1、第一章 光電系統(tǒng)的常用光源,緒論 1.1 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 1.2 輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 1.3 熱輻射光源 1.4 氣體放電光源 1.5 激光器 1.6 發(fā)光二極管(LED),緒論光源的定義：一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源,天然光源：自然界中存在的發(fā)光體 人造光源：人為地將各種形式的能量（如電能、熱能、化學(xué)能等）轉(zhuǎn)化成光輻射的器件,電磁波譜,按照發(fā)光機(jī)理， 光源的分類(lèi)：,需要了解各類(lèi)光源的發(fā)光機(jī)理、重要特性、適用場(chǎng)合，以便正確選用光源。,1.1 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),光具有波粒二象性微觀世界中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特征 1. 麥克斯韋方程: 介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系：介質(zhì)的電磁性方程或物質(zhì)方程 2. 波動(dòng)方程： 3

2、. 電磁波的有關(guān)性質(zhì): 1) 光是某一波段的電磁波，是一種橫電磁波 2) 時(shí)諧變電磁場(chǎng)的概念：復(fù)數(shù)表示法 亥姆霍茲方程,一、光子的基本性質(zhì),一）、光的波動(dòng)學(xué)說(shuō),光是一種橫電磁波,對(duì)人眼和感光儀器起作用的是 E ，光波中的振動(dòng)矢量通常指E 。,3) 在介質(zhì)的界面上發(fā)生反射、折射現(xiàn)象 4）在傳播中：遵循獨(dú)立傳播原理 出現(xiàn)干涉、衍射、偏振現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn)測(cè)得光在真空中的傳播速度為C 光的獨(dú)立傳播原理：幾列波在空間某點(diǎn)相遇后，仍保持各自的特性（即頻率、波長(zhǎng)、振幅、偏振）不變，按照各自原來(lái)的方向繼續(xù)傳播，相遇點(diǎn)的電場(chǎng)為各波在該點(diǎn)單獨(dú)作用的電場(chǎng)的矢量和。 5) 偏振（極化）現(xiàn)象 線偏振波：在光傳播的過(guò)程中，若場(chǎng)

3、量始終在某一特殊的平面內(nèi)沿一個(gè)方向振動(dòng)，就叫平面偏振波。 自然光：包含各個(gè)方向上平均振幅相等的電場(chǎng)矢量的光 部分偏振光=非偏振光+偏振光,6) 干涉現(xiàn)象：光的波動(dòng)性主要標(biāo)志之一：兩列波疊加后產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 光的干涉本質(zhì)：光強(qiáng)重新分配。 兩列波產(chǎn)生干涉的條件是：頻率相同、相位相同或相位差恒定、振動(dòng)方向相同。 II1+I2: 干涉相長(zhǎng) II1+I2: 干涉相消 證明光相干性的方法有： 波前分割法 幅度分割法,7) 衍射現(xiàn)象 在光的傳播方向上，放置一不透明的障礙物，光繞過(guò)此障礙物，進(jìn)入幾何陰影區(qū)的現(xiàn)象就叫衍射。或者說(shuō)：光的衍射是指光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，所發(fā)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象。 兩個(gè)主要特

4、點(diǎn)： 光波傳播方向會(huì)變，產(chǎn)生繞射 在幾何陰影區(qū)附近，波的強(qiáng)度會(huì)有起伏。 衍射現(xiàn)象可分為： 夫瑯和費(fèi)衍射 菲涅爾衍射,干涉與衍射的聯(lián)系 相同之處：光的衍射現(xiàn)象與光的干涉現(xiàn)象其實(shí)質(zhì)都是相干光波疊加引起的光強(qiáng)的重新分布； 不同之處：光的干涉現(xiàn)象是有限個(gè)相干光波疊加的結(jié)果，光的衍射則是無(wú)限多個(gè)相干光波的疊加的結(jié)果。,電磁波譜,頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系:,-真空中的光速,頻段（波長(zhǎng)）劃分,頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (kHz) 3 30 甚低頻(VLF) 遠(yuǎn)程導(dǎo)航、水下通信 (10-100 km)聲納、授時(shí) 30 300 低頻(LF) 導(dǎo)航、水下通信 (1-10 km)無(wú)線電信標(biāo) 300 3000 中頻(MF)

5、 廣播、海事通信、 (100-1000m) 測(cè)向、遇險(xiǎn)求救、 海岸警衛(wèi),頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (MHz) 3 30 高頻(HF) 遠(yuǎn)程廣播、電報(bào)、電話、飛機(jī) (10-100m) 與船只間通信、船岸通信、 業(yè)余無(wú)線電 30 300 甚高頻(VHF) 電視、調(diào)頻廣播、陸地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽車(chē)、 警察、導(dǎo)航、飛機(jī)通信 300 3000 特高頻(UHF) 電視、蜂窩網(wǎng)、微波鏈路、 (分米波） 無(wú)線電探空儀、導(dǎo)航、衛(wèi)星 通信、GPS、監(jiān)視雷達(dá)、 無(wú) 線電高度計(jì),頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (GHz) 3 30 超高頻(HF) 衛(wèi)星通信、無(wú)線電高度計(jì)、 （厘米波） 微波鏈路、機(jī)載

6、雷達(dá)、氣象 雷 達(dá)、公用陸地移動(dòng)通信 30 300 極高頻(VHF) 鐵路業(yè)務(wù)、雷達(dá)著陸系統(tǒng)、 （毫米波） 實(shí)驗(yàn)用 300 3000 亞毫米波 實(shí)驗(yàn)用 （0.1 1 mm）,頻率范圍 名 稱 典型應(yīng)用 (THz) 43 430 紅外線 光通信系統(tǒng) (7 0.7 m) 430 750 可見(jiàn)光 光通信系統(tǒng) (0.7 0.4 m) 750 3000紫外線光通信系統(tǒng) (0.4 0.1 m) 注：kHz = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz, THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m, m = 10-6 m,1.光子的基本屬性： 1）光子具有能量:= h

7、2）光子具有動(dòng)量:P = hn0/ 3）光子具有質(zhì)量: 靜態(tài)質(zhì)量： m0 = 0 動(dòng)態(tài)質(zhì)量： m= / c2 4）光子具有兩種可能的獨(dú)立偏振狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于光波場(chǎng)的兩個(gè)獨(dú)立偏振態(tài) 5）光子還具有自旋等特性，并且自旋量子數(shù)為整數(shù), 大量光子的集合服從玻色愛(ài)因斯坦分布。,光子的自旋,二）、光子學(xué)說(shuō),上述基本關(guān)系式后來(lái)為康普頓(Arthur Compton)散射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)(1923年)，并在現(xiàn)代量子電動(dòng)力學(xué)中得到理論解釋。 量子電動(dòng)力學(xué)從理論上把光的電磁(波動(dòng))理論和光子(微粒)理論在電磁場(chǎng)的量子化描述的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來(lái)，從而在理論上闡明了光的波粒二象性。在這種描述中，任意電磁場(chǎng)可看作是一系列單色平面電磁

8、波(它們以波矢k為標(biāo)志)的線性疊加，或一系列電磁被的本征模式(或本征狀態(tài))的疊加。但每個(gè)本征模式所具有的能量是量子化的，即可表為基元能量hv1的整數(shù)倍。本征模式的動(dòng)量也可表為基元?jiǎng)恿縣k1的整數(shù)倍。這種具有基元能量hv1和基元?jiǎng)恿縣k1的物質(zhì)單元就稱為屬于第L個(gè)本征模式(或狀態(tài))的光子。具有相同能量和動(dòng)量的光子彼此間不可區(qū)分，因而處于同一模式(或狀態(tài))。每個(gè)模式內(nèi)的光子數(shù)目是沒(méi)有限制的。 從上面的敘述已經(jīng)可以看出，按照量子電動(dòng)力學(xué)概念，光波的模式和光子的狀態(tài)是等效的概念。 現(xiàn)在再?gòu)牧Ｗ拥挠^點(diǎn) 闡明光子狀態(tài)的概念：,三）、光的粒子性和波動(dòng)性的統(tǒng)一：利用量子電動(dòng)力學(xué)的理論，將電磁場(chǎng)量子化。,在經(jīng)典

9、力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全由其坐標(biāo)(x，y，z)和動(dòng)量(Px Py Pz)確定。我們可以用廣義笛卡兒(Cartesian)坐標(biāo)x、y、 z、Px Py Pz所 支撐的六維空間來(lái)描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種六維空間稱為相空間，相空間內(nèi)的一點(diǎn)表示質(zhì)點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)宏觀質(zhì)點(diǎn)沿某一方向(例如：x軸)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的狀態(tài)變化對(duì)應(yīng)于二維相空間(x，Px)的一條連續(xù)曲線，如圖1.1.2所示。 但是，光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和經(jīng)典宏觀質(zhì)點(diǎn)有著本質(zhì)的區(qū)別，它受量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的制約。測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表明：微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定，位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就越測(cè)不準(zhǔn)。對(duì)于一維運(yùn)動(dòng)情況測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表示為 xPxh 上式意味著處于

10、二維相空間面積元xPxh之內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在物理上是不可區(qū)分的，因而它們應(yīng)屬于同一種狀態(tài)。,四）、光子態(tài)從微觀粒子性來(lái)討論,在三維運(yùn)動(dòng)情況下，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系為 xyzPxPyPzh3 （1） 故在六維相空間中，一個(gè)光子態(tài)對(duì)應(yīng)(或占有)的相空間體積元為 xyzPxPyPzh3 （2） 上述相空間體積元稱為相格。相格是相空間中用任何實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小尺度。 說(shuō)明：光子的某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能定域在一個(gè)相格中，但不能確定它在相格內(nèi)部的精確位置！ 于是我們看到，微觀粒子和宏觀質(zhì)點(diǎn)不同，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在相空間中不是對(duì)應(yīng)一點(diǎn)而是對(duì)應(yīng)一個(gè)相格。這表明微觀粒子運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性。僅當(dāng)所考慮的運(yùn)動(dòng)物體的能量和動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由普朗

11、克常數(shù)h所標(biāo)志的量hv和hk，以致量子化效應(yīng)可以忽略不計(jì)時(shí)，量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)才過(guò)渡到經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)。,相格空間體積：一個(gè)相格所占的坐標(biāo)空間體積。,五）、光波模式與光子狀態(tài)的關(guān)系：等效。,一個(gè)光波模即是一個(gè)光子態(tài)，在波矢空間中占據(jù)一個(gè)體積 一個(gè)光子態(tài)在六維相空間中占據(jù)一個(gè)相格 一個(gè)相格或一個(gè)光子態(tài)內(nèi)的光子不可區(qū)分。,二、光子的相干性和光子簡(jiǎn)并度,一）、光的相干性的分類(lèi),（1）時(shí)間相干性：波場(chǎng)中同一點(diǎn)不同時(shí)刻光波場(chǎng)特性的相關(guān)性。此相干性來(lái)源于原子發(fā)光的間斷性。,描述時(shí)間相干性的等效物理量：,相干時(shí)間：,相干長(zhǎng)度：,譜線寬度：,（2）空間相干性：波場(chǎng)中不同點(diǎn)在同一時(shí)刻光波場(chǎng)特性的相關(guān)性。此相干性來(lái)源于光源

12、中不同原子發(fā)光的獨(dú)立性。,說(shuō)明：對(duì)干涉場(chǎng)空間分布的縱向范圍進(jìn)行限制，其限制程度用相干長(zhǎng)度Lc表示,二）、相干性的粗略描述相干體積,相干體積Vc：若在空間體積Vc內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則Vc稱為相干體積。楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),相干面積:,事例:雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的條紋可見(jiàn)度要高,必須要求光波有明顯的相干性,即要滿足:,物理意義:光源的線度 不能大于 !,說(shuō)明：對(duì)干涉場(chǎng)空間分布的橫向范圍進(jìn)行限制，其限制程度用相干面積Ac表示,楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),則相干面積為：,說(shuō)明：R、 固定時(shí)， 越大，則相干面積Ac越小。,則光源面積為：,物理意義：要使傳播方向（波矢 ）限于張角 的光波具有明顯的相干性，則光

13、源面積必須小于 ，此即為光源的相干面積。,則光源的相干體積滿足：,物理意義:要使傳播方向限于 以內(nèi)并有頻帶寬度 的光波明顯相干，則光源的體積應(yīng)限制在 以內(nèi)。,屬于同一光子態(tài)的光子是相干的，應(yīng)包含在相干體積內(nèi)，相格空間體積等于光源的相干體積。,證明： 較小時(shí)，x, y方向的動(dòng)量不確定范圍是：,又因?yàn)椋?所以：,所以：,代入式子 得：,剛好是光源的相干體積！,相格空間體積=一個(gè)光波?；蚬庾討B(tài)占有的空間體積=光源的相干體積。,結(jié)論,相同光子態(tài)或光波模式的光子是相干的，不同光子態(tài)或不同光波模式的光子是不相干的。,二）、光子簡(jiǎn)并度,1、對(duì)好的相干光源的衡量標(biāo)準(zhǔn),盡可能高的相干光強(qiáng)，足夠大的相干面積，足夠

14、長(zhǎng)的相干時(shí)間（或相干長(zhǎng)度）。,普通光源的缺陷：增大相干面積、相干長(zhǎng)度與增大相干光強(qiáng)是矛盾的！,激光光源：是把大的相干光強(qiáng)與好的相干性結(jié)合起來(lái)的強(qiáng)相干光源。,2、相干光強(qiáng)：是描述光的相干性的參量之一，其大小取決于具有相干性的光子數(shù)的數(shù)目或同態(tài)光子的數(shù)目。,3、光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子狀態(tài)的光子數(shù)目。用 表示。,4、相干光強(qiáng)與光子簡(jiǎn)并度的關(guān)系：相干光強(qiáng)的大小取決于光子簡(jiǎn)并度的大小，光子簡(jiǎn)并度越大，則相干光強(qiáng)越大。,5、光子簡(jiǎn)并度的等效含義,光子簡(jiǎn)并度 =同態(tài)光子數(shù)=同一光波模式內(nèi)的光子數(shù)=同一相干體積內(nèi)的光子數(shù)=同一相格內(nèi)的光子數(shù)。 6、光波的模 一種光波的模式代表著具有一定偏振、一定的傳播方向，

15、一定的頻率和一定的壽命的光波。,為了對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需要引入計(jì)量光輻射的物理量。而對(duì)于光輻射的探測(cè)和計(jì)量，存在著輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。 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。其基本單位是瓦特(W)或者焦耳（J）。輻度學(xué)適用于整個(gè)電磁波段。 光度單位體系是一套反映視覺(jué)亮暗特性的光輻射計(jì)量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其基本單位是坎德拉。光度學(xué)只適用于可見(jiàn)光波段。 以上兩類(lèi)單位體系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)。下面分別介紹這兩套單位體系中的物理量。, 1.2 光能量的量度單位, 1.2光

16、能量的量度單位:輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),一、輻射度的基本物理量 介紹光輻射的一套計(jì)量單位 1.輻射能 單位為J（焦耳） 輻射能是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的電磁波能量。 當(dāng)輻射能被其它物質(zhì)吸收時(shí)，可轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，如：熱、?h是普朗克常數(shù)，是光的頻率，與光速c、波長(zhǎng)之間都是可換算的. 輻射能即可以表示輻射源發(fā)出的電磁波的能量，也可以表示被輻射表面接收到的電磁波的能量。 輻射功率以及由它派生出來(lái)的幾個(gè)輻射度學(xué)中的物理量，屬于基本物理量。它們的量值都可以用專門(mén)的紅外輻射計(jì)在離開(kāi)輻射源一定的距離上進(jìn)行測(cè)量。所以其他輻射量都是由輻射功率（或稱為輻射通量）定義的。,2.輻射通量 又稱輻射功率

17、 定義為單位時(shí)間內(nèi)向所有方向發(fā)射的能量，對(duì)于電磁波的傳播，描述單位時(shí)間通過(guò)某考察面A的輻射能，即 輻射通量的單位是瓦特(W)或焦耳/秒(J/s) ，與A的大小、位置及t有關(guān)。,3.輻（射）出（射）度 Me 輻射出射度Me是用來(lái)反映物體（面光源表面）輻射能力的物理量。 定義為輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射通量，即 單位是W/m2。 Me是面元位置的函數(shù)，面輻射源上不同點(diǎn)可有不同的Me值。,4.輻射照（亮）度 在輻射接收面上的輻射照度Le定義為照射在單位面元上的輻射通量de，即 單位是W/m2。 與出射度一樣， Le也是面元的位置函數(shù)，輻射接收面上不同點(diǎn)可有不同的Le值。,5.輻射強(qiáng)度 描述點(diǎn)輻

18、射源的輻射功率在不同方向上的分布。輻射強(qiáng)度的單位是瓦特每球面度 (Wsr-1) 定義為：點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，即,一般輻射源多為各向異性的，即 多隨（， ）而改變。,補(bǔ)充：立體角的概念：,在光輻射測(cè)量中，常用的幾何量就是立體角。立體角涉及到的是空間問(wèn)題。任一光源發(fā)射的光能量都是輻射在它周?chē)囊欢臻g內(nèi)。因此，在進(jìn)行有關(guān)光輻射的討論和計(jì)算時(shí)，也將是一個(gè)立體空間問(wèn)題。與平面角度相似，我們可把整個(gè)空間以某一點(diǎn)為中心劃分成若干立體角。,定義:一個(gè)任意形狀椎面所包含的空間稱為立體角。符號(hào)： 單位：Sr （球面度）,如圖所示，A是半徑為R的球面的一部分，A的邊緣各點(diǎn)對(duì)球心O連

19、線所包圍的那部分空間叫立體角。 立體角的數(shù)值為部分球面面積A與球半徑平方之比，即,單位立體角：以O(shè)為球心、R為半徑作球，若立體角截出的球面部分的面積為R2，則此球面部分所對(duì)應(yīng)的立體角稱為一個(gè)單位立體角，或一球面度。 對(duì)于一個(gè)給定頂點(diǎn)O 和一個(gè)隨意方向的微小面積dS ，它們對(duì)應(yīng)的立體角為 其中為dS 與投影面積 dA的夾角，R為O 到dS中心的距離。,例,1、球面所對(duì)應(yīng)的立體角：根據(jù)定義 全球所對(duì)應(yīng)的立體角 (全球所對(duì)應(yīng)的立體角是整個(gè)空間，又稱為4空間.) 同理，半球所對(duì)應(yīng)的立體角為2空間。 補(bǔ)充完畢！,由輻射強(qiáng)度的定義可知，如果一個(gè)置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點(diǎn)輻射體向所有方向發(fā)射的總輻射通量是

20、e，則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度Ie是常量，有,點(diǎn)輻射源： （相對(duì)概念）輻射源與觀測(cè)點(diǎn)之間距離大于輻射源最大尺寸10倍時(shí)，可當(dāng)做點(diǎn)源處理，否則稱為擴(kuò)展源（有一定面積）.,由輻射通量和輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系式我們知道，一個(gè)輻射強(qiáng)度為1Wsr-1的點(diǎn)光源，總輻射通量等于4W。 現(xiàn)在假如有一個(gè)以這個(gè)點(diǎn)光源為球心，半徑為1m的球面包圍這個(gè)點(diǎn)光源，則該球面上的輻射照度恰好等于lW/m2。用這樣的假想球面不難求得輻射強(qiáng)度為Ie在距離R處的輻射照度為,這一結(jié)果表明，一個(gè)均勻點(diǎn)光源在空間一點(diǎn)的輻射照度與該光源的輻射強(qiáng)度成正比，與距離平方成反比。,6.輻射亮度Be: 描述面輻射源沿不同方向的輻射能力的差異。 輻

21、射亮度Be定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量，如圖所示。,式中是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。輻射亮度的單位是瓦特/球面度米2(W/srm2)。是面元位置和輻射方向（，）的函數(shù)。,投影面積為：dScos,顯然一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方向有關(guān)。但是有些輻射體的輻射強(qiáng)度在空間方向上的分布滿足： 式中I0是面元dS沿其法線方向的輻射強(qiáng)度。符合上式規(guī)律的輻射體稱為余弦輻射體或朗伯體。余弦輻射體的輻射亮度為 可見(jiàn)余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角無(wú)關(guān)。 余弦輻射體的輻射出射度為,6.光譜輻射量，又叫單色輻射度量 輻射源所發(fā)射的能量往往由很多波長(zhǎng)的單色輻射所組成。 光譜輻射量是該輻射量在波

22、長(zhǎng)出的單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的大小，又叫輻射量的光譜密度，輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。,光譜輻射通量 與波長(zhǎng)的關(guān)系,其它輻射度量都有類(lèi)似關(guān)系。,總輻射通量為,二、光度的基本物理量： 介紹反映視覺(jué)亮暗特性的一套計(jì)量單位 光度量：輻射量對(duì)人眼視覺(jué)的刺激值。 是主觀的，不管輻射量大小，以看到為 準(zhǔn)。 光譜光視效率是評(píng)定該刺激值的參數(shù)。,1.光譜光視效率V(),又叫視見(jiàn)函數(shù)：定量地描述人眼對(duì)各種光波長(zhǎng)輻射能的相對(duì)敏感度 可見(jiàn)光范圍：0.380.78m,詳見(jiàn)表1.1,光度量與輻射度量之間的關(guān)系可用視見(jiàn)函數(shù)表示。 視見(jiàn)函數(shù)描述某一波長(zhǎng)的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色光通量， 光譜光視效能：同一波長(zhǎng)下所測(cè)出的光通量

23、與輻射通量之比 單位是流明/瓦特(lm/W)。 lm是光通量的單位，定義波長(zhǎng)為555nm的單色輻射功率為0.0015W的光通量為1lm。 通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者的實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 日間視見(jiàn)函數(shù):K()MAX 683 lm/W 夜間視見(jiàn)函數(shù):K()MAX 1725 lm/W,光譜光視效率V() ：某一波長(zhǎng)的光譜光視效能與最大光譜光視效能之比 V()是K()歸一化的結(jié)果，其定義為:,2.光度量 光度量與輻射度量是一一對(duì)應(yīng)的。 輻射度量是客觀物理量， 光度量體現(xiàn)了人的視覺(jué)特性。,1）光能 單位：lms（流明秒） 2）光通量 單位：lm （流明） 3）發(fā)光強(qiáng)度 單位：cd（坎德拉） 發(fā)光強(qiáng)度 是光度量中最基本

24、的單位。,光度量的單位是國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)規(guī)定的。在光度單位體系中，被選作基本單位的不是相應(yīng)的光量或光通量而是發(fā)光強(qiáng)度，其單位是坎德拉（cd)。 坎德拉不僅是光度體系的基本單位，而且也是國(guó)際單位制(SI)的七個(gè)基本單位之一。 它的定義是“在明視覺(jué)時(shí)，一個(gè)光源發(fā)出頻率為5401012Hz(=555nm)的單色輻射，若在一給定方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W/sr，則該光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd”。即：,也即：1W = 683 lm 此時(shí)，V(）=1,時(shí)，,V(）1 1W 683 lm,可見(jiàn)，輻射通量與光通量之間的換算關(guān)系： 1W = 683 V(）lm ，定義：Km = 683 lm

25、 /W,有關(guān)系式：,4）光出射度 與光亮度,單位：lm /m2,單位： cd/m2 實(shí)用單位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2,例1-1 已知某He-Ne激光器（波長(zhǎng)為632.8nm) 的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？ 解 v,=K,ee,=KmV()e, =6830.24310-3 =0.492(lm),5)光照度,單位：lx（勒克斯） 1lx = 1lm/m2,普適關(guān)系式：,三、光源的輻射效率與發(fā)光效率,輻射效率,發(fā)光效率,單位： lm/W,常用輻度量和光度量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,1. 光度量的定義和輻射度量的定義只一字之差，“輻射”“光”。 2. 從表達(dá)式可直接說(shuō)

26、出定義及物理意義 3. 從表達(dá)式可直接說(shuō)出單位 4. 出射度和照度的表達(dá)式相同、單位也相同，注意一個(gè)是發(fā)射，一個(gè)是接收。,注:,三個(gè)發(fā)射量的區(qū)別和關(guān)系,通常物體以兩種不同的形式輻射能量： 熱輻射: 凡是高于0K的物體都具有輻射能力。這種由于由于內(nèi)部原子、分子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。即物體靠加熱保持一定溫度使內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的輻射形式為物體熱輻射。凡能發(fā)射連續(xù)光譜（波長(zhǎng)自遠(yuǎn)紅外區(qū)延伸到紫外區(qū)），且輻射是溫度的函數(shù)的物體叫熱輻射體（光源），如：動(dòng)、植物，太陽(yáng)，白熾燈。 發(fā)光：物體不靠加熱保持溫度而持續(xù)輻射，而靠外能激發(fā)輻射。非連續(xù)光譜，且輻射不是溫度的函數(shù)。, 1.3 熱輻射光源

27、,本節(jié)主要介紹：,一、熱輻射基本定律 二、熱輻射光源,一、熱輻射基本定律,1、單色吸收比和單色反射比 對(duì)一個(gè)物體來(lái)說(shuō)，除了本身能發(fā)射電磁波以外，對(duì)外來(lái)的電磁波，既可能吸收，也可能反射和透射（透射對(duì)透明體才存在）。 （單色）光譜吸收比(，T)： 在溫度T時(shí)，對(duì)波長(zhǎng)在+d范圍內(nèi)的輻射能來(lái)說(shuō)，吸收的能量與總?cè)肷淠芰恐确Q為光譜吸收比，也叫光譜吸收因數(shù)。 （單色）光譜反射比(，T)： 反射的能量與總能量之比稱為光譜反射比（光譜反射因數(shù)） 單色吸收比和單色反射比隨具體物體不同，或表面不同而不同。 兩個(gè)比的關(guān)系為：,黑體,一個(gè)開(kāi)有小孔的封閉空腔可看作是黑體。,絕對(duì)黑體: 在任何溫度下對(duì)任何波長(zhǎng)的入射輻射都

28、完全吸收（即吸收比都等于1）的物體理想模型。 對(duì)于外來(lái)的輻射，物體有反射和吸收作用 能完全吸收從任何方向入射的各種波長(zhǎng)的輻射，且在某一溫度下任一方向上所有波長(zhǎng)下都有最大輻射功率的物體。 黑體是余弦輻射體。 灰體：對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收比雖然小于1，但近似為一常數(shù)（黑度），這種物體稱為灰體。如：金屬材料,2. 基爾霍夫定律（1869）：,一個(gè)物體的輻射出射度與其光譜吸收比之間存在一定的關(guān)系：?jiǎn)紊椛涑錾涠萂(,T)大的物體，其光譜吸收比(，T)也大，但比值則是一個(gè)與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)的常量C，僅由物體的溫度、波長(zhǎng)決定。,定律：任何物體的單色輻出度和單色吸收之比，等于同 一溫度時(shí)絕對(duì)黑體的單色輻出度： 推論：

29、物體的光譜發(fā)射率總正比于其光譜吸收比，即：強(qiáng)吸收體必然是強(qiáng)發(fā)射體。故黑體有最強(qiáng)的熱輻射能力,3.普朗克輻射公式： （1900年）,Planck assumption:,黑體可看作一組連續(xù)振動(dòng)的帶電諧振子，這些諧振子的能量應(yīng)取分立值，這些分立值都是最小能量的整數(shù)倍，這些分立的能量稱為諧振子的能級(jí)。,可見(jiàn)：黑體與輻射場(chǎng)交換能量只能以為單位進(jìn)行，亦即黑體吸收或發(fā)射電磁輻射能量的方式是不連續(xù)的，只能“量子”式地進(jìn)行，每個(gè)“能量子”的能量為:,Planck-德國(guó)物理學(xué)家，,黑體處于溫度T時(shí)，單色輻射出射度為：,其中：,式中，c是光速，h是普朗克常數(shù)，k是波爾茲曼常數(shù)。 表明：黑體光譜輻射出射度是波長(zhǎng)、熱

30、力 學(xué)溫度的函數(shù)。,基于能量子假設(shè)，Planck利用統(tǒng)計(jì)物理推導(dǎo)出與實(shí)驗(yàn)符合得很好的黑體輻射公式Planck公式：,注：Planck的“能量子”假說(shuō)與經(jīng)典物理中振子的能量是連續(xù)的相抵觸?？梢?jiàn)，Planck理論突破了經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的束縛，打開(kāi)了認(rèn)識(shí)光的粒子性的大門(mén)，開(kāi)創(chuàng)了近代物理的新紀(jì)元。,1918年P(guān)lanck獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,4. 斯忒藩（斯蒂芬）-玻耳茲曼定律,利用Plank公式對(duì)波長(zhǎng)求積分，得到絕對(duì)黑體在一定溫度下的總輻出度： 其中：為斯忒藩常數(shù)，其值為： 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(wú)關(guān)。,5. 維恩位移定律,利用Plank公式對(duì)波長(zhǎng)求微商后令

31、其等于零，得到絕對(duì)黑體的最大光譜輻出度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系： （m) 表明：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)， 向短波（高頻）方向移動(dòng)。,維恩常數(shù),絕對(duì)黑體的溫度決定了它的輻射光譜分布,根據(jù)此定律，只要知道了黑體的溫度，就能直接得到黑體最大輻射出射度對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)。 絕對(duì)黑體溫度與輻射出射度峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)值,小結(jié)：,以上三個(gè)定律分別表示了絕對(duì)黑體總輻射出射度 ( 分布曲線下的面積 )、峰值波長(zhǎng)、峰值波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的輻射出射度峰值與絕對(duì)溫度的關(guān)系。,1、對(duì)應(yīng)任意溫度，單色輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值；對(duì)應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下面的面積

32、）。 2、單色輻射出射度均隨溫度的升高而增大。 3、單色輻射出射度的峰值均隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。,6.色溫；相關(guān)色溫的概念,為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫這個(gè)量，單位為K。 色溫：絕對(duì)黑體的溫度決定了它的輻射光譜分布，以黑體作為標(biāo)準(zhǔn)光源，其他熱輻射光源所發(fā)射光的顏色如果與黑體在某一溫度下的輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該熱輻射光源的色溫。 相關(guān)色溫：如果熱輻射光源發(fā)光的顏色與任何溫度下的黑體輻射光的顏色都不相同，就以與發(fā)光顏色最相近的黑體溫度作為它的相關(guān)色溫。,例 1、 若可以將人體作為黑體，正常人體溫為36.5，（1）試計(jì)算正常人體所發(fā)出的輻射出射度為多少

33、W/m2？（2）正常人體的峰值輻射波長(zhǎng)為多少m？峰值光譜輻射出射度Me,s,m為多少？（3）人體發(fā)燒到38時(shí)峰值輻射波長(zhǎng)為多少？發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度Me,s,m又為多少？ 解 （1）人體正常體的絕對(duì)溫度為T(mén)=36.5+273=309.5K，根據(jù)斯特藩-波爾茲曼輻射定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射度為,（2）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長(zhǎng)為,峰值光譜輻射出射度為,（3）人體發(fā)燒到38時(shí)峰值輻射波長(zhǎng)為,發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度為,(m)=9.36m,Wcm-2m-1,=3.72 Wcm-2m-1,=3.81Wcm-2m-1,由Planck公式及上式得：,例2 將標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈為黑體時(shí)，試

34、計(jì)算它的峰值輻射波長(zhǎng)，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。 解: 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的溫度為T(mén)W=2856K，因此它的峰值輻射波長(zhǎng)為,峰值光譜輻射出射度為,總輻射出射度為,(m),=1.3092856510-15,=248.7Wcm-2m-1,二、熱輻射光源,一）、理想的熱輻射光源 (，T)=1 絕對(duì)黑體 透射比或反射比皆為0,在熱平衡條件下,絕對(duì)黑體熱輻射能力最強(qiáng)。,發(fā)光機(jī)理：由于內(nèi)部原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變而來(lái)的輻射,特征：輻射光譜是連續(xù)光譜,普朗克公式,維恩位移定律,斯蒂芬玻爾茲曼定律,隨著溫度T的升高， 峰值波長(zhǎng) 向短波方向移動(dòng)， 總出射度 迅速增加。,絕對(duì)黑體的溫度決定了它的輻射光譜分布,色

35、溫；相關(guān)色溫,1.太陽(yáng)與黑體輻射器,二、實(shí)際的熱輻射光源,太陽(yáng)的光譜分布,非常接近于絕對(duì)黑體,太陽(yáng)：直徑為1.392 109 m的光球。它到地球的年平均距離是1.496 1011 m。因此從地球上觀看太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的張角只有0.533。,大氣層外的太陽(yáng)光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01107Wm-2sr-1，平均亮度為1.95109cdm-2。,科學(xué)制作的小孔空腔結(jié)構(gòu)，可以很好地實(shí)現(xiàn)絕對(duì)黑體的輻射功能。 常用作標(biāo)準(zhǔn)光源，最高工作溫度是3000K。,黑體輻射器（黑體模擬器） 在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這

36、種輻射源常稱為黑體模擬器。,白熾燈 是光電測(cè)量中最常用的光源之一。發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見(jiàn)光譜段中部和黑體輻射曲線相差約0.5%，而在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，其使用重現(xiàn)成功率高，發(fā)光特性穩(wěn)定，廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。,白熾燈的光參數(shù)（光通量、光效）、電參數(shù)（燈電壓v、電流I、功率P、電阻R）和壽命之間有著密切的關(guān)系。對(duì)一定的燈，當(dāng)燈的工作電壓升高時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致燈的工作電流I和功率P增大，燈絲工作溫度升高，發(fā)光效率和光通量增加，而燈的壽命急劇下降。在實(shí)際使用中，可適當(dāng)降低燈電壓（低電壓大電流，612V,幾十瓦），從而有效地延長(zhǎng)長(zhǎng)燈的壽命，但一般也只有幾百小時(shí)。

37、,2.白熾燈與鹵鎢燈 灰體 鎢絲做燈絲,玻璃泡殼;色溫約2800K,輻射光譜約0.43m?？梢?jiàn)光占612%，用于照明；加紅外濾光片可作為近紅外光源。,鹵鎢燈：,燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑（如氯化碘、溴化硼等），在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán)，即蒸發(fā)的鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物，而該鹵鎢化合物擴(kuò)散到溫度較高的燈絲周?chē)鷷r(shí)，又分解成鹵素和鎢。這樣，鎢就重新沉積在燈絲上，而鹵素被擴(kuò)散到溫度較低的泡壁區(qū)域再繼續(xù)與鎢化合。這一過(guò)程稱為鎢的再生循環(huán)。,石英泡殼;泡殼內(nèi)充入微量鹵族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成鹵鎢循環(huán)。 色溫3200K以上,輻射光譜為0.253.5m。 發(fā)光效率可達(dá)30 lm/W(為白熾

38、燈的23倍)， 用作儀器白光源.,耐高溫,下圖是用于光計(jì)量的幾種標(biāo)準(zhǔn)光源: 為BDQ型發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈，用來(lái)傳遞和復(fù)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度單位 （cd）的量值。,是BDT型光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，用用來(lái)傳遞和復(fù)現(xiàn)光通量值。 為BW型溫度標(biāo)準(zhǔn)燈，它的發(fā)光體是一條狹長(zhǎng)的鎢帶，當(dāng)通以電流時(shí)，鎢帶熾熱發(fā)光。, 1.4 氣體放電光源,發(fā)光機(jī)理：氣體在電場(chǎng)作用下放電，即受激電子的自發(fā)輻射.,泡殼：用玻璃或石英等材料制造的管形或球形燈泡； 電極：陰極、陽(yáng)極或不區(qū)分（交流燈） 泡殼內(nèi)充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸汽、 金屬化合物蒸汽、惰性氣體,基本結(jié)構(gòu),氣體放電光源的特點(diǎn)：,1）發(fā)光效率高,節(jié)能。,2）電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。,3）壽

39、命長(zhǎng)，比白熾燈長(zhǎng)210倍。,4）輻射光譜可以選擇，只要選用適當(dāng)?shù)陌l(fā)光材料。,圖2-8是常用氣體放電燈的外形圖。表2-2列出了常用的氣體放電燈的種類(lèi)、性能以及它們的主要應(yīng)用領(lǐng)域。,氣體放電燈的基本結(jié)構(gòu)是相似的.,一、汞燈 泡殼內(nèi)充汞蒸汽,1.低壓汞燈 汞燈在低壓放電時(shí)主要輻射二條共振輻射線：253.7nm和185.0nm。所謂共振輻射線是指從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)出的輻射。當(dāng)汞蒸氣壓為0.8Pa（610-3mmHg)，玻璃殼溫度40時(shí)，253.7nm的輻射效率最大，約占輸入電功率的60%，而可見(jiàn)光只占2%。它的光譜分布如圖所示。,可作253.7nm紫外光源； 作熒光燈（日光燈）。,2.高壓汞燈 當(dāng)

40、汞燈內(nèi)的蒸氣壓達(dá)到15大氣壓時(shí)，汞燈電弧的輻射光譜就會(huì)產(chǎn)生明顯變化，光譜線加寬，出現(xiàn)弱的連續(xù)光譜（帶狀光譜），紫外輻射明顯減弱，而可見(jiàn)輻射增加，其光譜分布如圖所示。,可作高效照明光源。,3.球形超高壓汞燈 點(diǎn)燃時(shí)，燈內(nèi)汞蒸氣壓達(dá)到120MPa（約10200個(gè)大氣壓），這樣燈的輻射光譜與高壓汞燈相比有明顯的不同：紫外輻射減少，可見(jiàn)輻射光譜線較寬，連續(xù)部分增加，并且紅外光譜輻射增強(qiáng)，如圖所示。,可作很好的藍(lán)綠光點(diǎn)光源。,三種汞燈光譜的比較：,1.低壓汞燈：,2.高壓汞燈：,3.球形超高壓汞燈：,二、鈉燈 泡殼內(nèi)充的是氖氬混合氣體 與金屬鈉滴。,的單色光源。,，亮度高,三、金屬鹵化物燈 泡殼內(nèi)充的是

41、 金屬鹵化物氣體。,通過(guò)金屬鹵化物循環(huán)，提供足夠的 金屬原子 氣體。,鉈燈（碘化鉈）：綠光，峰值535nm。,鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：色溫6000K。,鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）： 近白色光源, 色溫5500K。,四、氙燈 氙燈是由充有惰性氣體氙的石英泡殼內(nèi)兩個(gè)鎢電極之間的高溫電弧放電，從而發(fā)出強(qiáng)光。高壓氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近（如圖2-10），色溫為6000K左右，顯色指數(shù)90以上，因此有小太陽(yáng)之稱。,輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同,則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。,某光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的

42、顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。,四、氙燈 泡殼內(nèi)充的是是惰性氣體氙。,色溫6000K，亮度高，被稱為“小太陽(yáng)”，壽命長(zhǎng)。,長(zhǎng)弧氙燈:,短弧氙燈:,脈沖氙燈:,日光色點(diǎn)光源,大范圍照明光源,脈沖時(shí)間極短（nSpS)，光很強(qiáng),用于光泵、光信號(hào)源、照相制版、高速攝影,五、空心陰極燈 空心陰極燈屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。該燈的陰極由金屬元素或其它合金制成空心圓柱形，圓環(huán)形陽(yáng)極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的。,是原子吸收分光光度計(jì)必不可少的光源，用于對(duì)微量金屬元素吸收光譜作分析，以及光譜儀器波長(zhǎng)定標(biāo)。,六、氘燈 氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣。氘 是氫 的同位素，又叫重氫。

43、氘燈的陰極是直熱式氧化物陰極，用0.5毫米厚的鉭皮做成矩形，陰極矩形中心正對(duì)著燈的輸出窗口，外殼由紫外透射比較好的石英玻璃制成。工作時(shí)先加熱燈絲，產(chǎn)生電子發(fā)射，當(dāng)陰極加高壓后，氘原子在燈內(nèi)受高速電子的碰撞而激發(fā)，從陰極小圓孔中輻射出連續(xù)的紫外光譜（185500nm）。,燈的紫外輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，常用作連續(xù)紫外光源。,1、受激輻射概念的提出 1916年 愛(ài)因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式，認(rèn)為： 光子與原子的三種相互作用：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收 新奇的概念可能在某一天成為巨大的生產(chǎn)力 2、MASER發(fā)明 (Microwave Amplification b

44、y Stimulated Emission of Radiation微波激射器) 量子電子學(xué)的誕生 1954年 美國(guó) 湯斯（TOWNS）、研究生戈登（GORDEN） 前蘇聯(lián) 巴索夫、 普洛霍洛夫 分別建立了世界上第一臺(tái) NH3 微波量子振蕩器 一大批敢于創(chuàng)新、敢于實(shí)踐的人不失時(shí)機(jī)的發(fā)明創(chuàng)造推動(dòng)了激光技術(shù)的發(fā)展 3、激光的誕生 美國(guó)：湯斯、肖洛； 前蘇聯(lián)： 巴索夫、普洛霍洛夫 ： 提出了MASER LASER的關(guān)鍵問(wèn)題：工作物質(zhì)及光學(xué)諧振腔 1958年：理論上提出設(shè)想 1960年7月美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（MAIMAN）作出了第一臺(tái)紅寶石激光器 任何一項(xiàng)發(fā)明不是憑空產(chǎn)生的，是前人研究成果的繼續(xù)和發(fā)

45、展 機(jī)遇偏愛(ài)有準(zhǔn)備的頭腦和敢于實(shí)踐的人, 1.5 激光器,20世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。,激光器的物理基礎(chǔ),一、激光發(fā)展簡(jiǎn)史,梅曼和第一只激光器,紅寶石激光器,激光就是由受激輻射產(chǎn)生的被放大了的相干光。 激光的英文名為“ight amplification by stimulated emission of radiation” 第一個(gè)字母的縮寫(xiě)。Laser,二、光源的分類(lèi),非相干光源：來(lái)源于原子或分子體系的自發(fā)輻射，其 方向、頻率及相位等都是很不確定的、分 散的。各光源的強(qiáng)度簡(jiǎn)單相加，沒(méi)有干涉 現(xiàn)象 。,相干光源：由在時(shí)間、空間上相位同步的光波形成。,非

46、相干光源包括：（按用途分類(lèi)） 照明光源 氣體放電燈、熒光燈；白熾燈；本征場(chǎng)致發(fā)光燈（固體燈）。 顯示光源 著重顯示圖像的清晰度、對(duì)比度、色彩飽和度，如液晶顯示器、陰極射線管（CRT)、發(fā)光二極管（LED）、等離子體管。 信息處理光源 著重光的單色性和高速脈沖性，如高速、高亮度的發(fā)光二極管、分光光度計(jì)光源。,非相干光源包括：（按原理分類(lèi)） 熱輻射源 太陽(yáng)、黑體、白熾燈。 氣體放電光源 汞燈、氙燈、空心陰極燈、氘燈。 固體發(fā)光光源 場(chǎng)致發(fā)光光源、發(fā)光二極管、分光光度計(jì)光源。,相干光源包括： 激光 氣體激光器、固體激光器、染料激光器、半導(dǎo)體激光器、等離子激光器。 非線性光學(xué)器件 主要是激光與非線性光

47、學(xué)材料相互作用而產(chǎn)生的各種新的相干光源，如光參量振蕩器、高次諧波激光器、和頻與差頻發(fā)生器、受激拉曼散射。,受激輻射概念是愛(ài)因斯坦 首先提出的(1916年)。在普朗克(Max P lanck)于1900年用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律，以及波爾(Niele Bohr)在1913年提出原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子化假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式，并在推導(dǎo)中提出了兩個(gè)極為重要的概念：受激輻射和自發(fā)輻射。四十年后，受激輻射概念在激光技術(shù)中得到了應(yīng)用。,三、 激光原理,在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)高的能級(jí)Ei(I=2,3,

48、4) 稱為激發(fā)態(tài)。 躍遷：組成物質(zhì)的微觀粒子（原子、分子和離子）從一種能量狀態(tài)變到另一能量狀態(tài)。 無(wú)輻射躍遷：躍遷過(guò)程沒(méi)有吸收和輻射光子，例如通過(guò)碰撞，或熱量的傳遞等形式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的改變。 輻射躍遷：原子能級(jí)的變化是通過(guò)吸收和發(fā)射光而實(shí)現(xiàn)的。 這種躍遷可分為三種過(guò)程：自發(fā)輻射、受激吸收和受激發(fā)射。 下面以E1與E2能級(jí)為例進(jìn)行介紹。,1、 自發(fā)輻射,沒(méi)有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個(gè)能量為hv光子，這種過(guò)程叫自發(fā)輻射。,自發(fā)躍遷過(guò)程用自發(fā)躍遷幾率A21描述。,各個(gè)原子自發(fā)輻射的光是非相干光,自發(fā)輻射躍遷幾率A21： 在單位時(shí)間內(nèi)，E2能級(jí)上n2個(gè)粒子數(shù)中發(fā)生自發(fā)躍遷的粒子數(shù)

49、與n2的比值?？紤]二能級(jí)情況： E1和E2，則在dt時(shí)間內(nèi)，由高能級(jí)E2自發(fā)輻射躍遷到低能級(jí)E1的粒子數(shù)計(jì)為dn2，則A21可表示為 A21 (dn21/dt)自發(fā)(1/ n2) 自發(fā)躍遷是一個(gè)只與原子特性有關(guān)而與外界激勵(lì)無(wú)關(guān)的過(guò)程，即A21只由原子本身性質(zhì)決定。 假設(shè)E2能級(jí)只向E1能級(jí)躍遷，則可得到： n2(t) = n20e-A21t = n20e-(t/) 自發(fā)躍遷過(guò)程使得高能級(jí)上的原子以指數(shù)規(guī)律衰減。式中n20 為 t = 0 時(shí)刻E2能級(jí)上的粒子數(shù)， = (1/A21) 稱為粒子在E2能級(jí)上的平均壽命。 自發(fā)輻射功率： I(t) = hdn21(t)/dt = hA21n20(t)

50、 = hA21n20 e-A21t = I0e-A21t 自發(fā)輻射強(qiáng)度也是以指數(shù)規(guī)律衰減的。 自發(fā)輻射所發(fā)出的光稱為熒光。,2、受激吸收,如果黑體物質(zhì)原子和輻射場(chǎng)相互作用只包含上述自發(fā)躍遷過(guò)程，是不能維持由普朗克公式所表示的腔內(nèi)輻射場(chǎng)的穩(wěn)定值的。因此愛(ài)因斯坦認(rèn)為必然還存在一種原子在輻射場(chǎng)作用下的受激躍遷過(guò)程，從而第一次從理論上預(yù)測(cè)了受激輻射的存在。,當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)，假定輻射場(chǎng)中包含有頻率為 (E2E1)/ h的電磁波 (即有能量等于 = h=E2E1 的光子)，使在低能級(jí)E1的粒子收到光子激發(fā)，可以躍遷到 高能級(jí)E2去，這個(gè)過(guò)程稱為受激吸收躍遷，并用受激躍遷幾率W12描述： 式中，(

51、d n12)st表示由于受激躍遷引起的由E1向E2躍遷的原子數(shù)。,受激躍遷幾率W12的物理意義: 在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度 ()的光照射下，由于受激吸收而從能級(jí)E1躍遷到能級(jí)E2上的粒子數(shù)與能級(jí)E1上總粒子數(shù)之比，即每一個(gè)處于低能級(jí)E1的粒子數(shù)，在()的光照下，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收的幾率。 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，受激躍遷和自發(fā)躍遷是本質(zhì)不同的物理過(guò)程，反映在躍遷幾率上就是 A21只與原子本身性質(zhì)有關(guān)；而W12不僅與原子性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場(chǎng)的v成正比。 我們可將這種關(guān)系唯象地表示為: W12 = B12v 式中，比例系數(shù)B12稱為受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)，它只與原子性質(zhì)有關(guān)。,3、 受激輻射為激

52、光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ),當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)照射物質(zhì)而粒子已經(jīng)處于高能級(jí)E2上時(shí)，會(huì)發(fā)生受激輻射過(guò)程。受激吸收躍遷的反過(guò)程就是受激輻射躍遷。 如果外來(lái)光的頻率為 (E2E1)/ h，由于受到入射光子的激發(fā)，E2能級(jí)上的粒子將會(huì)躍遷而回到 E1 能級(jí)上去，同時(shí)又放射出一個(gè)光子來(lái)，這個(gè)光子的頻率、振動(dòng)方向、相位都與外來(lái)光子一致。 在單位體積中，從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1的粒子數(shù)dn21 為： dn21 = B21()n2dt 受激輻射躍遷幾率： W21 (dn21/dt)(1/n2) W21 = B21 () B21 愛(ài)因斯坦受激輻射躍遷系數(shù)，是一個(gè)原子能級(jí)系統(tǒng)的特征參數(shù)。,各個(gè)原子受激輻射的光是相干光,相

53、關(guān)參數(shù)：,4. 愛(ài)因斯坦三系數(shù)之間的關(guān)系:,粒子按能級(jí)的統(tǒng)計(jì)分布,原子體系熱平衡溫度為T(mén)，在能級(jí)En上的原子數(shù)為Nn, 則,k為玻耳茲曼常數(shù)，上面的統(tǒng)計(jì)規(guī)律稱為玻耳茲曼正則分布， g n為主量子數(shù)為n 的能級(jí) (能量為E n)簡(jiǎn)并度.,(簡(jiǎn)并度是具有相同能量的原子狀態(tài)數(shù).),N1為處于能級(jí)E1的原子數(shù),N2為處于能級(jí)E2的原子數(shù),E2E1,則,或,熱平衡時(shí),處于高能級(jí)的原子數(shù)總是低于處于低能級(jí) 的原子數(shù).即,能級(jí)的壽命,E2能級(jí)上的粒子數(shù) , 在dt 時(shí)間內(nèi)自發(fā)躍遷到E1能級(jí)上的粒子數(shù)為-dN2 ,則,為單位時(shí)間由E2能級(jí)向E1能級(jí)躍遷的幾率.,將上式積分,得,令,則有,具有時(shí)間的量綱, 它反

54、映了粒子平均在E2能級(jí)上停留的時(shí)間的長(zhǎng)短,叫做粒子在該能級(jí)上的平均壽命, 簡(jiǎn)稱壽命(或自然壽命),它是影響譜線線寬的因素之一。,原子的能級(jí)壽命與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān),一般激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命10-8s,壽命達(dá)10-31秒的能級(jí)狀態(tài),稱亞穩(wěn)態(tài).,實(shí)際上由于碰撞或其他外界干擾,原子能級(jí)的壽命要比自然壽命(10-8s)小幾個(gè)數(shù)量級(jí).,現(xiàn)在根據(jù)上述相互作用物理模型分析空腔黑體的熱平衡過(guò)程，從而導(dǎo)出愛(ài)因斯坦三系數(shù)之間的關(guān)系。如前所述，正是由于腔內(nèi)黑體輻射場(chǎng)v與物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果應(yīng)該維持黑體處于溫度為T(mén)的熱平衡狀態(tài)。這種熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志是： （1）腔內(nèi)存在著由普朗克公式表示的熱平衡黑體輻射。 （2）腔內(nèi)物質(zhì)原子數(shù)

55、按能級(jí)分布應(yīng)服從熱平衡狀態(tài)下的 波爾茲曼(Ludwing Boltzman)分布： 式中 f2 和 f1 分別為能級(jí) E2 和 E1 的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，也可用g表示，叫能級(jí) E2 和 E1 的簡(jiǎn)并度。 （3）、在熱平衡狀態(tài)下，n2(或n1)應(yīng)保持不變： 或：,聯(lián)立普朗克公式、波爾茲曼公式及上式，可得愛(ài)因斯坦關(guān)系式： B12g1 =B21g2 A21 / B21 = 8h321n3 / C3 當(dāng)g1 = g2，愛(ài)因斯坦關(guān)系式可簡(jiǎn)化為：,上面兩關(guān)系式叫做愛(ài)因斯坦關(guān)系式,雖然是在熱平衡條件下推出的,但它對(duì)普遍情況仍是適用的.,愛(ài)因斯坦三系數(shù)關(guān)系的結(jié)論：,1 . A21、B12、B21三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)是相互

56、關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，決不是孤立無(wú)關(guān)的。 2. 對(duì)一定原子體系而言，自發(fā)發(fā)射系數(shù)A與受激發(fā)射系數(shù)B的比值正比于頻率21 的3次方，因而E1與E2能極差越大，21就越高，A與B比值就越大。也即： 21越高越易自發(fā)輻射，受激輻射越難。故在熱平衡狀態(tài)下，主要是自發(fā)輻射。,5、受激輻射與自發(fā)輻射的比較,受激輻射和自發(fā)輻射的異同： 共同點(diǎn)：發(fā)射光子,不同點(diǎn)： 起因 特性 強(qiáng)度 自發(fā)輻射： 完全自發(fā) 雜亂無(wú)章 受激輻射： 受外來(lái)入射光激勵(lì) 與入射光一樣, SP、STA及STE 三種過(guò)程同時(shí)存在，只有強(qiáng)弱差別 自發(fā)輻射與受激輻射強(qiáng)度的比較 熱平衡情況下，總是自發(fā)輻射強(qiáng)度占絕對(duì)優(yōu)勢(shì) 自發(fā)輻射光子可

57、作為受激輻射或受激吸收的外來(lái)光子 受激輻射與受激吸收強(qiáng)度比較 熱平衡情況下， n1 n2 W12W21 (設(shè)f1f2) 受激輻射 受激吸收,T=1500K,l=500nm,自發(fā)輻射：,原子在不受外界輻射場(chǎng)控制情況下的自發(fā)過(guò)程；大量原子的自發(fā)輻射場(chǎng)的相位是無(wú)規(guī)則 分布的，因而是不相干的。此外，自發(fā)輻射場(chǎng)的傳播方向和偏振方向也是無(wú)規(guī)則分布的，即自發(fā)輻射平均地分配到腔內(nèi)所有模式上。,受激輻射：,是在外界輻射場(chǎng)的控制下的發(fā)光過(guò)程，即各原子的受激輻射的相位不在是無(wú)規(guī)則分布，而 是具有和外界輻射場(chǎng)相同的相位。受激輻射光子與入射（激勵(lì)）光子屬于同一光子態(tài)；即 受激輻射場(chǎng)與入射輻射場(chǎng)具有相同的頻率、相位、波矢（傳播方向）和偏振。即受激輻射 場(chǎng)與入射輻射場(chǎng)屬于同一模式。特別是，大量原子在同一輻射場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的受激輻射處 于同一光波?；蛲还庾討B(tài)，因而是相干的。受激輻射的這一重要特性就是現(xiàn)代量子電子 學(xué)(包括激光與微波激勵(lì))的出發(fā)點(diǎn)。以后將說(shuō)明，激光就是一種受激輻射相干光。,受激輻射的這一特性在上述愛(ài)因斯坦理論中是得不到證明的，因?yàn)槟抢锸褂玫奈ㄏ蠓椒](méi)有涉及原子發(fā)光的具體物理過(guò)程。嚴(yán)格的證明只有依靠量子電動(dòng)力學(xué)。 原子發(fā)光的經(jīng)典電子論模型可以幫助我們得到一個(gè)定性的粗略理解。 按經(jīng)典電子論模型，原子的自發(fā)躍遷是原子中