色光视效率是K用Km归一化的结果，其定义为evmmKKKV1(1.2-12)4005006007008000.00.20.40.60.81.0VV'波长(nm)光视效率图3光谱光视效率曲线表1-5单色光视效率数值光的颜色λ/nmVλ光的颜色λ/nmVλ紫3600.00000黄5700.952003800.000045900.757004100.00121橙6100.503004300.011606300.26500蓝4500.038006500.10700青4700.09098红6700.032004900.208026900.00821绿5100.503007100.002095300.862007400.00025黄5500.994957700.000035551.000007900.00000