光与光源的认识

光与光源的认识

光与光源的认识

一、光的产生

1、光的辐射

光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质。因为实物是由大量的带电粒子组成的，粒子在不断地运动，当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。

我们用比较简单的孤立原子来说明这个问题。原子内有若干电子围绕原子核不断运动，其运动有多种可能状态，都是稳定的且有一定的能量。不同运动状态的电子具有不同能量，常用“能级”一词来代表电子绕原子核的运动状态。在原子内，这些能级的能量是不连续的，或者说是一系列分立的能级，能量大的称为高能级，小的则为低能级，最低能级称为“基态”。如果有外来的激励，把适合的能量传给电子，电子就可能从低能级进入较高的能级。这个过程是瞬时完成的，称它为“跃迁”。电子受激励“跃迁”到较高能级（激发态）只能维持很短的一段时间，很快就要回到低能级。这个从激发态向下回到低能级的过程中，必然释放出多余的能量。在极大多数情况下，释放的能量是以光子的形式发射出来的。

下图代表电子的两个运动状态

E0为基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量E1从变到E0，此时发射光子的频率为：

式中h为普朗克常数，h= 6.62 X 10-27尔格·秒=4.13 X 10-15电子伏·秒。因为原子中有很多可能的能级，因此原子受激后可发射出多种频率的光。这些频率是分立的，分立的线光普称为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。

为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。

气体或汽态物质可看成是由许多孤立原子组成，每个原子受激后都可能发射出光子。各个原子发射光子过程基本上是互相独立的，即使是完全相同的两个能级之间的跃迁，光子发射的时间也有先后，发射的方向也不尽相同，电场振动的方向也有各种可能，即光子发射的时间、方向、电场相位和偏振方向都是随机的，这样的光就是非连续的“自然光”。

在固体中，情况就不同了，固体包含着大量互相紧密连系的原子，原子之间相互作用使能级发生迁移。从整体上看，固体中电子的能级是一片能量连续的能带。电子在两个能量连续的能带之间的跃迁，其跃迁能量也必然是连续的。所以固体受激后发射出来的光具有连续的光谱，而不是分离的谱线。同样，固体发射出来的光也是风非相干的自然光。

激发发光可概括为两个过程：激励和复合。激励就是在外界作用下，粒子吸收能量，电子由低能态跃迁到高能态的过程，常称受激吸收。此时受激物体处于非平衡状态。复合是指电子由高能态回复到低能态，释放能量的过程。从不稳定的高能态自发的回到低能态是自发跃迁，它释放能量的形式有两种，一是变成粒子热运动的动能（温升）；一是以光的形式辐射出来，产生自发辐射。被激发到高能态的电子也可以在外作用下（如入射光子）跃迁到低能级，称受激跃迁，这个过程发出的光为受激辐射。一般光源均属自发辐射，激光属于受激辐射。

2、光的产生方法

激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可以有多种方式，常用的有以下几种方法：

（1）、电致发光

物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光，发光二极管所产生的光就是电致发光。

（2）、光致发光

物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。如荧光、示波管、显像管等中荧光物质的余辉，短波长的紫外光照射到杂质上发出波长较长的可见荧光均属于光致发光。其原理是当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用（吸收、动量传递等），引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射，日光灯是光致发光的例子之一。

（3）、化学发光

由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如磷在空气中缓慢氧化而发光。

（4）、热发光

物体被加热到一定温度而发光，称热发光。热发光只能在达到一定温度才能发光。

实际上，物质受激而发光有时是很复杂的过程，有些发光现象同时属几种受激过程。

二、光源种类

1、发光二极管

发光二极管简称LED（Light Emiting Diode），是一种固态P-N结器件，属冷光源。其发光机理是电致发光，当P-N结上有正向电流时即可发光，它是直接把电能转换成光能的器件，没有热交换过程。由于它发光面小，故可视为点光源。

•发光二极管的特点

●工作电压低（1.5V～2V），耗电少。

●可通过调节电流或电压来对发光亮度进行调节，响应速度快，可直流驱动。

●比普通光源的单色性好。

●发光亮度和发光效率均较高。

●体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长。

（2）LED发光机理

在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。当给发光二极管的P-N结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P 区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。可见，结型发光二极管的发光区为P区。

电子和空穴复合时放出能量的大小，即光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度Eg（Eg=E1-E0），放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短，即

式中c为光速，h为普朗克常数。

电子跃迁图

电子跃迁图

（3）LED的特性参数

表示二极管性能的参数有电学方面的，也有光学方面的，常用的主要性能有：伏安特性、发光亮度、时间响应、光谱特性和放光效率等。

●伏安特性

伏安特性即电流-电压特性，是发光二极管的基本特性。LED的伏安特性曲线形状和普通二极管的伏安特性曲线相似（见下图）。