【正文】 光稱圓偏振光， 是橢圓偏振光的特殊情形 。 自然光和部分偏振光實(shí)際上是由許多振動方向不同的線偏振光組成 。 偏振光包括如下幾種： ① 線偏振光 ， 在光的傳播過程中 ， 只包含一種振動 ， 其振動方向始終保持在同一平面內(nèi) ， 這種光稱為線偏振光 （ 或平面偏振光 )。 當(dāng)光源和屏與障礙物的距離都是無限遠(yuǎn)時 ， 稱為 Fraunhofer衍射 ；在實(shí)驗室常利用凸透鏡的聚焦性模擬來自 “ 無限遠(yuǎn)處 ” 的平行光 。衍射也是波疊加的結(jié)果 ， 表現(xiàn)為直線傳播的光束在遇到障礙時的繞射 。 非偏振光可以描述成兩個正交的、振幅相同但相位差隨時間變化的平面偏振波合成的結(jié)果，故在滿足相長干涉、相消干涉的情況下，也有干涉現(xiàn)象產(chǎn)生。 相干 兩個波的相差 φ2 – φ1恒為 0或者固定值，則這兩個波被稱之為相干的。若令其最大值為 1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布 。 22 光輻射與熱輻射 光熱效應(yīng) ： 材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化． 熱釋電效應(yīng) ： 介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象． 輻射熱計效應(yīng) ： 入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象． 溫差電效應(yīng) ： 由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流． 光熱效應(yīng) 22 光輻射與熱輻射 ? 自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。 ? PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)： 當(dāng)用適當(dāng)波長的光照射 PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向 n區(qū)，光生空穴拉向 p區(qū)，相當(dāng)于 PN結(jié)上加一個正電壓。 描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關(guān)系的定律 22 光輻射與熱輻射 光電效應(yīng) ?光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動勢等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng) ?光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng) 22 光輻射與熱輻射 光電效應(yīng) ?外光電效應(yīng) ： 物體受光照后向外發(fā)射電子 —— 多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 ?內(nèi)光電效應(yīng) ： 物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會逸出物體外部 —— 多發(fā)生在半導(dǎo)體 ?內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) ?光電導(dǎo)效應(yīng) ： 半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象 22 光輻射與熱輻射 光電效應(yīng) ?光生伏特效應(yīng) ： 光照在半導(dǎo)體 PN結(jié)或金屬 — 半導(dǎo)體接觸上時，會在 PN結(jié)或金屬 — 半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。譬如在宇宙中，不同恒星隨表面溫度的不同會顯示出不同的顏色，溫度較高的顯藍(lán)色，次之顯白色，瀕臨燃盡而膨脹的紅巨星表面溫度只有 20233000K，因而顯紅色。 六、維恩位移定律 ? 描述黑體電磁輻射能流密度的 峰值波長 與 自身溫度 之間反比關(guān)系的定律 ? 設(shè)黑體輻射的峰值波長 ，則存在如下的簡單關(guān)系： K)m( ??? μTm?? 已知物體的溫度時，可以計算其峰值輻射波長，反之亦然。維恩提出本定律的時間是在普朗克黑體輻射定律出現(xiàn)之前，且過程完全基于對實(shí)驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗總結(jié)。維恩（ Wilhelm Wien）于 1893年通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗總結(jié)提出。宇宙黑洞可視為理想的黑體。它沒有反射，也沒有透射 ( 當(dāng)然黑體仍然要向外輻射 )。 ?熱輻射不僅與物體 溫度 有關(guān) ， 而且與物體 表面特征有關(guān)。 ?熱輻射的輻射光譜是連續(xù)的。 ?只要外界傳遞熱量給物體以維持物體的溫度不變，物體就能不改變內(nèi)能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)射電磁波。 22 光輻射與熱輻射 ?熱輻射主要在紅外波段 ?任何物體只要它的溫度高于熱力學(xué)溫度（ 0K或攝氏273℃ ），它就一定不斷地發(fā)射電磁輻射（熱輻射）。 ?熱輻射源的特性： 它的輻射能量直接與它的溫度有關(guān)。 12光機(jī)電測控技術(shù)概念 13 光機(jī)電測控與人工操作區(qū)別 比較： ?被測物體 感覺器官 人腦 手控 ?被測物體 光機(jī)電傳感器 微機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 光電傳感部分相當(dāng)于人身的感覺器官 被測對象 光學(xué)系統(tǒng) 光電傳感器 變換電路 處理電路 后續(xù)電路 顯示 控制 存儲 光機(jī)電測控系統(tǒng) 光 源 光學(xué)系統(tǒng) 機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu) 14 光機(jī)電測控系統(tǒng)的組成 光機(jī)電測控技術(shù)的特點(diǎn) ?高精度 ： 測長度 nm量級； ?高速度 ： 光速是最快的； ?非接觸式檢測 ： 可長距離工作； ?遠(yuǎn)距離、大量程 ： 遙控、遙測和遙感； ? 受光學(xué)介質(zhì)的影響大（水、空氣、塵土） ? 成本高。建筑材料熱工設(shè)備 ?第四章 光電檢測技術(shù) 光機(jī)電技術(shù) 光學(xué)技術(shù) 機(jī)械技術(shù) 電子技術(shù) 光機(jī)電測控技術(shù) 光機(jī)電傳感器 融合 核心部分 基礎(chǔ) 12 光機(jī)電測控技術(shù)概念 ?核心： 物理量 → 光 學(xué)量 → 電 信號 → 機(jī) 械運(yùn)動 ?屬性： 光機(jī)電技術(shù)是一種交叉學(xué)科，光學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、儀器儀表等等 ?目的： 物理量的檢測、傳遞、控制 ?應(yīng)用： 精密測量、紅外探測、遙感、激光雷達(dá)、空中偵察、制導(dǎo)武器、導(dǎo)航、跟蹤、光通信、圖像處理、夜視、深空探測等等 12 光機(jī)電測控技術(shù)概念 傳感器的概念 ?傳感器的作用： 是將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出。（非電量與電量系統(tǒng)之間的接口） ?敏感器： 能夠?qū)⒈粶y非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件或裝置 ?光電傳感器： 基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件，廣泛應(yīng)用于自動控制、宇航和廣播電視等各個領(lǐng)域。 14 光機(jī)電測控系統(tǒng)的組成 ?熱輻射： 由于外界熱量傳遞給物體而發(fā)生的輻射稱為熱輻射。 ?熱平衡輻射： 如果物體從周圍物體吸收幅射能所得到的熱量恰好等于自身輻射而減少的能量，則輻射過程達(dá)到平衡狀態(tài)，這稱為 熱平衡輻射 。 由于其中的分子、原子受到熱激發(fā)而產(chǎn)生并向外部發(fā)射各種波長的電磁波。 22 光輻射與熱輻射 ?在研究熱平衡輻射所遵從的規(guī)律時，我們假定物體發(fā)射能量和吸收能量的過程中，除了物體的熱狀態(tài)有所改變外，它的 成分不發(fā)生變化 。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。 22 光輻射與熱輻射 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）。黑體具有最大的發(fā)射率。 22 光輻射與熱輻射 黑體 五、普朗克定律 描述黑體的光譜輻射出射度與波長、絕對溫度直接的關(guān)系 ? 黑體光譜輻射出射度為： μm )(W /m 11π2),( 2/52b ??? Tkhce ehcTM??? )sW(10)(234 ???? ?h )KsW(10)( 123 ?? ?????k )scm(10)( 110 ?????c式中 h— 普朗克常數(shù) k— 玻爾茲曼常數(shù) c— 光速 22 光輻射與熱輻射 每條曲線都有一個峰值，隨著溫度的升高，此峰值向短波方向移動 普朗克曲線 22 光輻射與熱輻射 ?本定律由德國物理學(xué)家威廉 ?威廉 后來證明，本定律是更為廣義的普朗克黑體輻射定律的一個直接推論。（溫度與峰值波長成 反比 ） m22 光輻射與熱輻射 ?維恩位移定律說明了一個物體越熱，其輻射譜的波長越短（或者說其輻射譜的頻率越高）。太陽的表面溫度是 6000K，根據(jù)維恩位移定律計算得的峰值輻射波長則為 502nm，這近似處于可見光光譜范圍的中點(diǎn)，為黃光。 光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 ?半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將 PN結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。 ? 光源的光譜功率分布通常可分成四種情況： 線狀光譜 帶狀光譜 連續(xù)光譜 混合光譜 低壓汞燈、激光 高壓汞燈、高壓鈉燈 熒光燈 熱輻射光源、白熾燈 光譜功率分布（相對光譜功率分布） 23 光源的基本特性參數(shù) 波的疊加 (1)干涉 干涉指兩列或多列光波在空間相遇時相互迭加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。相干是產(chǎn)生干涉的必要條件，另外一個條件是兩個波源的頻率幾乎相同。 25 光路分析的基本規(guī)律 (2) 衍射 當(dāng)障礙物的線度與光波波長可比擬時 ， 光線偏離直線傳播 ， 進(jìn)入幾何暗影區(qū) ， 并形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象 。 按照光源和屏到障礙物的距離 ， 可以把衍射分為兩種：當(dāng)光源和屏與障礙物的距離都是有限遠(yuǎn) ， 或其中一個是有限遠(yuǎn)時 ， 稱為 Fresnel衍射 。 25 光路分析的基本規(guī)律 光的偏振態(tài)與旋光 光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象叫做偏振 。 ② 部分偏振光 ， 光波包含一切可能方向的橫振動 ， 但不同方向上的振幅不等 ， 在兩個互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值 ， 這種光稱為部分偏振光 。 ③ 橢圓偏振光 ， 在光的傳播過程中 ， 空間每個點(diǎn)的電矢量均以光線為軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 ， 且電矢量端點(diǎn)描出一個橢圓軌跡 ， 這種光稱為橢圓偏振光 。 25 光路分析的基本規(guī)律 (2) 人為雙折射現(xiàn)象 ： 某些各向同性介質(zhì)在外力 （ 機(jī)械力 、 電場力 ） 作用下會變成各向異性介質(zhì) ， 從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象 ， 而有些各向異性介質(zhì)在外力作用下會改變雙折射性質(zhì) ， 這類現(xiàn)象稱為人為雙折射現(xiàn)象 。 在磁場作用下 ， Faraday效應(yīng)也能使非晶體產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象 。 利用光彈性效應(yīng)來研究應(yīng)力分布方法已經(jīng)成為一個專門的學(xué)科 ， 稱為光測彈性力學(xué) 。 實(shí)例：半導(dǎo)體激光器電源 激光器諧振腔 ? 外調(diào)制： 在光源外的光路上放置調(diào)制器，將待傳輸信號加載于調(diào)制器上，來實(shí)現(xiàn)調(diào)制。 26 光輻射調(diào)制概述 ?調(diào)制的作用：使光信號攜帶信息、抑制背景干擾、抑制系統(tǒng)固有噪聲和外部電磁干擾。 ? 模擬調(diào)制： 信息信號連續(xù)改變載波的強(qiáng)度、頻率、相位或偏振（載波是模擬信號）。 ? 模擬調(diào)制形式： 調(diào)幅（ AM）、調(diào)頻（ FM）、調(diào)相 （ PM）。 ?方法：脈沖的幅度、寬度、頻率或位置隨信息信號的幅度變化。 26 光輻射調(diào)制概述 脈沖調(diào)制 ? 脈沖幅度調(diào)制 ? 脈沖寬度調(diào)制 ? 脈沖頻率調(diào)制 ? 脈沖位置調(diào)制 信息信號 26 光輻射調(diào)制概述 數(shù)字調(diào)制 ?方式： 把信息以編碼形式轉(zhuǎn)變位脈沖序列 ?特點(diǎn)： 脈沖在時間上固定，幅度被量化 ?優(yōu)點(diǎn)： ? 效率高、失真小； ? 抑制噪聲能力強(qiáng)、精度高； ? 系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)。 ? 聲光效應(yīng)： 聲波是一種機(jī)械應(yīng)力彈性波，當(dāng)超聲波作用于介質(zhì)時，也會引起彈光效應(yīng)。 ? 聲光柵： 當(dāng)超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)密度呈疏密的交替變化，這會導(dǎo)致折射率大小的交替變化。光柵的條紋間隔等于超聲波的波長 λ s。衍射光束的強(qiáng)度、頻率和方向等都隨著超聲場的變化而變化。 ? 用來作調(diào)制元件的晶體必須按相對于光軸的一些特殊方向切割成長方形或圓柱形等形狀。 ? 加電場的方向通常有兩種方式：一是電場沿著晶體主軸z軸（光軸方向），使電場方向與光線方向平行，產(chǎn)生縱向電光效應(yīng) ；二是電場沿晶體任一主軸 x軸或 y軸或 z軸加到晶體上，而取通光方向與電場方向相垂直，即產(chǎn)生 橫向電光效應(yīng) 。 x39。有些各向異性介質(zhì)在外力作用下會改變雙折射性質(zhì)，這類現(xiàn)象稱為人為雙折射現(xiàn)象 26 光輻射調(diào)制概述 激光技術(shù)發(fā)展史 1. 1917年： 愛因斯坦在 《 關(guān)于輻射的量子力學(xué) 187。 2. 20世紀(jì) 50年代： 湯斯和肖洛的光激射器理論； 激光器方案的提出； 3. 1960年： 梅曼 (Maiman)制成世界上第一臺激光器； 4. 1960年至今： 激光技術(shù)飛速發(fā)展。 激光 的基本產(chǎn)生過程 是通過受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，必要條件包括具有亞穩(wěn)態(tài)能級的工作物質(zhì)，在亞穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通過光學(xué)諧振器實(shí)現(xiàn)光放大 31激光的基本性質(zhì) （ 1） 自發(fā)輻射 原子在沒有外界干預(yù)的情況下 ,電子會由處于激發(fā)態(tài)的高能級 自動躍遷到低