[理學(xué)]第一章光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí)(已修改)
2024-10-31 00:56 本頁(yè)面
【正文】 第一章 光電檢測(cè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)知識(shí) ?輻射度量與光度量 ?半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) ?基本定律 ?光電檢測(cè)器件的特性參數(shù) 一、光的基本性質(zhì) 波粒二象性 17世紀(jì)牛頓提出光的微粒說(shuō) 惠更斯、楊氏和費(fèi)涅爾等提出光的波動(dòng)說(shuō) 1860年 Maxwell的電磁理論建立，光也是一種電磁波 電磁波的范圍很廣，波長(zhǎng)從幾個(gè)皮米到數(shù)千米 光波波長(zhǎng)區(qū)間約從幾個(gè)納米到 1毫米左右 可見(jiàn)光：~ 光波波速 其中 v是光波頻率 ,n為介質(zhì)折射率 電磁理論能很好的解釋光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和光在各向異性介質(zhì)中的傳播等現(xiàn)象。但是無(wú)法解釋光的吸收、散射和色散。 1900年，普朗克提出輻射的量子論 1905年，愛(ài)因斯坦提出光量子的概念 波動(dòng)性 ?光的傳播 量子性 ?與物質(zhì)的相互作用 nv???sJhhvE ???? 3 4105 0 7 5 6 . 2 6 2 ,二、光輻射度量 輻射是一種能的形式。 光源一般指發(fā)光的物體。分為天然光源和人造光源。 輻射能可以轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，從而可以用輻射能引起的能量或有效物理量來(lái)測(cè)量。 光源的輻射特性可以用以下輻射量來(lái)表征： 輻射能、輻射能密度、輻射通量、輻射出射度、輻射強(qiáng)度、輻射亮度、輻照度。 輻射能 Qe 以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量 單位：焦耳 （ J） 輻射能密度 we 光源在單位體積內(nèi)的輻射能 dVdQw ee ?單位：焦耳 /米 3（ J/m3） 輻射功率 （輻射能流） 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一定面積的輻射能 eΦdtdQΦ ee ?單位：瓦（ W） 輻射強(qiáng)度 Ie 從一個(gè) 點(diǎn)光源 發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)單位立體角所輻射的能量 dwd ΦI ee ?單位：瓦 /球面度（ W/Sr) 輻射出射度 Me（輻射發(fā)射度） 輻射體 在單位面積內(nèi)所輻射的通量或功率 dAd ΦM ee ?單位：瓦 /米 2（ W/m2) 輻射亮度 Le 由輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度 ?c o s?? dAdIL ee單位：瓦 /（米 （ W/（ ）） n ?dA輻照度 Ee 單位面積內(nèi)所接收到的輻射通量 dAd ΦE ee ?單位：瓦 /米 2（ W/m2） 三、光度量 光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺(jué)強(qiáng)度值。 人眼的光譜敏感特性可以由光譜光視效率 （視見(jiàn)函數(shù)）來(lái)描述。 )(?V光通量 光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺(jué)度值 vΦeemv ΦCVdVΦkΦ ?? ?? ?? ? 780380 ,)(Km：最大光譜光視效能 Wlmk m /683?在波長(zhǎng) 555nm時(shí)，光視函數(shù)取 1時(shí)，輻射度量與光度量的比值。 發(fā)光強(qiáng)度 Iv 光源在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量 dwdΦI vv ?單位 ：坎德拉 cd 光出射度 Mv 光源表面給定點(diǎn)處單位面積向半空間內(nèi)發(fā)出的光通量 dAdΦM vv ?單位：流明 /米 2 lm/m2 光照度 Ev 被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量 dAdΦE vv ?單位：勒克斯 lx 點(diǎn)光源照明時(shí)的照度 ?c os2lIE v ?S?垂直照明時(shí)： 2lIE ?n光亮度 光源表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度與該面元在垂直于給定發(fā)向的平面上的正投影面積之比 ?c o s?? dAdIL vv單位：坎德拉 /米 2 cd/m2 ?n 其他基本概念 1. 點(diǎn)源 從強(qiáng)度為 I的點(diǎn)源輻射到立體角 dΩ 的通量為 dΦ = IdΩ 若點(diǎn)源沿各方向均勻輻射，則總通量為 Φ = 4πI 當(dāng)點(diǎn)源照射一個(gè)小面元 dA 時(shí)，若面元 dA 的法線與 dA 到點(diǎn)源連線 r的夾角為 θ，則照到 dA上的通量為 dΦ = IdAcosθ/r2 根據(jù)照度的定義，得該面元上的照度為 E =dΦ/dA=I cosθ/r2 這就是照度與距離 r之間的平方反比定律。僅當(dāng)光源極小或極遠(yuǎn)時(shí)，平方反比定律才能 成立，這時(shí)才能把輻射源看作點(diǎn)源。 2. 擴(kuò)展源 朗伯源的亮度不隨方向而改變，即其上單位投影面積輻射到單位立體角內(nèi)的功率，不隨此立體角在空間的取向而改變，因而從任何角度觀察朗伯源應(yīng)該是一樣明亮的。朗伯源又稱為余弦輻射體。因?yàn)榱炼? L與 θ 無(wú)關(guān)，則該面元在 dΩ內(nèi)輻射的通量與方向角 θ 的余弦成正比。一個(gè)面積為 dS的朗伯源，在立體角 dΩ 內(nèi)輻射的通量為 dΦ = LcosθdSdΩ 假設(shè)此朗伯源為不透明物質(zhì)，其輻射通量?jī)H僅分布在半球空間內(nèi)，則 dΩ =rdθrsin θ dφ/r2= sin θdθdφ 所以此面源的總輻通量為 根據(jù)輻出度的定義，可得朗伯源的輻出度與輻亮度的關(guān)系，即 M =Φ/dS= πL 3. 漫反射面 用 MgO 或 BaSO4 粉末壓制成的表面、積雪、牛奶和無(wú)光白紙等，都可以把入射光向各方向均勻地射散出去。這種反射表面稱為漫反射表面或散射面。 假設(shè)投射到表面積 dS的漫反射表面上的照度為 E，則該面所接受的光通量為 dΦi= EdS 設(shè)該表面的漫反射系數(shù)為 K，則該表面散射的光通量為dΦs= KdΦi 因?yàn)槁瓷涿姘讶肷涔庋厮蟹较蛏⑸?
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