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光学第 7 章。应用光学

推荐帖子： 【物理】【物理目录】(https://jb243.github.io/pages/725)

1. 电磁波的产生

2. 电磁波控制

3. 电磁波的传输

4. 电磁波检测

1.电磁波的产生： 光源

⑴ 类型1. 辐射源： 也称为连续源

① 利用黑体辐射 : 在较宽的波长范围内均匀发射辐射

② 用于测量物体的吸收光谱、反射光谱等。

③ 1-1. 钨丝灯 : 使用钨丝的白炽灯

○ 灯丝加热至 3,000 K

○ 由于高温，钨丝金属逐渐汽化，导致灯的光线变暗

○ 发射320至2,500 nm范围内的可见光以及近红外光

④ 1-2. 汞（Hg）蒸气、氙（Xe）气体放电灯

○ 发射紫外线和可见光

⑤ 1-3. 充有汞蒸气、氙气的放电灯

○ 发射紫外线和可见光

⑥ 1-4. 全球

○ 电流通过硅碳棒加热至1500 K

○ 发射5000至200 cm-1范围内的红外辐射

⑦ 标准光源

○ 标准光源 A ： 充气状态的钨丝白炽灯。 2854K

○ 标准光源 B ： 模拟平均太阳辐射的光源。 4870K

○ 标准光源 C ： 模拟晴朗天空中直射阳光的光源。 6740K

○ 标准光源 D ： 与光源 C 互补，色温可调。包括D65、D75等。

○ 标准光源 F ： 荧光灯标准。包括F1、F2。约 4000 K

⑵ 类型 2. 发光二极管 (LED)

① 施加正向偏压时，结附近的载流子复合而发光

图。 1. LED原理

A是p型半导体，B是n型半导体

② N型半导体的能级比P型半导体低，但N型的导带高于P型的价带

③ LED 发出与带隙大小相对应的光

④ 复合态偶尔会因某种原因断裂，导致不断复合并持续发光

⑤（注）大多数二极管将能量转化为热能，而不是光能

○ 硅（Si）半导体、锗（Ge）半导体 ： 将能量转化为热能，而不是光能

○ 砷化镓 (GaAs) 半导体、磷化镓 (GaP) 半导体 : 发光

⑥ 高效率 ： 节能高达 90%

⑶ 类型 3. 激光器 : 一种或几种波长。线源

① 3-1. 气体激光器

图。 2. 气体激光器原理

○ 振动频率

○ 第一^第一。基态 E1 的电子通过光泵浦被激发到 E3

○ 第二^第二。构成激光介质的原子有许多处于亚稳态E2至E3的电子

○ 亚稳态 : 应处于基态 E1 的电子保持在激发态 E2

○ 第三^第。单色光A入射到构成激光介质的原子上，引起A和B发射

○ 第 4。激光器的左侧反射所有光，而右侧仅透射部分光» ○ 第五^th。反射光引起进一步的光发射

图。 3. 气体激光装置的内部结构

② 3-2. 半导体激光器

⑷ 类型 4. 带电粒子的加速

① 【坡印廷矢量】(https://jb243.github.io/pages/851#footnote_link_67_51) : 带电粒子加速产生电磁波

② 4-1. 无线电波的产生

③ 4-2. 轫致辐射： 电子减速时发出可见光。又称回旋辐射、同步辐射等。

⑸ 5 型. 荧光

⑹ 类型 6. 切伦科夫辐射

⑺ 7 型. 轫致辐射

⑻ 类型 8. 高 Z 金属产生的荧光

① 8-1. 【伽马荧光】(https://jb243.github.io/pages/2130#A3)

② 8-2. 【β荧光】(https://jb243.github.io/pages/2130#A4)

③ 8-3. 特征X射线

④ 8-4. 【结对产生与湮灭】(https://jb243.github.io/pages/2130#A6)

⑼ 类型 9. 表面等离子共振 (SPR)

①定义：当光入射到介电常数为正（空气、水等）和介电常数为负（金属）的材料界面时，自由电子发生共振

② 由于电子振荡而产生平行于表面的电磁波

③ 高灵敏度传感器，在特定条件下发生共振

④ 金属示例 ： 银、金、铜、钛、铬

⑽ 选择光源时的注意事项

① 必须发出足够的辐射能

② 按波长的能量分布应随时间稳定

⑾【实际光源】(https://jb243.github.io/pages/1112)

2.电磁波控制： 波长选择器（例如棱镜、衍射光栅、光学滤波器）

⑴ 衍射光栅

① 定义： 抛光金属表面上类似锯齿的凹槽

○ 用于紫外和可见光区域的反射式衍射光栅每毫米有300至6,000个凹槽

○ 用于红外区的反射式衍射光栅每毫米有10至200个凹槽

○ 凹槽尺寸必须一致、平行、等距

②阶梯光栅型衍射光栅

○ 当准直光照射到小阶梯光栅的反射面时，每个面都会发生反射

○ 反射光线之间发生干涉

○ 当相邻光线之间的传播距离差为光线波长的整数倍时，就会发生强化干涉**

图。 4. 阶梯光栅型衍射光栅的增强干涉条件

⑵ 滤光片

① 干涉滤光片

○ 由夹在两个半透明薄膜之间的透明介电层组成

○ 布拉格衍射 ： 随着介电层变薄和入射角变大，辐射的波长增加

图。 5. 布拉格衍射

○ 布拉格衍射成为X射线衍射（XRD）的基础

○ 特性 : 窄有效波长宽度 (FWHM)

② 吸收过滤器

○ 通常会减弱整个光谱中的入射光

○ 特性 : 宽有效波长宽度 (FWHM)

○ 示例 : UV 截止滤光片、NIR 吸收滤光片

3.电磁波的传输

⑴ 类型1. 光纤

图。 6. 光纤的结构

① 定义： 能够传输辐射数百米或更远的玻璃、熔融石英或塑料线束

② 直径范围0.05μm至0.6cm

③ 结构： 纤芯、包层

④ 芯材折射率高于包层材料

⑤ 实际应用» ○ 多根光纤一起使用 : 光纤太细，几何光学近似（斯涅耳定律）无法发挥作用

○ 重叠不同频率的光来传输信息 ： 与应用泡利不相容原理的电子不同，光可以重叠

○ 纤维弯曲会导致反射角度不规则，导致图像模糊 → 使用渐变折射率来防止这种情况

○ ~0.2 dB/km 损耗

⑥ 按材质分类

○ 玻璃或塑料 : 可见光、近红外区

○ 熔融石英 : 紫外区至近红外区

⑦ 按用途分类

○ 反射式探头

○ 透射式探头

○ 浸入式探针

4.电磁波检测

⑴ 探测器特点

① 特性1：信噪比（S/N比）

② 特性2： 噪声等效功率（NEP）

○ 定义： 探测器可探测到的最小入射辐射强度

○ 表示产生与噪声相同输出的信号强度

○ N : 噪声电压或电流 (RMS)

○ S : 信号输出电压或电流（RMS）

○ Ee : 入射辐射强度 (Wcm-2)

○ A : 探测器感光面积(cm2)

○ Δf : 系统频率带宽 (Hz)

③ 特性3：探测灵敏度：记为D

○ 定义： 最小可检测辐射强度的测量

○ D = 1 / 新经济政策

④ 特性4：检测能力：记为D*

○ 定义 ： 当 1 W 辐射入射到探测器单位面积时，系统参考带宽 Δf = 1 Hz 的信噪比

○ D* = A0.5 / NEP

⑤ 特性5：光谱光敏度或辐射敏感度：记作σ

○ 信号电压或电流有效值与入射到探测器上的光强有效值之比

○ 绝对光谱响应度曲线 : 每个波长 λ 处的绝对光谱响应度图

○ 相对光谱响应度曲线 : 曲线归一化，使绝对光谱响应度的最大值为 1

⑵ 类型1：光电探测器中的内部光电效应：吸收辐射后电导率增加

① 类型 1-1: 光电导探测器或光电导电池

○ 定义 ： 随光强变化的可变电阻。 无极性

○ 有时用 λ 表示

○ 光电增益系数 : 负值会导致电阻随着光强度的增加而减小

○ 一般使用吸收光后电阻降低的半导体

○ 第一^第一。光产生电子空穴对 ： 近红外区域的光（750 nm ~ 3000 nm）

○ 第二^第二。光电导效应 ： 产生电子空穴对的区域的电导率增加

○ 第三^第。电导率增加导致电流更高

○ 第四^th。通过测量电流变化来检测光强度

○ 示例 : CdS、CdSe、PbS、PbSe (800 nm ~ 2000 nm)、Ge:Au、HgCdTe、Hg1-xCdxTe

○ 示例 : 硫化镉电池

图。 7. 硫化镉电池

○ 优点： 灵敏度高。袖珍的。便宜。高功率容量。耐噪音。可以在交流电下运行。产量相对较高

○ 缺点： 响应时间慢（10 ~ 100 ms）。光敏感度低。容易受到环境光的影响，导致明显的迟滞

○ 暗电阻 ： 约 200 kΩ

○ 剧院观众光量 (10 lux) : 约 10 kΩ»> ○ 光量过多 : 电阻变得很低，导致电流过大

② 类型1-2： 硅二极管探测器（也称为光电二极管）

○ 定义 ： 将光能转换成电能的装置

○ 反向偏置电路

○ 耗尽区的入射光会产生电子-空穴对，从而产生电流。 类似于光电导效应

○ 本质上，p型半导体中的电子跃迁到n型半导体的导带，产生空穴和自由电子

○ 作为传感器：光电流与光量成正比，不依赖于反向偏压（因为光电流与电子数量成正比，而电子数量与光强度成正比）

○ 增加耗尽区以获得更好的灵敏度（即提高阈值）

○ 示例 1： CD 播放器、火灾报警器、遥控接收器

○ 示例 2： 太阳能电池

图。 8. 太阳能电池电路

ⓐ : 电子方向，ⓑ : 电流方向，X 为 n 型半导体

○ 示例 3： 数码相机中的图像传感器 (CCD)

图。 9. 数码相机中的图像传感器 [脚注：6]

○ 光路 : 镜头 → CCD → 转换为电流信号 → 根据检测到的光的强度和位置提取亮度、颜色、坐标信息

阈值频率应低于可见光频率

○ 示例 4： 多通道光电探测器（光电二极管阵列分光光度计）

○ 通过旋转运动同时测量不同波长的分散辐射

○ 通常采用 1024 或 2048 个硅二极管探测器阵列

○ 优点： 速度快，重现性好，多波长同时测量

○ 缺点： 分辨率低（1 ~ 3 nm）（色散可达到0.1 nm），受光源强度和探测器灵敏度影响

○ 用于实时分光光度计

○ 例5： PN光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管、PSD、一维·二维阵列

③ 类型 1-3: 复合类型

○ 光电遮断器 : LED光电晶体管等

○ 光电耦合器 : LED 光电二极管等

⑵ 类型2：光电探测器中的外部光电效应：吸收辐射后发射电子，产生光电流

① 类型2-1: 光电管

② 2-2 型： 光电倍增管 (PMT)

○ 阴极表面 : 吸收辐射后发射电子

○ 二极管 : 发射的二次电子远多于从阴极表面接收的二次电子。使用了多个二极管

○ 阳极 : 收集二极管发射的电子

○ 优点： 噪声低、灵敏度高、响应性好、输出电流线性

○ 缺点：机械性能较弱，电源复杂

③ 类型 2-3: X 射线光电子能谱 (XPS)

⑶ 类型 3: 热探测器

① 概述

○ 利用吸收辐射引起的温度升高

○ 真空密封，最大限度减少热传递

○ 主要用于检测低能红外辐射

② 类型3-1：热释电探测器： LiTaO3、PbTiO3、PVF2 等。

③ 3-2 型： 热电偶

○ 塞贝克效应 : 又称热电效应

○ 定义 ： 当两种不同的导体或半导体一端连接并受到温差时产生电动势

○ 类似概念 : 珀耳帖效应、汤姆逊效应

○ 原因： 即使温差相同，材料连接处的电位差也可能不同»» ○ 每种材料都可以被视为电池中的一个单元，具有不同的电压值 → 产生净电流

○（注）低电阻材料可能有显着的电位差（或没有）

○ 由 Thomas S. Seebeck 于 1821 年发现

○ 常将一端置于冰水（0℃）中作为温度传感器使用

○ 热电势的大小和极性不受导体厚度或长度的影响

○ 塞贝克系数 : 每1℃温差的热电势

○ 类型

○ 使用Bi、Sb薄膜、单晶硅等材料。

○ K 型 : 铬镍合金和铝镍合金

○ 其他： E、J、N、B、R、S

○ 电源太弱，无法实际使用

图。 10. 热电偶示例

○ 与热敏电阻相比，热电偶的温度范围更广

图。 11. 热电偶和热敏电阻的比较

④ 类型 3-3: 辐射热测量计

○ 吸收入射红外辐射并升温，导致物体电阻发生变化

○ 类型 1： 金属 ： 铂或镍线（RTD、电阻温度二极管）

○ 类型 2： 半导体

○ 类型 2-1: 热敏电阻 : 电阻值随温度变化的半导体可变电阻器

图。 12. 热敏电阻的表示

○ 类型 2-2: 硅

○ 类型 3： 超导体

输入： 2020.04.01 17:19