1-1电磁波谱与光辐射1-2辐射度学与光度学基本知识

1光电子技术主讲：杨絮长春理工大学电信学院通信工程系第1章光辐射、发光源与光传播基本定律2主要内容：§1.1电磁波谱与光辐射§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.3热辐射基本定律§1.4激光原理§1.5典型激光器第1章光辐射、发光源与光传播基本定律3§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱tBEtDJHD0BSLdSBtdlESLdSDtJdlHSqdSDSdSB0变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场；电荷可以单独存在，电场是有源的；磁荷不可以单独存在，磁场是无源的。磁感应强度的变化会引起环行电场；位移电流和传导电流一样都能产生环行磁场；电位移矢量起止于存在自由电荷的地方；磁场没有起止点。散度是“标量积”一个矢量在某点的散度表征了该点“产生”或“吸收”这种场的能力,若一个点的散度为零则该点不是场的起止点。旋度是“矢量积”一个矢量场在某点的旋度描述了场在该点周围的旋转情况。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律麦克斯韦方程组4麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭示了电磁场的内部作用和运动规律。不仅电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的电场和磁场也可以互相激发。说明电磁场可以独立于电荷之外而存在。由此可见，电场和磁场互相激发形成统一的场----电磁场。变化的电磁场可以以一定的速度向周围传播出去。这种交变电磁场在空间以一定的速度由近及远的传播即形成电磁波。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律麦克斯韦方程组§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱5为了求解麦克斯韦方程组，两点很重要：（1）需要知道介质的电磁性质方程（2）电磁场边值关系EPED0HMHB00sJEJnnDD12012nnBB012ttEEttHH12电位移矢量法向跃变：电场强度矢量切向连续：磁场强度矢量切向跃变：磁感应强度矢量法向连续：场量跃变的原因是面电荷电流激发附加的电磁场第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱6一、电磁波是矢量波电磁波＝交变电磁状态的传播EHHHHEE设一平面电磁波xyzoHEu2222tExE由麦克斯韦理论可得：222221tEuxE真空中的电磁波2222tHxH222221tHuxH第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱7)]uxt(cos[EE0当电场振动沿x轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波)]uxt(cos[HH0用麦氏电磁场方程组可推出000000EuEH在真空中：s/m./u80010997921c在介质中：rr/u001rr/ccn/c第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱8折射率(refractiveindex)二、电磁波的性质(1)电磁波是横波H,E振动量与波速构成相互EHu垂直的右手螺旋关系。u(2)电磁波的偏振性分别在各自的平面上振动。H,E旋光现象。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱9HEoxyuEHz(3)电场与磁场同相变化0000HE振幅之间满足电、磁场分量与电磁波传播方向互相垂直第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱10(4)电磁波的能量meuEHEH221Ewe221Hwm第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱11•电磁波的能流密度wuSEH•坡印廷矢量HES•电磁波的强度TTEHdtTSdtTI00110021HE2021E20EI第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱12无线电波－－波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。微波－－波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。红外线（IR）－－分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱13紫外线（UV）－－频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。X射线－－波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱14γ射线和宇宙射线－－波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级，γ射线产生于核反应及其他特殊的激发过程宇宙射线来自地球之外的空间可见光(visiblelight)－－能够引起人的视觉的电磁波。777.7010~3.9010m770~390nm第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱15电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，X射线和射线等。电磁波谱总结：按频率高低排序？按波长长短排序？？第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.1电磁波的性质与电磁波谱16ftjtjerEerEtrE2)()(),()2cos()()cos()(),(ftretretre)(0)()(rjerErE光波的电磁表示由于有以下两个原因，通常用光波的电场分量来表示光波电磁场。(a)电磁场的磁场分量与电场分量之间有确定关系。(b)光强常用光波电场E振幅的平方来表示。光波电场为时谐单色波的表示形式：)(cos)()(0rrere指数形式：三角函数形式：第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.2光辐射17可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波发射光波的物体称为光源可见光的波长范围约为390～770nm390nm紫770nm红773.9010~7.7010m390~770nm第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.2光辐射18光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红770~622660橙622~597610黄597~577570绿577~492540青492~470480蓝470~455460紫455~3904301414108.4~109.31414100.5~108.41414104.5~100.51414101.6~104.51414104.6~101.61414106.6~104.61414105.7~106.6可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即nm555附近。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.1电磁波谱与光辐射§1.1.2光辐射19国际单位制的7个基本单位量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克Kg时间秒S电流安（培）A热力学温度开（尔文）K物质的量摩（尔）mol发光强度坎（德拉）cd第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量20国际单位制的辅助单位立体角:球面面积除以球半径的平方称为立体角1球面度等于自圆球面上切取一面积与球半径平方相等的球面所张球心角的立体角:1sr＝1m2/m2＝1量的名称单位名称单位符号平面角planeangle弧度radianrad立体角solidangle球面度steradiansr第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量21立体角定义图第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量22计算微元立体角的几何关系ddsindd2rAc对整个空间：Ω=4π第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量231）、辐射能以辐射形式发射或传输的电磁波能量：Qe单位：焦耳（J）第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量242）、辐射通量单位时间内该辐射体所辐射的总能量辐射通量又称辐射功率，单位：瓦特（W）。edtdQeedtQee0第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量253）、辐射出射度Me辐射源单位发射面积发出的辐射通量单位：瓦每平方米（W/m2）dsdMee第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量264）、辐射强度RadiantIntensity表示点辐射源在不同方向上的辐射特性ddIee在给定方向上包含该方向的立体角内辐射源所发出的辐射通量dφ除以该立体角dΩ，单位为W/Sr第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量275）、辐射亮度RadianceddsidLeecos2dsidILeecos在i方向上的辐射亮度就是辐射面在垂直于i方向上单位投影面积在单位立体角发出的辐射通量。辐射源面上一点在给定方向上包含该点的面元dA的辐射强度dI除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积，单位为W/Sr・m2。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量28设点源s的辐射强度为Le它与被照面上O点的面积ds的距离为l,ds接收到的辐射通量为：2coslidsIdIdeee点源在被照面上O点所产生的辐射照度为：2cosliIdsdEeee6）、辐射照度辐射照度(Irradiance)：在辐射接收面上一点的辐射照度E等于投射在包括该点的一个面元上的辐射通量dφ除以该面元的面积dS。单位：瓦/平方米（W/m2）第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量297）、单色辐射度量对于单色光辐射，以上6个物理量称为：单色辐射度量。只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量。见p5－表1－3第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量30光是电磁波，但电磁波却不是光。实际上，在电磁波漫长的波谱中只有一小段能够触发我们眼底的感光器件——视锥和视杆细胞。所以，为了表达可见光的强弱，我们需要某种又以人眼的视生理/心理特征为依据，又兼顾物理定律的科学，这就是光度学。它研究辐射能量产生的视觉效果，核心问题是建立“功率”与“明暗”间的关系。而专门研究电磁波强弱的科学叫辐射度学，它是纯物理研究。第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.2光度量311.辐射通量：设在空间中有一截面，在一段时间Δt里通过这个截面ΔQ焦耳的电磁辐射能量，我们就定义这个截面上的辐射能通量Φe为ΔQ/Δt瓦。(Φe=ΔQ/Δt，单位瓦(W))。【能量除时间，不就是功率嘛！】这个不是光度