第六章 发光与耦合器件

1、光源、光学系统、调制器、传输介质、光电探光源、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。测器和电子系统等基本环节。光电探测系统的基本组成：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 讨论：研究光辐射源的意义讨论：研究光辐射源的意义 光辐射源光辐射源光电探测器光电探测器辐射强度辐射强度辐射光谱辐射光谱 灵灵 敏敏 度度响应光谱响应光谱 光辐射源分类光辐射源分类: : 自然光源自然光源人工光源人工光源-被动探测系统被动探测系统-主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

2、系统射外来光辐射，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。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漆黑环境中的人和铁丝网的温差温度低温度高自然光源自然光源，如太阳、导弹尾焰、人体等，可组成，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，它没有人为的光发射系统，如天文光电探测、来光辐射，它没有人为的光发射系统，如天文光电探测、红外跟踪制导、微光夜视仪红外跟踪制导、微光夜视仪人工光源人工光

3、源，如黑体辐射器、白炽灯、激光器等，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、光电磁场测量电磁场测量半导体激光器半导体激光器光源热辐射光源太阳白炽灯、卤钨灯黑体辐射器气体放电光源汞灯荧光灯钠灯氙灯金属卤化物灯氘灯空心阴极灯固体发光光源场致发光灯发光二极管激光器气体激光器固体激光器燃料激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光

4、器1. 1. 辐射效率和发光效率辐射效率和发光效率2. 2. 光谱功率分布光谱功率分布3. 3. 光强的空间分布光强的空间分布4. 4. 光源的色温光源的色温辐射效率辐射效率在给定波长范围内，某一光源发出的辐射通在给定波长范围内，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量与产生这些辐射通量所需的电功率之比21( )edeePP发光效率发光效率某一光源所发射的光通量与产生这些光通某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比量所需的电功率之比760380( ) ( )mKeVdPP单位为单位为lm/W（流明每瓦）（流明每瓦）LED 100在选择光源的时候，应选择光谱功率分

5、布的在选择光源的时候，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峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致 线状光谱线状光谱 带状光谱带状光谱 连续光谱连续光谱 混合光谱混合光谱 实验测得的实验测得的He-Ne 激光谱线激光谱线带状光谱带状光谱实验中测得的溴钨灯谱线实验中测得的溴钨灯谱线连续光谱连续光谱实验中测得的荧光灯谱线实验中测得的荧光灯谱线混合光谱混合光谱如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐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射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。的色温。 在一定温度下，黑体在一定温度下，黑体的

6、光谱辐射分布曲线的光谱辐射分布曲线是唯一的。是唯一的。色温的意义色温的意义比较基准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射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。的色温。 色温的实例色温的实例白炽灯：白炽灯：连续光谱：连续光谱：-可见光谱段中部和黑可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约体辐射曲线相差约0.50.5-整个光谱段内和黑体整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差辐射曲线平均相差2 2-色温为色温为2856K2856K的白炽的白炽灯代表什么意义？灯代表什么意义？ 如果热辐射光源发光的颜

7、色与黑体在某一温度下辐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射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。的色温。 色温的实例色温的实例太阳：太阳：太阳的色温太阳的色温- 5900K- 5900K色温图色温图色色温温升升高高如果热辐射光源发光的颜色与黑体在某一温度下辐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射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。的色温。 色温与生活色温与生活沉稳、恬静的人适合沉稳、恬静的人适合选择选择650065009000K9000K的的色温色温热情奔放的人适

8、于选热情奔放的人适于选用用400040005600K5600K的色温的色温色温高色温高色温低色温低6.1 6.1 光源的基本特性参数光源的基本特性参数6.2 6.2 热辐射光源热辐射光源6.3 6.3 气体放电光源气体放电光源6.4 6.4 激光器激光器6.5 6.5 发光二极管发光二极管物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。 热辐射又名热辐射又名 “ “红外辐射红外辐射”， 是一种肉眼不可见光。是一种肉眼不可见光。可见光波段可见光波段热辐射波段热辐射波段管道管道海湾战争中，此原理用于探测沙堆下的坦克。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

9、量的现象叫热辐射。物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。 2. 2. 气体放电光源气体放电光源1. 1. 热辐射光源热辐射光源 1. 1. 自然辐射源自然辐射源太阳：太阳：黑体黑体 色温色温 5900K 峰值波长峰值波长 ？1. 1. 自然辐射源自然辐射源人体：人体： 近似灰体近似灰体 能量分布能量分布812m 红外被动成像红外被动成像 1. 1. 自然辐射源自然辐射源 波长波长(微米微米)2.74.2尾焰的光谱特征 4.4红红峰峰蓝蓝峰峰飞行器：飞行器： 近似灰体近似灰体 选择性发射选择性发射红外告警红外告警人工模拟绝对黑体人工模拟绝对黑体 黑体模拟器黑体模拟器 能够在任何温度下全部吸收所有波

10、长辐射的物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体叫绝对黑体 恒温恒温 空腔黑体辐射空腔黑体辐射 所有波长入射所有波长入射 多次漫射及吸收多次漫射及吸收 标准光源标准光源 - 红外光谱区红外光谱区 0.75m2.5m 0.75m6m应用：应用：最高工作温度：最高工作温度：3000 K，实际，实际N1这种状态称为这种状态称为 粒子数反转粒子数反转或者或者集居数反转集居数反转。产生激光必须产生激光必须 吸收吸收受激受激 dtdNdtdN122112NNN其中其中称为称为反转粒子数。反转粒子数。为得到光放大为得到光放大,必须使必须使2N1N实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用实现了粒

11、子数反转的物质对光具有增益作用粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2怎样才能实现粒子数反转呢？怎样才能实现粒子数反转呢？1）提供足够的外界激励能量；）提供足够的外界激励能量；2）原子在激发态多）原子在激发态多“呆呆”一会；一会； 谐振腔的作用：谐振腔的作用：（2）使激光产生极好的方向性。（空间）使激光产生极好的方向性。（空间）（3）使激光的单色性好。（频率）使激光的单色性好。（频率）（1）维持光振荡，起到光放大作用。正反馈）维持光振荡，起到光放大作用。正反馈谐振腔谐振腔光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用小结：产生激光的必要条件小结：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）激励

12、能源（使原子激发，形成粒子数反转） . 粒子数反转粒子数反转使受激辐射足以克服损耗使受激辐射足以克服损耗 .光学谐振腔光学谐振腔提供正反馈及增益提供正反馈及增益使入射光得到使入射光得到放大，是核心放大，是核心供给工作物质供给工作物质能量能量工作物质工作物质泵浦源泵浦源只让与反射镜轴向平只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介行的光束能在激活介质中来回地反射，连质中来回地反射，连锁式地放大。最后形锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。成稳定的激光输出。1原子在一个两端原子在一个两端有镜面的腔体中。有镜面的腔体中。原子被注入的能量原子被注入的能量充能。充能。镜面镜面100镜面镜面90原子原子注入的能量注

13、入的能量1原子在一个两端原子在一个两端有镜面的腔体中。有镜面的腔体中。原子被注入的能量原子被注入的能量充能。充能。镜面镜面100镜面镜面90原子原子注入的能量注入的能量镜面镜面100镜面镜面901充能后处于激发充能后处于激发态的原子。态的原子。镜面镜面100镜面镜面90受激受激原子原子自发自发辐射辐射光子光子受激受激原子原子受激受激原子原子受激受激辐射辐射受激受激原子原子 激光激光氦氖激光器工作物质由氦气和氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激氖气组成，是一种原子气体激光器。在激光器电极上施加几光器。在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当千伏电压使气体放电，在适当的条件下

14、氦氖气体成为激活的的条件下氦氖气体成为激活的介质。介质。氦氖激光器工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子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。放电，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质。He-Ne He-Ne 激光器：激光器：COCO2 2激光器：激光器：峰值波长峰值波长632.8 nm632.8 nm，波长稳定度，波长稳定度10106 6，用于精密计用于精密计量、全息术、准直测量、激光陀螺等量、全息术、准直测量、激光陀螺等典型的波长为典型的波长为10.

15、6 m 10.6 m ，脉冲放电方式，峰值功，脉冲放电方式，峰值功率可达千兆瓦，用于金属材料的切割、宝石加工、率可达千兆瓦，用于金属材料的切割、宝石加工、手术治疗、自由空间激光通信等手术治疗、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 半导体激光器半导体激光器 固体激光器所使用的工作物质是具有特殊能力的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

16、光器。其中红宝石激光器是发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。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，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差。而且单色性差。 LDLD发射的是受激辐射光发射的是受激辐射光 LEDLED发射的是自发辐射光发射的是自发辐射光 LEDLED的结构和的结构和LDLD相似，大多是采用双异质结相似，大多是采用双异质结(DH)(DH)芯片，把有源层夹在芯片，把有源层夹在P P型和型和N N型限制层中间，不同的型限制层中间，不同的是是LEDLED不需要光学谐振腔，不需要光学谐振腔， 没有阈值。没

17、有阈值。2 2、产生激光的必要条件、产生激光的必要条件 ：u 粒子数反转粒子数反转u 谐谐 振振 腔腔 u 泵泵 浦浦 源源 3 3、半导体激光器。常用的是、半导体激光器。常用的是PNPN结注入式，也称激光结注入式，也称激光二极管（二极管（Laser Diode， 简称简称LD ）。）。LD在电子线路中的符号粒子数反转粒子数反转谐谐 振振 腔腔 ：晶体解理面晶体解理面，矿物晶体在外力作，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，这些平面称为解理面性质称为解理，这些平面称为解理面 泵浦源泵浦源外电源外电源必须

18、满足上述三个激光产生的条件：必须满足上述三个激光产生的条件：利用半导体晶体的自然解理面，作为激光器的谐振腔。谐振腔。GaAs注入式半导体激光器结构示意图注入式半导体激光器结构示意图 粒子数反转：粒子数反转：加正向电压注入电流NPPN空空穴穴电电子子注入-导带中电子数目价带中电子数目粒子数反转重掺杂重掺杂结区粒子数反转结区粒子数反转高能电子与空穴相遇发光，解理面谐振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。腔的共振放大，定向发射激光。 5 5、半导体激光器基本结构、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（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m

19、0.1m）、）、P P型和型和N N型限制层构成。型限制层构成。解理面解理面金属接触金属接触电流电流有源层有源层P型型N型型300m100m200m1 1）、同质结（）、同质结（PNPN结）半导体激光器结）半导体激光器 PNPN能带能带PN结结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作所加的正向偏压必须满足所加的正向偏压必须满足eEeEEVgFF2 2）、异质结半导体激光器）、异质结半导体激光器 为了获得高势垒为了获得高势垒, ,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。P-AlxGa1-xAsN-AlxGa1-xAsGaAs

20、异质结异质结异质结异质结NGaAsP空穴空穴电子电子结构图结构图能带图能带图自发辐射自发辐射荧光荧光 受激辐射受激辐射激光激光 6 6、半导体激光器的特性参数、半导体激光器的特性参数LDLD的重要特性：直接调制（光源内部调制）的重要特性：直接调制（光源内部调制）调制频率高达调制频率高达10 GHz10 GHz，可应用于光通信，可应用于光通信（3 3） 发射波长和光谱特性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半导体激光器的发射波长等于禁带宽度E Eg g(eV)(eV)ggEEhc24. 1不同材料有不同的禁带宽度不同材料有不同的禁带宽度E Eg g，有不同的发射波长，有不同的发

21、射波长。 镓铝砷镓铝砷- -镓砷镓砷(GaAlAs-GaAs)(GaAlAs-GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m0.85 m波段波段 铟镓砷磷铟镓砷磷 - - 铟磷铟磷(InGaAsP-InP)(InGaAsP-InP)材料适用于材料适用于1.3-1.55 1.3-1.55 mm波段波段（4 4） 转换效率和输出光功率特性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。率、外量子效率以及外微分量子效率。hfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(外微分量子效率外微分量子效率d

22、 d其定义是在阈值电流以上，每对复其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数合载流子产生的光子数外量子效率为：外量子效率为：/exp hfI e激光器每秒发射的光子数激光器每秒注入的电子空穴对数)(0TT Ith=I0 exp（5 5）温度特性）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：（化，其主要原因为：（1 1）激光器的阈值电流）激光器的阈值电流I Ith th 随温度升高而增随温度升高而增大（大（2 2）外微分量子效率）外微分量子效率d d随温度升高而减小。随温度升高而减小。22304

23、050607080P / m W54321050100I / m A不 激 射输出功率：输出功率： 连续波几连续波几mW到数百到数百mW 脉冲波可达数脉冲波可达数W 阵列式达到几十阵列式达到几十W波长：波长： 0.3344 m应用举例应用举例 通讯，作光源通讯，作光源 100100亿路电话，全世界人同时通话亿路电话，全世界人同时通话 光计算机，光计算机，10001000亿次亿次/ /秒秒 激光全息；激光全息；DCDDCD；激光雷达；火炮自动瞄准；激光雷达；火炮自动瞄准激光器军事应用举例：激光器军事应用举例：据俄罗斯纽带新闻网据俄罗斯纽带新闻网20052005年年1111月月1 1日报道，美国军

24、方研制日报道，美国军方研制出世界第一款实用型激光步枪出世界第一款实用型激光步枪 “ “PhaSR”PhaSR”激光步枪激光步枪最大特点：最大特点：u暂时使人失明，被照射者的视力可以自然恢复暂时使人失明，被照射者的视力可以自然恢复u激光不会给人体眼球带来永久性损伤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：激光器军事应用举例：WJG-2002激光枪 中国新型激光眩目器中国新型激光眩目器 1、光纤激光器的光纤激光器的定义定义2、光纤激光器的基本结构、光纤激光器的基本结构3、光纤激光器的类型光纤激光器的类型及特点及特点4、光纤激光器发展历史、光纤激光器发展历史5、光纤激光器的应用、光纤激光器

25、的应用谐振腔谐振腔LD耦合光学系统耦合光学系统工作物质工作物质(增益光纤增益光纤)准直光学系准直光学系统统谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环 泵浦源泵浦源光纤材料光纤材料精密仪器标刻精密仪器标刻心脏支架的切割心脏支架的切割在线打标在线打标把发光器件与光敏元件封装在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作为媒介把输入边输出边的电信号耦合在一起的，具有线电信号耦合在一起的，具有线性变化关系，且在电性能上是性变化关系，且在电性能上是完全隔离的。

26、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。器件。特点：特点：具有电隔离功能；绝缘电阻高达具有电隔离功能；绝缘电阻高达10101012欧姆，击穿电欧姆，击穿电压高达压高达10025千伏，耦合电容小到零点几个皮法；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；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；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；响应速度快

27、，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，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，工作温度范围在抗震，密封防水，性价比高，工作温度范围在55到到100摄摄氏度之间。氏度之间。二、特性参数二、特性参数1、传输特性、传输特性IFIFIFQ3Q2QQ1IF1IF2IF3IFVcIcIc1Ic2Ic3在直流工作状态下，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%100FQcQQII工作点选择在输出特性工作点选择在输出特性的不同位置时，具有不的不

28、同位置时，具有不同的同的值。故常用交流电值。故常用交流电流传输比来表示：流传输比来表示：%100FcIIIFT在电流较小时，耦合器件在电流较小时，耦合器件处于截止区，处于截止区， 值较小，值较小，当电流变大后，当电流变大后， 值变小，值变小，器件处于线性工作状态，器件处于线性工作状态，但其变化量较小。但其变化量较小。在零摄氏度以下，在零摄氏度以下， 值值随温度的升高而上升；随温度的升高而上升；在零摄氏度以上，随温在零摄氏度以上，随温度的升高而下降。度的升高而下降。02、输入输出间绝缘耐压、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绝缘耐压与电流传输比都与发光

29、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，但电流传输比却提高。电流传输比却提高。3、输入输出间绝缘电阻、输入输出间绝缘电阻RFC一般在一般在1091013欧姆之间，它的大小意味着耦合器件的隔欧姆之间，它的大小意味着耦合器件的隔离性能的好坏。离性能的好坏。4、输入输出间绝缘寄生电容、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。一把为几个皮法，影响器件的工作频率。5、最高工作频率、最高工作频率f

30、MVV(t)RFCRFoEFEcRcCRL测量器件最高工作频率的电路测量器件最高工作频率的电路向发光二极管送入幅度向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。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了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就时，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。称为器件的最高工作频率。它会随负载的变化而改变。fMf相对相对输出输出0.707相对相对输出输出0.707fM1fM2fM3fRC1RC2RC36、脉冲上升时间下降时间、脉冲上升时间下降时间RFEc接示接示波器波器测量脉冲响应时间的电路图测量脉冲响应时间的电路图相对输入相对输入tttft相对相对输出输出1.00.90.10（二）抗干扰特性强的原因（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；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