【正文】 ()其中為斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)。圖14 黑體輻射單色輻射出射度的波長分布⑵單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。令，則()式可改寫為 () 第一輻射常數(shù)， 第二輻射常數(shù)。對于不透明的物體，單色吸收比和單色反射比之和等于1，即 ()若物體在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收比都等于1，即，則稱該物體為絕對黑體（簡稱黑體）。吸收比 被物體吸收的能量與入射的能量之比稱為該物體的吸收比。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。即光視效能Kl定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比之，即 ()單位：流明/瓦特（lm/W）。Fv dtFv=242。⑺單色輻射度量 對于單色光輻射，同樣采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波長間隔內(nèi)對應(yīng)的輻射度量，并且對所有輻射量X來說單色輻射度量與輻射度量之間均滿足 ()2. 光度量人眼的視覺細(xì)胞對不同頻率的輻射有不同響應(yīng)，故用輻射度單位描述的光輻射不能正確反應(yīng)人的亮暗感覺。()式代入()式得到余弦輻射體的輻射亮度為 ()可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角q無關(guān)。m2）。如圖2所示。球面度1（W輻射出射度Me是用來反映物體輻射能力的物理量。輻射能一般用符號Qe表示，其單位是焦耳（J）。下面重點介紹輻射度單位體系中的物理量。在光度單位體系中，是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強度，其基本單位是坎德拉。而對于光輻射的探測和計量，存在著輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。在進行太陽紫外輻射的研究中，常將紫外輻射分為A波段、B波段和C波段。當(dāng)可見光進入人眼時，人眼的主觀感覺依波長從長到短表現(xiàn)為紅色、橙色、黃色、綠色、青色、藍色和紫色。一般在可見到紫外波段波長用nm、在紅外波段波長用mm表示。一般認(rèn)為其波長在10nm~1mm，或頻率在3180。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并得到廣泛利用的電磁波有波長達104m以上的，也有波長短到105nm以下的。1046180。⑶ 空間各點和都作周期性變化，而且相位相同，即同時達到最大，同時減到最小。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，若在空間某區(qū)域有變化電場（或變化磁場），在鄰近區(qū)域?qū)a(chǎn)生變化的磁場（或變化電場），這種變化的電場和變化的磁場不斷地交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)以有限的速度在空間傳播，形成電磁波。1. 基本要求（1）掌握光輻射的基本定律，包括基爾霍夫輻射定律、普朗克定律、瑞利瓊斯公式、維恩公式和斯忒潘玻爾茲曼定律；（2）掌握激光原理，以及常見激光器的結(jié)構(gòu)與原理，包括固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體二極管激光器。10光束的調(diào)制與掃描9難點：光電子技術(shù)應(yīng)用中的實際工程問題。難點：液晶的光電特性。難點：常用固體攝像器件輸出信號特點、調(diào)制傳遞函數(shù)的概念及噪聲等效溫差的概念。難點：pn結(jié)光伏探測器的工作模式。1. 基本要求（1）掌握光束調(diào)制原理，包括電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制的原理、實現(xiàn)方法和特點及應(yīng)用；（2）熟練掌握光束掃描的原理，包括機械掃描、聲光掃描、電光掃描的原理和實現(xiàn)方法和器件結(jié)構(gòu)；（3）了解空間調(diào)制器的原理、特點和應(yīng)用。1. 基本要求（1）掌握光輻射的基本定律，包括基爾霍夫輻射定律、普朗克定律、瑞利瓊斯公式、維恩公式和斯忒潘玻爾茲曼定律；（2）掌握激光原理，以及常見激光器的結(jié)構(gòu)與原理，包括固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體二極管激光器。本課程的教學(xué)目標(biāo)：光電子技術(shù)課程是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科專業(yè)課，通過本課程的學(xué)習(xí)應(yīng)使學(xué)生對光電子技術(shù)中的基本概念、基本技術(shù)和基本器件有比較全面、系統(tǒng)的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程技術(shù)問題的能力，為進一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課打下基礎(chǔ)?！豆怆娮蛹夹g(shù)》教案 主講：周自剛 《光電子技術(shù)》教學(xué)大綱【課程編號】：16314039 【英文譯名】：Optoelectronic Technology【適用專業(yè)】：光信息技術(shù)專業(yè)本科生【學(xué) 分 數(shù)】： 3【總 學(xué) 時】： 48【實踐學(xué)時】： 1一、課程的教學(xué)目標(biāo)與任務(wù)激光器的發(fā)明，解決了光頻載波的產(chǎn)生問題，從此電子技術(shù)的各種基本概念幾乎都移植到了光頻段，電子學(xué)與光學(xué)之間的鴻溝在概念上消失了，產(chǎn)生了光頻段的電子技術(shù)，即光電子技術(shù)。本課程的教學(xué)任務(wù)：使學(xué)生掌握輻射度學(xué)與光度學(xué)、光輻射的傳播、光束的調(diào)制和掃描、光電探測及成像技術(shù)、光電顯示技術(shù)等的基本概念及基本技術(shù)，對光電子技術(shù)有比較全面、系統(tǒng)的認(rèn)識和了解。2. 重點、難點重點：基爾霍夫輻射定律、普朗克定律、瑞利瓊斯公式、維恩公式難點：基爾霍夫輻射定律第二章 光輻射的傳播(10學(xué)時) 講授光輻射在電磁理論，以及其在各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律與分析方法。2. 重點、難點重點：電光調(diào)制、聲光調(diào)制、直接調(diào)制、聲光掃描、電光掃描、空間調(diào)制器難點：LD的直接調(diào)制和聲光掃描第四章 光輻射的探測技術(shù)（10學(xué)時）講授光電探測器的物理效應(yīng)、光電探測器的性能參數(shù)及常用光電探測器等內(nèi)容。第五章 光電成像系統(tǒng)（10學(xué)時） 講授固體攝像器件、光電成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、紅外成像光學(xué)系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)的綜合特性評價及微光像增強器件等內(nèi)容。第六章 顯示技術(shù)（4學(xué)時）講授陰極射線管、液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯示及其它顯示技術(shù)等內(nèi)容。第七章 光電子技術(shù)應(yīng)用實例（機動學(xué)時） 較完整的介紹一個光電子技術(shù)應(yīng)用實例。3. 說明：根據(jù)實際情況從光纖通訊、激光雷達、激光制導(dǎo)、紅外遙感、紅外跟蹤制導(dǎo)及光纖傳感等內(nèi)容中選擇一個實例講授。110光電成像系統(tǒng)92. 重點、難點重點：基爾霍夫輻射定律、普朗克定律、瑞利瓊斯公式、維恩公式難點：基爾霍夫輻射定律任何一種光電系統(tǒng)或光電子器件的使用和評價都離不開特定的光輻射源與光輻射探測器，所以光輻射和光電轉(zhuǎn)換的原理是光電子技術(shù)的基本研究內(nèi)容之一。電磁波具有以下性質(zhì)：⑴ 電磁波的電場和磁場都垂直于波的傳播方向，三者相互垂直，所以電磁波是橫波。⑷ 任一時刻，在空間任一點，和在量值上的關(guān)系為。103180。我們可以按照頻率或波長的順序把這些電磁波排列成圖表，稱為電磁波譜，如圖1所示，光輻射僅占電波譜的一極小波段。1016Hz~3180。波數(shù)的單位習(xí)慣用cm1。紫外輻射 紫外輻射比紫光的波長更短，人眼看不見，波長范圍是1~390nm。紅外輻射 ~1000mm的是紅外輻射。在輻射度單位體系中，輻通量（又稱為輻射功率）或者輻射能是基本量，是只與輻射客體有關(guān)的量。光度學(xué)只適用于可見光波段。光度單位體系中的物理量可對比理解。⑵ 輻射通量。定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即 ()單位：W/m2。sr1）。 ()SqdFdSdW圖2 輻射亮度示意圖式中q是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。顯然，一般輻射體的輻射強度與空間方向有關(guān)。余弦輻射體的輻射出射度為 ()⑹輻射照度。光度單位體系是反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，在光頻區(qū)域光度學(xué)的物理量可以用與輻度學(xué)的基本物理量對應(yīng)來表示，其定義完全一一對應(yīng)，其關(guān)系如表1所示。Iv dWMv=dFv/dS基本量Lv=dIv/(dScosq)Ev=dFv/dAlm通過對標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實驗測定，在輻射頻率540180。1. 單色吸收比和單色反射比。在波長l到l+dl范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比，用表示。2. 基爾霍夫輻射定律在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。圖4為不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度（輻射亮度）隨波長的變化曲線。⑶單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動。斯忒藩玻爾茲曼定律表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無關(guān)。由于色溫度是按規(guī)定的兩波長處的輻射比率來比較的，所以色溫度相同的熱輻射光源的連續(xù)譜也可能不相似，若規(guī)定的波長不同，色溫度往往也不相同。2. 重點、難點重點：光波在大氣、電光晶體、聲光晶體、磁光介質(zhì)、光纖波導(dǎo)、非線性介質(zhì)和水中的傳播特性難點：電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、非線性效應(yīng) 光輻射的電磁理論光輻射是電磁波，它服從電磁場基本規(guī)律。對導(dǎo)體，項起主要作用。3. 均勻介質(zhì)中的平面波和球面波對于各向同性的無吸收介質(zhì)，利用矢量恒等式，亥姆霍茲方程可改寫為 ()上式平面波解的一般形式為 ()球面波解的一般形式為 ()式中為波矢量，j0為初相。EtEne1，m1，s1e2，m2，s2圖1 界面上電場的法向和切向分量在光學(xué)波段經(jīng)常遇到的情況是ss等于零，這時，界面兩側(cè)的切向分量以及的法向分量均連續(xù)。吸收和散射的總效果使傳輸光輻射強度的衰減。I)/I=bdl。對大氣衰減的研究可歸結(jié)為對上述四個基本衰減參數(shù)的研究。所以為了克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。因此，分子的吸收特性強烈的依賴于光波的頻率。只是在高空處，其余衰減因素都已很弱，才考慮它們吸收作用。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。瑞利散射光的強度與波長的四次方成反比。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因為藍光散射最強烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍色。米氏散射則主要依賴于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強烈。據(jù)氣象對能見度V（km）的定義可得 ()對于可見光，l/187。雨天大氣中水的含量（1g/m3）為較濃霧（／m3）的10倍以上，可霧滴半徑（微米量級）僅是雨滴半徑（毫米量級）的千分之一左右，因此雨滴間隙要大得多，故能見度較霧高，光波容易通過。一些實驗研究表明，激光在雪中的衰減與在雨中相似，衰減系數(shù)與降雪強度有較好的對應(yīng)關(guān)系。雷諾數(shù)Re是一個無量綱的數(shù)。在近地面附近，l0通常是毫米量級，L0則是觀察點（如激光傳輸光路）離開地面高度。109m1/3 中等湍流 Cn =4180。在弱湍流且湍流強度均勻的條件下： ()可見，波長短，閃爍強，波長長，閃爍小。光束彎曲漂移現(xiàn)象亦稱天文折射，主要受制于大氣折射率的起伏。dT/dh189。對于光束漂移，理論分析表明，其漂移角與光束在發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出口處的束寬W0關(guān)系密切；漂移角的均方值。107 m1/3/h，c值約為40mrad，不再按式變化，表明漂移亦有飽和效應(yīng)；漂移的頻譜一般不超過20Hz，其峰值在5Hz以下；漂移的統(tǒng)計分布服從正態(tài)分布。對于一些晶體材料，當(dāng)上施加電場之后，將引起束縛電荷的重新分布，并可能導(dǎo)致離子晶格的微小形變，其結(jié)果將引起介電系數(shù)的變化，最終導(dǎo)致晶體折射率的變化，所以折射率成為外加電場E的函數(shù)，即 ()第一項稱為線性電光效應(yīng)或泡克耳（Pockels）效應(yīng)；第二項，稱為二次電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)。 當(dāng)晶體施加電場后，其折射率橢球就發(fā)生“變形”，橢球方程變?yōu)? ()由于外電場，折射率橢球各系數(shù)(1/n2)隨之發(fā)生線性變化，其變化量可定義為 ()式中g(shù)ij稱為線性電光系數(shù)；i取值1，…，6；j取值1，2，3。xx162。），當(dāng)a =45176。⑴ 縱向應(yīng)用x162。令（）式中 z=0，得到該橢圓的方程為 ()長、短半軸分別與x162。也就是兩個分量的偏振方向，相應(yīng)的折射率為nx162。方向的兩個垂直偏振分量。當(dāng)電光晶體和傳播的光波長確定后，相位差的變化僅取決于外加電壓，即只要改變電壓，就能使相位成比例地變化。表示。當(dāng)A1=A2時，其合成光就變成一個圓偏振光，相當(dāng)于一個“1/4波片”的作用。 綜上所述，設(shè)一束線偏振光垂直于x162。兩個偏振分量，傳播距離L后 x162。x162。分量為 L入射光Vdzy162。z切割晶體，如圖。=0）后即分解為沿x162。分量為 z分量為 兩偏振分量的相位延遲分別為因此，當(dāng)這兩個光波穿過晶體后將產(chǎn)生一個相位差 ()在橫向運用條件下，光波通過晶體后的相位差包括兩項：第一項與外加電場無關(guān)，是由晶體本身自然雙折射引起的；第二項即為電光效應(yīng)相位延遲。在沒有外加電場時，入射光的兩個偏振分量通過晶后其偏振面已轉(zhuǎn)過了一個角度，這對光調(diào)制器等應(yīng)用不利，應(yīng)設(shè)法消除。例如，在z向加電場的橫向運用中，略去自然雙折射的影響，求得半波電壓為 ()可見(L/d)越小，Vp 就越小，這是橫向運用的優(yōu)點。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。超聲駐波形成的折射率變化為 ()若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2fs，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。即通過光密部分的光波波陣面將延遲，而通過光疏部