《光源及辐射源》PPT课件.ppt

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1、1第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例2这是什么？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例3这是什么？如何知道它的温度？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源如何测量？4热电偶热电偶Thermocouplehttp:/en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源如何测量？5热电偶热电偶Thermocouplehttp:/en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple如果热电偶的如果热电偶的工作端工作端与与参参比端比端存有温差存有温差 时，显示仪时，

2、显示仪表将会指示出热电偶产生表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。的热电势所对应的温度值。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源特点：n热电偶测温6热电偶热电偶Thermocouplehttp:/ 耐高温可达耐高温可达2800度度第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源除了热电偶外，还有没有别的办法？7为什么看了颜色就知道温度？为什么看了颜色就知道温度？学完本节就了解！学完本节就了解！第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源关于CIE“平均人眼”的具体标准的讨论n欢迎侯擎昊同学讲解自己的调研结果问题：国际照明委员会所定义的“平均人眼”是怎么确定的？视见函数是如何获取的？侯擎昊、茹锋同

3、学做过调研第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源问题n某白炽灯的光视效能光视效能8lm/Wn某白炽灯的发光效率发光效率8lm/W91.两者单位一样，请问有何区别？2.哪一个更耗电？3.哪一个更亮？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源回顾n第二章第二章2.1 辐射度量与光度量基础辐射度量与光度量基础 辐射能、辐射通量、辐射强度、辐亮度、辐照度.光量、光通量、发光强度、亮度、照度、视见函数2.2 光电检测器件的特性参量光电检测器件的特性参量光电探测器的分类，响应度、噪声、噪声等效功光电探测器的分类，响应度、噪声、噪声等效功率的概念率的概念如何根据探测器的参数表格选择探测器如何根据探测器的参数

4、表格选择探测器11第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源12我们能想到的光源有哪些？什么灯？白炽灯第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源13我们能想到的光源有哪些？什么灯？节能灯第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源14我们能想到的光源有哪些？什么灯？发光二极管（发光二极管（LED)第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源15我们能想到的光源有哪些？什么灯？激光激光第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源16我们能想到的光源有哪些？什么灯？闪光灯闪光灯第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源17我们能想到的光源有哪些？什么灯？氙灯氙灯第第3 3章章

5、 光源及辐射源光源及辐射源18我们能想到的光源有哪些？什么灯？可调谐激光器可调谐激光器第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源19本章主要内容3.1 光源选择的基本要求和光源的分类 3.2 热光源 3.3 气体放电光源 3.4 固体发光光源3.5 激光光源3.6 新型电调制红外光源第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源203.1 光源选择的基本要求和光源的分类光源选择的基本要求和光源的分类如何从光源的参数表格中选取光源？如何从光源的参数表格中选取光源？This unit has the following specifications:Total Output Power:+13 dBm(2

6、0 mW)Spectral Power Density(Typical):-18 dBm/nm 1530 nm -11 dBm/nm 1540-1600 nm -18 dBm/nm 1610 nmOutput Power Stability(Typical):+/-0.001 dB Output Power Stability(Max):+/-0.005 dB Output Fiber:SMF-28第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源213.1 光源选择的基本要求和光源的分类光源选择的基本要求和光源的分类如何从光源的参数表格中选取光源？如何从光源的参数表格中选取光源？第第3 3章章 光源及

7、辐射源光源及辐射源22光源分类n例自然光：日、月、星、闪电、萤火虫人工光：篝火、油灯、蜡烛、钨丝白炽灯、日光灯、氙灯、闪光灯、发光二极管、半导体激光、气体激光、节能灯.热光源：物体升温产生热光源：物体升温产生气体放电光源：电极间气体放电气体放电光源：电极间气体放电固体发光光源：电能直接转换为光能固体发光光源：电能直接转换为光能激光：受激辐射激光：受激辐射问：上面这些光源各属于哪种类型？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源233.1 光源选择的基本要求和光源的分类光源选择的基本要求和光源的分类1.波长（光谱）特性波长（光谱）特性2.发光强度发光强度（光功率）（光功率）3.光源稳定性（强度、波

8、长）光源稳定性（强度、波长）.试想我们对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面的要求？试想我们对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面的要求？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源243.1 光源选择的基本要求和光源的分类光源选择的基本要求和光源的分类1.对光源发光光谱特性的要求对光源发光光谱特性的要求 一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要，光源发光光谱与探测器的光谱响应要匹配。例如：红外探测器必须配套红外光源通常的硅探测器（如CCD相机）必须匹配0.4-1.1微米范围内光谱的光源。如何度量两者的匹配程度呢？如何度量两者的匹配程度呢？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源253.1 光

9、源选择的基本要求和光源的分类光源选择的基本要求和光源的分类1.对光源发光光谱特性的要求对光源发光光谱特性的要求 光源和光电探测器之间光谱匹配系数光源和光电探测器之间光谱匹配系数，用以描述两光谱特性间的重合程度或一致性。光谱匹配系数定义为：W波长时光源光辐射通量的相对值；S波长时，光电探测器灵敏度的相对值；A1和A2的物理意义分别表示WS和W两曲线与横轴所围成的面积。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源262.2.对光源发光强度的要求对光源发光强度的要求 为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。3.3.对光源稳定性的要求对光源稳定性的要求稳定光源发光的

10、方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电或稳流电源供电，所用光源应预先进行老化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。计量用标准光源通常采用高精度仪器控制下的稳流源供电。波长稳定性：干涉仪第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源274.4.对光源其它方面的要求对光源其它方面的要求灯丝结构和形状发光面积大小和构成灯泡玻壳的形状和均匀性光源的发光效率和空间分布第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源28自然光源自然光源光电检测中基本不用，给出作为一般参考。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源29第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源303.2 热光源热光源热光源：利

11、用物体升温产生光辐射制成的光源。热光源：利用物体升温产生光辐射制成的光源。例如白炽灯、例如白炽灯、黑体源黑体源 问题：热光源对光电检测有什么用？问题：热光源对光电检测有什么用？1.1.发光特性（光谱分布、出射度、亮度）可以用普朗克公式估算。发光特性（光谱分布、出射度、亮度）可以用普朗克公式估算。2.2.发出连续光谱，谱宽很宽，适应性强。发出连续光谱，谱宽很宽，适应性强。3.3.大多属于电热型，可以通过控制输入电量控制发光特性。大多属于电热型，可以通过控制输入电量控制发光特性。三大特点：三大特点：作用：作用：1.1.一般光电检测的光源（白光干涉）一般光电检测的光源（白光干涉）2.2.光（辐射）度

12、量中做标准光源或标准辐射源，计量标准传递。光（辐射）度量中做标准光源或标准辐射源，计量标准传递。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源313.2 热光源热光源3.2.1 3.2.1 黑体及黑体光强标准器黑体及黑体光强标准器1.黑体辐射的主要公式 在任意温度条件下，能全部吸收入射在其表面上的任意波长辐射的物体叫做绝对黑体，或简称黑体(BlackbodyBlackbody)。但是.研究黑体辐射的最基本公式是研究黑体辐射的最基本公式是普朗克公式普朗克公式(Plancks law)，它给出了绝对，它给出了绝对黑体在绝对温度为黑体在绝对温度为T 时的光谱辐射时的光谱辐射出射度出射度：自然界并不存在绝对

13、黑体。自然界并不存在绝对黑体。黑体与黑洞有什么关系？黑体与黑洞有什么关系？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源323.2 热光源热光源3.2.1 3.2.1 黑体及黑体光强标准器黑体及黑体光强标准器 式中 M波长处的单色辐射出射度；波长(m)；h普朗克常数，其值为6.62610-34(Js)；c真空中光速，其值为2.998108(ms)；k波尔兹曼常数，其值为1.3810-23(J/K)；T绝对温度(K)；c1第一辐射常数，其值为3.7410-16(Wm)；c2第二辐射常数，其值为1.43910-2(mK)。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源33 黑体辐射的光谱分布曲线特点：特点：温

14、度越高：温度越高：1.1.中心波长越中心波长越2.2.最高辅亮度越最高辅亮度越此普朗克公此普朗克公式与前一页式与前一页的有何区别的有何区别第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源34 黑体辐射的光谱分布如图3-2中曲线所示。另一种表达方式第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源35利用上述普朗克公式可以导出以下各实用公式斯蒂芬一波尔兹曼公式(StefanBoltzmann law)(全辐射出射度）式中 称为波尔兹曼常数(StefanBoltzmann constant)黑体最大辐射波长处的辐射出射度公式 黑体最大辐射波长m公式，即维恩位移定律(Wiens displacement law)ht

15、tp:/en.wikipedia.org/wiki/Wien%27s_displacement_law第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源36能量的分布：能量的分布：第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源372.腔型黑体辐射源 按照物理学的原理可知，等温密闭空腔中的辐射是黑体辐射。构成：黑体芯子、加温绕组、测温计和温度控制器等部分组成。难点：如何控制温度稳定难点：如何控制温度稳定腔型黑体辐射源第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源38常用的黑体芯子四种基本结构：锥形腔、柱形腔、球形腔和倒置锥形腔。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源392.面型黑体源 红外热成像系统的校准和红外辐射

16、计量需要采用大面积的面型黑体辐射源。面型黑体源主要用于均匀性和系统响应等的测量或标定。http:/www.hgh.fr/corps-noir-infrarouge-infrared-source-haute-high-temperature-blackbody-cn.php第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源403.面型黑体源 常采用差分黑体源(Differential Blackbody)方式作为热成像系统信号响应和性能测量的辐射源。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源41 面型差分黑体源差分黑体源的靶标图案第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源42黑体光强标准黑体光强标准n发光强

17、度发光强度是国际规定的七个基本物理量之一。其定义为，某光源发出是国际规定的七个基本物理量之一。其定义为，某光源发出频率为频率为54054010101212Hz(555nm)Hz(555nm)的单色辐射，在给定方向上的辐射强度入的单色辐射，在给定方向上的辐射强度入1/683 W/1/683 W/srsr时，定义该光源在该方向上的发光强度为时，定义该光源在该方向上的发光强度为lcdlcd。n但是，实际上不存在这样的光源，怎么办？但是，实际上不存在这样的光源，怎么办？n实物基础是黑体光强（光度）标准器。这是一个被定义在铂熔点温度实物基础是黑体光强（光度）标准器。这是一个被定义在铂熔点温度(2046.

18、05K)(2046.05K)的黑体辐射器。的黑体辐射器。n问题：已知黑体光强标准器温度问题：已知黑体光强标准器温度T，辐射腔孔直径，辐射腔孔直径D，如何推出的腔孔，如何推出的腔孔亮度和光强度。亮度和光强度。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源43n由光度标准器向外传递的光度标准将寄存在特制的钨丝白炽由光度标准器向外传递的光度标准将寄存在特制的钨丝白炽灯即标准灯中。灯即标准灯中。n利用目视光度计进行传递，通过对标准灯的光强度校准，从利用目视光度计进行传递，通过对标准灯的光强度校准，从而将标准通过标准灯传出。而将标准通过标准灯传出。标准灯n 光强标准器复杂，不易被传递，实际上如何办？光强标准器

19、复杂，不易被传递，实际上如何办？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源443.2.2 3.2.2 白炽灯白炽灯n(1)(1)对灯丝材料的要求对灯丝材料的要求q1.1.熔点高：使之可适用于较高的工作温度，从而使熔点高：使之可适用于较高的工作温度，从而使光源发光光源发光光谱向短波方向光谱向短波方向移动；移动；q2.2.蒸发率小，要求在高温炽热条件下蒸发愈小愈好，蒸发率小，要求在高温炽热条件下蒸发愈小愈好，以提高白炽灯的以提高白炽灯的使用寿命使用寿命；q3.3.对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光对可见光的辐射效率高，从而产生较多的可见光辐射；辐射；q4.4.其它要求，如加工性能、机械性能等

20、。其它要求，如加工性能、机械性能等。q按照上述要求，目前白炽灯几乎仍全采用钨丝作为按照上述要求，目前白炽灯几乎仍全采用钨丝作为炽热灯丝。炽热灯丝。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源45白炽灯的光参数白炽灯功率、电流、光通量、寿命与额定电压的关系白炽灯功率、电流、光通量、寿命与额定电压的关系第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源46白炽灯 n白白炽炽灯种灯种类类：q真空真空钨丝钨丝白白炽炽灯灯：真空真空钨丝钨丝白白炽炽灯的工作温度灯的工作温度为为230023002800K2800K，光效，光效约约10 1m10 1mw w。q充气充气钨丝钨丝白白炽炽灯灯：在灯炮中充入和在灯炮中充入和钨钨

21、不不发发生化学反生化学反应应的的氩氩、氮等惰性气体，使由灯、氮等惰性气体，使由灯丝丝蒸蒸发发出来的出来的钨钨原子在原子在和惰性气体原子碰撞和惰性气体原子碰撞时时，部分，部分钨钨原子能返回灯原子能返回灯丝丝。可。可使白使白炽炽灯的工作温度可以提高到灯的工作温度可以提高到2700K2700K3000K3000K，相，相应应的光效提高到的光效提高到17 17 l lm mW W。q卤钨卤钨灯灯：灯泡内充入灯泡内充入卤钨卤钨循循环剂环剂(如如氯氯化碘、溴化硼等化碘、溴化硼等)，灯，灯丝丝温度可达温度可达3000-3200K3000-3200K第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源47卤钨灯n在灯泡内

22、充入在灯泡内充入卤钨卤钨循循环剂环剂(如如氯氯化碘、溴化硼等化碘、溴化硼等)，在一定温度下可以形成在一定温度下可以形成卤卤钨钨循循环环灯的色温可达灯的色温可达3200K3200K，光效也相，光效也相应应提高提高到到30 30 l lm mW W 第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源48标准光源 n(a)(a)发光强度标准灯发光强度标准灯是通过精确控制流过灯丝的直流是通过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的光强度。线方向上的光强度。n(b)(b)光通量标准灯光通量标准灯，用来传递和复现光通量值。，用来传递和复

23、现光通量值。n(c)(c)温度标准灯温度标准灯，中心，中心1/31/3的位置用以复现的位置用以复现80080025002500度之间的色温度之间的色温 第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源49n黑体灯，它是一种稳定性良好的标准光源。它可作为温度标难黑体灯，它是一种稳定性良好的标准光源。它可作为温度标难或传递温度的标准。或传递温度的标准。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源503.2.3 其他其他1.1.红外辐射灯红外辐射灯(1)能斯特灯 条状的辐射源，是用15的氧化钇粉末和锆粉压制成小棒，长约25mm，直径约2mm，可用直流或交流供电。在空气中可加热到2000K左右。它发出的连续光谱可

24、从0.3m一直延伸到远红外http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源513.2.3 其他其他1.1.红外辐射灯红外辐射灯(2)硅碳棒 要获得波长更长的红外辐射，能斯特灯就不能胜任了。这时可采用硅碳棒作为红外辐射源。在空气中用直流或交流供电，加热温度一般在1500K以下。http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源52n 2.2.火焰火焰q火焰也是一种热光源，由于火焰分层又不稳定，因此不火焰也是一种热光源，由于火焰分层又不稳定，因此不把它用做检测用光源。这里只列出常用火焰的最高温度。把它用做检测用光源。这里只列出常用火焰的最高温度。第二次课第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例n

25、这是什么n烟雾报警器（SMOKE ALARM)n它如何工作？它如何工作？第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例n光电型http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例n离子探测型n镅衰变产生粒子，离子使氧气与氮气电离，回路产生电流n烟尘可以吸附离子，导致电流下降，引发警报n通过线路互联，可以触发楼层内其它警报http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例需要探测可燃、有毒气体的场合需要探测可燃、有毒气体的场合http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例http:/ Sensor)2.半导体传感器（Semiconductor sensor)3.热传导式（Ther

26、mal conductivity)4.红外气体探测器（Infrared Gas Detector)第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例http:/ safety lamp）有可燃气体时发光会变化，依靠人的观察第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例http:/www.felcom.it:8080/tutorial/copy2_of_test-1n气体探测原理热催化剂式（Catalytic Sensor)有可燃气体时，在催化剂作用下氧化、温度升高，铂金属线圈电阻增大，电桥失去平衡，第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例http:/ 0 4.00 CH4测量误差 0

27、1.00 CH4 时，0.1 第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例http:/ sensor)第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源每周案例http:/ Gas Detector)第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源64第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源66n从CO的红外吸收谱线可知：CO在波长为45um处有2个吸收峰，分别为4.59um和4.74um附近。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源67CO2在中红外区有两处明显的吸收带，一处为4.05.0um之间，一处为15um左右。但是4.26um左右的吸收比较明显，幅度比较大，因此选取此处的吸收谱线来分析CO2的含量

28、。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源68CH4和C3H8在3.3um附近有显著的吸收峰，因此可以用3.3um附近的吸收带表示CH化合物的含量。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源69H2O在2um3um和5um8um这两个波段之间都有明显的吸收第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源72红外气体传感器第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源回顾n第三章光源及辐射源第三章光源及辐射源2.1 光源选择的基本要求光源选择的基本要求 光谱特性要求：光谱匹配系数 发光强度的要求 稳定性要求 其它要求（结构、形状、面积）2.2 热光源热光源黑体、黑体光强标准器黑体、黑体光强标准器白炽灯白炽灯红外

29、辐射灯红外辐射灯第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源743.3 3.3 气体放电光源气体放电光源n气体放电光源中光的组成：气体放电光源中光的组成：q炽热电极本身产生的辐射炽热电极本身产生的辐射q极间等离子放电辐射极间等离子放电辐射q荧光荧光第二代光源！n按封闭形式分类：按封闭形式分类：q开放式（空气中）开放式（空气中）q封闭式（密封泡壳中）封闭式（密封泡壳中）n气体放电形式：气体放电形式：q电弧放电：电弧放电：Electric arc discharge，阴极压降小、电流大，阴极压降小、电流大（A）q辉光放电：辉光放电：Glow discharge，阴极压降大、电流小（，阴极压降大、电流小

30、（mA）第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源753.3 3.3 气体放电光源气体放电光源http:/ arc discharge，阴极压降小、电流大，阴极压降小、电流大（A）两金属电极间电弧放电第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源763.3 3.3 气体放电光源气体放电光源http:/www.celnav.de/hv/hv4.htmn气体放电形式：气体放电形式：q电弧放电：电弧放电：Electric arc discharge，阴极压降小、电流大，阴极压降小、电流大（A）第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源773.3 3.3 气体放电光源气体放电光源http:/www.chemen

31、v.titech.ac.jp/watanabe/index-e.htmlhttp:/ discharge，阴极压降大、电流小（，阴极压降大、电流小（mA）第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源78碳弧灯碳弧灯n炭弧主要用于照明炭弧主要用于照明http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源79n气体灯是将电极间的放电过程密封在泡壳中进行，所以又叫封闭气体灯是将电极间的放电过程密封在泡壳中进行，所以又叫封闭式电弧放电光源。式电弧放电光源。n气体灯的特点是辐射稳定，功率大，且发光效率高。因此在照明、气体灯的特点是辐射稳定，功率大，且发光效率高。因此在照明、光度和光谱学中都起着很重要的作用。光度和光

32、谱学中都起着很重要的作用。n(1)(1)脉冲灯脉冲灯:这种灯的特点是在极短的时间内发出很强的光辐射。这种灯的特点是在极短的时间内发出很强的光辐射。3.3.2 3.3.2 气体灯气体灯 图3-12 脉冲灯原理封闭式电弧放电光源。http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源80n（Flashbulbs）单次闪光泡，它的持点是瞬时光强）单次闪光泡，它的持点是瞬时光强大、耗电少、体积小而携带方便等。用于早期闪光灯、大、耗电少、体积小而携带方便等。用于早期闪光灯、照明弹致盲弹、（短期）照明弹致盲弹、（短期）（2 2）燃烧式闪光泡）燃烧式闪光泡http:/en.wikipedia.org/wiki/Fl

33、ash_powderhttp:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源81n原子光谱灯又称空心阴极灯（原子光谱灯又称空心阴极灯（Hollow cathode lampHollow cathode lamp）n放电主要为阴极金属的原子光谱，谱宽可到放电主要为阴极金属的原子光谱，谱宽可到nmnm量级。量级。n用于元素的光谱分析当中用于元素的光谱分析当中（3 3）原子光谱灯）原子光谱灯http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源83汞灯n低压汞灯低压汞灯q汞汞灯灯在在低低压压放放电电时时主主要要辐辐射射二二条条共共振振辐辐射射线线：2532537nm7nm和和1851850nm0nm。所所谓谓共共振振

34、辐辐射射线线是是指指从从激激发发态态跃跃迁迁到到基基态态时时发发出出的的辐辐射。射。1.313Pa 汞蒸气压。q主主要要应应用用：杀杀菌菌灯灯、荧荧光光分分析析、光光谱谱仪仪波波长长基基准。准。n http:/xn- 3章章 光源及辐射源光源及辐射源84高压汞灯n当当汞汞灯灯内内的的蒸蒸气气压压达达到到1 15 5大大气气压压时时，汞汞灯灯电电弧弧的的辐辐射射光光谱谱就就会会产产生生明明显显变变化化，光光谱谱加加宽宽，出出现现弱弱的的连连续续光光谱谱，紫紫外外辐辐射射明明显显减减弱弱，而而可可见辐射增加见辐射增加.n高压汞灯的发光效率达高压汞灯的发光效率达641m641mw w，除供照明以外，

35、光学仪器、光化反，除供照明以外，光学仪器、光化反应、紫外线理疗、荧光分析；应、紫外线理疗、荧光分析；http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源85超高压汞灯（Ultra high pressure mercury lamp）n汞蒸汽达到汞蒸汽达到1010200200个大气压个大气压n亮度大，用于投影仪、探照灯、环境照明等光源亮度大，用于投影仪、探照灯、环境照明等光源http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源86氙灯n色温6000Kq长弧氙灯：电极距离15130cmq短弧氙灯：电极距离毫米量级，亮度极高q脉冲氙灯：电子闪光灯第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源87氙灯n色温6000K

36、q长弧氙灯：电极距离15130cmq短弧氙灯：电极距离毫米量级，亮度极高q脉冲氙灯：电子闪光灯http:/www.marcovw.nl/Motor/Xenon/xenon.htm第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源88Heraeus氘灯灯内充有氘气灯内充有氘气(10mmHg)10mmHg)。灯丝电压。灯丝电压VfVf2 210V10V、交流或直、交流或直流。起辉电压流。起辉电压VsVs300V300V直流稳压稳流电源供应。起辉后工作直流稳压稳流电源供应。起辉后工作电压电压 VaVa7070100V100V。工作电流。工作电流300mA300mA。氘灯的发光机理是：灯丝阴极发射的热电子在电场

37、加速下向氘灯的发光机理是：灯丝阴极发射的热电子在电场加速下向阳极运动与氘气分子实现非弹性碰撞而激发，从而辐射阳极运动与氘气分子实现非弹性碰撞而激发，从而辐射 氘分氘分子的连续光谱。子的连续光谱。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源89CreeCree的的测测试试结结果果表表明明，当当相相关关色色温温在在4579K4579K时时，LEDLED光效可达光效可达208lm/W208lm/W。(2009)(2009)第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源903.4 3.4 固体发光光源固体发光光源n电致发光灯，电致发光灯，Electroluminescent(EL)lamps，某种物质通入电流或

38、者在强电场作，某种物质通入电流或者在强电场作用下发光的现象，电能直接转换为光能。用下发光的现象，电能直接转换为光能。90第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源913.4 3.4 固体发光光源固体发光光源n 3.4.1 3.4.1 电致发光屏电致发光屏 当荧光材料在足够强的电场或电流作用下，被激发而发光当荧光材料在足够强的电场或电流作用下，被激发而发光构成电致光屏。按激发电源不同，又有交流和直流电致激发屏构成电致光屏。按激发电源不同，又有交流和直流电致激发屏两种。两种。91http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源92n发光屏两电极间距离很小，只有几十微米，所以即使在市电发光屏两电极间距离

39、很小，只有几十微米，所以即使在市电电压的作用下，也可得到足够高的电场强度；电压的作用下，也可得到足够高的电场强度；n高价电常数反射层可防止产生电弧高价电常数反射层可防止产生电弧交流粉末场致发光屏（交流粉末场致发光屏（Electroluminescent Display）http:/www.indiana.edu/hightech/fpd/papers/ELDs.html第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源963.4.3.4.2 2 发光二极管发光二极管(LED)(LED)第三代光源http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源973.4.3.4.2 2 发光二极管发光二极管n发光二极管：也

40、叫做注入型电致发光器件。是由发光二极管：也叫做注入型电致发光器件。是由P P型和型和N N型半导体组合型半导体组合而成的二极管。而成的二极管。n若在若在P PN N结上施加正向电压，大量的电子和空穴在结上施加正向电压，大量的电子和空穴在P PN N结中相遇复合，结中相遇复合，并以光和热的形式放出能量。并以光和热的形式放出能量。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源98电场的作用下半导体材料发光是基于电场的作用下半导体材料发光是基于电子能级跃迁电子能级跃迁的的原理。原理。导带中电子与价带中空穴复合时电子由高导带中电子与价带中空穴复合时电子由高能级跃到低能级，将多余的能量发射光子能级跃到低能级，

41、将多余的能量发射光子光子的能量取决于半导体材料的禁带宽度光子的能量取决于半导体材料的禁带宽度Eg。LED发光机理及发光光谱第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源99n(1)(1)亮度与电流关系亮度与电流关系:工作电流低于工作电流低于25mA25mA时，时，两者基本为线性关系；两者基本为线性关系；n(2)(2)响应速度极快，时间常数约为响应速度极快，时间常数约为l0l0-6-61 10 0-9 9s s;n(3)(3)正向电压很低，约正向电压很低，约2V2V左右左右;n(4)(4)小巧轻便、耐振动、寿命长小巧轻便、耐振动、寿命长(大于大于5000h);5000h);发光二极管的主要特点发光二极

42、管的主要特点第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源102 LEDLED的的发光光谱发光光谱指指LEDLED发出光的相对强度发出光的相对强度(或能量或能量)随波长随波长(或频率或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和发光强度的半宽度。和发光强度的半宽度。发光光谱和辐射效率发光光谱和辐射效率第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源103发发光光二二极极管管辐辐射射功功率率e e与与消消耗耗的的电电功功率率的的

43、比比值表示值表示辐射效率辐射效率峰值波长在峰值波长在925nm附近，附近，半宽度大约为半宽度大约为35nm。掺硅掺硅GaAs的发射光谱的发射光谱第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源104 发光二极管的时间响应快，短于发光二极管的时间响应快，短于1 1ss，比人眼，比人眼的时间响应要快得多。的时间响应要快得多。图图表表示示GaPGaP（绿绿色色）、GaPGaP（红红色色）、GaAsPGaAsP三三种种发发光光二二极极管管的的相相对对光光亮亮度度L Le,re,r与与温温度度t t的的关关系曲线。系曲线。通常发光二极管的外部发光通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。效率均随温度上升而

44、下降。时间响应特性与温度特性时间响应特性与温度特性第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源105随随着着发光光管管电流流密密度度的的增增加加，PNPN结的的温温度度升升高高，将将导致致热扩散散，使使发光光效效率率降低。降低。在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流在低工作电流下，发光二极管发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增加到一定值时，发光的增加而明显增加，但电流增加到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随工作电流的继续效率不再增加；相反，发光效率随工作电流的继续增加而降低。增加而降低。原因？原因？e)最大工作电流最大工作电流第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源106f)寿命寿

45、命n发发光光二二极极管管的的寿寿命命定定义义为为亮亮度度降降低低到到原原有有亮亮度度一一半半时时所所经经历历的的时间。时间。n二极管的寿命一般都很长，一般可达二极管的寿命一般都很长，一般可达10万小时（万小时（13.7年）以上。年）以上。n随随着着工工作作时时间间的的加加长长，亮亮度度下下降降的的现现象象叫叫老老化化。老老化化的的快快慢慢与与工工作作电电流流密密度度有有关关。随随着着电电流流密密度度的的加加大大，老老化化变变快快，寿寿命命变变短。短。第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源108目前常用的几种发光二极管及特点目前常用的几种发光二极管及特点n1.1.磷化镓磷化镓 (GaPGaP)

46、发光二极管发光二极管:q在磷化镓中掺入锌和氧时，所形成的复合物可发红光、发光中在磷化镓中掺入锌和氧时，所形成的复合物可发红光、发光中心波长为心波长为0.69m0.69m，其带宽为，其带宽为0.1m0.1m。q当掺入锌和氮时，器件可发绿光，其发光的中心波长为当掺入锌和氮时，器件可发绿光，其发光的中心波长为0.5650.565m m，而带宽约为，而带宽约为0.035m0.035m磷砷化镓发光二极管的伏安特性曲线磷砷化镓发光二极管的伏安特性曲线第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源109n砷化镓发光二极管的发光效率较高。反向耐压约为砷化镓发光二极管的发光效率较高。反向耐压约为5V5V，正向交变电压

47、约为，正向交变电压约为1.2V1.2V。该二极管发出近红外光，中。该二极管发出近红外光，中心波长为心波长为0.94m0.94m，带宽为，带宽为0.04m0.04m。n当温度上升时，辐射波长向长波方向移动。当温度上升时，辐射波长向长波方向移动。n脉冲响应快脉冲响应快，约为几约为几纳纳秒秒 所以能产生高频调制的光束，所以能产生高频调制的光束，这使它的应用十分广泛。如用于光纤通讯、红外夜视等这使它的应用十分广泛。如用于光纤通讯、红外夜视等多种领域中。多种领域中。砷化镓砷化镓 (GaAsGaAs)发光二极管发光二极管第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源110n当磷砷化镓的材料含量比不同时，发光光谱

48、可出当磷砷化镓的材料含量比不同时，发光光谱可出0.565m0.565m变化到变化到0.9lm0.9lm。可以制成不同发光颜色的发光二极管。可以制成不同发光颜色的发光二极管磷砷化镓磷砷化镓 (GaAs1-x_Px)(GaAs1-x_Px)发光二极管发光二极管第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源111将将LEDLED接接入入到到晶晶体体三三极极管管的的集集电极极，通通过调节三三极极管管基基极极偏偏置置电压，可可获得得需需求求的的辐射射光光功率。功率。在在光光通通信信中中以以LEDLED为光光源源的的场合合，需需要要对LEDLED进行行调制制，则调制制信信号号通通过电容容耦耦合合到到基基极极，输

49、出光功率出光功率则被被电信号所信号所调制。制。LED的驱动电路第第3 3章章 光源及辐射源光源及辐射源112通通过加入加入荧光物光物质获得多个波得多个波长输出出发发光光效效率率高高，不不发发热热，寿寿命命1万万小小时时，不不含汞，第三代光源！含汞，第三代光源！White light LEDhttp:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源113Organic Light-Emitting Diode用于显示、照明用于显示、照明 有机发光二极管（OLED）与与LCD相比，相比，OLED显示屏具有以显示屏具有以下优点：下优点：更薄的外形更薄的外形更宽的视角更宽的视角更快的响应速度更快的响应速度更低功耗

50、更低功耗更好的色域和色彩还原更好的色域和色彩还原更高的对比度和更宽的工作温度范更高的对比度和更宽的工作温度范围围http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源114Organic Light-Emitting Diode用于显示、照明用于显示、照明 有机发光二极管（OLED）http:/ 3章章 光源及辐射源光源及辐射源1153.5 3.5 激光光源激光光源n特点：特点：q(1)(1)极小的光束发散角；极小的光束发散角；q(2)(2)激光的单色性好；激光的单色性好；q(3)(3)激光的输出功率密度很高激光的输出功率密度很高n分类：分类：q(1)(1)气体激光器气体激光器;q(2)(2)固体激光