第1章 光辐射、发光源与光传播基本定律

任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射与光传播的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐射源。

1.1 电磁波谱与光辐射

1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱

根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E（或变化磁场H），在邻近区域将产生变化的磁场H（或变化电场E），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。电磁波具有以下性质：

（1）电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。E、H和传播方向构成右手螺旋系。

（2）沿给定方向传播的电磁波，E和H分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。

（3）空间各点E和H都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。

（4）任意时刻，在空间任意点，E和H在量值上的关系为。

（5）电磁波在真空中传播的速度为，在介质中的传播速度为v=。v决定于介质的介电系数ε和磁导率μ。由于ε和μ与电磁波的频率有关，因此介质中不同频率的电磁波具有不同的传播速度，这就是电磁波在介质中的色散现象。

电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到γ射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1-1所示，光辐射仅占电磁波谱的一个极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）电磁波名称。

目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。表1-1示出了电磁波段的详细划分及用途。

1.1.2 光辐射

以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm～1mm，或频率在3×1016Hz～3×1011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。表1-2为光辐射波谱的划分。光辐射光谱区的标尺通常采用波长，有时也用到频率和波数，它们之间的关系为

式中，λ为波长；ν和分别为频率和波数。一般在可见光到紫外波段波长单位采用nm、在红外波段波长单位采用μm表示。波数的单位习惯用cm-1。

可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390nm～770nm范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。

紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1nm～390nm。它可细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传2播，所以又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段、B波段和C波段。

红外辐射。波长在0.77～1000μm的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。