光机电测控技术基础第章光电技术基础v.ppt
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1、光机电测控技术基础,任课教师:严晗 武汉理工大学 机电工程学院,第2章 光电技术基础,目录 2-1 光的基本概念 2-2 光辐射与热辐射 2-3 光源的基本特性参数 2-4 光电技术中的光源 2-5 光路分析的基本规律 2-6 光辐射调制概述,当辐射从外界入射到“不透明”(不限于可见光不透明)的物体表面上时,一部分能量被吸收,另一部分能量从表面反射(如果物体是透明的,则还有一部分能量透射)。需要强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时,也吸收周围物体发射的辐射能。 (1) 吸收比 被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比,用表示。 (2) 反射
2、比 反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比,用表示。对于不透明的物体,单色吸收比和单色反射比之和等于1,即,2-2 光辐射与热辐射,黑体辐射,(3)黑体 若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸收比都等于1,即,则称该物体为绝对黑体(简称黑体)。它没有反射,也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。,2-2 光辐射与热辐射,(4)白体 对于不透明的物体,当反射系数为1时,称为白体或镜(面反射)体。现实中的物体介于黑体、白体之间。 (5) 灰体 当某种物体的辐射光谱是连续的,并且在任何温度下所有各
3、波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数,那么这种物体就叫做理想灰体,或简称灰体。实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的,因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见,近似把它们都看作是灰体,其发射率为介于0与1之间的正数。 发射率是物体通过表面向外辐射的电磁能与同温度的黑体在相同条件下所辐射的电磁能的比值。,2-2 光辐射与热辐射,描述物体的辐射与吸收的关系,热平衡状态时,物体从周围吸收辐射的能量恰好等于本身发射辐射而减少的能量,物体就处于热平衡状态。此时,物体的状态可用一个确定的温度T 来表征。 基尔霍夫定律:在任一给定温度的热平衡条件下,任何物体的辐射本
4、领M(,T )和吸收率(,T ) 的比值与物体的性质无关;只是波长及温度T 的函数;且恒等于同温度绝对黑体的辐射本领:,基尔霍夫定律,2-2 光辐射与热辐射,描述点源的辐照度与距离关系,点光源向空间辐射时一般是球面波。 点光源在传输方向上某点的辐射照度和该点到点光源的距离平方成反比:,当实际光源不能看成点源时,上式计算结果有较大误差。当把 (光源的半径)时,近似有,距离平方反比定律,2-2 光辐射与热辐射,普朗克定律,描述黑体的光谱辐射出射度与波长、绝对温度直接的关系,黑体光谱辐射出射度为:,式中 h普朗克常数,k玻尔兹曼常数,c光速,2-2 光辐射与热辐射,每条曲线都有一个峰值,随着温度的升
5、高,此峰值向短波方向移动,普朗克曲线,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等,这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 外光电效应:物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物 内光电效应:物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应:半导体受光照后,内部产生光生载流子,使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象,2-2 光辐射与热辐射,光电效应 光生伏特效应:光照在
6、半导体PN结或金属半导体接触上时,会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应:当用适当波长的光照射PN结时,由于内建场的作用(不加外电场),光生电子拉向n区,光生空穴拉向p区,相当于PN结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势(光生电压);如将PN结短路,则会出现电流(光生电流)。,2-2 光辐射与热辐射,光热效应:材料受光照射后,光子能量与晶格相互作用,振动加剧,温度升高,材料的性质发生变化 热释电效应:介质的极化强度随温度变化而变化,引起电荷表面电荷变化的现象 辐射热计效应:入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象 温差电效应:由两种材料制成的结点出现稳
7、差而在两结点间产生电动势,回路中产生电流,光热效应,2-2 光辐射与热辐射,光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。在成份分析、结构研究、光电检测、照明设计等方面,都离不开一定型式的光源。 在光电系统中,光源往往起着关键的作用,正确选择光源,对设计光电系统和解决具体光电检测问题有重要意义。,2-3 光源的基本特性参数,自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率,常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1,将光谱功率分布进行归一化,那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。,光源的光谱功率分布通常可分成四种情况:,混合光谱,低压汞灯、激光,高
8、压汞灯、高压钠灯,荧光灯,热辐射光源、白炽灯,光谱功率分布(相对光谱功率分布),2-3 光源的基本特性参数,线状光谱,带状光谱,连续光谱,光谱功率分布应由测量对象的要求来决定,在目视光学系统中,采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。 对于彩色摄影用光源,为了获得较好的色彩还原,应采用类似于日光色的光源,如卤钨灯、氙灯等。 在紫外分光光度计中,通常使用紫外辐射较强光源。 紫外光刻系统中,采用365nm波长谱线辐射较强的光源,高压汞灯。,2-3 光源的基本特性参数,光源是一门专门技术学科,涉及光学、原子物理、电真空和色度学等多门知识,内容非常丰富。而且,随着光源技术的发展,可提供光电探测用的光源品种也
9、日趋增多。 热辐射光源 气体放电光源 固体发光光源 激光器,2-4 光电技术中的光源,一、热辐射光源,热辐射光源三个特点: (1)它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算,即可以精确掌握和控制它们发光或辐射性质; (2) 发出的光通量构成连续的光谱,且光谱范围很宽,但紫外辐射和可见光辐射含量很少; (3)采用适当的稳压或稳流供电,可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。 应用:热辐射光源除了用作照明或在各种光学和光电探测系统中充当一般光源外,还可用作光度或辐射度测量中的标准光源或标准辐射源(辐射定标)。其作用是完成计量工作中的光度或辐射度标准的传递。这在光学和光电检测中是必不可少的。,2
10、-4 光电技术中的光源,1. 人造黑体辐射源,光谱范围:红外光区(0.75m2.5m或0.75m 6m),结构 辐射源:铜或不锈钢圆筒内有圆锥腔 绝缘层:石棉和硅酸盐水泥 加 热:电阻丝加热 温 度:温度计、自动控温仪 光 阑:黑体辐射输出,2-4 光电技术中的光源,2白炽灯,2-4 光电技术中的光源,发射连续光谱,在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5,而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2。,白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年,美国的爱迪生制成了碳化纤维(即碳丝)白炽灯以来,经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进,白炽灯的发光效率也相应
11、提高。 现代的钨丝白炽灯到1908年才由美国发明家库利奇试制成功。发光体是用金属钨拉制的灯丝,这种材料最可贵的特点是其熔点很高,即在高温下仍能保持固态。一只点亮的白炽灯的灯丝温度高达3000。正是由于炽热的灯丝产生了光辐射,才使电灯发出了明亮的光芒。 因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体,并在灯泡的玻璃表面上沉积,使灯泡变黑,所以白炽灯都被造成“大腹便便”的外型,这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较大的表面上弥散开。否则的话,灯泡在很短的时间内就会被熏黑了。由于灯丝在不断地被升华,所以会逐渐变细,直至最后断开,这时一只灯泡的寿命也就结束了。,2-4 光电技术中的光源,二、气体放电光源,利用气体
12、放电原理制成的光源称为气体放电光源。 气体放电原理:密封在泡壳内的气体或金属气体在电场的作用下激励出电子和离子,电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极运动,它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。这一过程中会引起原子的激发,受激原子回到低能级时就会发射出辐射,这就是气体放电原理。 优点: 发光效率高,比同瓦数白炽灯高2倍以上; 不用灯丝发光,具有牢固、结构紧凑优点; 寿命长,比白炽灯长10倍; 光色适应性强。 有较强的竞争力,在光电技术和照明工程中得到广泛的应用。,2-4 光电技术中的光源,1. 汞灯,汞灯又称水银灯,是利用汞蒸气放电发光而制成的。按汞蒸气压的不同可分为低压、高压
13、和超高压三种。,2-4 光电技术中的光源,(1)低压汞灯,管内气压为10-410-5大气压。 放电时主要辐射两条共振辐射线:253.7nm和185.0nm。共振辐射线是指原子从激发态跃迁到基态时所发出的辐射,即主要是汞元素原子的特征谱线。 应用:光谱仪的波长基准、紫外杀菌、光化学反应及荧光分析等。,2-4 光电技术中的光源,(2)高压汞灯,灯内的汞蒸气压约为15个大气压,由于在高气压时相邻原子接近,原子之间的相互作用增强,产生了谱线的压力加宽和多卜勒加宽,辐射的光谱中有很强的连续成份,紫外辐射明显减弱,而可见辐射增加。 高压汞灯的发光效率达64lm/W, 应用:照明、光学仪器、光化反应、紫外线
14、理疗、荧光分析等方面。,2-4 光电技术中的光源,(3)超高压汞灯,灯内的汞蒸气体大于10200个大气压。随着汞蒸气压的提高,原子激发到高能级的几率增大,紫外辐射减弱,共振辐射几乎全部被吸,可见光谱线加宽。连续背景谱线明显加强,红外谱辐射增强。 球形超高压汞灯中的电极距离为毫米级,放电电弧集中在电极之间。因此电弧的亮度很高,常应用于光学仪器、荧光分析和光刻技术等方面。,2-4 光电技术中的光源,(4)日光灯(又称荧光灯) 日光灯管两端装有灯丝,玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉,管内被抽成真空度10-3-10-4毫米汞柱后,充入微量的氩和稀薄的汞蒸气。汞蒸气电离导电产生紫外线而激发萤光粉发出柔和
15、的可见光。 日光灯会发出许多美丽有色的光。这就是由荧光粉里所含的化学药品的性质来定了,例如涂上钨酸镁的,发蓝白色光,涂上硼酸镉的发淡红色光。,2-4 光电技术中的光源,(5)节能灯,节能灯,又称为省电灯泡、电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体式荧光灯,是指将荧光灯与镇流器(安定器)组合成一个整体的照明设备。节能灯的尺寸与白炽灯相近,与灯座的接口也和白炽灯相同,所以可以直接替换白炽灯。节能灯的光效比白炽灯高得多,同样照明条件下,前者所消耗的电能要少得多,所以被称为节能灯。,2-4 光电技术中的光源,2. 氙灯,氙灯惰性气体氙在两个钨电极之间的高压电孤放电从而发出强光的光源。 高压氙灯的辐射光谱是连续的,
16、与日光的光谱能量分布相接近,色温为6000K左有,显色指数90以上,因此有“小太阳”之称。,2-4 光电技术中的光源,氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种,2-4 光电技术中的光源,当氙灯的电极间距为1.5300cm时称为长弧氙灯,细管形,工作气压为1个大气压,发光效率为2530lm/w。 当氙灯的电极间距缩短到毫米数量级时称为短弧氙灯,灯内的氙气气压约为1020个大气压。该灯的电弧亮度很高,其阴极点的最大亮度可达几十万坎德拉每平方厘米,电弧的亮度在阴极和阳极距离上分布是很不均匀的。短弧氙灯常用于电影放映、荧光分光光度计及模拟等场合。 脉冲氙灯的发光是不连续的,可以在瞬时(1091012
17、s)获得除激光以外最强的光通和亮度。它用高压电脉冲激发产生光脉冲。脉冲氙灯广泛用作固体激光器的光泵、高速摄影、航空照相、频闪观察仪器、光学仪器、激光武器等方面。,2-4 光电技术中的光源,3空心阴极灯,空心阴极灯(也叫原子光谱灯)是属于冷阴极低气压正常辉光放电灯。 结构:其阴极由金属元素或其他合金制成空心圆柱型,圆环形阳极是用吸气性能很好的锆材料制成的。 原理:被溅散出来的阴极金属原子蒸汽,在空心阴极灯中被激发,辐射出该金属的原子特征谱线。 优点:辐射出的金属原子谱线很窄,强度很大,稳定性好。 应用:用作对微量金属元素吸收光谱定性或定量分析的光源,以及用于光谱仪器波长定标上。,2-4 光电技术
18、中的光源,4. 氘灯,工作原理:加热灯丝,产生电子发射,当阳极加高压后,氘( )原子在灯内受高速电子碰撞而激发,从阳极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱(185500nm)。 优点:氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长。 应用:各种紫外分光光度计的连续紫外光源。,2-4 光电技术中的光源,三、固体发光光源,固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象叫场致发光,也称为电致发光。 目前常见的场致发光有三种形态,即粉末、薄膜和结型。 II一VI族化合物半导体是实际唯一的粉末和薄膜场致发光材料 III一V族发光材料在发光二极管方面有广泛应用。,2-4 光电技术中的光源,1粉末场致发光光源,按激发方
19、式不同,场致发光光源有交流电场激发和直流电场激发两种。 (1)交流粉末场致发光光源 该器件的发光材料(通常为ZnS:Cu)悬浮在介电系数很高、透明而又绝缘的胶合介质中,并被两电极所挟持。 两电极之间通常没有一条完整的导电支路,所以不能用直流激励。当在两电极间加上交变电场时,粉末就会产生场致发光。,1-玻璃基板;2透明导电膜;3发光材料;4反射层;5背电极;6防潮树脂;7防潮盖板,2-4 光电技术中的光源,优点与缺点,与其它光源相比,它有独特的优点: (1)固体化、平板化,占地小,易于安装; (2)面积、形状几乎不受限制,因而可以通过光刻、金属电极掩蔽镀膜等方法制成任意发光图形; (3)无红外辐
20、射冷光源,因而隐蔽件好,对周围环境没有影响; (4)视角大,光线柔和,易于观察; (5)寿命长,功耗低,发光易于电控。 缺点:亮度较低、驱动电压高、老化快等。,2-4 光电技术中的光源,(2)直流粉末场致发光光源,直流粉末场致发光光源的结构与交流情况类似,但其发光材料的涂层是导电的CuxS,而不是大量分布在中间的绝缘胶合介质。 正常使用之前,需在两电极上施加短暂的高压脉冲,使铜离子从紧挨着阳极的发光体表面上失落。,失落铜离子的表面,ZnSCu,Mn CuxS涂层,阴极,透明阳极,2-4 光电技术中的光源,应用: (1)特殊照明:仪表表盘、飞机座舱、坑道等; (2)数字、符号显示:可以做成大型的
21、数字钟、电子称等显示; (3)模拟显示。如显示生产工艺流程和大型设备的工作状态,各种应急系统标志显示等; (4)矩阵显示,又叫交叉电极场致发光显示。主要用于雷达、航迹显示及电视等; (5)像转换及像增强器。把场致发光屏与光导材料联合使用,可以做成显像器件等等。,2-4 光电技术中的光源,2薄膜场致发光光源,将固体发光材料制成薄膜的形式,在电场的作用下出现的发光现象,称为薄膜场致发光。 优点:薄膜场致发光可以有很高的分辨率,成像质量高,显示对比度好。可制成各种形状,视角大,光线柔和,制备工艺简单,造价便宜等。 应用:在显示和显像方面是很有前途的发光器件。,2-4 光电技术中的光源,3发光二极管(
22、LED, Light Emitting Diode ),发光二极管是少数载流子在pn结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。 加正向偏压时,在外电场作用下,在pn结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴的每一次复合,将释放出与材料性质有关的一定复合能量,这个能量会以热能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来。,2-4 光电技术中的光源,2-4 光电技术中的光源,发光二极管的基本结构,球透镜,环氧树脂,P层,有源层,N层,发光区,(a)正面发光型,微透镜,P型限制层,有源层,波导层,N型限制层,(b)侧面发光型,2-4 光电技术中的光源,发光二极管的基本结构,正极 (Ni/A
23、u):100nm,正极ITO层:0.2-0.8 m,p-GaN:140nm,发光层:113nm,GaN缓冲层:30nm,负极(Ti/Al):220nm,衬底材料:75-150 m,n-GaN: 4 m,同质pn结,存在的问题: 增益区太厚(110 mm),很难把载流子约束在相对小的区域,无法形成较高的载流子密度 无法对产生的光进行有效约束,同质pn结: 两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结 特点: - 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能 - pn结区的完全由载流子的扩散形成,2-4 光电技术中的光源,双异质结构,异质结,0.3 mm,不连续的带隙结构 加强对载流子的束缚,不连
24、续分布的折射率 加强对产生光子的约束,2-4 光电技术中的光源,面发光二极管,优点:LED到光纤的耦合效率高,载流子注入,2-4 光电技术中的光源,边发光二极管,优点:与面发光LED比,光出射方向性好 缺点:需要较大的驱动电流、发光功率低,载流子注入,30,120,2-4 光电技术中的光源,化合半导体材料 - 直接带隙材料 - 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物),LED光源的材料和工作波长,单质半导体材料 - 间接带隙材料 - 不适合做光源,LED基本材料: - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝):800850 nm短波长光源 - In1-
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