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1、第四章 发光器件,1.白炽光源,用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,发光器件,2.气体放电光源,定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。,气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。,低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm,546n
2、m,576.96nm,579.07nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3,发光二极管(Light emitting diode),由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区
3、，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。,发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源，也称作注入式场致发光光源,发光二极管的工作原理,图 3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型,发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED,LED的光谱特性,LED的发光谱决定其发光颜色，目前可实现各类颜色,有红、橙、黄、绿、蓝。LED具有正的温度系数，温度升高时，发射波长红移，约为：度,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0,60
4、0,700,800,900,1000,GaAsP,p=670nm,p=655nm,GaAsP,p=565nm,GaP,p=950nm,GaAs,/nm,相对灵敏度,发光二极管的光谱特性,发光二极管LED的频率响应,发光二极管LED的P-I特性曲线,原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光,LED驱动电路及伏安特性,RL为限流电阻,UF和IF为二极管参数,例如：GaAs电流选用20mA，GaP电流选用10mA，即可获得足够亮度。,阈值特性与材料有关：GaAs是1.0V；GaAsP、GaAlAs约为1.5V；发红光的GaP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V，反向击穿电压一般在-5V以
5、上。,LED信号控制电路,LED的特点及应用一、特点 1、LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。2、LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAsP材料的红色LED，GaAsP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使在日光下，由LED发出的光也能辨认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。,4、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流
6、驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域,二、应用 1、指示灯 2、数字显示用显示器 利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型数字显示 字段型数字显示,3、平面显示器 LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。4、光源 LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。例如HBLED（超低压LED）。,激光器,梅曼和第一只激光器,典型激光器,X光激光器,激光器的工作原理,自发辐射、受激吸收和受激辐射,工作物质,激励能源,光学谐振腔,
7、产生激光必要条件,1.实现粒子数反转,.使工作物质被激发,.要实现光放大,一、气体激光器,氦氖（HeNe）激光器,氦氖激光器是最典型的惰性气体原子激光器，其主要输出波长为632.8nm这种激光器的输出功率只有毫瓦级，但光束质量很好，发散较小（1mrad以下),接近衍射极限单色性好稳定性高,最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。,He-Ne气体激光器,He-Ne 激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为51 101。,Ne原子可以产生多条激光谱线,最强的三条:06328、115 m、339,氩离子激光器,氩离子激光器 是惰性气体离子激
8、光器的典型代表，是利用气体放电使管内Ar原子电离并激发，在离子激发态能级之间实现粒子数翻转而产生激光的。它可以产生多条波长的激光，其中最强的是448nm和514.5nm。在可见光区它是输出连续功率最高的一种器件，目前，连续输出激光功率为几百毫瓦至几百瓦它的能量转换效率比较低，最高达0.6，一般只有104它被应用于光谱学、光泵染料激光器、激光化学和医学等,二氧化碳激光器,二氧化碳激光器是一种混合气体激光器，其中二氧化碳是激光物质，其它气体，比如He，N2，CO，Xe，H2O，H2，O2，都是辅助气体。二氧化碳激光器效率高，大约在1025范围内，可以获得很高激光功率,连续输出功率高达万瓦,脉冲器件
9、输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以 9.6微米和10.6微米为中心的多条分子振转光谱线上。这些激光器可用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。,根据工作物质分类：红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级；钕玻璃：激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级；,二、固体激光器,1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为694.3纳米。,红宝石激光器,灯泵浦Nd:YAG激光器,大功
10、率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50-800W。,固体激光器,1kW的脉冲Nd:YAG激光器,液体激光器,三、染料激光器,以某种有机染料溶解于一定溶剂（甲醇，乙醇或水）中作为激活介质的激光器。优点：激光波长可调谐，它不仅可直接获得0.31.3um光谱范围内连续可调谐的窄带高功率激光，而且可以通过混频技术得到从真空紫外到中红外的可调谐相干光。光谱分辨率高，结构简单，价格便宜缺点：是稳定性差,半导体激光器,四、半导体激光器（LD，Laser Diode）,五、激光器的基本特性
11、,1、单色性,激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，线宽只有10-9nm。,普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)，其谱线宽度为4.710-3nm。激光的单色性比一般光要高出106107倍以上.,自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；CO2：10.6m CO：5.4m YAG：1.06m 准分子：0.24m；,激光的单色性,从光源发出的激光平行传播的程度称为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3-10-5弧度。激光通过直径为D的
12、孔径时，由于衍射会产生一定发散：,2、方向性好,HeNe气体激光：310-4rad；固体激光：10-2rad 半导体激光：5-10。,激光的方向性带来两个结果：光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。,激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。,3、高亮度,亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。,激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180范围内的光集中到0.18 范围，亮度提高100万倍。通过调Q等
13、技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。,激光的高强度,4、相干性好,自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只有几个mm或几十cm。激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术，HeNe激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。,全息照相,相干计量、全息照相、全息存储等就利用了激光相干性好的特点。,半导体激光器,光学谐振腔与激光器的阈值条件 半导体激光器的结构 半导体激光器特性 LD的应用,光学谐振腔与激光器的阈值条件
14、,激光器稳定工作的必要条件:(1)粒子数反转产生增益(2)提供光的反馈:其中最简单的是法布里珀罗腔 图4.4.1-1 激光二极管的谐振腔,光学谐振腔与激光器的阈值条件,只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。,半导体激光器的结构,最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、P型
15、和N型限制层构成，如图所示。大面积半导体激光器,半导体激光器的结构,为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构。一、增益导引型半导体激光器 解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器，其结构如图所示。将一绝缘层介质(SiO2)淀积在P层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器。,增益导引型半导体激光器,半导体激光器的结构,二、折射率导引型半导体激光器 通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为
16、折射率导引型半导体激光器,半导体激光器的结构,半导体激光器特性,一、光谱特性 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。,图4.4.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为静态单纵模激光器。波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模,半导体激光器特性2,二、激光束的空间分布 近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。,典型LD的远场辐
17、射特性 图为典型LD的远场辐射特性，图中为分别为平行于结平面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。,半导体激光器特性2,三、转换效率与输出光功率特性 激光器的电光转换效率用外微分量子效率,半导体激光器特性2,表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数,由此得到,式中，P和I分别为激光器的输出光功率与驱动电流，Pth和Ith分别为对应的阈值，hf与e分别为光子能量与电子电荷。,激光器的输出光功率通常用P-I曲线表示，图为典型LD的光功率特性曲线。当 时，激光器发出的是自发辐射光，当 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。,半导体激光器特性2,典型LD的光功率特性曲线线,四、温度特性 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小。图给出了LD的P-I曲线随温度变化的实例。图4.4.3-4 LD的P-I曲线随温度的变化,半导体激光器特性2,LD的封装方式,同轴式双列直插式蝶形封装,LD的应用,LD 的应用 一、光纤通信系统的光源 二、光学测量系统的光源 三、其他应用,
