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1、1,止於至善,正修科技大學,光通量照度,Ch 3-2 光通量與照度,2,光是一種電磁波，而物質(包含：原子、分子或晶體形式)中含有帶電體(電子或質子)，故電磁波可以與它產生交互作用(例如：使它加速或振動)，而運動的帶電體亦能幅射出電磁波。物質(原子、分子或電晶體)可允許存在的能量狀態稱之為能階，它是由量子力學決定。當光子的能量恰能符合原子或分子的能階時，光子就可以被吸收而使得原子或分子進入較高的能量狀態，或是藉著放出光子而由高能階回到較低能階。,光與物質的交互作用,3,薛丁格方程式,以氫原子能階為例它可以藉由解出薛丁格方程式得到：拉氏算符：波函數：位能函數 其能階如下圖所示.,4,n:1,n:
2、2,n:3,n:,-13.6ev,-3.4ev,-1.5ev,0,氫原子能階,eV：電子伏特,圖 氫原子能階,氫原子能階,5,原子的模型觀念及能階的量子化,1911年拉塞福(E.Ruther ford)以粒子撞擊金屬薄片，發現了一些大角度的偏移及反彈，推測原子中應有一個密度極大的地區(即原子核)。2.1913年波耳(N.Bohr)提出了更好的原子模型，它並包含了普朗 克的量子假說；這個模型的其中一個成就就是成功地解釋了氫 原子的光譜。但是波耳原子模型仍只是半古典的方法，更正確 的方法應該使用量子力學中的薛丁格方程式；波耳的原子模型 包含了下面4個重點。,6,a.原子中的電子受原子核的庫倫作用力
3、，繞著原子核作圓周運動，這個運動遵循牛頓運動定律。,b.電子不像在牛頓運動中可以有無限多可能的軌道，它的軌道必須滿足其角動量L 是 的整數倍(h是卜朗克常數6.62610-34 J.s)，,也就是說,n=1,2,3。,波耳的原子模型(I),=1.05510-34 J.s,7,c.儘管電子在一穩定軌道上運動持續受到加速度的作用，它不會輻射電磁能.也就是電子在一穩定的軌道上運動時,其總能量E 保持一定此種軌道為穩定軌道。,d.如果一個電子從能量為,的軌道突然躍遷到能量較低的,的軌道，它會放射電磁輻射(即光子)，其頻率為,波耳的原子模型(II),8,吸收，自發放射，誘發放射,一個光子和在固體內的電子
4、間有三種主要相互作用，即吸收(absorption)、自發放射(spontaneous emission)及誘發放射(stimulated emission)。在此我們將以一個簡單的系統來說明這些過程。若考慮在一原子內的兩個能階E1及E2，而E1 相當於基態(ground state)，E2 相當於激發態(excited state)如下圖所示，則在此二態間的任何轉換都包含了光子的激發或吸收，而此光子的頻率則為，其中=E2-E1。在室溫時，在固體中的大多原子是處於基態。但若有一能量恰好等於 的，則光子撞擊此系統後，將破壞了原來的狀態，而原來處於基態E1的原子將會吸收光子能量而跑到激態E2，這項
5、能量狀態的交換我們稱它為吸收過程，如圖所示.,9,自發放射,在激態中原子是很不穩定的，經過短暫的時間後，不需外來的激勵，它就會跳回到基態，而且放出能量 這種過程稱為自發放射(如圖)。,綠光:510540 nm,10,當一能量為 的光子碰撞一原本在激態的原子時(如圖)，此原子受此誘發後會轉移到基態，而且放出與入射幅射光相同之單色光，因為每個光子所具有的能量都是，而且非常一致，因此所有光子都是以同相位發射。,誘發放射,二極體雷射:652.5 nm,而雷射則是誘發放射,11,發光體與檢測器之原理,發光二極體主要的操作過程是自發放射，而雷射則是誘發放射，此外，光檢測器及太陽電池則是靠吸收作用來工作的。
6、,12,白光光源研究,High-Luminance White-Light Point Source Using Ce,Sm:YAG Double-Clad Crystal FiberYen-Sheng Lin,Tzu-Chieh Cheng,Chien-Chung Tsai,Kuang-Yu Hsu,Dong-Yo Jheng,Chia-Yao Lo,Ping-Hui S.Yeh,and Sheng-Lung Huang,Senior Member,IEEEIEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.22,NO.20,OCTOBER 15,2010,13,白光
7、光源研究,At a pump wavelength of 446 nm,Ce3+,Sm2+,Spontaneous emission,Spontaneous emission,YAG(Y3Al5O12)crystal fiber,14,白光光源研究,15,光度與光通量,光度（I）：光源單位時間所發出光的光能（光源發光的強弱程度），單位為瓦特（w=J/s）或燭光(cd)。光通量（F）：光源在每單位時間內所幅射出來的可見光能量，稱為該光源的光通量，單位為流明（lumen）。F=4I。,16,照度,照度(E)：單位面積所通過的光通量。E=F/A=4I/4r2=I/r2照度平方反比定律：可見光（當光源固定時）垂直照射被照面時，其照度與距離平方成反比,17,Ex.在光度為150 燭光之燈光下方5 m處其照度為多少？燈光下方2 m處其照度為多少,18,問題討論,(1)何謂光度，光通量，照度？(2)何謂照度平方反比定律？,19,
