光电子技术第一章Word文件下载.docx

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的单位为W/sr（瓦每球面度）。

一般辐射源多为各向异性的，即Ie随（θ，φ）而改变。

4．辐射出射度Me与辐射亮度Be

图1.2点辐射源的辐射强度

这是描述面辐射源上各面元辐射能力的物理量。

图1.3（a）、（b）分别表式Me、Be的定义。

辐射出射度Me被定义为通过单位面元辐射出的功率，即dΦe与dS之比，即

单位为W／m2（瓦每平方米）。

Me是面元位置的函数，面辐射源上不同点可有不同的Me值。

此外，还需要知道面辐射源沿不同方向的辐射能力的差异，这就要用辐射亮度Be来描述。

Be是面元位置和辐射方向（θ，φ）的函数，等于该方向面元辐射强度与面元表面积之比，即

单位为W／（sr﹒m2）（瓦每球面度平方米）。

5．辐射照度Le

Le是辐射接收面上单位面积承受的辐射通量，即

式（1.4）中，dS为接收面上的面元，dΦe是照射到该面元的辐射通量的总和。

Le是面元的位置函数。

6．光谱辐射量

辐射源所发射的能量往往由很多波长的单色辐射所组成。

为了研究光源对各种波长的辐射，提出光谱辐射量的概念。

光谱辐射量是该辐射量在波长五处的单位波长间隔内的大小，又叫辐射量的光谱密度，是辐射量随波长的变化率。

综上所述，有

光谱辐射通量Φe（λ）：

光谱辐射出射度Me（λ）：

光谱辐射亮度Be（λ）：

光谱辐射照度Le（λ）：

由图1.4可见，辐射源的总辐射通量Φe为

（1.9）

其他辐射度量也有类似的关系。

用Xe代表其他辐射度量（Me、Be、Le等），则

（1.10）

二、光度的基本物理量

1．光谱光视效率

人眼只能感知波长在0.38—0.78μm之间的辐射，故称这个波段的光为可见光。

在可见光范围内，人眼对不同波长的感光灵敏度也不同：

对绿光最灵敏，对红、蓝光的灵敏度较低。

此外，受视觉生理和心理作用的影响，不同的人对各种波长的感光灵敏度也是不同的。

国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种光波长的相对灵敏度，称为光谱光视效率或视见函数，如图1.5所示。

2．光度量

辐射度量是客观物理量。

但是，波长不同而量值相同的辐射度量引起人眼的视觉是不同的，这种差异是辐射度量无法描述的。

光度学则是以人的视觉为基础，对光辐射进行测量的科学。

光度量的基本物理量与辐射度量是一一对应的，都是定量地描述光辐射，但光度量体现了人眼的视觉特性。

（1）光能Qv

按人眼的感觉强度进行度量的辐射能大小称为光能，它与辐射能的大小、人眼的视觉灵敏度成正比。

（2）光通量Φv

单位时间内通过某截面的所右光波长的光能称为光通量，单位为Im（流明）。

（3）发光强度Iv

（1.11）

单位为cd（坎德拉），1cd=1Im/sr。

发光强度Iv是光度量中最基本的单位。

规定：

频率为540×

1012Hz（对应于空气中的555nm波长）的单色辐射光在给定方向上的辐射强度为未了1/683W/sr时，该方向上的发光强度为1cd，即λ=555nm时，有

由式（1.12）可得：

1W=683Im。

555nm是明视觉V（λ）曲线中人眼最敏感的波长，即V（555nm）=l。

其他波长处，v（λ）<

1，1W<

683Im，1W=683V（λ）Im。

定义

Km=683Im/W（1.13）

为明视觉最大光谱光视效能。

这样就可建立同一波长下，辐射通量与光通量之间的换算关系，即

对含有多种波长的辐射通量函Φe,它对应的光通量Φv为

由此可见，从光度学中最基本的单位——cd出发，可确定光通量的单位Im、光能量的单位Im﹒s以及下文Mv、Bv、Lv的单位。

（4）光出射度Mv和光亮度Bv

单位为Im/m2。

单位为cd/m2。

实用单位为sb（熙提），1sb=104cd/m2。

（5）光照度Lv

单位为lx（勒克斯），1lx=1lm/m2。

若用Xv代表任一光度量，Xe代表对应的辐射度量，则有普适关系式

表1.1给出了各波长对应的光谱光视效率，表1.2为辐射度量和光度量的对照表。

三、光源的辐射效率与发光效率

常用光源大都是电光源（电能转化成光辐射能）。

在所需的波长范围（λ1~λ2）内，光源发出的辐射通量与所需电功率之比称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率，即

发光效率是指光源发射的光通量与所需的电功率之比，即

单位为Im/W（流明每瓦）。

根据工作的要求选择效率高的光源。

表1.3给出了常见光源的发光效率。

1.2热辐射光源

凡具有温度的物体都能产生热辐射，辐射能是由原子、分子的热运动能量转变而来的。

为了维持辐射，需由外界提供能量。

热辐射光源是使发光物体升温到足够高而发光的光源，这类光源在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态，辐射光谱是连续光谱。

绝对黑体是一种理想热辐射源。

所谓绝对黑体（以下简称黑体）是具有以下典型特征的物体：

对任何波长的入射辐射，它的光谱吸收比α（λ）=1，透射比t（λ）=0，反射比

r（λ）=0。

在热平衡条件下，有关系式

（1.22）

式中，Meb（λ，T）为黑体的辐射出射度，Leb（λ，T）为入射辐射。

可见，对于黑体：

α（λ，T）=1，Meb（λ，T）≈Leb（λ，T）；

对于其他物体：

α（λ，T））<

1，

Meb（λ，T）<

Leb（λ，T）。

强吸收体必是强辐射体，因此，黑体有最强的热辐射能力。

普朗克根据光的量子理论，推导出描述黑体光谱辐射出射Meb（λ，T）与波长、热力学温度之间关系的著名公式

（1.23）

式中，c为真空中的光速，h和k分别为普朗克常数和玻耳兹曼常数。

对式（1.23）取波长λ的导数等于零，可得

（1.24）

这就是维恩位移定律。

将式（1.23）对所有波长积分，可得

（1.25）这就是斯蒂芬-玻耳兹曼定律。

图1.6给出了黑体的光谱辐射出射度与波长和温度的关系，反映了上述两个重要定律。

可见，随着温度的升高，曲线下的面积——黑体的总辐射度Meb（T）迅速增加，峰值波长λm向短波方向移动。

太阳和黑体辐射器（也称黑体模拟器）非常近似于黑体，也称全辐射体。

其他热辐射光源的α（λ，T）<

1，称为灰体，他们的辐射能力具有与黑体类似的规律。

色温与相关色温的概念。

黑体的温度决定了它的辐射光谱分布。

以黑体作为标准光源，其他热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该热辐光源的色温；

如果热辐射光源发光的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都相同，就以与发光颜色最相近的黑体温度为它的相关色温。

一、太阳与黑体辐射器

太阳可看成是一个直径为1.392×

109m的光球，它到地球的年平均距离是

1.496×

101lm。

因此，从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533O。

图1.7所示为太阳的光谱能量分布曲线。

可见大气层外的太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射，辐射波长峰值恰是人眼最敏感波长0.55μm。

射到地球上的太阳辐射，要斜穿过一层厚厚的大气层，大气层使太阳辐射在光谱和空间分布、能量大小、偏振状态等都发生了变化。

大气中氧（O2）、水汽（H20）、臭氧（03）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和其他碳氢化合饧（CH4）都对太阳辐射有选择地吸收，主要是红外区。

可见光区也受到大气衰减，但呈现白光，见图1.7中海平面的太阳辐照度曲线。

黑体辐射器是科学设计制作的小孔空腔结构的辐射器，有绝热层、测温和控温的传感器。

可保持热平衡和调节温度，可以很好地实现辐射功能，所以也称作黑体模拟器。

它常用作标准光源，有多种规格。

一般最高工作温度是3000K,实际应用大多在2000K以下。

辐射的峰值波长在红外区。

二、白炽灯与卤钨灯

白炽灯用钨丝做灯丝，玻璃泡壳，是用得最普遍的光源。

电流通过钨丝，使钨丝升温而发光e受灯丝工作温度所限，白炽灯的色温约2800K。

辐射光谱限于透过玻璃泡的部分，约0.4~3μm;

可见光只占6%-12%，当加上红外滤光片时，可作为近红外光源。

仪器中使用的白炽灯是低电压大电流的，即电压6~12V,功率在数瓦到几十瓦，灯丝聚集成点光源状。

白炽灯价廉，但寿命短，一般只几百小时。

工作时间长了！

灯丝的钨蒸发，沉积在泡壳上。

使灯泡发黑，亮度降低，灯丝易烧断。

为了克服白炽灯的弱点，产生了卤钨灯。

卤钨灯与白炽灯的区别在于：

用更耐高温的石英为泡壳，在泡壳内充人微量卤族元素或其化合物（常用溴或碘合物，如溴化硼）。

灯点燃后，高温下卤族元素的化合物释放出溴或碘蒸气，灯丝蒸发出的钨分子在温度较低的泡壳附近与溴或碘化合，形成的卤化钨在灯泡内扩散。

当扩散到高温灯丝附近，又分解，使钨分子又有很高的机率重新粘在灯丝上。

这个卤钨循环的过程使灯丝不会因蒸发而迅速变细，灯的寿命较长。

卤钨灯的工作温度比白炽灯的高，色温达3200K以上，辐射光谱为0.25~3.5μm。

发光效率可达30Im/W，比白炽灯高2~3倍，更广泛地用作仪器的白光源。

1.3气体放电光源

气体放电光源的种类很多，各种灯的基本结构相似：

用玻璃或石英等材料做成管形的、球形的灯泡，泡壳内有电极。

直流灯的电极分阴极、阳极，交流灯部分。

泡壳内充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪，或金属蒸气，如汞、镉、铟、铊、镝，或金属化合物蒸汽，如金属卤化物蒸汽等。

气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。

离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能级。

受激电子返回基态时，就辐射出光子来。

这样的发光机制就成为气体放电。

气体放电光源的特点：

①效率高。

比同瓦数的白炽灯发光效率高2-10倍，节能。

②结构紧凑。

不是靠灯丝发光，电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。

③寿命长。

一股比白炽灯长2-10倍。

④辐射光谱可以选择，只要选择适当的发光材料即可。

由于上述特点，气体放电光源在光电测量和照明工程中得到了广泛的应用。

这里就常用的几种做简要介绍。

一、汞灯

汞灯按照管内充的汞蒸气气压的不同分为低压汞灯、高压汞灯、超高压汞灯。

汞的气压越高，汞灯的发光效率也越高，发射的光也由线状光谱向带状光谱过度，如图1.8所示。

1．低压汞灯

主要辐射253.7nm的紫外光，用作紫外光源。

当在其管壳外再加一个管壳，壳内壁涂以合适的荧光粉时，253.7nm紫外光激发荧光粉发出可见光，这就是荧光灯。

照明用的日光灯就是荧光灯中的一种。

2．高压汞灯

汞蒸气气压为（1~10）x105Pa。

由于气体密度大，除了受激原子的辐射发光，还有电子与离子的复合发光，激发原子与正常原子的碰撞发光；

因而，可见区的辐射明显加强，呈带状光谱，红外区出现弱的连续光谱。

在高压汞灯外再加一个荧光壳，就成为高效照明光源。

3．球形超高压汞灯

汞蒸气气压为1-20MPa，电子与离子复合发光、激发原子与正常原子碰撞发光更加强烈。

光谱线较宽，形成连续背景，可见区偏蓝，红外辐射增强。

球形超高压汞灯中，两电极相距在毫米量级，如图1.9所示。

球形超高压汞灯亮度高，是很好的点光源。

二、钠灯

钠灯与汞灯的原理相似，不过放电管中充的是氖、氩混合气体与金属钠滴。

通电后，先是氖气放电发出红光，放电发热使钠滴蒸发成钠蒸气，逐渐代替氖气放电而辐射出强烈的橙黄色光。

为使管内有一定的钠蒸气压，管壁要维持250~300℃的温度。

因此，放电管外还要有一个外壳作为保温罩，两层之间抽成真空保温。

低压钠舸发出波长为589nm、589.6nm的两条谱线，单色性较好，常用作单色光源。

高压钠灯的光接近白色，亮度高，紫外辐射少，常用于照明。

三、金属卤化物灯

汞灯有比较高的发光效率，但缺少红色。

人们曾努力试图加入经气体放电能产生红光的金属，但未成功。

原因是大多数金属蒸气气压很低，不能产生有效的辐射，有的金属蒸气对石英泡壳有腐蚀作用。

卤钨灯的成功启发人们考虑到金属卤化物的蒸气气压高、对石英玻璃无腐蚀作用（非氟化物），在管内能形成金属卤化物循环，靠着这种循环向气体提供足够的金属原子。

这样，就制成了多种金属卤化物灯：

铊灯（碘化铊）：

光谱峰值535nm，发绿色光，光效高，是较好的水下照明光源。

镝灯（碘化镝、碘化铊）：

色温6000K，近似日光，寿命数百小时，是极好的电影、电视摄影及照相制版的光源。

钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：

色温5500K，近似白色光源，寿命100h，用作显微投影仪、电影放映光源。

四、氙灯

氙灯的发光材料是惰性气体——氙。

高压和超高压的惰性气体放电，气体原子被激发到很高的能级并大量电离。

复合发光和电子减速发光大大加强，在可见区形成很强的连续光谱。

光谱分布与日光最为接近，色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命可达1000h。

氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯（见图1.10）和脉冲氙灯。

长弧氤灯的电极间距为15~130cm，细管形，工作气压为105Pa，用于码头、广场、车站等大面积照明。

短弧氙灯的电极间距在数毫米量级，工作气压为1~2MPa，是很好的日光色点光源，常用于电影放映、彩色摄影、照相制版、模拟日光等场合。

脉冲氙灯管内气压在100Pa以下，由高压电脉冲激发产生光脉冲，在极短的时间（10-9~10-12s）内发出很强的光。

脉冲氙灯广泛用于固体激光器的光泵、照相制版、高速摄影和光信号源等。

五、氘灯

氘灯的泡壳内充有高纯度的氘气。

氘（H1）是氢（HI）的同位素，又叫重氢。

氘灯工作时，阴极产生电子发射，高速电子碰撞氘原子，激发氘原子产生连续的紫外光谱（185-400nm）。

灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源。

图1.11所示为氘灯的外彤和光谱能量分布图。

1.4激光器

激光是20世纪最主要的科学成就之一。

它自1960年诞生以来，在国民经济、国防、科学技术乃至人类生活的各个领域获得了重要应用。

它的诞生是近代光学、光电子学乃至光子学诞生和发展的里程碑。

它标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。

大量事实表明，激光将对21世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响。

一、激光器的概述

激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成的，如图1.12所示。

常用的泵浦源有电泵浦和光泵浦两类。

泵浦源的能量使工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，构成粒子数的反转分布。

高能态粒子返回低能态产生辐射，会使别的受激原子感应出同频率、同相位、同方向的辐射。

辐射波在谐振腔中来回传播，模式被筛选，只有符合共振频率模式条件的光波被放大。

经过放大的光波通过半反镜输出，形成激光。

由以上激光形成的机理可以看到，激光的高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性是前述一般光源所望尘莫及的，它为光电子技术提供了极好的光源。

目前已研制成功的激光器多达数百种，输出波长范围从近紫外到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦量级。

按工作物质不同，激光器可分为气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。

气体激光器的工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电实现粒子数反转。

气体激光器种类很多，波长覆盖了从紫外到远红外整个光谱区，目前已向两端扩展到X射线波段和毫米波波段。

由于工作物质（气体）均匀性好，所以输出光束的质量相当高，其单色性和方向性均优于固体和半导体激光器，是很好的相干光源。

代表性的气体激光器有He-Ne激光器、Ar+激光器、CO2激光器等。

固体激光器的工作物质是掺杂的晶体或光学玻璃，用光泵浦，一般结构如图1.13所示。

固体工作物质被制成棒状，成为激光棒。

泵浦光源与激光棒平行放置，它们分别位于椭圆筒的两条焦线上。

椭圆筒聚光镜内表面镀铝，使泵浦光源发出的光会聚到激光棒上。

激光器能级由掺杂离子决定，由于掺杂离子的浓度比气体工作物质高4~5个数量级；

因而，用小尺寸固体激光器就可获得大能量激光输出。

激光器又分连续输出激光器和脉冲输出激光器。

随着Q开关、倍频、锁模等技术的发展，脉冲激光峰值可达1013W，脉宽压缩成皮秒（10-12s），甚至飞秒（10-15s）量级。

固体激光器的主要优点是能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。

有代表性的固体激光器有红宝石（Cr3+:

Al203）脉冲激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd3+:

YAG）激光器（连续或脉冲输出）、钕玻璃激光器等。

染料激光器的工作物质是有机染料溶液，用于光泵浦。

染料是有机化合物，激光能级由染料分子决定。

已发现的有实用价值的激光染料有上百种，激光波长覆盖紫外（321nm）到近红外（1.3μm）。

对一定的染料必须选择合适的溶剂。

溶剂对染料的溶解度高，激活粒子密度就大，输出激光能量就大。

溶剂的种类、浓度、温度、粘度等对染料分子的吸收和发射光谱、荧光寿命、量子效率等都有影响。

有多种激光染料是用乙醇作为溶剂的。

染料激光器的主要优点是：

输出激光波长可以在很宽范围内调谐；

有极好的光束质量；

激光谱线宽度很窄，可达10-50MHz线宽；

有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器；

可产生超短光脉冲（从皮秒量级到飞秒量级）；

激光能量转化效率高达50%．脉冲峰值功率达几百兆瓦。

半导体激光器的工作物质是半导体材料，发生粒子数反转的激活区在半导体材料中形成的PN结。

两个与结平面垂直的晶体解理面构成了谐振腔。

当PN结正向注入电流时，可激发激光，见图1.14。

半导体激光益体积小、重量轻、易调制、功耗低、波长覆盖面广（0.33~44μm）、能量转换效率高，且已有大功率、高集成度器件面市，并被广泛应用于光通信、光存储、光电检测、自动控制等方面，是最有前途的辐射源之一。

考虑到近年来激光器发展的趋势和在光电子技术中的应用，下面进一步介绍固体激光器和半导体激光器，重点在于新的发展和应用。

二、固体激光器及其应用

1．Nd3+:

YAG激光器

掺钕钇铝石榴石晶体激光器是市场上和使用中常见的固体激光器，其基质晶体

Y3Al5012的热物理性能优良，使YAG激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。

一般，这种激光器的输出波长为1064nm，又可在此基础上利用倍频技术使输出波长为532nm，且已经实现了千瓦级大功率输出，因此Nd3+：

YAG激光器被广泛应用于激光加工、激光医疗、科学研究中。

2．钕玻璃激光器

钕玻璃激光器是在光学玻璃中掺入适量的Nd203制成的。

激活离子是Nd3+，输出激光波长是1064nm。

由于光学玻璃制备工艺成熟，所以钕玻璃易获得良好的光学均匀性。

玻璃的形状和尺寸有较大的自由度，大的钕玻璃棒可长达1~2m，直径为3~10cm，也可做成厚为5cm，直径为90cm的盘片；

大的可用于制成特大功率激光器，小的可做成直径仅几微米的玻璃纤维，用于集成光路中的光放大或振荡。

3．Er3+:

YAG

掺铒的YAG激光器输出2.94_Lm波长的激光。

这个波长易被水吸收，因此这种激光器在激光医疗中很有意义，也可用作红外光源。

4．Ho3+：

YAG

掺钬的YAC激光器输出2.1μm波长的激光。

2.1μm处波长的光在大气中传输透过窗口，可用于空间光通信。

钬激光（H03+：

YAC）比钕激光（Nd3+：

YAC）更易被人体组织吸收，所以切割能力大为提高；

它还可以用石英光纤来传输，因而将代替钕激光而用于医学。

5．Nd3+：

YAP

掺钕铝酸钇激光器的工作物质是Nd3+：

YAlO3（英文代号是Nd3+：

YAP）。

基质晶体YAP与YAG都是Y2O3与Al2O3的二元复合晶体，只是Y2O3与Al2O3的摩尔比不相同：

YAP为1:

1，YAC为3:

5。

YAP晶体在物理、化学、机械等性能方面都可以与YAG媲美，且能掺入较高浓度的钕或其他稀土离子，储能较大，转换效率高，且为光学负双轴晶体，能获得线偏振光。

按激光棒轴与晶轴的取向不同有b轴棒和c轴棒之分。

b轴棒输出波长为1079nm的连续激光，c轴棒适于调Q脉冲激光，输出波长1064nm。

6．五磷酸钕激光器

简写为NPP激光器。

激光晶体的组分是Nd5P5014，激活离子是Nd3+，但Nd3+不是以掺杂方式加入，而是晶体化合物的成分之一。

因此，Nd3+密度很高，约为Nd3+：

YAC中Nd3+密度的30倍。

这种激光器的能量转换效率可达百分之几十，输出功率水平也很高，因此激光器可以做到很小，有袖珍激光器之称。

激光波长1064nm。

7．Ti3+:

Al2O3

掺钛蓝宝石晶体是在Al2O3晶体中掺入适量的三阶钛离子Ti3+，是目前最有应用价值的可调谐激光晶体。

它具有宽的调谐范围（700~1000nm，峰值波长800nm）。

宽波段连续可调谐晶体的特点是所掺激活杂质在基质晶体中具有特殊的能级结构，它能茌很宽的范围内产生受激辐射。

只要适当设计激光器的谐振腔，并在其中插入一个可调谐元件，比如光栅或分光棱镜，使它能在一定范围内调节谐振腔的谐振波长，就能获得可调谐激光输出。

最先实现可调谐的固体激光器是金绿宝石（又称紫翠宝石，化学组分是掺铬的铝酸铍：

Cr3+BeA1204），其可调谐范围是700~800nm。

调Q的紫翠宝石激光器，脉冲输出755nm激光，在激光医疗中很重要。

蓝宝石基质材料有非常高的热导率、优越的化学稳定性和机械稳定性。

掺钛蓝宝石激光器是目前近红外区性能最好的可调谐固体激光器，有高的能量转换效率，结构简单，性能稳定，寿命长。

在工业、医疗、科学研究中有多方面的用途。

特别是用钛蓝宝石激光器实现了5fs的超短光脉冲。

8．激光二极管泵浦的固体激光器

近年来，高功率、高效率、长寿命激光二极管的迅速发展使固体激光器有了新的、更有效的泵浦源。

采用激光二极管泵浦的主要优点是：

光谱匹配，激光二极管的窄光谱输出可与激光能级吻合，实现高效率的