第1章 光信息源及其特性、光辐射的度量

第1章 光信息源及其特性、光辐射的度量

内容提要：

光是电磁波波谱中波长范围为1 nm~1 mm或者频率在3×1017Hz~3×1011Hz范围的电磁辐射，是能量与信息的载体，可见光是波长为380 nm~780 nm的电磁辐射，可见光刺激人眼产生人眼的视觉效应，同时光也产生热效应，可以用主观和客观两种度量体制即辐射度学和光度学来度量光；光具有波动性和粒子性，利用光的波动性可以研究光在介质和自由空间以及光电系统中的传播规律；光的粒子性和材料的光电特性是光电信息转换器件的物理基础。本章主要介绍光的特性、光的度量、常见的光源及其特性和光传播的几个基本定理，为后续章节奠定基础。

1.1 光的特性

1.1.1 光的波动性

在图1.1所示，从无线电波到?射线的整个电磁波谱中，光辐射只是波长从1 nm~ 1 mm(频率为3×1017Hz~3×1011Hz)范围的电磁辐射，它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。可见光是波长为380 nm~780 nm 的光辐射，这一波段范围的电磁波能被人眼所感知。

图1.1 光在电磁波谱中的分布

麦克斯韦方程组给出了电场E、磁场H、电位移D、磁通密度B、电流密度J以及电荷密度?之间的关系，其微分形式是：

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?B (1.1a) ?t?D (1.2a) ??H?J??t??E????D?? (1.3a)

??B?0 (1.4a)

积分形式是：

?B?dS (1.1b)

cA?t?EB?dl?????c??A?t?dS (1.2b)

??E?dl?????????AB?dS?0E?dS?0 (1.3b) (1.4b)

a表达式(1.1a)、(1.1b)为法拉第电磁感应定律，式(1.2a)、(1.2b)为安培环路定律，式(1.3a)、

(1.3b) 和(1.4a)、(1.4b)为高斯电磁定律。?为介质磁导率，?为介质电导率，在真空中

?0=1.256×10-6 Ns2，?0=8.85×10-12 C2N-2m-2。当电磁波在真空中或电介质(绝缘体)中传播，电导率? =0，电流密度J=0。同时在非磁性体中磁导率近似等于真空中的磁导率 ?=?0，根

据上述条件，B??0H，D??E，式(1.1a)、式(1.4a)可改写成

??E???0?H (1.5) ?t?E (1.6) ??H???t??E?0 (1.7) ??H?0 (1.8)

应用公式

????E???(??E)??2E???2E (1.9)

可以导出电场和磁场的波动方程：

?2E?E???02?0 (1.10)

?t2?2H?H???02?0 (1.11)

?t2在适当的边界条件下对上述波动方程求通解，便可得到各种各样的传播波。其中，E,H的

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关系可用图1.2所示。

图1.2 光的传播

比较波动方程的普遍形式

1?2????22?0 (1.12)

V?t2相比较，其中，V为波传播速度，可得到光在自由空间的传播速度为

c?1/?0?0?3?108m/s

光在介质中的传播速度c?1/??，介质的折射率n?c/V??/?0。

平面波和球面波均是波动方程的解。由于对人眼睛起作用的是电场矢量，因此本书主要研究电场强度，将空间传播的单色平面波的表达式E?Aexp[j(?t?k?r)][其中，k是波矢量，其方向为波的传播方向，模是传播参数k?2π/?，即波数)]代入波动方程式 (1.10) 可以得到：

k?2π/???/V????? (1.13)

这就是波在电容率(介电参数)为?的均匀介质中传播的平面波的传播常数。由于真空中电容率为?0，所以平面波在真空中的传播常数k0为

k0???0?0 (1.14)

介质中与真空中的波长、波矢量的关系为???0/n，k?k0?n。

1.1.2 光的粒子性

光的波动性可以解释光的干涉、衍射、偏振等现象，但涉及光与物质的相互作用问题，如光的发射和吸收，光电探测器的原理，光的波动理论就出了问题，光的粒子性的一面便凸显出来。在历史上，这个问题是20世纪初从黑体辐射和光电效应的实际事实与经典理论无法调和的矛盾中提出的。1900年普朗克(M. Planck)提出量子假说，认为各种频率的电磁波(包括光)，只能像微粒似的以一定最小份额的能量(称为能量子)发生，粒子说解释了黑体辐射的频谱分布，这是光的发射问题。光照射在金属表面上可使电子逸出，逸出电子的

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能量与光的强度无关，但与光的频率有关，这是光的吸收问题。1905年爱因斯坦(A. Einstein)发展了光的量子理论，成功地解释了光电效应。光的量子理论认为，光与物质(原子)发生作用时，它以一定份额的能量E被发射和吸收，该能量正比于光的频率?：

E?h? (1.15)

式中，h称为普朗克常量，其数值为h=6.6260755×10-34 J·s，是物理学中最基本的常量之一。这份能量的携带者表现得像一个静质量为零的粒子，称为光子。光电发射效应是光的粒子性的有力证明，其数学表示为

12meVmax?h??W (1.16) 2从光电发射效应可以得到如下结论：

第一， 光束传输给每个电子的能量正比于光的频率； 第二， 每个电子必须克服被称为逸出功W的最小能量的约束，才能从金属表面逸出； 第三， 光电子的最大动能与光的频率成线性关系，与光强度和光的照射时间无关。

1.1.3 平面光波的能量与能流密度矢量

由电磁场理论可知，能流密度矢量S为

S?E×H?V2?E?B (1.17)

单位为W/m2。

在电磁场中单位体积所存储的电磁能量为S的模

s?E?D+B?H (1.18)

2能流密度矢量S的模 S为单位时间流过单位面积的能量，其方向为光的传播方向。下面我们会看到其大小即是辐射照度。

定义强度为s在一个周期的平均照度，即

I?1T12?32 (1.19) s?dt?v?E?1.33?10nE00?0T2由于光的振荡频率极高，而所有光电探测器对光频的响应速率比光波的频率低得多，因此

探测器响应的是平均照度，即光波的电振动的模。

1.1.4 光的波粒二象性

从光的衍射、干涉等现象可以看出光具有波动性，但为了解释光的吸收、光与物质的相互作用如光电效应等现象又必须将光看作具有离散能量包的粒子，因此光具有波动和粒子两重性，具体表现在：

第一，光是由离散能量包的粒子即光子组成，一束光就是一束光子流；

第二，每个光子是具有有限长度的电磁波，大量的光子构成的光束的宏观效果可用波动方程来描述。

在涉及能量交换时，如光的发射和光在材料中的吸收以及光电探测器的原理时，仅需考虑光的粒子性；然而，当相互作用没有发生能量交换时，如光的干涉、衍射、反射、折

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射，只有能量重新分配时，只需考虑光的波动性。

由上面的讨论可知：

① 光是横波，其电场和磁场矢量相互垂直，它们的方向与传播方向符合右手螺旋； ② 光波仅仅是全部电磁波谱的一部分； ③ 光具有波动性和粒子性。

1.2 光辐射的度量

在光电信息技术中，研究光的产生、传输、转换、探测和处理都涉及光的计量，因此有必要了解与光的计量科学有关的量的定义以及量之间的关系。一方面，光是电磁辐射，因此描述电磁辐射的辐射度学的有关量可以全部用来计量光；可见光能引起人眼的视觉效应，因此在可见光波的范围，也可以用光度学计量光。

辐射度学是研究电磁辐射能定量评价的一门科学，它用能量客观描述电磁辐射；辐射作用于人眼所引起的“光”感觉，是一种生理效应，它与辐射的组成、强弱及人的视觉器官的生理特性和人的心理活动都有关系。光度学是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价可见光辐射所产生的视觉效应，具有主、客观性。

1.2.1 光谱光视效率

由于光度测量依赖于人眼的生理特性，对同样的光辐射，不同人具有不同的亮度感觉；在不同的环境亮度下，同一个人眼对相同的光辐射也有不同的亮度感觉。为了统一评价标准，国际照明委员会(CIE)分别在1924年和1951公布了在明视觉(亮度大于3cd/m2)和暗视觉(亮度小于0.001cd/m2)下，人眼的平均相对光谱光视效率值V(?)和V′(?)，即视见函数，见图1.3。这两个归一化函数的最大值分别位于555nm和507nm处。

图1.3 相对光谱光视效率曲线V(?)(明视) V′(?)(暗视)

1979年第16届国际计量大会定义坎德拉：坎德拉是发出频率为540×1012 Hz辐射的光源在给定方向的发光强度，若光源在该方向的辐射强度为(1/683)瓦每球面度，则定义其为一个坎德拉。

1.2.2 常用的光度量和辐射度量

在光度学和辐射度学中，测量对象都是光学辐射，仅仅是所依据的评价标准不同。常

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图1.13 黑体辐出度Meb(T, ?)—T, ??曲线

图1.13是普朗克公式所描述的不同温度下黑体辐出度Meb(T, ?)—T, ??关系曲线，由图及公式(1.39)可知：

① 光谱辐出度Meb(T,?)随波长?连续变化，每条曲线只有一个极大值；

② 不同温度的各条曲线彼此不相交。在任一波长上，温度T越高，光谱辐出度越大，反之亦然，每一曲线下面的面积等于?T；

③ 随着温度T的升高，曲线峰值所对应的波长(峰值波长)向短波方向移动，这表明黑体辐射中短波部分所占比例增大；

④ 波长小于?m部分的能量约占25%，波长大于?m部分的能量约占75%。 将普朗克公式从零到无穷大的波长范围进行积分，就得到斯忒藩-玻耳兹曼定律，而对普朗克公式进行微分，求出极大值，可得到维恩位移定律。

(2) 斯忒藩-玻耳曼定律——绝对黑体全波段积分辐出度

由普朗克绝对黑体光谱辐出度公式(1.39)，对波长?从0~?积分可得到绝对黑体全波积分辐出度的表达式，此即斯忒藩-玻耳兹曼定律

4Meb???0c1π44Meb(T,?)d??T??T4415c244[W/cm2] (1.40)

式中，? 为斯忒藩-玻耳兹曼常数，??c1π/(15c2)=5.6687×10-12 W/(cm2K4)。

该定律表明：黑体的全波辐出度与其温度的四次方成正比。因此，当黑体温度有很小的变化时，就会引起辐出度的很大变化。当T=300K，则Meb=460W/m2；当T=6000K，则Meb=7.36 ×107W/m2。

(3) 维恩位移定律——黑体辐射谱的移动

将普朗克公式(1.39)对波长?求导数并求极值，即有

?mT?b?2897.8μm?K (1.41)

此即维恩位移定律， 该定律表明，黑体光谱辐出度峰值对应的波长与黑体的势力学温度

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成反比。一些常见物体的辐射峰值波长如表1.4所示。

表1.4 一些常见物体的辐射峰值波长

物体名称 太阳 熔铁 熔钢 喷气飞机尾喷管 人体 温度/K 6000 1803 1173 700 310 峰值波长/m 0.48 1.61 2.47 4.14 9.35 物体名称 冰 液氧 液氮 液氦 温度/K 273 90 77.2 4.4 峰值波长/m 10.61 32.19 37.53 658.41 一般强辐射体有50%以上的辐射能集中在峰值波长附近，因此，2000K以上的灼热金属，其辐射能大部分集中在3μm以下的近红外区或可见光区。人体皮肤的辐射波长范围主要在2.5μm ~15μm，其峰值波长在9.5μm处，其中8μm ~14μm波段的辐射能占人体总辐射能的46%，而温度低于300K的室温物体，有75%的辐射能集中在10μm以内的红外区。朗伯辐射源是在各方向上的辐亮度相等的辐射源。

1.4.3 自然辐射源——太阳、天空

自然光源主要包括太阳、月亮、恒星和天空等。太阳是直径约为1.392×109m的光球，它到地球的年平均距离是1.496×1011m。因此从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533°，太阳光谱能量分布相当于5900 K左右的黑体辐射。其平均辐亮度为2.01×107 W·m-2·sr-1，平均亮度为1.95×109 cd/m2；太阳常数(在地球―太阳的年平均距离，在垂直太阳的入射方向上，大气层外太阳对地球的辐照度), 即为1367?7W/m2。

在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为：紫外区 (?<0.38μm) 6.46%；可见区(0.38μm ~0.78μm) 46.25%；红外区(?>0.78μm) 47.29% ；辐射到地球上的太阳光，要穿过一层厚厚的大气层，因而在光谱、空间分布、能量大小、偏振状态等方面都发生了变化。大气中的氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其他碳氢化合物(如CH4) 等，都在不同程度上吸收太阳辐射，而且它们都是光谱选择性的吸收介质。在标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线，如图1.14所示，其中的阴影部分表示大气的光谱吸收带。

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图 1.14 太阳的光谱能量分布曲线

为了解各种自然光照在不同条件下的大致数量范围，表1.5给出了近地天空的亮度。

表1.5 近地天空的亮度

天空情况 晴天 阴天 阴沉天 阴天(日落时) 晴天(日落后一刻钟) 亮度(cd/m2) 104 103 102 10 1 天空情况 晴天(日落后半小时) 明亮月光 无月晴空 无月阴空 亮度(cd/m2) 10-1 10-2 10-3 10-4 1.4.4 激光光源及其特点

激光(Laser)是受激辐射的光放大，是典型的人造光源。 1. 激光器的基本结构

激光器的基本结构如图1.15所示。它由工作介质(或工作物质)、泵浦源(激励源)、谐振腔三大要素构成。此外，还可添加光控因子。产生激光必须实现粒子数的反转。

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图1.15 激光器的基本结构

激光形成的过程是：激光工作介质受到泵浦源的激励被激活，介质中的粒子将跃迁至高能级，随后又自发跃迁至低能级，产生自发辐射；这些自发辐射光子向四面八方传播，只有沿谐振腔轴线方向传播的光才能被反射镜反射；当高能级上的粒子与反射光子具有同频率和相位时，产生受激辐射，形成同波长、同相位的光波，即驻波，它的一部分作为激光从输出镜(部分反射镜)一端输出。谐振腔的作用是形成驻波，通常由相对平行放置的两面镜子构成。为了使一部分激光输出，谐振腔一端的镜子不是反射全部的光，即反射率小于100%。

根据使用目的，可以对输出激光或光学谐振腔进行调节。通过改变、收集光向，或改变强度、偏转方向使输出功率在空间保持恒定。有时也通过抑制发射谱线的线宽，获得单一波长的光。为此，通常在谐振腔内部或外部使用光控因子。

根据工作物质的不同，激光器分为固体激光器(其工作物质为固体，如红宝石、钕钇铝石榴石、钛宝石等)、气体激光器(工作物质为He-Ne, CO2，Ar?等)和半导体激光器(工作物质为GaAs，GaSe，GaS，PbS等)。激励系统有光激励、电激励、核激励和化学反应激励等。光学谐振腔用来提供光的反馈，以实现光的自激振荡，对弱光进行放大，并对振荡光束方向和频率进行选择，保证光的单色性和方向性。

固体激光器一般用光泵激励形成受激辐射，辐射能量大，比气体激光器高出三个量级，输出激光的波长范围宽，从紫外到红外都可得到稳定的激光输出，可以输出脉冲光、重复脉冲光和连续光，常用于打孔、焊接、测距、雷达等。

气体激光器中的CO2激光器输出功率大，能量转换效率高，输出波长为10.6 μm的红外光。它广泛用于激光加工、医疗、大气通信和军事上。半导体激光器体积小、效率高、寿命长、携带与使用方便，尤其是可以直接进行电流调制，广泛用于光电测量、激光打印、光存储、光通信、光雷达等。

2. 激光的特点

了解激光的特点，对光电信息技术是十分重要的。 (1) 激光的单色性好

激光的带宽很窄。带宽由原子固有能级的受激跃迁和光学谐振腔的波长选择所决定，因而激光辐射的谱宽度与光学谐振腔的品质因数有关，常由下式计算

??腔??V/(2πl) (1.42)

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式中，?为辐射在激光物质中通过一次并从腔玻璃反射的损失；V为光在激光物质中的传播速度；l为光学反射腔的腔长。

一个好的激光器，其带宽在106Hz以下，激光谱线宽度很窄，即波长变化范围很小，单色性很好。如He-Ne激光器发出一波长为632.8 nm的红光，光频f为4.74×1014Hz，而高精度稳频后的谱线宽度，即频率变化范围只有2 Hz。普通光源的He-Ne气体放电管发出同样频率的光，其谱线宽度为1.52×109Hz，可见He-Ne激光比He-Ne普通光的单色性高10倍。

(2) 激光具有高方向性

光辐射的方向性常以光束发散角的数值来表征。若波长为λ，辐射光束的光斑直径是d，则由衍射现象限定的最小发散角

9??2arcsin??0.61d?1.22? (1.43) d以?=0.63 ?m、d=2 mm的氦氖激光为例，由此计算出的发散角不大于3.8×10-4 rad。由于激光束是向空间传播的，因此还应当引入立体角?，如果激光束的发散角是?，它所对应的立体角为??π?。量级为10-4 rad的发散角所对应的发散立体角即为10-8量级。 半导体激光器纵向发散角约5~10，其方向性较差。高方向性使得激光可以用来测量距离和目标指示以及激光打孔。

(3) 激光具有高亮度和高功率辐射密度

激光束方向性很好，在空间传播是一个立体角很小的圆锥光束。激光发散角?很小，若?角为10rad，那么??π?10。由亮度定义可知，激光的亮度是极高的。如果普通光源与某激光光源有相同的辐射通量，而其发光立体角比激光大数百万倍，因此激光的亮度比普通光源高上百万倍。如气体激光器亮度可达104~108W/(sr·cm)，固体激光器发光亮度约为107~1011W/(sr·cm)，而太阳表面亮度为2×103W/(sr·cm)，可见激光亮度比太阳表面亮度高出几个到十几个数量级。激光的高亮度使光电测量距离更远，信噪比更高，尤其适合于遥测和遥控。

(4) 激光具有优越的相干性

激光辐射是相干辐射，其相干性包括空间相干性和时间相干性。激光束的空间相干性是指在同一时刻，两个不同空间点上光波场之间的相干性，它决定于光源的面积，如果在空间体积Vc内的光波场都具有明显的相干性，则把Vc称为相干体积，Vc表示为垂直于光束传播方向的截面上的相干面积Ac与传播方向的相干长度Lc的乘积

222?3?6??2Vc?AcLc (1.44)

激光束的空间相干性与激光的模式结构紧密相关。单横模结构具有良好的光波场空间相干性和好的方向性。反之，多模结构则因不同模式的光波场非相干性而使激光的空间相干程度降低。

激光束的时间相干性是指在同一空间点上两个不同时刻t1和t2的光波场之间的相干性，并把光波场具有明显相干的时间间隔?c=t2-t1称为相干时间，显然，相干时间与空间相

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干长度Lc具有如下简单关系：

Lc??c/c (1.45)

式中，c是光的传播速度。

激光束的时间相干性与激光的单色性有关，相干时间?c与单色性(即带宽?v)间存在如下的简单关系：

?c?1/?? (1.46)

可见，单色性越高，激光的相干时间越长。

由于激光的单色性很好，所以它的时间相干性也非常好，它是目前发现的各种光源中相干性最好的光源，如He-Ne激光的时间相干长度达到几百公里。

3. 常见激光器及其特性

激光器可有以下不同的分类：

① 按激光工作物质分： 有固体激光器(包括晶体和玻璃激光器，)，气体激光器(包括原子、离子、分子、准分子激光器)，液体激光器(包括聚合物、无机液体和有机染料激光器)，半导体激光器。

② 按光学谐振腔的设置分：有非稳定腔、共焦腔、平面腔以及配有调Q装置或锁模装置的激光器。

③ 按泵浦源分：有电泵浦、热泵浦、光泵浦、化学泵浦、核泵浦、太阳泵浦等。

此外，按激光输出的特性分又有单横模、多横模、单纵模、多纵模等；还可分为波长可调谐与不可调谐，输出光辐射在时间上是连续方式还是脉冲方式等等。

已有的激光器系统种类十分繁多，根据不同的用途，同类系统又有差别极大的品种型号，并随着对激光理论和应用研究的深入，各类新型的激光器系统还在不断出现，激光器的发展，对激光技术的研究和应用起着十分重要的推进作用。

(1) 固体激光器

固体激光器以掺杂离子型绝缘晶体或玻璃体作为工作物质。最常见的有红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等三种。按其工作方式又有单脉冲式、重复脉冲式、连续方式、调Q脉冲方式和锁模脉冲方式五类。

以红宝石激光器为例，其基本结构、工作原理和主要性能如下： 图1.16是红宝石激光器的构成示意图。激光物质红宝石棒和泵浦激励脉冲氙灯放在聚光腔的中心，由高压电源使电容器充电，在触发器作用下，脉冲氙灯发出的强光被聚光器聚光并照射到红宝石棒上以获得粒子数反转，相互平行的全反射镜和半反射镜构成的光学谐振腔使受激跃迁形成的受激辐射在光学谐振腔的多次往返反射中形成振荡而最后导致激光的输出。红宝石由加有少量(万分之五)氧化铬的氧化铝晶体组成，它产生粒子数反转分布是由于铬离子的存在。图1.17是它的能级图。

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图1.16 红宝石激光器的构成示意图 图1.17 红宝石激光器能级图

在泵浦氙灯光的激励下，能量相当于吸收带4F2和4F1的光子被吸收使铬离子转移到这些能级，然后以平均时间50×10-8s衰变到能级2E。2E能级由两个分开的能级2A和E组成， 较低的能级E即激光高能级， 低能级是基态A2， 原子在高能级E的寿命是3×10-3 s，从E到基态A2的跃迁辐射即形成0.6943?m光输出。由图1.17可以看出，红宝石激光器是一个三能级系统。

(2) 气体激光器

气体激光器是目前应用最广泛的一类激光器，它们大多数能够连续工作，输出的激光波长有数千种，分布在光谱波长从0.2?m真空紫外至4?m远红外波段内。气体激光器的特点是单色好，可长时间稳定工作，并且结构简单，造价低廉，使用操作方便。常见的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器、CO2分子激光器等。

① 氦氖激光器

图1.18是常用的氦氖激光器的结构示意图, 激光物质采用He-Ne气体，它充满整个激光器内，但工作区仅限于毛细管内，泵浦源采用电激励的方式，它由管内钼筒与电极间的高压放电而使He-Ne气体产生粒子数反转，激励电压除直流方式外，有时也用交流或射频电源。反射镜和玻璃管密封在一起，构成光学谐振腔，通常将这种结构称为内腔式。有的氦氖激光器采用外附光学腔，称为外腔式。

图1.18 氦氖激光器结构

图1.19是氦氖激光系统的能级图。管内He-Ne气体放电时，He原子首先被电子碰撞激发到21S和23S能级，这两个能级是亚稳态，从它们到基态的辐射跃迁是被禁止的，处在这两个亚稳态的He原子与Ne基态的Ne原子碰撞，将Ne原子激发，而He原子无辐射地回到基态，这就是共振转移。当Ne原子的3S、2S能级上的粒子被激发到足够多时，3S、2S能级与3P、2P能级之间就会出现粒子数反转。在2P与3P能级上的Ne原子通过自发跃迁很快落到1S能级，再通过和管壁碰撞，将能量交换给管壁而回到基态。

氦氖激光器产生的激光谱线有三条，它们是：

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3S→2P 0.6328μm 2S→2P 1.15μm 3S→3P 3.39μm ② 二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。它的突出优点是可获得大激光功率和较高的能量转换效率，并有丰富的激光谱线，甚至可做到9?m~11?m波长间连续可调谐的光辐射输出。CO2激光器输出的光束光学质量好，线宽窄，相干性好，工作稳定。因此二氧化碳激光器广泛用于材料加工、通信、雷达以及激光武器等许多方面。

二氧化碳激光器是分子激光器的代表，与其有关的能级涉及到分子振动和组成分子的原子间的相对运动，图1.20是二氧化碳分子激光器的能级图。

图1.19 氦氖激光器的能级系统 图1.20 二氧化碳激光器的能级图

二氧化碳激光器中除了二氧化碳气体外，还加有适量的N2和He(即辅助气体)。在激光放电管中，氮分子由于放电电流中电子撞击被激发到激发态，处于激发态的氮分子又通过和二氧化碳分子的碰撞，把能量传递给二氧化碳分子，使二氧化碳分子处于高能态的001能级上(001是两个氧原子沿分子轴向相同方向振动，而碳原子向相反方向振动的一组非对称振动的能级)。当大多数二氧化碳分子被激发到001能级上时，在001能级与100(两氧原子沿分子轴对称振动的能级)、010与020(形变振动能级)之间形成分子数的反转分布状态。从001能级跃迁到020能级，则发射出9.6?m的激光。不过两种跃迁中，10.6?m跃迁的几率大，因此，二氧化碳激光器输出的激光辐射主要是10.6?m的激光束。

③ 氩离子激光器

氩离子激光器是利用气体放电过程中使氩原子电离并被激发,从而实现粒子数反转而产生激光的。它发射的激光谱线十分丰富,分布在绿光区,其中以0.5145?m和0.4880?m谱线最强。氩离子激光器输出的连续功率可达500W，也可以在脉冲方式下工作。

(3) 染料激光器

染料激光器是液体物质作为激光介质的一种液体激光器。它的突出优点是输出激光波长可以调谐，其次是具有均匀良好的光学质量。

作为激光介质使用的染料分子由许多原子组成，结构比较复杂，常见的有若丹明，花菁类中的二乙基噻化菁以及香豆素中的7-羟基香豆素等。

染料激光器输出激光波长可以调谐是由于染料分子中的自吸收现象可以使荧光光谱峰值发生位移，从而发生在荧光光谱峰值的激光波长也就有相应变化。通过改变染料溶液

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的浓度、温度或光程等因素来改变染料分子吸收带与荧光带间的重迭程度，吸收带长波部分对荧光再吸收的结果导致荧光峰值向长波方向移动，从而调谐了激光波长。采用光栅、棱镜、F-P标准具、双折射滤光片以及电抗元件对光腔的有效长度的调变，也可达到激光输出波长的调谐作用。

(4) 半导体激光器

半导体激光器的特点是体积小、重量轻、结构简单。半导体激光器有一个P-N结，可使用电源直接调制激光的发射，具有较高的效率，与其他激光器相比，光束发散角比较大，易受环境温度的影响，输出功率较小。尽管如此，半导体激光器还是在光通信、测距、信息处理等许多方面得到了广泛的应用。

最简单的半导体激光器是由一个P-N结构成的。当有正向电流通过P-N结时，电子或空穴在结区复合释放出能量，这种能量可以用光子的形式释放出来，称为复合辐射。在这个辐射过程里，包含有自发辐射、受激辐射和受激吸收。利用半导体晶体本身天然解理面构成的光学谐振腔，当注入足够大的电流时，可以形成粒子数反转，使受激辐射增益超过受激吸收和损耗，并形成激光输出。

半导体激光器有同质结和异质结两类，如果构成P型与N型半导体的基质相同，则P-N结称为同质结，同质结半导体激光器的阈值电流较高，不宜在室温下连续工作。如果P-N结的基质由不同材料构成，由此形成的P-N结称为异质结，异质结半导体激光器可在室温下连续工作。

比较常见的典型的半导体激光器是砷化镓注入式激光器，它具有与半导体二极管相同的单向导电伏安特性。当注入P-N结的电流较低时，只有自发辐射，随着电流值的增加，介质对光的增益也增加，当增益等于损耗时，P-N结就发出激光。半导体激光器上每平方厘米需要的电流值称为阈值。它的大小随晶体中的杂质浓度增大而减小，随腔的损耗减小而降低，也随腔的增长而在一定范围内变低。但在低温和室温条件下，阈值随温度变化的关系不大明显。由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，特别是在结的垂直平面内，发散角较大，可达20~30，在结的平面内，也有十几度。

同质结GaAs激光器的波长约为0.904?m，线宽度约几纳米，单色性较差；异质结GaAs激光器的波长为0.810?μm。在GaAs中掺入磷，可使波长移向可见光；加入铟，则可使波长移到1.1?m近红外波段。

半导体激光器也有连续工作和脉冲工作两种方式。同质结激光器阈值电流大，结温升快，因此多采用脉冲工作方式。输出光功率的大小与激光材料、制作工艺、结构形状以及工作时的脉冲重复频率和脉冲宽度等有关。表1.6介绍了一些激光器的特性。

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表1.6 某些激光器的特性比较

类型 激光工作物质 红宝石 固体 激光器 Nd:YAG Nd:玻璃 Nd:YAG Nd:YAG He-Ne 气体 激光器 A+ CO2 CO2 半导体 激光器 染料 激光器 0.44~0.76 0.1~5W 连续 GaAs 0.85 3~1800W(pp) 10-2~10-4 脉冲 波长/??m 0.6943 1.06 1.06 1.06 0.53 0.633 1.15 3.39 0.488 0.515 0.45~0.53 10.6 10.6 激光能量或功率 0.02~100J 0.1~20J 1~100J 0.1~1000W 0.25~2W 100mW~1W 10mW~100W 1mW~9000W 0.1~400W 脉冲宽度/?m 10-2~103 10-2~102 0.05~500 0.1~0.2 工作方式 脉冲 脉冲 脉冲 连续 连续 连续 连续 连续 脉冲 效率(%) 0.5~1.0 1.0~3.0 6.0~7.0 0.5~1.0 0.01~0.2 1~20 1.4.5 半导体发光二极管工作原理及特性

1．工作原理

LED(Light Emitting Diode)，即发光二极管，是一种常用的半导体固体发光光源。 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如图1.21所示。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为半导体发光器件，又称为注入式场致发光光源，通常称为LED。

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图1.21 LED工作原理 图1.22 半导体发光二极管

辐射光的波长取决于半导体材料的禁带宽度Eg，即

??1.24eV?m (1.47) Eg不同材料的禁带宽度Eg不同，所以不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外有些材料由于成分和搀杂不同，有各种各样的发光二极管。图1.22(a)是其外观图，图(b)则是其器件符号。

常用发光二极管材料及性能如表1.7所示。

表1.7 发光二极管性能

材料 GaAs0.6P0.4 GaAs0.15P0.85 GaP:N GaAs GaAsSi 光色 红 黄 绿 红外 红外 峰值波长/nm 650 589 565 910 940 光谱光视效能(lm·W-1) 70 450 610 2. 主要参数和特性

半导体发光二极管既是半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数，如正向电流、正向电压、功耗、响应时间、反向电压、反向电流等电学参数；辐射波长、光谱特性、发光亮度、光强分布等光学参数。这些参数可从光电器件手册中查到。

了解半导体发光二极管的特性，对于正确使用它有重要意义。

(1) 伏安特性。 LED的伏安特性与普通半导体二极管相同，如图1.23所示。从特性曲线可以看出，正向电压较小时不发光，此区为正向死区，对于GaAs其开启电压约为1 V，对于 GaAsP 为1.5 V，对于GaP(红)约1.8 V，GaP(绿)约2 V。ab段为工作区即大量发光区，其正向电压一般为1.5~3 V。

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图1.23 LED的伏安特性 图1.24 几种LED的光谱特性曲线

加反向电压时不发光，这时的电流称为反向饱和电流，当反向电压加至击穿电压的时候，电流突然增加，称为反向击穿，反向击穿电压约为5 V ~20 V左右。

(2) 光谱特性

发光二极管发出的光是纯单色光，其谱线宽度比激光宽，但比复色光源谱线窄。如GaAs发光二极管的谱线宽度约25 nm，因此可以认为是单色光。如图1.24所示为其光谱特性。GaP(红)的峰值波长在700 nm左右，其半宽度约100 nm。若P-N结温度上升，则峰值波长向波长方向飘移，即具有正的温度系数。

(3) 发光亮度特性

发光二极管的发光亮度基本上正比于电流密度，如图1.25所示，是几种LED的出射度与电流密度的关系曲线。可以看出大多数LED的发光亮度与电流密度成正比，但随电流密度的增加，发光亮度有趋于饱和的现象，因此采用脉冲驱动方式是有利的，它可以在平均电流与直流相等的情况下有更高的亮度。

(4) 温度特性

温度对LED P-N结的复合电流是有影响的，P-N结温度升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度也减弱。电流与温度的关系，如图1.26所示。

图1.25 出射度与电流密度曲线 图1.26 发光电流与温度关系

(5) 配光曲线

配光曲线即发光的光强分布曲线，它与LED的结构、封装方式以及发光二极管前端装的透镜有关。

掌握发光二极管的电学参数，如工作电压、工作电流、开启电压和功耗是保证LED

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正常发光和提高寿命，正确使用它是十分重要的。开启电压和工作电压在伏安特性里已经介绍过，功耗PF?UFLF，其中UF是工作电压，而IF是工作电流。通常用PFM表示最大功耗，把20 ℃时的PFM定义为额定功耗，工作电流一般根据PFM来确定，通常IF?0.6IFM。 发光二极管的响应时间是动态参数，是指LED开启与熄灭的时间延迟，通常用开启时间tr和下降时间tF来表征。

开启时间tr是指接通电源后，发光亮度从10%开始到达90%所经历的时间，在一般在4~10 ns之间。下降时间tF是指切断电源后，管子发光亮度从90%降到10%所经历的时间，一般在4 ns到几十ns之间。可以看出发光二极管的响应时间很短，可工作于10~100 MHz的动态场合。

发光二极管的寿命很长，在电流密度I为1 A/cm2情况下，可以达到105h以上。电流密度大时，发光亮度高，但寿命会很快缩短。在正常使用情况下，LED的寿命大约是白灯泡的30倍，间歇使用的LED寿命可达30年。

LED在光电测量中除了做光源外，还可用作指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性指示、数码显示等。高亮度的LED广泛地使用，如将它用于汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯等，将大量节约能源。

参考文献

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10. 曾光宇，张志伟，张存林.《光电检测技术》.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005

习 题

1.1 用角频率?、电容率??和磁导率??表示平面波的传播常数。

1.2 在垂直于传播方向的平面内电场和磁场是常数的电磁波称为平面电磁波。试证明这样电磁波的电场必然垂直于传播方向。

1.3 自由空间中的一列电磁谐波用E=E0cos(kx-?t)来描述，试证明辐射度I?1/2v?E02。 1.4 一列平面电磁波通过自由空间运动，其E场(也称为光场)形式为Ex=0，Ey=0和

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Ez?100sin(8π?10(t-14x3?108))，试计算对应的辐射度。

1.5 某激光器发出的激光波长为633 nm，功率为10 mW，发散角为1 mrad, 发光面是直径为1mm的圆，已知v(633)=0.265，求：①该激光束的光通量；②发光强度Iv；③光亮度Lv；④光出射度Mv。

1.6 一个功率(辐射通量)为60W的钨丝充气灯泡，假定它在各个方向上均匀发光，求它的发光强度。

1.7 假定一个钨丝充气灯泡的功率为300W，光视效能为20lm/W，灯丝尺寸为8×8.5mm2，如图1.27所示，双面发光，求在灯丝面内的平均光亮度。

图1.27 习题1.7图示

1.8 试简述黑体辐射的几个定律，并讨论其物理意义。

1.9 已知太阳的辐射亮度L0为2×107Wm-2sr-1，太阳的半径r为6.957×108m，地球的半径re为6.371×106m，太阳到地球的年平均距离l为1.496×1011m，求太阳的辐出度M0、辐强度I0、辐通量?0以及地球接收的辐通量?地、地球大气层边沿的辐照度?地。

1.10 假定太阳和地球都可以看成黑体，如太阳表面温度TS =6000K，地球表面各处温度相同，试求地球的表面温度(已知太阳的半径RS=6.96×105km，太阳到地球的距离l=1.496×108km)。

1.11 夜间地面降温主要是由于地面的热辐射。如果晴天夜里地面温度为?5℃，按黑体辐射计算，1m2地面失去热量的速率是多大？

1.12 某黑体的光谱辐射出射度MV的极大值出现在zvm=3.4×1014 Hz处。(1) 求太阳表面的温度T；(2) 求太阳表面的辐射出射度M。

1.13 在加热黑体过程中，其单色辐出度的峰值波长是由0.69mm变化到0.50mm，求总辐出度改变为原来的多少倍?

1.14 简述半导体激光器的工作原理。

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