光电技术第1章 (第2讲)
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《光电技术简明教程》PPT 第1章1-3节
被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，曝光区因本征而产生高密 度的空穴载流子，而遮蔽区电子载流子浓度较高，形成浓度差。
因载流子迁移率差别产生 受照面与遮光面之间的伏特现 象称为丹培效应。光生电压由 下式计算
UD
KT q
n n
p p
ln
1
n p n0 n0n p0 p
n0与p0为热载流子浓度；Δn0为光生载流子浓度；μn与μp为电子与 空穴迁移率。μn=1400cm2/(V·s)，μp=500 cm2/(V·s)，显然，μn>>μp。
D于n与Dp扩散系数。
nDn
可用来测量半导体样品的载流子平均寿命。
pDp
B 2 DI
/
IS 2
U2
5. 光子牵引效应 当动量较强的光作用于半导体的自由载流子（电子）时，
使电子顺着光传播方向做相对于晶格的运动。结果，在开路情 况下，半导体产生电场。该现象被称为光子牵引效应。
P型锗的光子牵引探测器光电灵敏度为
Ge Gt Ne, rt
导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为
R K f (n ni )(p pi )
Kf为复合几率，Δn为光生电子浓度，Δp为光生空穴浓度，ni与 pi分别为热激发电子与空穴的浓度。
同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度 pi的乘积成正比。即
rt K f ni pi
（1）在微弱辐射作用下，Δn＜＜ni，Δp ＜＜pi，并考虑到本征 吸收的特点，Δn=Δp，上式可简化为
dn dt
Ne,
Kf
n(ni
pi )
利用初始条件t = 0时，Δn = 0，解微分方程得
n
Ne,
(1
e
因载流子迁移率差别产生 受照面与遮光面之间的伏特现 象称为丹培效应。光生电压由 下式计算
UD
KT q
n n
p p
ln
1
n p n0 n0n p0 p
n0与p0为热载流子浓度；Δn0为光生载流子浓度；μn与μp为电子与 空穴迁移率。μn=1400cm2/(V·s)，μp=500 cm2/(V·s)，显然，μn>>μp。
D于n与Dp扩散系数。
nDn
可用来测量半导体样品的载流子平均寿命。
pDp
B 2 DI
/
IS 2
U2
5. 光子牵引效应 当动量较强的光作用于半导体的自由载流子（电子）时，
使电子顺着光传播方向做相对于晶格的运动。结果，在开路情 况下，半导体产生电场。该现象被称为光子牵引效应。
P型锗的光子牵引探测器光电灵敏度为
Ge Gt Ne, rt
导带中的电子与价带中的空穴的总复合率R应为
R K f (n ni )(p pi )
Kf为复合几率，Δn为光生电子浓度，Δp为光生空穴浓度，ni与 pi分别为热激发电子与空穴的浓度。
同样，热电子复合率与导带内热电子浓度ni及价带内空穴浓度 pi的乘积成正比。即
rt K f ni pi
（1）在微弱辐射作用下，Δn＜＜ni，Δp ＜＜pi，并考虑到本征 吸收的特点，Δn=Δp，上式可简化为
dn dt
Ne,
Kf
n(ni
pi )
利用初始条件t = 0时，Δn = 0，解微分方程得
n
Ne,
(1
e
光电技术 第1章 (第1讲)
对点光源在给定方向的立体角元d 对点光源在给定方向的立体角元 内发射的辐通 与该方向立体角元d 量dΦe，与该方向立体角元 之比定义为点光源在该 方向的辐(射 强度 强度I 方向的辐 射)强度 e，即
dΦe Ie = d
(1-10)
强度的计量单位为瓦(特 每球面度 辐(射)强度的计量单位为瓦 特)每球面度 [W/sr]。 射 强度的计量单位为瓦 。 点光源在有限立体角 内发射的辐通量为
式中h为普朗克常数 式中 为普朗克常数(6.626×10-34J·s);ν为光的振动频 为普朗克常数 × 为光的振动频 为光在真空中的传播速度(3× 率(s-1)；c为光在真空中的传播速度 ×108m·s-1)。 ； 为光在真空中的传播速度 。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
15
dI v d 2Φ v Lv = = dA cos θ d dA cos θ
的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。 Lv的计量单位是坎德拉每平方米 。
(1-16)
若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式 与光源发射辐射的方向无关， (1-15)、(1-16)表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗 、 表示， 表示 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体， 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光 源的亮度多少与方向有关。 源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
16
余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射 余弦辐射体表面某面元 处向半球面空间发射 的通量为
dΦ = ∫∫ L cos θdAd
式中， 式中， d = sin θdθdϕ 。 对上式在半球面空间内积分的结果为
dΦe Ie = d
(1-10)
强度的计量单位为瓦(特 每球面度 辐(射)强度的计量单位为瓦 特)每球面度 [W/sr]。 射 强度的计量单位为瓦 。 点光源在有限立体角 内发射的辐通量为
式中h为普朗克常数 式中 为普朗克常数(6.626×10-34J·s);ν为光的振动频 为普朗克常数 × 为光的振动频 为光在真空中的传播速度(3× 率(s-1)；c为光在真空中的传播速度 ×108m·s-1)。 ； 为光在真空中的传播速度 。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
15
dI v d 2Φ v Lv = = dA cos θ d dA cos θ
的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。 Lv的计量单位是坎德拉每平方米 。
(1-16)
若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式 与光源发射辐射的方向无关， (1-15)、(1-16)表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗 、 表示， 表示 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体， 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光 源的亮度多少与方向有关。 源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
16
余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射 余弦辐射体表面某面元 处向半球面空间发射 的通量为
dΦ = ∫∫ L cos θdAd
式中， 式中， d = sin θdθdϕ 。 对上式在半球面空间内积分的结果为
光电技术01绪论PPT
10
1970年．半导体 激光器在室温环境 下的连续激射获得 成功。
正在这时候，低损 耗的光导纤维的试 制又获得了成功， 光纤通信成为现实。
在通信史上，跳过了为增大信息传 输量而开发的毫米波通信阶段，直 接由微波通信转移到光纤通信。
11
光纤通信 技术的开 发促进了
作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的发展
而60年代，红宝石激光器的 问世，又促使了光子学的诞生。 从60年代到90年代，激光器 从谐振腔体型向着固体半导体 激光器过渡，
随之实现了光子器件的集成 化，不仅促使了光子学的大发 展，非线性光学、纤维光学、 集成光学、激光光谱学、量子 光学与全息光学也形成了现代 光子学的学科群体，目前它们 正在蓬勃发展之中。
爱迪生名下拥有1093项专利，包 括美国、英国、法国和德国等2。
发明了真空二级管整流器
(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945)
这一生长点上的第一只蓓芽就 是弗莱明发明的整流器。他把 爱迪生及马可尼两位大师的发 明成果结合起来，着手研究真 空电流的效应。1904年，他发 明了真空二级管整流器。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
电能作为能源具有瞬时移动 性和可控制性
广泛用于照明、动 力等方面
7
电子电路不能在同一点重叠相交， 这种空间的不共容性限制了密集 度的提高；集成电路的平面结构 只适用于串列处理，要在信息存 贮和数据处理上有突破性进展， 要使信息贮存密集度再提高4个 数量级，实现非定址的联想记忆 (associative momery)，以发展 人工智能，必须发展三维并列处 理机构。
1970年．半导体 激光器在室温环境 下的连续激射获得 成功。
正在这时候，低损 耗的光导纤维的试 制又获得了成功， 光纤通信成为现实。
在通信史上，跳过了为增大信息传 输量而开发的毫米波通信阶段，直 接由微波通信转移到光纤通信。
11
光纤通信 技术的开 发促进了
作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的发展
而60年代，红宝石激光器的 问世，又促使了光子学的诞生。 从60年代到90年代，激光器 从谐振腔体型向着固体半导体 激光器过渡，
随之实现了光子器件的集成 化，不仅促使了光子学的大发 展，非线性光学、纤维光学、 集成光学、激光光谱学、量子 光学与全息光学也形成了现代 光子学的学科群体，目前它们 正在蓬勃发展之中。
爱迪生名下拥有1093项专利，包 括美国、英国、法国和德国等2。
发明了真空二级管整流器
(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945)
这一生长点上的第一只蓓芽就 是弗莱明发明的整流器。他把 爱迪生及马可尼两位大师的发 明成果结合起来，着手研究真 空电流的效应。1904年，他发 明了真空二级管整流器。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
电能作为能源具有瞬时移动 性和可控制性
广泛用于照明、动 力等方面
7
电子电路不能在同一点重叠相交， 这种空间的不共容性限制了密集 度的提高；集成电路的平面结构 只适用于串列处理，要在信息存 贮和数据处理上有突破性进展， 要使信息贮存密集度再提高4个 数量级，实现非定址的联想记忆 (associative momery)，以发展 人工智能，必须发展三维并列处 理机构。
光电技术绪论
光发射机
光接收机
被动式光电系统基本模型
目 标 热 辐 射
光 → 学 信 道
接 光 受 检 电 → 透→ 探 → 测 镜 电 测 路 系 器 统
光发射机
光接收机
《光电技术》课程内容 光电技术》
第一章 光辐射与发光器件 第二章 光电探测器概述 第三章 光电探测器件 第四章 热电探测器件 第五章 光电成象器件 第六章 光调制器件 第七章 直接探测系统 外差(相干 相干)探测系统 第八章 外差 相干 探测系统 第九章 光电检测电路的设计 第十章 光电系统的应用 第十一章 太赫兹技术
光电技术
• 20 世纪60 年代初出现的激光和激光技术 激光和激光技术， 激光和激光技术 以其强大的生命力推动了光电子技术及其 相关产业的发展。光电子技术所涵盖的激 激 光技术、光导波技术、光检测技术、 光技术、光导波技术、光检测技术、光计 算和信息处理技术、光存储技术、 算和信息处理技术、光存储技术、光显示 技术、激光加工与激光生物技术等已经在 技术、激光加工与激光生物技术 经济中发展形成了光电子信息产业，它将 继微电子技术之后，再次推动科学技术的 革命与人类社会的进步。
光电子产业发展趋势
• 近十年来，国内光电子产业处在迅猛发 展状态。2006 年，全国光电子产值超过 了1100 亿元人民币，每年以20%左右的 速度增长。目前，我国光电子产业约占 全球市场的5%，估计到2010年，我国将 有450多亿美元的产值，占世界市场10% 左右的份额。
光电系统
所谓光电系统, 所谓光电系统 就是以光波作为信息和能量的载体而实 现传感、 传输、 探测等功能的测量系统。 现传感、 传输、 探测等功能的测量系统。 光波作为能量载体可提供： 光波作为能量载体可提供： 极高功率密度与能量密度的光能( 极高功率密度与能量密度的光能 1015w/cm2) 极短的光脉冲( 极短的光脉冲 0.2fs) 极精细的光束等( 极精细的光束等 0.13µm) 极高的单色性( ８ 极高的单色性 10-８nm) 创造出极端的物理条件： 创造出极端的物理条件： 极高和极低的温度( 极高和极低的温度 20nK) 极高的压强( × 极高的压强 3.3×1011Pa) 极精密的刻划( 极精密的刻划 0.1µm) 极精细的加工( 极精细的加工 0.1µm)
光电技术教学大纲
光电技术教学大纲一、课程简介本课程旨在引导学生深入了解光和电的相互作用原理，掌握光电技术的基本原理和应用，培养学生的创新思维和实践能力。
二、教学目标1.理解光电效应及其应用；2.掌握光电检测与测量技术；3.学会运用光电技术解决工程实际问题；4.具备对光电故障进行诊断和维修的能力；5.培养创新思维和实践能力。
三、教学内容第一讲：光电效应及其应用1.光电效应的基本原理；2.光电效应在太阳能应用中的作用；3.光电效应在光电检测中的应用；4.光电效应在数字存储领域的应用。
第二讲：光电检测与测量技术1.光电传感器的种类和原理；2.光电传感器的检测与测量方法；3.光电解调技术；4.光纤传感技术。
第三讲：光电技术在工程实践中的应用1.光电技术在制造业中的应用；2.光电技术在医疗卫生领域中的应用；3.光电技术在交通运输中的应用；4.光电技术在军事领域中的应用。
第四讲：光电故障诊断与维修1.光电故障的分类和特点；2.光电故障的诊断和排除方法；3.光电故障的维修技术。
第五讲：光电技术的创新与实践1.光电技术的前沿发展；2.光电技术的实践应用；3.光电技术的创新思维；4.光电技术的创新应用实践。
四、教学方法1.理论讲授；2.实验学习；3.课程设计；4.职业技能培训。
五、考核要求1.日常考核：50分；2.实验考核：20分；3.课程设计：20分；4.考试：10分。
六、参考教材1.《光电技术基础》；2.《现代光电技术》；3.《光电测量技术》；4.《DigiTech-光电技术实践教程》。
七、教学资料1.课件资料；2.相关实验文档；3.操作手册及实验器材清单；4.自主学习资料。
八、教学进度本课程共分为五次教学，每次教学分别对应一讲内容，具体安排如下：1.第一讲：光电效应及其应用；2.第二讲：光电检测与测量技术；3.第三讲：光电技术在工程实践中的应用；4.第四讲：光电故障诊断与维修；5.第五讲：光电技术的创新与实践。
九、教学评价本课程采用科学、客观的测评方法进行应用，重视对学生的日常表现和课程实践能力的考查。
第2讲光电效应氢原子光谱
第2讲 光电效应 氢原子光谱知识一 光电效应现象1．光电效应的实验规律(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应．(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，其随入射光频率的增大而增大． (3)光电流强度(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比． (4)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.2．光子说爱因斯坦提出：空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比，即：ε＝h ν，其中h ＝6.63×10－34J ·s.3．光电效应方程(1)表达式：h ν＝E k ＋W 0或E k ＝h ν－W 0.(2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是h ν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能E k ＝12mv 2.(3)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应，低于这个极限频率则不能发生光电效应．知识二 α粒子散射实验与核式结构模型1．卢瑟福的α粒子散射实验装置(如图13－2－1所示)图13－2－12．α粒子散射实验的现象绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被撞了回来．如图13－2－2所示．α粒子散射实验的分析图图13－2－23．卢瑟福的原子核式结构模型在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外绕核旋转．知识三氢原子光谱和玻尔理论1．光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．(2)光谱分类有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱．有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱．(3)氢原子光谱的实验规律巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R(122－1n2)(n＝3,4,5，…)，R是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1，n为量子数．2．玻尔理论(1)轨道：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的轨道是不连续的．(2)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．(3)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E m－E n.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)(1)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线数为N＝C2n＝n n－12，一个氢原子跃迁发出可能的光谱线数最多为(n－1)．(2)由能级图可知，由于电子的轨道半径不同，氢原子的能级不连续，这种现象叫能量量子化.考点一对光电效应规律的理解一、光电效应的实质光子照射到金属表面，某个电子吸收光子的能量使其动能变大，当电子的动能增大到足以克服原子核的引力时，便飞出金属表面成为光电子．二、极限频率的实质光子的能量和频率有关，而金属中电子克服原子核引力需要的能量是一定的，光子的能量必须大于金属的逸出功才能发生光电效应．这个能量的最小值等于这种金属对应的逸出功，所以每种金属都有一定的极限频率．三、对光电效应瞬时性的理解光照射到金属上时，电子吸收光子的能量不需要积累，吸收的能量立即转化为电子的能量，因此电子对光子的吸收十分迅速．四、图13－2－3光电效应方程电子吸收光子能量后从金属表面逸出，其中只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能，根据能量守恒定律，E k＝hν－W0.如图13－2－3所示．五、用光电管研究光电效应1．常见电路(如图13－2－4所示)图13－2－42．两条线索(1)通过频率分析：光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大． (2)通过光的强度分析：入射光强度大→光子数目多→产生的光电子多→光电流大． 3．常见概念辨析⎩⎪⎨⎪⎧照射光⎩⎪⎨⎪⎧ 强度——决定着每秒钟光源发射的光子数频率——决定着每个光子的能量ε＝h ν光电子⎩⎪⎨⎪⎧每秒钟逸出的光电子数——决定着光电流的强度光电子逸出后的最大初动能12mv2m——————[1个示范例]——————(2013·浙江高考)小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图13－2－5甲所示．已知普朗克常量h ＝6.63×10－34J ·s.图13－2－5(1)图甲中电极A 为光电管的________(填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压U C 与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc ＝________Hz ，逸出功W 0＝________J ；(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz ，则产生的光电子的最大初动能E k ＝________J.【解析】 (1)在光电效应中，电子向A 极运动，故电极A 为光电管的阳极． (2)由题图可知，铷的截止频率νc为 5.15×1014 Hz ，逸出功W 0＝h νc ＝6.63×10－34×5.15×1014 J ≈3.41×10－19J.(3)当入射光的频率为ν＝7.00×1014Hz 时，由E k ＝h ν－h νc 得，光电子的最大初动能为E k ＝6.63×10－34×(7.00－5.15)×1014 J ≈1.23×10－19J.【答案】 (1)阳极 (2)5.15×1014 3.41×10－19(3)1.23×10－19——————[1个预测例]——————A 、B 两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为E A 、E B .求A 、B 两种光子的动量之比和该金属的逸出功．【解析】 光子能量ε＝h ν，动量p ＝h λ，且ν＝cλ得p ＝εc，则p A ∶p B ＝2∶1A 照射时，光电子的最大初动能E A ＝εA －W 0.同理，EB ＝εB －W 0 解得W 0＝E A －2E B .【答案】 2∶1 W 0＝E A －2E B考点二 氢原子能级和能级跃迁一、氢原子的能级图 能级图如图13－2－6所示．图13－2－6二、能级图中相关量意义的说明1．一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为N ＝C 2n ＝nn －12. 2．一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n －1)．——————[1个示范例]——————(2012·四川高考)如图13－2－7所示为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子()图13－2－7A ．从n ＝4能级跃迁到n ＝3能级比从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级辐射出电磁波的波长长B ．从n ＝5能级跃迁到n ＝1能级比从n ＝5能级跃迁到n ＝4能级辐射出电磁波的速度大C ．处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的D ．从高能级向低能级跃迁时，氢原子核一定向外放出能量【解析】 因为E 4－E 3＝0.66 eV ＜E 3－E 2＝1.89 eV ，根据c ＝λν和h ν＝E n －E m 得从n ＝4能级跃迁到n ＝3能级比从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级辐射出电磁波的波长长，选项A 正确；电磁波在真空中的传播速度都相等，与光子的频率无关，选项B 错误；氢原子的核外电子处于不同能级时在各处出现的概率是不同的，能级越低，在靠近原子核较近的地方出现的概率越大，选项C 错误；氢原子从高能级跃迁到低能级时，是氢原子核外的电子从高能级跃迁到了低能级向外放出能量，选项D 错误．【答案】 A——————[1个预测例]——————氢原子部分能级的示意图如图13－2－8所示．不同色光的光子能量如下表所示．图13－2－8处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条，其颜色分别为( ) A ．红、蓝－靛B ．黄、绿C．红、紫D．蓝－靛、紫【解析】原子发光时放出的光子的能量等于原子能级差，先分别计算各相邻的能级差，再由小到大排序．结合可见光的光子能量表可知，有两个能量分别为1.89 eV和2.55 eV的光子属于可见光，分别属于红光和蓝－靛光的范围，故答案为A.【答案】 A1．(多选)(2011·广东高考)光电效应实验中，下列表述正确的是()A．光照时间越长光电流越大B．入射光足够强就可以有光电流C．遏止电压与入射光的频率有关D．入射光频率大于极限频率才能产生光电子【解析】在光电效应中，若照射光的频率小于极限频率，无论光照时间多长，光照强度多大，都无光电流，当照射光的频率大于极限频率时，立刻有光电子产生，故A、B错误，D正确．由－eU＝0－E k，E k＝hν－W，可知U＝(hν－W)/e，即遏止电压与入射光频率ν有关，C正确．【答案】CD2．卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔实验，获得了重要发现，关于α粒子散射实验的结果，下列说法正确的是()A．证明了质子的存在B．证明了原子核是由质子和中子组成的C．证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里D．说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动【解析】α粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核．数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子，所以C对，A、B错；玻尔发现了电子轨道量子化，D错．【答案】 C图13－2－93．(多选)如图13－2－9所示给出了氢原子的6种可能的跃迁，则它们发出的光() A．a的波长最长B．d的波长最长C．f的光子比d的光子能量大D．a的频率最小【解析】由玻尔理论知，原子跃迁时，h cλ＝ΔE，从能级图知ΔE a最小，a的波长最长，频率最小，则B错误，A、D正确；hνd＝ΔE d＝(132－122)E1＝－536E1，hνf＝ΔE f＝(122－112)E1＝－34E1，因此，f的光子的能量比d的光子的能量大，C正确．【答案】ACD4．(2012·北京高考)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子()A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量减少C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量减少【解析】氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项B正确，选项A、C、D错误．【答案】 B5．(2011·福建高考)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖．某种金属逸出光电子的最大初动能E km与入射光频率ν的关系如图13－2－10所示，其中ν0为极限频率．从图中可以确定的是()图13－2－10A．逸出功与ν有关B．E km与入射光强度成正比C．当ν<ν0时，会逸出光电子D．图中直线的斜率与普朗克常量有关【解析】由光电效应方程E km＝hν－W、W＝hν0，与y＝kx＋b相对应可知只有D 项正确．【答案】 D6．(2011·四川高考)氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n 跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则()A．吸收光子的能量为hν1＋hν2B．辐射光子的能量为hν1＋hν2C．吸收光子的能量为hν2－hν1D．辐射光子的能量为hν2－hν1【解析】由题意可知：E m－E n＝hν1，E k－E n＝hν2.因为紫光的频率大于红光的频率，所以ν2>ν1，即k能级的能量大于m能级的能量，氢原子从能级k跃迁到能级m时向外辐射能量，其值为E k－E m＝hν2－hν1，故只有D项正确．【答案】 D7．(2013·福建高考)在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是________．(填选图下方的字母)【解析】理解α粒子散射实验现象，关键是弄清α粒子遇到金原子核时受到强大的斥力作用，才能发生大角度散射，选项C正确．【答案】 C8．(2013·江苏高考)根据玻尔原子结构理论，氦离子(He＋)的能级图如图13－2－11所示．电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离________(选填“近”或“远”)．当大量He＋处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有________条．图13－2－11【解析】根据玻尔理论r n＝n2r1可知电子处在n＝3的轨道上比处在n＝5的轨道上离氦核的距离近．大量He＋处在n＝4的激发态时，发射的谱线有6条．【答案】近 69．(2011·新课标全国高考)在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为________．若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为________．已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h.【解析】 设金属的截止频率为ν0，则该金属的逸出功W 0＝h ν0＝h cλ0；对光电子，由动能定理得eU 0＝h cλ－W 0，解得U 0＝hc λ0－λe λλ0.【答案】hc λ0 hc λ0－λe λλ010．(2012·山东高考)氢原子第n 能级的能量为E n ＝E 1n 2，其中E 1为基态能量．当氢原子由第4能级跃迁到第2能级时，发出光子的频率为ν1；若氢原子由第2能级跃迁到基态，发出光子的频率为ν2，则ν1ν2＝________.【解析】 根据氢原子的能级公式，h ν1＝E 4－E 2＝E 142－E 122＝－316E 1h ν2＝E 2－E 1＝E 122－E 112＝－34E 1所以ν1ν2＝31634＝14.【答案】 14。
传感器-(光电式)讲课文档
第三十八页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
莫尔条纹
第三十九页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂 直。 （2）莫尔条纹有位移的放大作用。
第四十页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
第四十一页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电 器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的 距离，也就测得了被测物体的位移量。
第四十五页，共91页。
第11、2章什么是光光电纤式传感传器感？器其在11检测液位、温度方面
怎么应用？
第四十六页，共91页。
第2章 光电式传感器 11
光纤传感器
光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也 称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量 可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化， 从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成 简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四 个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。
第八页，共91页。
图8-4
第2章 光电式传感器 4
4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？
将光敏二极管的
PN 结设置在透明管壳 顶部的正下方，光照 射到光敏二极管的PN 结时，电子-空穴对数 量增加，光电流与照 度成正比。
第九页，共91页。
第2章 光电式传感器 4
光敏二极管 w光敏二极管在电路中的符号如图8-5所示。光敏二极 管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的 照射。使用时要反向接入电路中，即正极接电源负 极，负极接电源正极。即光敏二极管在电路中处于 反向偏置状态。无光照时，与普通二极管一样，反 向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流， 称暗电流。
第2章 光电式传感器 10
莫尔条纹
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第2章 光电式传感器 10
（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂 直。 （2）莫尔条纹有位移的放大作用。
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第2章 光电式传感器 10
第四十一页，共91页。
第2章 光电式传感器 10
光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电 器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的 距离，也就测得了被测物体的位移量。
第四十五页，共91页。
第11、2章什么是光光电纤式传感传器感？器其在11检测液位、温度方面
怎么应用？
第四十六页，共91页。
第2章 光电式传感器 11
光纤传感器
光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也 称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量 可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化， 从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成 简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四 个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。
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图8-4
第2章 光电式传感器 4
4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？
将光敏二极管的
PN 结设置在透明管壳 顶部的正下方，光照 射到光敏二极管的PN 结时，电子-空穴对数 量增加，光电流与照 度成正比。
第九页，共91页。
第2章 光电式传感器 4
光敏二极管 w光敏二极管在电路中的符号如图8-5所示。光敏二极 管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的 照射。使用时要反向接入电路中，即正极接电源负 极，负极接电源正极。即光敏二极管在电路中处于 反向偏置状态。无光照时，与普通二极管一样，反 向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流， 称暗电流。
光电技术第一章优秀课件
I hq(1ed)Φe,
3. 丹培(Dember)效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另 一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况 下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载 流子浓度很低，形成浓度差。
这种由于载流子迁移率 的差别产生受照面与遮 光面之间的伏特现象称 为丹培效应。
1
dg12qhK bfdl32e,12de,
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
2. 光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上 产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子 在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光 生电流的现象。
表明，具有能量的光子被电子吸收 后，只要光子的能量大于光电发射 材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上 的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示， 导带与价带连在一起，因此，它的光电发射阈值Eth等于 真空能级与费米能级之差
结果在垂直于光照方向与磁 场方向的半导体上下表面上 产生伏特电压，称为光磁电 场。这种现象称为半导体的 光磁电效应。
光磁电场为
EZqB(nD 0 nnpp )0 (pp0pd)
式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在光 辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度； D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
U DK q T n n p p l n 1n 0n n p p0 n p 0
3. 丹培(Dember)效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另 一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况 下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载 流子浓度很低，形成浓度差。
这种由于载流子迁移率 的差别产生受照面与遮 光面之间的伏特现象称 为丹培效应。
1
dg12qhK bfdl32e,12de,
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
2. 光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上 产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子 在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光 生电流的现象。
表明，具有能量的光子被电子吸收 后，只要光子的能量大于光电发射 材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上 的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示， 导带与价带连在一起，因此，它的光电发射阈值Eth等于 真空能级与费米能级之差
结果在垂直于光照方向与磁 场方向的半导体上下表面上 产生伏特电压，称为光磁电 场。这种现象称为半导体的 光磁电效应。
光磁电场为
EZqB(nD 0 nnpp )0 (pp0pd)
式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在光 辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度； D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
U DK q T n n p p l n 1n 0n n p p0 n p 0
光电技术第1章 (第2讲)
(1-33)
式中， 光谱光出射度M 式中，Xv,λ代表光谱光通量Φv,λ、光谱光出射度 v,λ、 光谱发光强度I 和光谱光照度E 光谱发光强度 v,λ和光谱光照度 v,λ等。
5
2. 量子流速率
光源在给定波长λ处 光源在给定波长 处，由λ~ λ+dλ范围内发射的辐射通 范围内发射的辐射通 除以该波长λ的光子能量 的光子能量hv 量dΦe除以该波长 的光子能量 ，得到光源在该波长 λ处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率 e,λ， 处每秒钟发射的光子数， 处每秒钟发射的光子数 称为光谱量子流速率dN 即
19
2. 辐射体的温度表示
对具有一定亮度和颜色的热辐射体， 对具有一定亮度和颜色的热辐射体，根据黑体辐 射定律, 可用以下三种温度进行标测。 射定律 可用以下三种温度进行标测。 (1) 辐射温度Te 辐射温度T 当热辐射体发射的总辐通量与黑体的总辐通量相 等时, 以黑体的温度标度该热辐射体的温度, 等时 以黑体的温度标度该热辐射体的温度 这种温 度称为辐射温度T 度称为辐射温度 e。
1.3.1 黑体辐射定律
1. 黑体
能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射， 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射， 并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能 的物体称为黑体。黑体的吸收系数为 ，发射系数也为1。 的物体称为黑体。黑体的吸收系数为1，发射系数也为 。
8
2. 普朗克辐射定律 黑体为理想的余弦辐射体， 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐出度 Me,s,λ(角标“s”表示黑体 由普朗克公式表示为 角标“ 表示黑体 普朗克公式表示为 表示黑体)由 角标
式中,σ是斯特藩 波尔兹曼常数 式中 是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定 是斯特藩 波尔兹曼常数，
光电技术第1讲-光电技术基础
dφv = IvdΩ
(2-4)
• 即光通量是发光强度为Iv的光源在单位立体角内的辐射通量。若光源 在所有方向上的发光强度都相同，则光源在立体角Ω内的辐射光通量 Φv=IvΩ，那么在所有方向发射的光通量
Φv = 4 Iv π
• 光强度 (Iv) • 光强度定义为:点辐射源在给定方向上的单位立体角内辐 射的光通量，如图2-2所示。发光强度:
可见光波长表
光度学是研究光度测量的一门科学，而光度学 量是电磁辐射能引起人眼刺激大小的度量，它 在物理量上与电磁辐射的辐射度量是类似的。 对其它波段的辐射测量称为辐射度测量。 •在光电系统中能产生光辐射的系统称为光源， 它的质量好坏对光电系统测量精度有很大影响。
• 光度学的基本物理量 • 光具有波动性现象，光的粒子性可以圆满的解 释物质相互作用的光电效应。按照光的粒子性，认为光由 光子组成，每个光子的能量为:
dN e ,λ = dΦ e Φ e , λ dλ = hv hv
光源在波长0-∞范围内发射的总量 子流速率为：
Ne = ∫
∞
Φ e ,λ dλ hv
0
=
Φ e ,λmax hc
∫
∞
0
Φ e , λr λ d λ
光源在可见光区每秒发射的总量 子数为：
Nv = ∫
0.78
Φ e ,λ λdλ hc
0.38
黑体辐射定律
• 黑体 能够完全吸收从任何角 度入射的任意波长的 辐射，且在任一方向 上都能最大限度地发 射任意波长辐射的物 体，称为黑体。 黑体的发射和吸收系数 均为1.
黑体模型： 黑体是一个理想的温度辐射体，常用作辐射 计量基准。在有限的温度范围内可以制造出 黑体模型。 如：一个开小孔的密封空腔恒温辐射体，空 腔的内壁涂有黑色物质，使其反射系数极小， 小孔的孔径远小于腔体的直径，并将空腔辐 射体置于恒温槽内，使其在工作中保持腔体 的温度不变，该空腔体可近似为黑体。当从 任意方向入射的辐射进入小孔时，在空腔内 都要经过多次反射才能从小孔射出。然而， 空腔内的黑色物质的反射系数极小，经过多 次反射后，反射出去的辐射能已经极低，绝 大部分入射进来的辐射能都被空腔体吸收， 因面是空腔的吸心系数很高，接近1.被空腔 体吸收的能量都转变为热能，引起腔体的温 升。腔体位于恒温槽内，所吸收的辐射只能 以温度辐射的方式通过小孔向外发出任何波 长的辐射（连续波谱）。
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2898 2896 λm = = = 1.015(µm ) T 2856
峰值光谱辐射出射度为
M e ,s ,λ m = 1.309T 5 × 10 −15 = 1.309 × 2856 5 × 10 −15
总辐射出射度为 M e ,s , = σ × 28564 = 5.67 × 10 −8 × 28564 = 3.77 × 106 W / m 2
18
= 248.7Wcm −2µm −1
1.3.2 辐射体的分类及其温度表示
1. 辐射体的分类
黑体 非黑体
{
灰体 选择性辐射体
物体全部辐射量 M (λ , T ) 发射率： 发射率： ε = = 同一温度下黑体的全部辐射量 Ms(λ , T )
ε黑 = 1
ε 选择性辐射体 (λ ) p 1
ε 灰 = 常数 p 1
9
M e ,s , λ =
黑体光谱辐亮度L 黑体光谱辐亮度 e,s,λ
2 πc 2 h
λ (e
5
hc λkT
− 1)
Le,s,λ =
光谱辐强度Ie,s,λ 光谱辐强度
2c h
2
λ (e
5
hc λ kT
− 1)
(1-41)
I e,s,λ =
2c hA cos θ
2
λ (e
5
hc λkT
− 1)
10
图1-2 绘出了黑体辐 射的相对光谱辐亮度 Le,s,λr与波长的等温 关系曲线。 关系曲线。图中每一 条曲线都有一个最大 值，最大值的位置随 温度升高向短波方向 移动。 移动。
2898 λm = µm T
(1-43)
可见， 可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的 乘积是常数。当温度升高时， 乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对 应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。 应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。 维恩位移定律
14
将式(1-43)代入式 代入式(1-40)，得到黑体的峰值光谱 将式 代入式 ，得到黑体的峰值光谱 辐出度
式中,σ是斯特藩 波尔兹曼常数 式中 是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定 是斯特藩 波尔兹曼常数，
2π k −8 −2 −4 = 5.67 × 10 Wm K σ= 3 2 15h c
5 4
由式（ ），M 由式（1-42）， e,s与T的四次方成正比 ）， 的四次方成正比
13
4. 维恩位移定律
将普朗克公式（ 将普朗克公式（1-40）对波长 求微分后令其等 ）对波长λ求微分后令其等 于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长 m与 ，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长λ 绝对温度T的关系为 绝对温度 的关系为
1.3.1 黑体辐射定律
1. 黑体
能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射， 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射， 并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能 的物体称为黑体。黑体的吸收系数为 ，发射系数也为1。 的物体称为黑体。黑体的吸收系数为1，发射系数也为 。
8
2. 普朗克辐射定律 黑体为理想的余弦辐射体， 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐出度 Me,s,λ(角标“s”表示黑体 由普朗克公式表示为 角标“ 表示黑体 普朗克公式表示为 表示黑体)由 角标
11
Me,s,λ
M e ,s , λ =
2 πc h
2
λ (e
5
hc λkT
− 1)
12
3. 斯忒藩-波尔兹曼定律 斯忒藩将式（ 求积分， 将式（1-40）对波长 求积分，得到黑体发射的 ）对波长λ求积分 总辐射出射度
M e , s = ∫ M e , s , λ d λ = σT
0
∞
4
(1-42)
dN e , λ
dΦe Φe ,λ dλ = = hv hv
(1-38)
→∞范围内发射的总量子流速率 光源在波长λ为0→∞范围内发射的总量子流速率 →∞
Ne = ∫
∞
Φe ,λ dλ hv
0
=
Φe ,λ max hc
∫
∞
0
Φe ,λr λdλ
(1-39)
6
对可见光区域， 对可见光区域，光源每秒发射的总光子数
Nv = ∫
0.78
Φe ,λ hc
0.38
λ dλ
(1-40)
量子流速率N 量子流速率 e或Nv的计量单位为辐射元的光 子数每秒[1/s]。 子数每秒 。
7
1.3 物体热辐射
物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 物体通常以两种不同形式发射辐射能量。
第一种称为热辐射：物体靠加热保持一定温度使内能不变而 第一种称为热辐射： 持续辐射的辐射形式。 持续辐射的辐射形式。 第二种称为发光：物体不是靠加热保持温度是辐射进行下去， 第二种称为发光：物体不是靠加热保持温度是辐射进行下去， 而是靠外部能量激发的辐射。 而是靠外部能量激发的辐射。
M e ,s ,λ m = 1.309T × 10
5
−15
W·cm-2·µm-1·K-5
以上三个定律统称为黑体辐射定律。 以上三个定律统称为黑体辐射定律。
15
若可以将人体作为黑体， 例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为 36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射 ℃，（ ） 度为多少W/m2？（ ）正常人体的峰值辐射波长为 ？（2） 度为多少 多少µm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？（ ） 多少 ？峰值光谱辐射出射度 为多少？（3） ？（ 人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？ 人体发烧到 ℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的 峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？ 又为多少？ 峰值光谱辐射出射度 人体正常体温的绝对温度T=36.5+273=309.5K 解 (1)人体正常体温的绝对温度 人体正常体温的绝对温度 根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出 根据斯特藩 波尔兹曼辐射定律， 波尔兹曼辐射定律 的辐射出射度为
19
2. 辐射体的温度表示
对具有一定亮度和颜色的热辐射体， 对具有一定亮度和颜色的热辐射体，根据黑体辐 射定律, 可用以下三种温度进行标测。 射定律 可用以下三种温度进行标测。 (1) 辐射温度Te 辐射温度T 当热辐射体发射的总辐通量与黑体的总辐通量相 等时, 以黑体的温度标度该热辐射体的温度, 等时 以黑体的温度标度该热辐射体的温度 这种温 度称为辐射温度T 度称为辐射温度 e。
(1-33)
式中， 光谱光出射度M 式中，Xv,λ代表光谱光通量Φv,λ、光谱光出射度 v,λ、 光谱发光强度I 和光谱光照度E 光谱发光强度 v,λ和光谱光照度 v,λ等。
5
2. 量子流速率
光源在给定波长λ处 光源在给定波长 处，由λ~ λ+dλ范围内发射的辐射通 范围内发射的辐射通 除以该波长λ的光子能量 的光子能量hv 量dΦe除以该波长 的光子能量 ，得到光源在该波长 λ处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率 e,λ， 处每秒钟发射的光子数， 处每秒钟发射的光子数 称为光谱量子流速率dN 即
光 电 技 术
山东轻工业学院数理学院 2011年9月 年 月
1.2 光谱辐射分布与量子流速率
1. 光源的光谱辐射分布参量
光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量 简称为光谱辐射量， 的光谱密度X 的光谱密度 e,λ，简称为光谱辐射量，即
X e ,λ
dx e = dλ
(1-32)
式中，通用符号 是波长的函数，代表所有光谱辐射量， 式中，通用符号Xe,λ是波长的函数，代表所有光谱辐射量，如光谱辐射通量 光谱辐射出度M 光谱辐射强度I 光谱辐射亮度L Φe,λ、光谱辐射出度 e,λ、光谱辐射强度 e,λ、光谱辐射亮度 e,λ、光谱辐照度 Ee,λ等.
光源的辐射度参量X 随波长λ的分布曲线称为该光 光源的辐射度参量 e,λ随波长 的分布曲线称为该光 源的绝对光谱辐射分布曲线。 源的绝对光谱辐射分布曲线。
2
该曲线任一波长λ处的 除以峰值波长λ 该曲线任一波长 处的Xe,λ除以峰值波长 max处的光谱 处的 辐射量最大值X 的商X 辐射量最大值 e,λmax的商 e,λr，称为光源的相对光谱 辐射量， 辐射量，即
M e ,s , = σ × 309.5 = 520.3 W / m
4
2
16
(2) 由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 由维恩位移定律，
2898 λm = µm = 9.36µ. T
峰值光谱辐射出射度为
M e ,s ,λ m = 1.309T 5 × 10 −15 Wcm −2µm −1
= 3.72 × 10 -3 Wcm -2µm -1
M e ,s , λ = 2 πc 2 h
λ5 (e
hc λkT
− 1)
(1-40)
黑体表面想半球空间发射波长为λ的光谱，其辐出度 黑体表面想半球空间发射波长为 的光谱，其辐出度Me,s,λ是 的光谱 黑体温度T和波长的函数 这就是普朗克辐射定律。 和波长的函数， 黑体温度 和波长的函数，这就是普朗克辐射定律。
22
1. 人眼的视觉灵敏度
锥状细胞：光亮度大于10 锥状细胞：光亮度大于10-3cd/m2 0.38--0.78 0.38--0.78µm -λ敏=0.555 µm
明视觉
柱状细胞：光亮度小于 柱状细胞：光亮度小于10-3cd/m2 0.33--0.73µm λ敏=0.507 µm 敏 暗视觉
qe
∫λ Φ λ dλ = ∫ Φ λ dλ
e,
1
λ2
∞
(1-37)
0
e,
式中， 没有量纲。 式中，qe没有量纲。
4
同样， 同样，光源在可见光区单位波长范围内发射的光度 量称为光度量的光谱密集度Xv,λ ，简称为光谱光度量， 简称为光谱光度量， 量称为光度量的光谱密集度 即
峰值光谱辐射出射度为
M e ,s ,λ m = 1.309T 5 × 10 −15 = 1.309 × 2856 5 × 10 −15
总辐射出射度为 M e ,s , = σ × 28564 = 5.67 × 10 −8 × 28564 = 3.77 × 106 W / m 2
18
= 248.7Wcm −2µm −1
1.3.2 辐射体的分类及其温度表示
1. 辐射体的分类
黑体 非黑体
{
灰体 选择性辐射体
物体全部辐射量 M (λ , T ) 发射率： 发射率： ε = = 同一温度下黑体的全部辐射量 Ms(λ , T )
ε黑 = 1
ε 选择性辐射体 (λ ) p 1
ε 灰 = 常数 p 1
9
M e ,s , λ =
黑体光谱辐亮度L 黑体光谱辐亮度 e,s,λ
2 πc 2 h
λ (e
5
hc λkT
− 1)
Le,s,λ =
光谱辐强度Ie,s,λ 光谱辐强度
2c h
2
λ (e
5
hc λ kT
− 1)
(1-41)
I e,s,λ =
2c hA cos θ
2
λ (e
5
hc λkT
− 1)
10
图1-2 绘出了黑体辐 射的相对光谱辐亮度 Le,s,λr与波长的等温 关系曲线。 关系曲线。图中每一 条曲线都有一个最大 值，最大值的位置随 温度升高向短波方向 移动。 移动。
2898 λm = µm T
(1-43)
可见， 可见，峰值光谱辐出度对应的波长与绝对温度的 乘积是常数。当温度升高时， 乘积是常数。当温度升高时，峰值光谱辐射出射度对 应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。 应的波长向短波方向位移，这就是维恩位移定律。 维恩位移定律
14
将式(1-43)代入式 代入式(1-40)，得到黑体的峰值光谱 将式 代入式 ，得到黑体的峰值光谱 辐出度
式中,σ是斯特藩 波尔兹曼常数 式中 是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定 是斯特藩 波尔兹曼常数，
2π k −8 −2 −4 = 5.67 × 10 Wm K σ= 3 2 15h c
5 4
由式（ ），M 由式（1-42）， e,s与T的四次方成正比 ）， 的四次方成正比
13
4. 维恩位移定律
将普朗克公式（ 将普朗克公式（1-40）对波长 求微分后令其等 ）对波长λ求微分后令其等 于0，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长 m与 ，则可以得到峰值光谱辐出度所对应的波长λ 绝对温度T的关系为 绝对温度 的关系为
1.3.1 黑体辐射定律
1. 黑体
能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射， 能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射， 并且在每一个方向都能最大可能地发射任意波长辐射能 的物体称为黑体。黑体的吸收系数为 ，发射系数也为1。 的物体称为黑体。黑体的吸收系数为1，发射系数也为 。
8
2. 普朗克辐射定律 黑体为理想的余弦辐射体， 黑体为理想的余弦辐射体，其光谱辐出度 Me,s,λ(角标“s”表示黑体 由普朗克公式表示为 角标“ 表示黑体 普朗克公式表示为 表示黑体)由 角标
11
Me,s,λ
M e ,s , λ =
2 πc h
2
λ (e
5
hc λkT
− 1)
12
3. 斯忒藩-波尔兹曼定律 斯忒藩将式（ 求积分， 将式（1-40）对波长 求积分，得到黑体发射的 ）对波长λ求积分 总辐射出射度
M e , s = ∫ M e , s , λ d λ = σT
0
∞
4
(1-42)
dN e , λ
dΦe Φe ,λ dλ = = hv hv
(1-38)
→∞范围内发射的总量子流速率 光源在波长λ为0→∞范围内发射的总量子流速率 →∞
Ne = ∫
∞
Φe ,λ dλ hv
0
=
Φe ,λ max hc
∫
∞
0
Φe ,λr λdλ
(1-39)
6
对可见光区域， 对可见光区域，光源每秒发射的总光子数
Nv = ∫
0.78
Φe ,λ hc
0.38
λ dλ
(1-40)
量子流速率N 量子流速率 e或Nv的计量单位为辐射元的光 子数每秒[1/s]。 子数每秒 。
7
1.3 物体热辐射
物体通常以两种不同形式发射辐射能量。 物体通常以两种不同形式发射辐射能量。
第一种称为热辐射：物体靠加热保持一定温度使内能不变而 第一种称为热辐射： 持续辐射的辐射形式。 持续辐射的辐射形式。 第二种称为发光：物体不是靠加热保持温度是辐射进行下去， 第二种称为发光：物体不是靠加热保持温度是辐射进行下去， 而是靠外部能量激发的辐射。 而是靠外部能量激发的辐射。
M e ,s ,λ m = 1.309T × 10
5
−15
W·cm-2·µm-1·K-5
以上三个定律统称为黑体辐射定律。 以上三个定律统称为黑体辐射定律。
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若可以将人体作为黑体， 例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为 36.5℃，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射 ℃，（ ） 度为多少W/m2？（ ）正常人体的峰值辐射波长为 ？（2） 度为多少 多少µm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？（ ） 多少 ？峰值光谱辐射出射度 为多少？（3） ？（ 人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？ 人体发烧到 ℃时峰值辐射波长为多少？发烧时的 峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？ 又为多少？ 峰值光谱辐射出射度 人体正常体温的绝对温度T=36.5+273=309.5K 解 (1)人体正常体温的绝对温度 人体正常体温的绝对温度 根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出 根据斯特藩 波尔兹曼辐射定律， 波尔兹曼辐射定律 的辐射出射度为
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2. 辐射体的温度表示
对具有一定亮度和颜色的热辐射体， 对具有一定亮度和颜色的热辐射体，根据黑体辐 射定律, 可用以下三种温度进行标测。 射定律 可用以下三种温度进行标测。 (1) 辐射温度Te 辐射温度T 当热辐射体发射的总辐通量与黑体的总辐通量相 等时, 以黑体的温度标度该热辐射体的温度, 等时 以黑体的温度标度该热辐射体的温度 这种温 度称为辐射温度T 度称为辐射温度 e。
(1-33)
式中， 光谱光出射度M 式中，Xv,λ代表光谱光通量Φv,λ、光谱光出射度 v,λ、 光谱发光强度I 和光谱光照度E 光谱发光强度 v,λ和光谱光照度 v,λ等。
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2. 量子流速率
光源在给定波长λ处 光源在给定波长 处，由λ~ λ+dλ范围内发射的辐射通 范围内发射的辐射通 除以该波长λ的光子能量 的光子能量hv 量dΦe除以该波长 的光子能量 ，得到光源在该波长 λ处每秒钟发射的光子数，称为光谱量子流速率 e,λ， 处每秒钟发射的光子数， 处每秒钟发射的光子数 称为光谱量子流速率dN 即
光 电 技 术
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1.2 光谱辐射分布与量子流速率
1. 光源的光谱辐射分布参量
光源在单位波长范围内发射的辐射量称为辐射量 简称为光谱辐射量， 的光谱密度X 的光谱密度 e,λ，简称为光谱辐射量，即
X e ,λ
dx e = dλ
(1-32)
式中，通用符号 是波长的函数，代表所有光谱辐射量， 式中，通用符号Xe,λ是波长的函数，代表所有光谱辐射量，如光谱辐射通量 光谱辐射出度M 光谱辐射强度I 光谱辐射亮度L Φe,λ、光谱辐射出度 e,λ、光谱辐射强度 e,λ、光谱辐射亮度 e,λ、光谱辐照度 Ee,λ等.
光源的辐射度参量X 随波长λ的分布曲线称为该光 光源的辐射度参量 e,λ随波长 的分布曲线称为该光 源的绝对光谱辐射分布曲线。 源的绝对光谱辐射分布曲线。
2
该曲线任一波长λ处的 除以峰值波长λ 该曲线任一波长 处的Xe,λ除以峰值波长 max处的光谱 处的 辐射量最大值X 的商X 辐射量最大值 e,λmax的商 e,λr，称为光源的相对光谱 辐射量， 辐射量，即
M e ,s , = σ × 309.5 = 520.3 W / m
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(2) 由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 由维恩位移定律，
2898 λm = µm = 9.36µ. T
峰值光谱辐射出射度为
M e ,s ,λ m = 1.309T 5 × 10 −15 Wcm −2µm −1
= 3.72 × 10 -3 Wcm -2µm -1
M e ,s , λ = 2 πc 2 h
λ5 (e
hc λkT
− 1)
(1-40)
黑体表面想半球空间发射波长为λ的光谱，其辐出度 黑体表面想半球空间发射波长为 的光谱，其辐出度Me,s,λ是 的光谱 黑体温度T和波长的函数 这就是普朗克辐射定律。 和波长的函数， 黑体温度 和波长的函数，这就是普朗克辐射定律。
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1. 人眼的视觉灵敏度
锥状细胞：光亮度大于10 锥状细胞：光亮度大于10-3cd/m2 0.38--0.78 0.38--0.78µm -λ敏=0.555 µm
明视觉
柱状细胞：光亮度小于 柱状细胞：光亮度小于10-3cd/m2 0.33--0.73µm λ敏=0.507 µm 敏 暗视觉
qe
∫λ Φ λ dλ = ∫ Φ λ dλ
e,
1
λ2
∞
(1-37)
0
e,
式中， 没有量纲。 式中，qe没有量纲。
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同样， 同样，光源在可见光区单位波长范围内发射的光度 量称为光度量的光谱密集度Xv,λ ，简称为光谱光度量， 简称为光谱光度量， 量称为光度量的光谱密集度 即