光电检测技术讲义稿

Max Planck

In a radical departure from classical ideas, theoretical physicist Max Planck proposed that energy travels in discrete packets called quanta. Prior to Planck’s work with black body radiation, energy was thought to be continuous, but this theory left many phenomena unexplained. While working out the mathematics for the radiation phenomena he had observed, Planck realized that quantized energy could explain the behavior of light. His revolutionary work laid the foundation for much of modern physics
加热物体Æ 原子核的振动能增加Æ动能转化为电子 激发态Æ从高能态向低能态的跃迁Æ发光
thermal radiation：Electromagnetic radiation resulting from interactions between electrons and atoms or molecules in a hot dense medium.
第二章 光源
光源分类 热光源: 气体放电灯: 固体发光光源: 激光: 自然光源 阳光、火光 闪电 萤火虫 人造光源 白炽灯、红外灯 日光灯、闪光灯 发光二极管、荧 光屏 光驱、VCD、DVD、 激光教鞭
2．热光源thermal light source
定义：利用物体升温产生光辐射
热——温度——分子平均动能——主要是原子核的动能（振动） 热光源的物理过程：
入射
在平衡状态下，物体对任一波 长辐射的吸收必然等于该物体 对同一波长的辐射： M=αM黑体 因此有： M黑体= M1/α1=M2/α2 = M3/α3 结论：吸收多——发射多
出射
M黑体
白炽灯incandescent lamp

发明人：爱迪生Thomas EdisonThomas Edison developed this incandescent lamp, or lightbulb, in 1879 由普朗克公式知：温度越高，辐射总量中 可见成分越大。光源的目标——提高辐射 体的温度。
光源 光电探测器件 光电探测电路 光电探测光路 典型应用
光电检测的优越性
光是一种优秀的信息载体！ 直线传播：几何优越性，自然直线基准 非接触：电磁波接触 普通接触~分子间力，电子云重叠 快速：信息以光速传播 高精度、高灵敏： 特征尺寸=光波长<1微米； 横向分辨率~1个波长； 纵向分辨率~1/100波长
黑体光强标准器及其应用
被测灯
黑体（温度T）
灰体和选择性辐射体
吸收系数 α <1 且不随波长变化的物体为灰 体； 吸收系数 α <1 且随波长变化的物体为选择 性辐射体。

基尔霍夫定律：
任何物体在任一温度下对于任一波长的单色辐射出射度与单 色吸收率的比值都相同，都等于绝对黑体在同一温度下 对同一波长的辐射出射度。
热解石墨
Entrance aperture of a windowless graphite tube Blackbody furnace at 2000 °C. Canada's Ultimate Light Ruler
黑体辐射源辐射亮度的计算

朗伯体的亮度B与全辐射出射度M的关系： B=M/π 垂直方向上的发光强度I=B 在距离l处的A面积内接收的辐射为 M × A/(π× l2)
卤钨灯Halogen lamps
卤钨循环反应方程式： W/n + X ↔ (WXn)/n 3000-3200K

卤钨循环
气体放电光源
气体放电：气体受到电流或光子的激发而放出光子的过程。 生活中的例子：天空闪电、电焊弧、日光灯、启辉器。
气体放电的物理过程： 电流与气体分子的非弹性碰击 基态原子Æ激发态原子Æ基态原子 自发辐射
(2)瑞利从能量按自由度均分定律出发，得到如下公式；
uT (λ ) =
8π
λ
4
k BT
以上两个公式都符合普通形式的(1．15)式。与实验数据比 较，在短波区维恩公式符合得很好，但在长波范围则有 虽不太大但系统的偏离。瑞利公式与之相反，长波部分 符合得较好，但在短波波段偏离非常大。
普朗克公式的得来．起初是半经验的，即利用内插法将适用于短波的维恩公式 和适用于长波的瑞利—金斯公式衔接起来。在得到了上述公式之后，普朗克 才设法从理论上去论证它。为了摆脱困难，普朗克提出如下一个非同寻常的
假设：谐振子能量的值只取某个基本单元的整数倍，即
ε = ε 0 ,2ε 0 ,3ε 0 , L
则平均能பைடு நூலகம்计算：
∫ εe ε= ε ∫ e
0 ∞ 0
∞
−ε / k BT
dε
ε=
= k BT
∑ nε e
n =0 ∞ 0
∞
− nε 0 / k B T
− / k BT
dε
∑e
n =0
− nε 0 / k B T
⎡ ∂ ⎛ ∞ − nε 0 β ⎞ ⎤ = − ⎢ ln⎜ ∑ e ⎟⎥ ∂ β ⎝ n =0 ⎠⎦ β = ⎣
1 k BT
经典方法
=
exp(ε 0 / k BT ) − 1
ε0
量子方法
普朗克公 式 ：
8πν 2 8πhν 3 uT (ν ) = 3 ε = 3 hν / k Bt c c (e − 1)

由于原子核集合的巨大性和相互作用的复杂性，其能级杂化、展 宽为连续带，形成连续光谱，因此，热光源的光谱是连续的。
物体辐射与温度的关系
不同温度下的两个瓷片 不同物体吸收和发射电磁波的能量各不相同，室温下吸收高的 （黑色），在高温时发射也多！因此，是否存在吸收率为1的 物体？

黑体辐射源
黑体：能全部吸收入射到其表面的物体为黑体。
《光电检测技术 》
赵 斌 机械学院 仪器系
光电检测技术是传感器技术的一种
应变片：变形、应力→电阻 电感传感器：通电线圈的形状、磁导率μ →电感 电容传感器：电极面积、介电常数ε →电容 热敏电阻：温度→电阻 热电偶：温度→电压 霍尔元件：磁场→电压 …… 光敏电阻、光电倍增管、CCD（摄像机、手机摄像 机、）、红外测温仪、激光测距仪、干涉仪、光 谱仪、遥感技术、…
光电检测技术的内容
1. 2. 3.
光辐射的产生 光辐射的探测 光辐射探测的应用方法
光电探测系统的构成
光源
被测物
光学透镜
光电传感器 转变成电信号
携带信息的光束 光学透镜 处理器
光电检测举例

举例：
1、家电的遥控器 2、生产线上的光电产品计数 3、红外防盗报警系统 4、光电控制水位
前进
家电的遥控器
光辐射接收管 光辐射发射管
返回
光电信号处理电路
生产线上的光电产品计数
返回
红外防盗报警系统
返回
光电控制水位
发光二极管所发出的光 被导入传感器顶部的透 镜。当液体浸没光电液 位开关的透镜时，则光 折射到液体中，从而使 接收器收不到或只能接 收到少量光线。
返回
光电检测技术的技术基础
1. 2. 3. 4. 5.

白炽灯
白炽灯的光谱
对白炽灯发光材料的要求：
1）熔点高 碳~4100K，钨~3680K 2）蒸发小 碳易蒸发~2100 K 钨~2600 K 3）可见光辐射效率高（钨在红外区域的辐射小于 黑体） 4）机械加工性能好（钨） 真空白炽灯：蒸发大 2400-2600K 充气白炽灯：惰性气体（不氧化）反弹阻止灯丝分 子蒸发2600-3000K，但是由于热传导和对流—— 气体损失——优化参数、使总体效益最大
黑体辐射的光谱特性
辐射 强度
温度升高
短波
λm
长波
黑体辐射的实用公式

绝对黑体的全辐射出射度：
M = σT

4
绝对黑体的最大辐射波长（维恩位移定律）
λ mT = 2898(μm ⋅ K )

最大辐射处的辐射出射度
M λ m = BT
5
黑体辐射源

腔型黑体辐射源：黑体芯子、加热绕组、测温计、温度 控制器。 用金属熔点温度做为温度标准来标定。例如：铂 2046.05K
自然界没有任何物质是黑体！
黑体的物理模型： 等温密闭空腔
——内部任何光子都将最终被其内壁吸收
小孔
光 子
光 子
从外部看，光进入后没有任何出射！
blackbody source
(1) 维恩假设气体分子辐射的频率，只与其速度有关，从 而得到与麦克斯韦速度分布形式很相似的公式：
αc 2 − βc / λT uT (λ ) = 5 e λ

The carbon arc lamp was the first widely-used type of electric light and the first commercially successful form of electric lamp.

How it Works: The lamp is a spark or electric arc through the air between two carbon rods. The rods must have a gap in between of the right size. If the gap is too big than the arc will flicker more or may go out, if the gap is to narrow than it will produce less light. The first carbon was made of charcoal (made from wood). The carbon substance is vaporized in the high temperature of the arc (around 6500 F, 3600 C). The carbon vapor is highly luminous (very bright) and this is why we use carbon in the lamp. This light is much more useful and bright than that of an arc between steel like in the Jacobs Ladder example photo below. The carbon vapor and normal air ionizes easily which helps make light. When the atoms of the carbon and air ionize it means they give up and take on electrons. This happens as electric current passes from one electrode (in this case one of the carbon rods) to the other electrode. Lighting ionizes the air that is passes through.