第六章发光与耦合器件..ppt

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1、第六章 发光与耦合器件,光源、光学系统、调制器、传输介质、光电探测器和电子系统等基本环节。,光电探测系统的基本组成：,讨论：研究光辐射源的意义,讨论：研究光辐射源的意义,光辐射源,光电探测器,辐射强度辐射光谱,灵 敏 度响应光谱,光辐射源分类:,自然光源,人工光源,-被动探测系统,-主动探测系统,-其信息源直接来自目标本身的辐射或反射外来光辐射，本身没有光电发射系统,-其信息源来自经过精心设计的自身光发射系统的光源对目标的反射、透射和散射等。,漆黑环境中的人和铁丝网的温差,温度低,温度高,自然光源，如太阳、导弹尾焰、人体等，可组成被动探测系统，其信息源直接来自目标自身的辐射或外来光辐射，它没有

2、人为的光发射系统，如天文光电探测、红外跟踪制导、微光夜视仪,半导体激光器,人工光源，如黑体辐射器、白炽灯、激光器等，可组成主动探测系统，其信息源来自人造光源对目标的反射、透射和散射等光辐射，它一般需要人为精心设计光发射系统，如激光制导、光电精密微小尺寸测量、光电磁场测量,半导体激光器,半导体激光器,6.1.1 光源的基本参数,1.辐射效率和发光效率,2.光谱功率分布,3.光强的空间分布,4.光源的色温,6.1 光电检测系统中常用的普通光源,1、辐射效率和发光效率,辐射效率,在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比,发光效率,某一光源所发射的光通量与产生这些光通

3、量所需的电功率之比,单位为lm/W（流明每瓦）,LED 100,2.光谱功率分布,在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致,线状光谱,带状光谱,连续光谱,混合光谱,2.光谱功率分布,实验测得的He-Ne 激光谱线,带状光谱,2.光谱功率分布,实验中测得的溴钨灯谱线,连续光谱,2.光谱功率分布,实验中测得的荧光灯谱线,混合光谱,3、空间光强分布,若在空间某一截面上，自原点向各径向取向量，向量的长度与该方向的发光强度成正比。将各向量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度曲线，即配光曲线。,4.光源的色温,如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相

4、同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。,在一定温度下，黑体的光谱辐射分布曲线是唯一的。,色温的意义,比较基准,如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。,色温的实例,白炽灯：,连续光谱：-可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5-整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2-色温为2856K的白炽灯代表什么意义？,如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。,色温的实例,太阳：,太阳的色温-5900K,色温图,色温升高,如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度

5、称为该辐射源的色温。,色温与生活,沉稳、恬静的人适合选择65009000K的色温,热情奔放的人适于选用40005600K的色温,色温高,色温低,第6章 常用光辐射源,6.1 光源的基本特性参数6.2 热辐射光源6.3 气体放电光源6.4 激光器6.5 发光二极管,6.2 常用的普通光源,物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。,热辐射又名“红外辐射”，是一种肉眼不可见光。,可见光波段,热辐射波段,地下热源引起地表温差,管道,海湾战争中，此原理用于探测沙堆下的坦克。,物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。,2.气体放电光源,1.热辐射光源,1.自然辐射源,太阳：黑体 色温 5900K 峰值波长？,1.

6、自然辐射源,人体：近似灰体 能量分布812m 红外被动成像,1.自然辐射源,飞行器：近似灰体 选择性发射,红外告警,2.黑体辐射器,人工模拟绝对黑体 黑体模拟器,能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体叫绝对黑体,恒温,空腔黑体辐射,所有波长入射,多次漫射及吸收,2.黑体辐射器,标准光源-红外光谱区 0.75m2.5m 0.75m6m,应用：,最高工作温度：3000 K，实际2000 K.为什么？,一种人造黑体辐射器结构示意图,3.白炽灯与卤钨灯,可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2色温限制：2800K 光谱范围：0.43 m,白炽灯特点：,光电技术常

7、用测试光源：色温2856K白炽钨丝灯,卤钨灯,注意：为了使玻壳内的卤钨化合物呈气态而不至于凝结在它上面，玻壳温度不能太低，但管壁温度也不能太高，否则卤钨化合物就要部分分解，造成玻壳发黑。,4 气体放电光源气体放电原理,制作时在灯中充入发光用的气体，如氢、氦、氘、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、镉、钠、铟、铊、镝等。在电场作用下激励出电子和正离子，气体变成导电体。当正离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到能量，当它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子。由于这一过程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或红外、紫外辐射。,气体放电光源具有下列共同

8、的特点：1、发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210倍，因此具有节能的特点。2、结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击。3、寿命长。一般比白炽灯寿命长210倍。4、光色适应性强，可在很大范围内变化。气体放电灯具有很强的竞争力，因而发展很快，并在光电测和照明工程中得到广泛使用。,6.2.1 发光原理与结构,与半导体激光器类似，PN结,发光原理：,峰值波长：,峰值波长范围：255nm1670nm,近年来，GaN蓝、紫LED白光,6.2.2特性参数,1、LED的效率-量子效率,发光复合究竟在整个过程中占多大的比例，即描述这一物理过程中的数量关系就是内量子效率。,这里，

9、产生的光子数并不能全部射出器件之外。作为一种发光器件，我们感兴趣的是它能射出多少光子。表征器件这一性能的参数就是外量子效率,2、发光光谱,发光二极管的发光光谱直接决定着它的发光颜色。根据半导体材料的不同，目前能制造出红、绿、黄、橙、蓝、红外等各种颜色的发光二极管。,开启电压：12V,工作电流：550mA,3伏安特性和时间响应,时间响应：,(a)稳定发光(b)脉冲调制发光(c)模拟调制发光,InGaAsP LED，时间响应25 ns，调制带宽50140 MHz。直接调制技术，相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中获得应用。,4、发光与电流的关系从图中可见GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs和Ga

10、P（绿色）的发光二极管，其光辐射度与电流密度近似地成正比增加，不易饱和。而GaP：（Zn、O）的红色发光二极管则极易达到饱和。,(5)寿命,发光二极管的亮度随着工作时间的增加而衰减，这就是老化。老化的快慢与电流密度 和老化时间 常数有关,应用举例：,仪表指示 大屏幕（高亮度）公告牌 双色发光二极管，变色发光二极管 构成组合器件光耦 LED数码管,总之，随着半导体材料的制备和p-n结制造技术的发展，发光二极管日益得到广泛的重视和应用。归纳起来它具有如下优点：(1)属于低电压(1-2V)、小电流(每个发光单元只需10mA)器件，在室温下即可得到足够的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)发光

11、响应速度快(10-7 10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用因此性能稳定；(4)易于和集成电路匹配，且驱动简单；(5)与普通光源相比，单色性好，其发光的半宽度一般为几十纳米；(6)小型、耐冲击。当然它也存在一些缺点，主要是功率较小，只有pw、mW级；光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝色)，且发光效率低,LED数码管,3.超高亮度发光二极管,白光LED用于照明,超高亮度LED：发光强度1000 mcd 发光效率50100 lm/W,室外不低于1000 mcd室内 5001000 mcd,石家庄市水上公园LED照明,红色LD和蓝色LED照射下的新型植物工厂,滨松研究人员发现了一种提高粮食产

12、量的新方法：红色激光可以显著刺激水稻的生长：蓝光可以刺激开花并使稻穗饱满。合理结合红色激光和蓝光可以既提高水稻生长速度又增加产量。,6.3 激 光(Laser)-神奇之光,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然和改造自然的强有力工具。,与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。,196

13、0年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于1961年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。,40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。,梅曼和第一只激光器,1961年8月，中国第一台

14、激光器“小球照明红宝石”激光器,气体激光器,固体激光器,燃料激光器,半导体激光器,激光打孔,激光切割,低能激光武器,高能激光武器,全息照相,例：氦氖激光器,波长为6328nm的红光，频率为4.74 1014Hz，谱线宽度只有9X 10-2Hz；普通的氦氖气体放电管,同样频率的光，其谱 线宽度达1.52109Hz,高单色性：,高方向性：,例：定向性好的探照灯，直径一米左右的光束，不出十公里就扩大为直径几十米的光斑了。氦氖气体激光器，一条细而亮的笔直光束，光束的发射角3 X 104rad，十分接近于衍射极限(2X 104rad),一、激光器的产生,1、受激辐射,自发辐射,自发辐射：高能级的原子自发

15、地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。,受激辐射,受激辐射：当受到外来的能量 的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子的频率、位相和方向完全相同的光子。光的受激辐射过程,受激辐射的特点,当外来激励光子能量为高低两能级能量差 时，才能发生受激辐射受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即：频率、位相、偏振和传播方向完全一样光的受激辐射过程是产生激光的基本过程,2、粒子数反转(population inversion),从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可

16、能引起吸收过程。,必须 N2 N1这种状态称为 粒子数反转或者集居数反转。,产生激光必须,受激吸收总是占优势,表现为光的吸收,通常情况下：,N1 N2,粒子数分布反转,受激辐射占优势,为得到光放大,必须使,N2 N1,实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用,粒子数反转状态,怎样才能实现粒子数反转呢？,1）提供足够的外界激励能量；,2）原子在激发态多“呆”一会；,实现粒子数反转分布的条件,电激励气体激光器,化学激励燃料激光器,核能激励,光激励固体激光器,激励(又称泵浦),3、谐振腔,激光器的组成,工作物质,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,光学谐振腔的作用,

17、小结：产生激光的必要条件,.激励能源（使原子激发，形成粒子数反转）,.粒子数反转使受激辐射足以克服损耗,.光学谐振腔提供正反馈及增益,使入射光得到放大，是核心,供给工作物质能量,光抽运,激光束,工作物质,泵浦源,二、激光器的工作过程,最亮的光,激光来源于受激原子产生的光子（射线）受激辐射。爱因斯坦在1917年预言了该过程的存在。今天，激光奠定了很多消费产品的基础，包括指示器、水平仪和DVD播放机。,1原子在一个两端有镜面的腔体中。原子被注入的能量充能。,镜面100,镜面90,原子,最亮的光,1原子在一个两端有镜面的腔体中。原子被注入的能量充能。,镜面100,镜面90,原子,最亮的光,镜面100

18、,镜面90,1充能后处于激发态的原子。,镜面100,镜面90,最亮的光,2注入的能量激发原子，使它们处在高能态。一些原子会自发地放出一个光子从而回到原来的非激发态。,受激原子,自发辐射,光子,最亮的光,2注入的能量激发原子，使它们处在高能态。一些原子会自发地放出一个光子从而回到原来的非激发态。,受激原子,最亮的光,3自发辐射出的光子可以轰击受激原子，激发该原子放出一个全同的光子。,受激原子,受激辐射,最亮的光,3自发辐射出的光子可以轰击受激原子，激发该原子放出一个全同的光子。,受激原子,最亮的光,4自这些光子又可以进一步从其他受激原子激发辐射。当原子回到原来状态时，每一个原子都贡献出一个全同的

19、光子。,最亮的光,5这些光子从镜面反射回来，使它们可以激发其他原子放出光子。,最亮的光,6一些光子从部分透射镜面逸出，在腔外形成一束相干光。,三、氦氖激光器一般采用电激励源,氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器。在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质。,1、氦氖激光器，它在两方面有里程碑意义:一方面它第一次实现了连续性。固体激光器都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光束有很多好处，为应用开辟了广阔的道路。另一方面证明了可以用放电方法产生激光。只要在两种不同的工作介质中选定适当的能级，就有可能实现光的放大，为激光器的发展展示了多种渠道的可

20、能性。,氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器。在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质。,(2)氩离子激光器工作物质是氩气，在低气压大电流下工作，因此激光管的结构及其材料都与氦氖激光器不同。连续的氩离子几个在大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子的轰击。(3)二氧化碳激光器工作物质主要是二氧化碳，掺入少量的N2和He等气体。,2.气体激光器的特点,He-Ne 激光器：,CO2激光器：,峰值波长632.8 nm，波长稳定度106，用于精密计量、全息术、准直测量、激光陀螺等,典型的波长为10.6 m，脉冲放电方式，峰值功率可达千兆瓦，用于

21、金属材料的切割、宝石加工、手术治疗、自由空间激光通信等,特点：光束质量高，单色性和方向性优于固体和 半导体激光器,四、固体激光器-一般采用光激励源,固体激光器所使用的工作物质是具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。固体激光器有红宝石、钕玻璃和钇铝石榴石等激光器。其中红宝石激光器是发现最早、用途最广的晶体激光器。,能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差。,红宝石激光器是掺有0.05%铬离子的氧化铝单晶体。与红宝石棒平行的是作为激发源的脉冲氙灯。它们分別位于內表面镀铝的椭圆柱体共振腔的两个焦点上。脉冲氙灯的瞬时强烈强光，借助于聚光镜腔体会聚到红

22、宝石棒上，这样红宝石激光器就输出波长为694.3nm的脉冲红光。激光器的工作是单次脉冲式，脉冲宽度为几毫秒量级，输出能量可达1100焦耳。,五、染料激光器染料溶解于某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。某些染料，当在脉冲氙灯或其它激光器的强光照射下，可成为具有放大特性的激发介质，用染料激发介质做成的激光器。,六、半导体激光器 它的原理与前面讨论过的发光二极管没有太多差异，p-n结就是激活介质，砷化镓同质结二极管激光器的结构。,1、特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单、价格便宜，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较

23、小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,LD 和LED的主要区别 LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。,2、产生激光的必要条件：,粒子数反转,谐 振 腔,泵 浦 源,3、半导体激光器。常用的是PN结注入式，也称激光二极管（Laser Diode，简称LD）。,LD在电子线路中的符号,4.半导体激光器（LD）,粒子数反转,谐 振 腔：晶体解理面，矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质称为解理，这些平面

24、称为解理面,泵浦源外电源,必须满足上述三个激光产生的条件：,谐振腔：,利用半导体晶体的自然解理面，作为激光器的谐振腔。,GaAs注入式半导体激光器结构示意图,粒子数反转：,加正向电压注入电流,注入,-导带中电子数目价带中电子数目粒子数反转,重掺杂,结区粒子数反转,高能电子与空穴相遇发光，解理面谐振腔的共振放大，定向发射激光。,5、半导体激光器基本结构,最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、P型和N型限制层构成。,解理面,金属接触,电流,有源层,P型,N型,300m,100m,200m,1）、同质结（PN结）半导体激光器,PN能带,PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作

25、,所加的正向偏压必须满足,2）、异质结半导体激光器,为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。,P-AlxGa1-xAs,N-AlxGa1-xAs,GaAs,异质结,异质结,N,GaAs,P,空穴,电子,结构图,能带图,（1）半导体激光器的PI 特性,自发辐射荧光,受激辐射激光,6、半导体激光器的特性参数,（2）调制特性,LD的重要特性：直接调制（光源内部调制）,调制频率高达10 GHz，可应用于光通信,（3）发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV),不同材料有不同的禁带宽度Eg，有不同的发射波长。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m

26、波段 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3-1.55 m波段,（4）转换效率和输出光功率特性用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。,外微分量子效率d其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数,外量子效率为：,（5）温度特性半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要原因为：（1）激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。,半导体激光器（LD）,输出功率：连续波几mW到数百mW 脉冲波可达数W 阵列式达到几十W波长：0.3344 m,应用举例 通讯，作光源 100亿

27、路电话，全世界人同时通话 光计算机，1000亿次/秒 激光全息；DCD；激光雷达；火炮自动瞄准,半导体激光器尺寸,半导体激光器功率,激光器军事应用举例：,据俄罗斯纽带新闻网2005年11月1日报道，美国军方研制出世界第一款实用型激光步枪“PhaSR”激光步枪,最大特点：暂时使人失明，被照射者的视力可以自然恢复激光不会给人体眼球带来永久性损伤,激光器军事应用举例：,WJG-2002激光枪,中国新型激光眩目器,七、光纤激光器,主要内容,1、光纤激光器的定义,2、光纤激光器的基本结构,3、光纤激光器的类型及特点,4、光纤激光器发展历史,5、光纤激光器的应用,什么是光纤激光器,光纤激光器是指用掺稀土元

28、素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。,光纤激光器的基本结构,光纤激光器的基本结构与固体激光器的结构基本相同。,LD,耦合光学系统,工作物质(增益光纤),准直光学系统,谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环,泵浦源,光纤激光器的分类及特点,晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。稀

29、土类掺杂光纤激光器。光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。,光纤材料,光纤激光器的主要特点 光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点；由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易于系统集成、性能价格比高；与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产；与半导体激光器相比：单色性好，调制时产生的啁啾和畸变小，与光纤耦

30、合损耗小。,光纤激光器发展历史,1964 世界上第一个玻璃激光为钕玻璃光纤激光(Appl.Opt.,3.1964.1182）1987 英南安普顿大学（Elect.Lett.,23.1987.1026）和美国贝尔实验室（Opt.Lett.,12.1987.888）用掺Er单模光纤实现光通讯中的光放大。1988 年提出泵浦光进入包层的思想(Optical Fiber Sensors.,PD5.1988)1993 长方形内包层光纤激光器。光光效率50，功率5W）（Elect.Lett.,29.1993.1500）1999 用4只45W半导体激光泵浦掺镱双包层光纤，实现110W输出，波长1120nm的

31、激光输出（Elect.Lett.,35.1999.1158）2002年 采用双波长泵浦钕镱共掺杂的双包层光纤，获得150W激光输出（CLEO,2002）,2003年1月Jena的IPHT报道了其采用双重涂覆的掺Yb光纤的200W光纤激光（SPIE，4974）2003年2月Southampton Photonics,Inc.（SPI）宣布掺Yb光纤实现了270 W（1080nm）单模激光输出2003年5月，IPG公司宣布实现了300 W 的单模光纤激光2003年7月，SPI公司和英国的南安普墩大学合作，实现了600W的光纤激光(M=1.26)2004年1月，SPI在Photonics West2

32、004上，报告单根光纤实现了1千瓦的激光功率输出。后来又实现了1.36kW输出。Opt.Express 12,6088-6092(2004)2005年1月,IPG photonics,2kW(amplifier)2008年1月,IPG photonics,20 kW(amplifier),光纤激光器的应用,标刻应用材料处理的应用 材料弯曲的应用激光切割的应用,精密仪器标刻,心脏支架的切割,在线打标,6、4光电耦合器件,一、光电耦合器件的含义特点,把发光器件与光敏元件封装在仪器构成光电耦合器件。这种器件在信息的传输过程中用光作为媒介把输入边输出边的电信号耦合在一起的，具有线性变化关系，且在电性能

33、上是完全隔离的。,把利用光耦合做成的电信号传输器件，一般称为光电耦合器件。,特点：具有电隔离功能；绝缘电阻高达10101012欧姆，击穿电压高达10025千伏，耦合电容小到零点几个皮法；信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以，模拟，数字信号都适用；具有抗干扰噪声的能力，可作为继电器变压器等使用；响应速度快，一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级；使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性价比高，工作温度范围在55到100摄氏度之间。,二、特性参数1、传输特性,IF,IF,IF,Q3,Q2,Q,Q1,IF1,IF2,IF3,IF,Vc,Ic,Ic1,Ic2,Ic3,在直

34、流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流IC与发光二极管的注入电流IF之比，称为光电耦合器件的电流传输比，用表示，若有一工作点Q，则,工作点选择在输出特性的不同位置时，具有不同的值。故常用交流电流传输比来表示：,IF,T,在电流较小时，耦合器件处于截止区，值较小，当电流变大后，值变小，器件处于线性工作状态，但其变化量较小。,在零摄氏度以下，值随温度的升高而上升；在零摄氏度以上，随温度的升高而下降。,0,2、输入输出间绝缘耐压BVCFO绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管光敏三极管之间的距离有直接关系，且是一对矛盾体。当二者距离增大，绝缘耐压提高，但电流传输比却降低，反之，绝缘耐压降低，但电流传输比

35、却提高。3、输入输出间绝缘电阻RFC一般在1091013欧姆之间，它的大小意味着耦合器件的隔离性能的好坏。4、输入输出间绝缘寄生电容CFC一把为几个皮法，影响器件的工作频率。,5、最高工作频率fM,V,V(t),C,RFo,EF,Ec,Rc,C,RL,测量器件最高工作频率的电路,向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。,随着频率的增高，虽然电压幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为器件的最高工作频率。它会随负载的变化而改变。,fM,f,相对输出,0.707,相对输出,0.707,fM1,f

36、M2,fM3,f,RC1,RC2,RC3,6、脉冲上升时间下降时间,Ec,接示波器,测量脉冲响应时间的电路图,相对输入,t,t,tf,t,相对输出,1.0,0.9,0.1,0,（二）抗干扰特性强的原因输入阻抗很低，而干扰源的内阻很大，从而能馈入器件输入端的干扰噪声就变得很小；虽然有较大的干扰电压，但干扰源的内阻很大，只能形成微弱电流，不足以使发光二极管发光，从而避免干扰；器件的输入输出边是用光耦合的，且密封在管壳中进行，避免了外界光的干扰；器件的输入输出间的寄生电容很小，绝缘电阻又非常大，故输出系统的各种干扰很难通过器件反馈到输入系统中去。,三、光电耦合器件的应用代替变压器，可以耦合从零频道几

37、兆赫德信息，且失真很小；代替继电器，避免了泄放干扰，触点抖动等不可靠问题；容易把不同电位的两组电路互连，从而圆满并简单地完成电平匹配、电平转移等功能；在长线传输中可作终端负载使用，可以大大提高信息在传输中的信噪比；用在计算机主体运算部的输入输出之间，可很好的增强计算机的可靠性；作为开关部件使用，其饱和压降低，优于晶体管开关；可作为稳压电源中的电流自动保护器件使用。,本章小结,2.黑体 能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体。,3.标准光源 色温2856K白炽灯-可见光区和近红外区 色温500K黑体-红外光谱区 高压汞灯和氘灯-紫外光谱区,4.激光器 He-Ne激光器、CO2激光器、激光二极管,5.发光二极管 PN结发光器件，对光源直接调制,1.光源 一切能产生光辐射的辐射源，都称为光源。可分为：自然光源和人造光源。,