光电子技术LectureNew2

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电子技术（2）,四、发光效率,发光效率是对人造光源而言的，指光源所发出的光通量与输入的,功率之比。,对电光源，发光效率指发出的光通量与电光源消耗的电功率之比。,用辐射度量和光度量表示：,1,光电子技术（2）,式中,显然，,1,表示消耗功率P后转换为可见光谱范围的电磁辐射的效,率，,2,表示可见光谱范围的辐射功率转换为光通量的效率。通常,称,2,为理想光效。,2,1.2,热辐射描述与光源,一、热辐射性质,1、基尔霍夫定律,任何物体总是在不断地向外辐射能量，同时也在接收外来,的辐射能量。接收的能量大于发射的能量，此物体的温度,升高，反之，温度下降。当接收与辐射达到平衡时，物体,的温度保持恒定。所以，温度是度量物体热辐射平衡的一,个参数。,（1）辐射本领M,e,(,T),光电子技术（2）,3,光电子技术（2）,描述物体热辐射能力，物体的辐射本领用它的光谱辐射出射,度表示：,（2）吸收本领,(,T),描述物体吸收辐射的能力，定义为物体吸收的在,到,+d,范,围的辐射通量与入射的同一光谱范围的辐射通量之比：,4,光电子技术（2）,通常，M,e,(,T)和,(,T)的分布不仅随T变化，而且随物体的,性质而变化，并且变化可能千差万别，然而，基尔霍夫定律,表明：,任何物体的发射本领与其吸收本领之比是一个与物体,性质无关的普适函数，这个普适函数只依赖,和T两个变量。,即：,这个普适函数就是黑体的辐射分布公式，它困扰了19世纪的科,学。同时导致了量子力学的诞生。,能量量子化正是普朗克为了,导出与黑体热辐射实验结果一致的理论公式过程中提出来的,。,5,光电子技术（2）,2、黑体辐射,（1）、黑体,黑体指吸收本领,(,T)恒为1的热辐射体。,定义物体的发射率为物体的辐射本领与黑体的辐射本领之比：,上式表明好的发射体也是好的吸收体，同时也表明实验上只需,测量发射率或吸收本领之一，通常对发光源测量发射率较方便，,而不发光的物体，测量吸收本领较方便。,（2）黑体辐射本领普朗克辐射公式,6,光电子技术（2）,式中C,1,=2,hc,2,=(3.741832,0.000020)*10,-16,W m,2,C,2,=c h/k=(1.438786,0.000045)*10,-2,m K,黑体辐射性质：（1）单峰结构；（2）辐射能量随温度增加，,存在关系M,eb,(T)=,T,4,；（3）峰值波长随温度升高蓝移，存在,关系,m,T=a=2898,m K。,3、热辐射体分类,分为黑体、灰体和选择辐射体,7,光电子技术（2）,4、色温和相关色温,色温是用黑体的温度来标度普通热辐射源的温度。,色温：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色完全一样，,则称该热辐射体的色温为T；,相关色温：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色最接近，,则称T为该黑体的相关色温。,二、常用热辐射光源,1、白炽灯,钨丝加热发光，玻壳内充氩或氮汽。,特点：电流大、温度高、色温高，显色性好，正电阻性。,8,光电子技术（2）,缺点：钨蒸发损耗，寿命短，玻璃壳变黑，光通量降低,2、卤钨灯,在白炽灯中改充卤素元素气体，如Br,2,，I,2,等，卤素与钨反应：,W+X,2,WX（气态）,T+,T-,灯丝附近温度高，钨蒸汽压高，抑制钨蒸发。在玻璃壳附近，,温度较低，形成WX，阻止钨沉积在玻璃壳上而损耗。所以，,卤钨反应抑制了钨损耗，延长了钨丝的寿命。,与白炽灯比较，卤钨灯特点：（1）体积小；（2）光通量稳,定。（3）光效率高，20-30流明/瓦；（4）色温高，达3300K；,（5）寿命长。,9,光电子技术（2）,3、标准照明体,4、标准光源,标准照明体指特定的光谱功率分布。,CIE针对不同的用途定义了不同的标准照明体，其中常用的三,种标准照明体为：,标准照明体A,：温度为2856K的黑体所发出的光谱,标准照明体B：相关色温约为4874K的直射阳光的光谱,标准照明体C：相关色温为6774K的平均日光的光谱,标准光源指实现标准照明体的发光源。常用标准光源有三种,（1）黑体,10,光电子技术（2）,根据黑体辐射本领可得其辐射亮度，,由此辐射公式可得各种色温的光谱功率分布，因此，它是初级,标准光源。但是，直接使用它不方便。常使用通过它校正过的,其它次级标准光源。如钨带灯、碳弧等。,（2）、钨带灯,钨带灯由2*0.05*L mm,3,尺寸的钨带发光，封装在真空或充惰,性气体的玻璃壳内。对紫外标准光源，需要开一石英窗口。,钨带灯为低压大电流供电，需要稳流。,只要知道了钨的发射率,(,T)，就能通过黑体的光谱求得钨带,11,光电子技术（2）,灯的光谱亮度：,（3）、钨管灯,又名钨管黑体灯，由厚度约25,m的钨皮，卷成直径约2mm的,钨管，管长约45mm，管芯装一钨丝，钨管一端开1mm孔径，,钨丝通电发光从此孔射出。钨管放入真空或充氩汽的玻璃壳内。,钨管灯在可见区的发射率很高，是最接近黑体的一种灯。是一,种良好的标准光源。,12,光电子技术（2）,1.3、,气体放电光源,一、气体放电光源的基本原理,1、气体放电与电子发射,气体放电指电流通过气体媒质时产生的放电现象。气体放电,的种类很多，但在光源中用得较多的是辉光和弧光放电两类。,气体放电灯结构,：放电气体、阴极、阳极和玻璃罩,气体放电发光的基本过程：,、,初始电子加速,、,加速电子与气体分子碰撞，能量传给气体分子，使其激发、,跃迁到高能级,13,光电子技术（2）,、,受激发分子返回基态时，发射光子，即发光。,发射波长：,E=E,2,-E,1,， E,2,、E,1,分别为分子激发态和基态能量。,初始电子由阴极发射产生，阴极发射方式主要有三种,：,、,热电子发射,使阴极温度升高，部分电子得到足够能量，克服金属的逸出,功，逸出金属表面。金属热发射电流密度：,式中A,0,=4,em,e,k,2,/h,3,，,为金属的逸出功,14,光电子技术（2）,上式表明，升温或降低金属逸出功，均有利提高发射电流。,热电子发射是弧光放电的主要形式之一。,、,正离子轰击发射,正离子轰击就是利用高动能的正离子轰击阴极，使阴极发射电,子，它是辉光放电的主要形式，又称冷阴极发射。由于冷阴极,发射效率很低，所以，辉光放电光源的阴极通常较大，做成圆,筒状。冷阴极发射对熔点要求不高，但要求能承受正离子轰击。,一般用铝、镍、铁、铜等材料做冷阴极。为了使正离子获得足,够动能，通常在阴极附近设置大的电位差。,、,场致发射,场致发射就是对阴极表面施加强电场，克服逸出功，使大量的,电子发射。它是目前正在研究、应用于平板显示的一种技术。,15,光电子技术（2）,2、气体辐射,根据能带理论，当施加强电场时，能带会发生弯曲，从而降,低了表面的逸处功。,电子从阴极到达阳极过程中要与气体分子发生复杂的相互作用,气体分子被加速电子轰击后会跃迁到高能级或电离，处于激发,态的分子不稳定，会自发辐射返回基态，并发射出光子，光子,能量为：,式中E光子能量，单位电子伏特，,为光子波长，单位微米。E,H,为,分子的高激发态电位，E,L,为低激发态电位。所以不同物质的分子能,发射不同颜色的光。,16,光电子技术（2）,共振辐射：从激发态向基态跃迁的辐射。,气体放电光源的优点：（1）可获得高色温，不像热辐射光源,色温受灯丝熔点限制。（2）辐射光谱可选择性好，只要选择,适当的发光材料即可；（3）发光效率远比热辐射的高；,（4）寿命长，寿命期内光通量稳定。,3、,气体放电的伏安特性,4、气体放电灯的稳流,直流供电用电组稳流,低频交流供电用电感,高频交流用电容稳流,17,复习要点,1、人造光源的发光效率与理想光效？,2、发射本领、吸收本领与基尔霍夫定律？,3、黑体概念、黑体辐射分布特点？,4、热辐射体分类、色温与相关色温？,5、卤钨灯结构、卤钨循环原理及卤钨灯特点？,6、标准照明体、标准光源、A、B、C标准照明体？,7、气体放电发光的工作原理、初始电子的发射方式、弧光与,辉光放电？,8、气体放电光源的优点及放电伏安特性？,9、直流、低频和高频放电灯的稳流方式？,18,作业二,1、说明蓝色火焰与黄色火焰的色温谁高，为什么？,2、何谓标准照明体与标准光源? 初级和次级标准光源?,3、说明气体放电发光的工作原理? 假设气体放电灯中所充工,作气体的激发态与基态能量差为2eV，则此灯发什么颜色光？,19,