改 2光电仪器中的常用光源

1、第二章第二章 光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源l光源的分类光源的分类l第一节第一节 光源的基本特性参数光源的基本特性参数l第二节第二节 热辐射光源热辐射光源l第三节第三节 气体放电光源气体放电光源l第四节第四节 固体发光光源固体发光光源l第五节第五节 激光器激光器l第六节第六节 紫外光源紫外光源光源的分类光源的分类l天然光源天然光源太阳、人体太阳、人体l人造光源人造光源荧光灯、发光二激管、激光器荧光灯、发光二激管、激光器l按产生机理按产生机理l热辐射光源热辐射光源连续光谱（太阳）连续光谱（太阳）l气体放电光源气体放电光源荧光灯、钠灯荧光灯、钠灯l固体发光光源固体发光光源发光二极管发光二

2、极管l激光器激光器半导体激光器、固体激光器半导体激光器、固体激光器太阳光照明为人眼提供的属于人类的世界面貌太阳光照明为人眼提供的属于人类的世界面貌人造图像探测器、显示器（人造图像探测器、显示器（CCDCCD）怎么还原属于人类的）怎么还原属于人类的世界面貌世界面貌人造光源怎样取代太阳照明（显色性）人造光源怎样取代太阳照明（显色性）10um相干性、准直性好、亮度高相干性、准直性好、亮度高容易被调制容易被调制第二章第二章 光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源l光源的分类光源的分类l第一节第一节 光源的基本特性参数光源的基本特性参数l第二节第二节 热辐射光源热辐射光源l第三节第三节 气体放电光源气

3、体放电光源l第四节第四节 固体发光光源固体发光光源l第五节第五节 激光器激光器第一节第一节 光源的基本特性参数光源的基本特性参数l辐射效率和发光效率辐射效率和发光效率l光谱功率分布光谱功率分布l空间光强分布空间光强分布l光源的色温光源的色温l光源的颜色光源的颜色辐射效率和发光效率辐射效率和发光效率l辐射效率辐射效率 在给定在给定12波长范围内，某一光源发出的辐波长范围内，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。射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比。称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率称为该光源在规定光谱范围内的辐射效率 PdPeee21)(l发光效率发光效率 某一光源的发

4、射的光通量与产生这些光通量所某一光源的发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比。需的电功率之比。l发光效率越高越适合照明，但不一定适合显色发光效率越高越适合照明，但不一定适合显色 l555纳米绿光发光效率理论上可达纳米绿光发光效率理论上可达683lm/Wl白炽灯的发光效率极限是白炽灯的发光效率极限是52lm/WPdvKPemvv780380)()(光谱功率分布光谱功率分布 l描述光源的辐射功率随波长的分布情况描述光源的辐射功率随波长的分布情况l四种典型的光谱分布四种典型的光谱分布P()P()P()P()氦氖激光器线状光谱氦氖激光器线状光谱高压汞灯带状光谱（紫外曝光固化）高压汞灯带状光谱（紫

5、外曝光固化）荧光高压汞灯（用于照明、投影仪）高压钠灯带状光谱白炽灯连续光谱白炽灯连续光谱可见光可见光荧光灯混合光谱荧光灯混合光谱光栅光谱仪光栅光谱仪l选择光源时，应根据测量对象的要求来决定光选择光源时，应根据测量对象的要求来决定光谱功率分布谱功率分布l目视光学系统：一般选可见光谱辐射比较丰富目视光学系统：一般选可见光谱辐射比较丰富的光源（日光灯，白炽灯）的光源（日光灯，白炽灯）l彩色摄影用光源：选用类似日光色光源，卤钨彩色摄影用光源：选用类似日光色光源，卤钨灯灯l紫外分光光度计：氘灯，紫外汞灯，紫外辐射紫外分光光度计：氘灯，紫外汞灯，紫外辐射较强较强空间光强分布空间光强分布l空间光强分布曲线（

6、配光曲线）空间光强分布曲线（配光曲线）l极坐标法：极坐标法：各方向矢径长度正比光强分布各方向矢径长度正比光强分布l在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选在光学仪器中，为了提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。择发光强度高的方向作为照明方向。一般白炽灯配光曲线一般白炽灯配光曲线LED灯管配光曲线灯管配光曲线光源的色温光源的色温l分布温度分布温度(用黑体温度描述光源用黑体温度描述光源光谱分布光谱分布) l热辐射源热辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那麽

7、该黑体的温度就称为该辐功率分布一致，那麽该黑体的温度就称为该辐射源的射源的分布温度分布温度。l这种辐射体的光谱辐亮度可表示为：这种辐射体的光谱辐亮度可表示为：l对于对于气体放电光源气体放电光源，其光谱能量分布很少与黑，其光谱能量分布很少与黑体的相似，所以对这些光源来讲，分布温度没体的相似，所以对这些光源来讲，分布温度没有意义有意义 11),(/512vTcveecTLl色温色温(用黑体温度表示用黑体温度表示光源颜色光源颜色)l辐射源发光时的颜色与黑体在某一温度下辐射光的辐射源发光时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。颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射

8、源的色温。l由于颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同，由于颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同，相对光谱功率分布（分布温度）不一定相同。相对光谱功率分布（分布温度）不一定相同。l低色温光源主要是红外辐射，通常称为低色温光源主要是红外辐射，通常称为“暖光暖光”；色温提高后，蓝辐射的比例增加，通常称为色温提高后，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷冷光光”。 常用光源色温值一览表常用光源色温值一览表类类别别 光源光源色温值色温值K 自自 然然 光光日出、日落的阳光日出、日落的阳光日出日出1小时的阳光小时的阳光日出日出2小时的阳光小时的阳光 9点点16点点正午阳光正午阳光日光（散射光与直射光日光（

9、散射光与直射光的的 混合光）混合光）晴天阴影处晴天阴影处均匀的云遮日均匀的云遮日阴天阴天 20003500470050005800550058005500 6000左右左右640069006500以上以上冷光对于云层的穿透能力比暖光强冷光对于云层的穿透能力比暖光强 常用光源色温值一览表常用光源色温值一览表类类别别 光源光源色温值色温值K 人人 造造 光光 火柴的火焰火柴的火焰 腊烛光腊烛光 标准烛光标准烛光 40W60W白炽灯白炽灯 100W200W白炽灯白炽灯 500W钨丝灯钨丝灯 卤钨灯卤钨灯、碘钨灯、碘钨灯金属卤化物灯金属卤化物灯摄影日光灯摄影日光灯电子闪光灯电子闪光灯 日光色荧光灯日光

10、色荧光灯 三基色荧光灯三基色荧光灯 1700185019302600280029603150320056006000550060005500600032006000光源的颜色光源的颜色 作为光源，除了要求光效高之外，还要求它发出的光作为光源，除了要求光效高之外，还要求它发出的光具有良好的颜色。光源的颜色有两方面的意思：色表具有良好的颜色。光源的颜色有两方面的意思：色表和显色性。和显色性。 l色表：色表：用眼睛直接观察光源时所得到颜色感觉，叫光用眼睛直接观察光源时所得到颜色感觉，叫光源的色表源的色表l高压钠灯呈黄色，荧光灯的呈白色。高压钠灯呈黄色，荧光灯的呈白色。l显色性：显色性：当用光源照射物

11、体时，物体呈现的颜色与该当用光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体在完全辐射照射下（日光下）所呈现的颜色的一物体在完全辐射照射下（日光下）所呈现的颜色的一致性。致性。l国际照明委员会（）规定了种特殊物体作为国际照明委员会（）规定了种特殊物体作为检验光源显色性的检验光源显色性的“试验色试验色”。显色性显色性l高压汞灯路灯高压汞灯路灯l色表好：白色。色表好：白色。l显色性差：照射的人的面孔时，看起来好像在显色性差：照射的人的面孔时，看起来好像在脸上抹了一层青灰脸上抹了一层青灰l钨丝灯钨丝灯l色表差：偏红、偏黄色表差：偏红、偏黄l显色性好：受照物体的颜色却很少失真显色性好：受照物体的颜色却很少失真l

12、氙灯氙灯l色表好：白色色表好：白色l显色性好显色性好第二章第二章 光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源l光源的分类光源的分类l第一节第一节 光源的基本特性参数光源的基本特性参数l第二节第二节 热辐射光源热辐射光源l第三节第三节 气体放电光源气体放电光源l第四节第四节 固体发光光源固体发光光源l第五节第五节 激光器激光器第二节第二节 热辐射光源热辐射光源 l特点特点 辐射特性与温度密切相关辐射特性与温度密切相关 辐射特性可以用普朗克公式进行计算辐射特性可以用普朗克公式进行计算 光谱分布为连续光谱（光谱范围很宽）光谱分布为连续光谱（光谱范围很宽）l分类分类 人工辐射源：人造黑体、白炽灯等人工辐

13、射源：人造黑体、白炽灯等 目标辐射源：飞机、坦克等目标辐射源：飞机、坦克等 自然辐射源：太阳、地面、云层等自然辐射源：太阳、地面、云层等太阳太阳l大气层外，辐照度中紫外占大气层外，辐照度中紫外占6.46%，可见，可见46.25%，红外，红外47.29%l地面，大气的吸收光谱比较复杂。地面，大气的吸收光谱比较复杂。大气窗口及红外材料大气窗口及红外材料大气窗口大气窗口l电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口为大气窗口l大气对电磁波有散射和吸收等因数的影响大气对电磁波有散射和吸收等因数的影响遥感中使用的一些大气窗口为遥感中使用的一些大气窗口为：l0

14、.31.155m(紫外、可见光、近红外窗口紫外、可见光、近红外窗口)l遥感摄影成像的最佳波段遥感摄影成像的最佳波段l0.30.4m，透过率约为，透过率约为70%l0.40.7m，透过率大于，透过率大于95%l0.71.1m，透过率约为，透过率约为80% l1.41.9m（近红外窗口）（近红外窗口）l透过率为透过率为60%95%，其中，其中1.551.75m透过率透过率较高。该波段在白天日照条件好的时候扫描成较高。该波段在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段。用以探测植物含水量以及云、像常用这些波段。用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图雪或用于地质制图 l2.02.5m（近红外窗口）（

15、近红外窗口）l透过率约透过率约80%。 l3.55.0m（中红外窗口）（中红外窗口）l透过率为透过率为60%70%。该波段物体的热辐射较强。该波段物体的热辐射较强。l3.553.93m探测海面温度，获得昼夜云图探测海面温度，获得昼夜云图 l8.014.0m（热红外窗口）（热红外窗口）l透过率约透过率约80%。主要来自物体热辐射的能量，。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。 l1.01.8mm（微波窗口）（微波窗口）l透过率约透过率约35%40% l2.05.0mm（微波窗口）（微波窗口）l透过率约透过率约50%70% l8.01

16、000.0mm（微波窗口）（微波窗口）l透过率约透过率约100%。由于微波具有穿云透雾的特性，。由于微波具有穿云透雾的特性，因此具有全天候、全天时的工作特点因此具有全天候、全天时的工作特点可见光可见光380-780nm380-780nm红外材料红外材料l红外窗口材料红外窗口材料 l红外透射率高红外透射率高l化学稳定性高化学稳定性高l便于封接等特点便于封接等特点l13微米：锗、硅、石英；微米：锗、硅、石英；l35微米：白宝石（氧化铝单晶微米：白宝石（氧化铝单晶 ）、硅、氟化）、硅、氟化镁、氟化钙；镁、氟化钙；l814微米：锗、硅、硫化锌微米：锗、硅、硫化锌l 红外光学玻璃红外光学玻璃 l无定形结

17、构，比晶体材料的光学均匀性好无定形结构，比晶体材料的光学均匀性好l可用以制作大尺寸的光学零件可用以制作大尺寸的光学零件l大气中的性能是稳定大气中的性能是稳定l制备及退火比晶体简单制备及退火比晶体简单l近、中红外近、中红外：石英玻璃、：石英玻璃、K-8玻璃和玻璃和N344玻璃玻璃l红外光学晶体红外光学晶体 l一种主要的红外光学材料一种主要的红外光学材料l可以选择透过可以选择透过任何红外光谱波段任何红外光谱波段的晶体的晶体l晶体中折射率和色散的变化比其它材料强得多晶体中折射率和色散的变化比其它材料强得多l晶体的熔点高，热稳定性好晶体的熔点高，热稳定性好l石英石英(SiO2) 、萤石、萤石(CaF2

18、) 、氟镁石、氟镁石(MgF2) 、锗、硅锗、硅各种红外线透材料及其性质各种红外线透材料及其性质红外透射材料红外透射材料红外透射材料红外透射材料白炽灯白炽灯l白炽灯的特点：白炽灯的特点：l钨丝熔点高钨丝熔点高（3680K），蒸发率低，高温时仍有足够的，蒸发率低，高温时仍有足够的强度，加工容易强度，加工容易l能量损失大，可见辐射仅有能量损失大，可见辐射仅有8%18%。l发光效率与寿命之间存在矛盾发光效率与寿命之间存在矛盾l显色性好显色性好l应用：应用：照明，用作光电测量、辐射度量和光度量的标照明，用作光电测量、辐射度量和光度量的标准光源准光源l分类分类l真空白炽灯：防止钨丝高温氧化真空白炽灯：防

19、止钨丝高温氧化 l充气白炽灯：惰性气体（原子碰撞充气白炽灯：惰性气体（原子碰撞,抑制钨蒸发）抑制钨蒸发）l卤钨白炽灯：在充气白炽灯内掺入微量卤族元素卤钨白炽灯：在充气白炽灯内掺入微量卤族元素充气钨丝灯充气钨丝灯真空钨丝灯真空钨丝灯卤钨灯卤钨灯l真空钨丝灯：真空钨丝灯：l并非高真空，消气剂五氮化三磷并非高真空，消气剂五氮化三磷P3N5升华时能升华时能吸收氧气和水蒸气，阻止钨丝氧化蒸发。吸收氧气和水蒸气，阻止钨丝氧化蒸发。l充气钨丝灯：充气钨丝灯：l氩、氮等惰性气体，不与蒸发出来的钨原子反氩、氮等惰性气体，不与蒸发出来的钨原子反应，部分钨原子能碰巧返回或被气体分子碰撞应，部分钨原子能碰巧返回或被气

20、体分子碰撞回灯丝，有效抑制钨的蒸发，提高工作温度，回灯丝，有效抑制钨的蒸发，提高工作温度，增大发光效率增大发光效率l新问题：新问题：l对流的气体会把更多的热量传递给玻壳，并通对流的气体会把更多的热量传递给玻壳，并通过玻壳散失到周围的空间，增加热的损失，降过玻壳散失到周围的空间，增加热的损失，降低发光效率。低发光效率。l解决办法：解决办法：l氪、氙氪、氙传热本领差，造成的热损失小。发光效传热本领差，造成的热损失小。发光效率比充率比充氩、氮氩、氮的灯泡高约的灯泡高约30，而灯泡的寿命，而灯泡的寿命并不缩短。并不缩短。l氪、氙含量少，只有氩的含量的万分之一和十氪、氙含量少，只有氩的含量的万分之一和十

21、万分之一，所以制取困难，身价高昂，十分难万分之一，所以制取困难，身价高昂，十分难得，只有在特殊需要的情况下使用。得，只有在特殊需要的情况下使用。 l卤钨灯：卤钨灯： 在玻璃壳内充入碘、溴等卤族元素的化合物在玻璃壳内充入碘、溴等卤族元素的化合物（氯化碘、溴化硼）。（氯化碘、溴化硼）。l钨的再生循环：钨的再生循环： 钨卤素钨卤素 卤钨化合物卤钨化合物钨卤素。钨卤素。l解决了发光效率与寿命之间的矛盾。解决了发光效率与寿命之间的矛盾。l卤钨灯壁管温度卤钨灯壁管温度250度，否则，卤钨化合物凝结度，否则，卤钨化合物凝结其上，其上，l不能太高，否则，卤钨化合物分解，钨沉积在管不能太高，否则，卤钨化合物分解

22、，钨沉积在管壁上。壁上。科科4 4l卤钨灯优点：卤钨灯优点：l体积小，是同功率白炽灯的体积小，是同功率白炽灯的0.5%3%，使光，使光学系统小型化。学系统小型化。l光通量稳定，最终时的光通量为开始时的光通量稳定，最终时的光通量为开始时的95%98%，而白炽灯为，而白炽灯为60%。l紫外线较丰富。紫外线较丰富。l发光效率比白炽灯高发光效率比白炽灯高23倍。倍。l寿命长寿命长第二章第二章 光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源l光源的分类光源的分类l第一节第一节 光源的基本特性参数光源的基本特性参数l第二节第二节 热辐射光源热辐射光源l第三节第三节 气体放电光源气体放电光源l第四节第四节 固体发

23、光光源固体发光光源l第五节第五节 激光器激光器l第六节第六节 紫外光源紫外光源第三节第三节 气体放电光源气体放电光源 l定义：定义：通过气体放电将电能转换为光的一种电光源通过气体放电将电能转换为光的一种电光源 l气体放电原理气体放电原理l由由激励源激励源激励出电子或离子，并使它们高速向激励出电子或离子，并使它们高速向两极运动；两极运动；l快速运动的电子或离子与气体原子或阴极快速运动的电子或离子与气体原子或阴极碰撞碰撞,激励出更多的电子或离子，使气体变为导电气激励出更多的电子或离子，使气体变为导电气体；体；l受激气体原子从受激气体原子从激发态返回基态激发态返回基态，将获得的内，将获得的内能以能以

24、光辐射光辐射的形式释放出来。的形式释放出来。 l发光气体发光气体有：氢、氦、氘、氙、氪有：氢、氦、氘、氙、氪 金属蒸气：汞、镉、钠、铟、金属蒸气：汞、镉、钠、铟、ta铊、铊、di镝镝 l气体放电种类气体放电种类：用得较多的是：用得较多的是辉光放电辉光放电和和弧光弧光放电放电。l辉光放电辉光放电一般用于霓虹灯和一般用于霓虹灯和指示指示灯。灯。l弧光放电弧光放电可有很强的光输出，可有很强的光输出，照明照明光源都采用光源都采用弧光放电。荧光灯、高压汞灯、钠灯和金属卤弧光放电。荧光灯、高压汞灯、钠灯和金属卤化物灯是应用最多的照明用气体放电灯化物灯是应用最多的照明用气体放电灯l结构结构：各种气体放电灯都

25、由：各种气体放电灯都由泡壳、电极和放电泡壳、电极和放电气体气体构成，基本结构大同小异。泡壳与电极之构成，基本结构大同小异。泡壳与电极之间是真空气密封接，泡壳内充有放电气体。间是真空气密封接，泡壳内充有放电气体。l气体放电灯不能单独接到电路中去，必须与气体放电灯不能单独接到电路中去，必须与触触发器、镇流器发器、镇流器等辅助电器一起接入电路才能启等辅助电器一起接入电路才能启动和稳定工作。动和稳定工作。l放电灯的放电灯的启动启动通常要施加比电源电压更通常要施加比电源电压更高的电高的电压压，有时高达几千伏或几万伏以上，有时高达几千伏或几万伏以上l放电灯的光辐射与放电灯的光辐射与电流密度电流密度的大小、

26、的大小、气体的种气体的种类类及及气压的高低气压的高低有关。有关。l一定种类的气体原子只能辐射某些特定波长的一定种类的气体原子只能辐射某些特定波长的光谱线。光谱线。l低气压低气压时，放电灯的辐射光谱主要就是该原子时，放电灯的辐射光谱主要就是该原子的特征谱线。的特征谱线。l气压升高气压升高时，放电灯的辐射光谱展宽，向长波时，放电灯的辐射光谱展宽，向长波方向发展。方向发展。l当当气压很高气压很高时，放电灯的辐射光谱中才有强的时，放电灯的辐射光谱中才有强的连续光谱成分。连续光谱成分。 l共同特点共同特点l发光效率高发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高210倍，倍，节能。节

27、能。l发出的热量少发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。l光色适应性强光色适应性强，改变气体成分、压力，可以得到主要在，改变气体成分、压力，可以得到主要在某一范围的辐射源。某一范围的辐射源。l结构紧凑结构紧凑。由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固。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。紧凑，耐震，抗冲击。l寿命长寿命长。一般比白炽灯长。一般比白炽灯长210倍。倍。l光输出维持特性好光输出维持特性好，在寿命终止时仍能提供，在寿命终止时仍能提供6080的初始光输出

28、的初始光输出第二章第二章 光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源l光源的分类光源的分类l第一节第一节 光源的基本特性参数光源的基本特性参数l第二节第二节 热辐射光源热辐射光源l第三节第三节 气体放电光源气体放电光源l第四节第四节 固体发光光源固体发光光源l第五节第五节 激光器激光器l第六节第六节 紫外光源紫外光源第四节第四节 固体发光光源固体发光光源l应电子仪器的固体化、小型化和集成化的需求，要求应电子仪器的固体化、小型化和集成化的需求，要求光源固体化（没有灯泡）光源固体化（没有灯泡）l场致发光（电致发光）场致发光（电致发光）l固体发光材料在电场作用下直接将电能转化为光能的发固体发光材料在电

29、场作用下直接将电能转化为光能的发光现象光现象l固体发光材料：固体发光材料：-族、族、-族化合物族化合物l种类种类按形态分按形态分 粉末场致发光光源（直流或交流）粉末场致发光光源（直流或交流） 薄膜场致发光光源（直流或交流）薄膜场致发光光源（直流或交流） 结型场致发光光源（发光二极管）结型场致发光光源（发光二极管）l种类种类按激发过程按激发过程l注入式电致发光注入式电致发光l由直接装在晶体上的由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴电极注入电子和空穴，当电，当电子和空穴在晶体内再子和空穴在晶体内再复合复合时发光的现象。注入式时发光的现象。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（电致发光的基本结构是结型

30、二极管（LED）l本征电致发光本征电致发光l高场电致发光高场电致发光荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，的作用下在晶体内部加速，碰撞碰撞发光中心并使其激发光中心并使其激发或离化，电子在回复基态时辐射发光发或离化，电子在回复基态时辐射发光l低能电致发光低能电致发光指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励发光指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励发光现象现象l低能电致发光低能电致发光现在尽管还不能直接用来照明，现在尽管还不能直接用来照明，却是一种十分理想的暗间显示光源。如飞机、却是一种十分理想的暗间显示光源。如飞机、轮船

31、仪表的显示，夜间障碍物、电影院安全门轮船仪表的显示，夜间障碍物、电影院安全门与座位指示等与座位指示等l高场电致发光高场电致发光与与LED被认为是大屏幕显示最有被认为是大屏幕显示最有前途的发展方向前途的发展方向l交流粉末场致发光光源交流粉末场致发光光源l将荧光粉悬浮在将荧光粉悬浮在介电系数很高介电系数很高、透明透明的胶合有机介的胶合有机介质中，并将之夹持在两电极之间而构成质中，并将之夹持在两电极之间而构成l脉冲激发的发光峰衰减时间常数为脉冲激发的发光峰衰减时间常数为微秒量级微秒量级l能连续工作约能连续工作约1000小时小时l采用不同的荧光粉可获得红、蓝、黄、绿等各色光采用不同的荧光粉可获得红、蓝

32、、黄、绿等各色光显示。显示。 l直流粉末场致发光光源直流粉末场致发光光源l结构基本与交流粉末器件相似，但其荧光粉的结构基本与交流粉末器件相似，但其荧光粉的涂层是导电的涂层是导电的CuSl正常使用前必须在两电极上施加短暂作用的高正常使用前必须在两电极上施加短暂作用的高电压脉冲电压脉冲l器件功率转换效率仅器件功率转换效率仅0.1%，但发光亮度高达，但发光亮度高达300cd/m2（V=100V） l直流薄膜场致发光光源直流薄膜场致发光光源l发光层夹在两平板电极间，两电极至少一个是发光层夹在两平板电极间，两电极至少一个是透明或半透明的透明或半透明的l发光层无绝缘介质，直接和电极接触，加之薄发光层无绝缘

33、介质，直接和电极接触，加之薄膜只有膜只有1微米左右，在直流、低压下可发光微米左右，在直流、低压下可发光l交流薄膜场致发光光源交流薄膜场致发光光源l发光层和平板电极间多了层介质，只有在交流发光层和平板电极间多了层介质，只有在交流激发下才能发光激发下才能发光l工作电压工作电压100-300V，发光效率，发光效率0.1%，寿命在，寿命在5000小时以上（有报道称小时以上（有报道称2万小时）万小时）发光二级管发光二级管LEDLEDlLED 的发光机理的发光机理 正向偏压的正向偏压的p-n结：两极向结：两极向PN结注入电子和空穴，结注入电子和空穴， 电子和空穴在节区复合，发光电子和空穴在节区复合，发光l

34、又称注入式场致发光光源又称注入式场致发光光源pnVLEDLED特性及参数特性及参数l伏安特性伏安特性l正向开启电压：正向开启电压：lGaAs：1VlGaAsP：1.5VlGaP：1.82Vl反向击穿电压：反向击穿电压：l一般在一般在-5V以上。晶格以上。晶格中的电子被强拉出来参中的电子被强拉出来参与导电。与导电。IFVFcba量子效率量子效率l注入的载流子一部分复合，一部分不复合。复合的一注入的载流子一部分复合，一部分不复合。复合的一部分以发光形式释放能量，一部分将能量变成晶格振部分以发光形式释放能量，一部分将能量变成晶格振动的热能。动的热能。l区别于一般辐射源用输出与输入能量比值来表示光效区

35、别于一般辐射源用输出与输入能量比值来表示光效率。率。l内量子效率：内量子效率：产生的光子数与注入的电子空穴对数之产生的光子数与注入的电子空穴对数之比。比。l外量子效率：外量子效率：射出的光子数与注入的电子空穴对数之射出的光子数与注入的电子空穴对数之比。比。rqiNGTqeNGl由于半导体材料折射率较高，如由于半导体材料折射率较高，如GaAs的折射的折射率为率为3.6，临界角很小（，临界角很小（16.1。），大部分光在），大部分光在材料表面都被全反射回去，故外量子效率很低。材料表面都被全反射回去，故外量子效率很低。l解决办法：解决办法：l将将PN界封在圆球形透明高折射率塑料球心处界封在圆球形透明

36、高折射率塑料球心处发光与电流的关系发光与电流的关系l电流密度小电流密度小:l光出射度与电流密度光出射度与电流密度呈呈线性关系线性关系l电流密度过大电流密度过大:l由于由于PN结发热，复结发热，复合率降低，光出射度合率降低，光出射度出现饱和趋势出现饱和趋势。发光与环境温度的影响发光与环境温度的影响l环境温度高，环境温度高，LED散热慢，结温升高，复合几散热慢，结温升高，复合几率下降，光亮度下降。率下降，光亮度下降。 -20 0 20 40 60 环境温度（） 相对发光密度 2 1 0 响应时间响应时间l发光二极管发光或熄发光二极管发光或熄灭时对输入脉冲电流灭时对输入脉冲电流的延迟时间。的延迟时间

37、。l上升时间随电流的增上升时间随电流的增加呈指数减小。加呈指数减小。lGaP： 100s 间间接跃迁材料接跃迁材料lGaAs1-xPx：n个个ns 直接跃迁材料直接跃迁材料光谱特性光谱特性l发光二极管发出的波长和带宽主要取决于发光发光二极管发出的波长和带宽主要取决于发光材料及其掺杂材料，主要分布在可见光和红外材料及其掺杂材料，主要分布在可见光和红外区区l发光波长发光波长l实际发射的光具有一定的带宽实际发射的光具有一定的带宽（半宽度约（半宽度约030nm）。）。1.24()gghcmEE寿命寿命l电流密度小于电流密度小于1A/cm2，106h（100年）；年）；l亮度随时间变化：亮度随时间变化：

38、 。l为老化时间常数，为为老化时间常数，为106hA/cm2。tjeLtL)/(0)(LED的驱动电路的驱动电路 l调制频率可达几十兆。调制频率可达几十兆。lLED的供电电路中一般要加限流电阻以限定其的供电电路中一般要加限流电阻以限定其最大工作电流。最大工作电流。l工作状态工作状态l直流状态直流状态l交流状态交流状态l脉冲状态脉冲状态l线性变换状态线性变换状态 VCE R G 脉冲输出 VCE G 线性变换 直流状态 R 交流工作 D R 科科5 5第二章第二章 光电仪器中的常用光源光电仪器中的常用光源l光源的分类光源的分类l第一节第一节 光源的基本特性参数光源的基本特性参数l第二节第二节 热

39、辐射光源热辐射光源l第三节第三节 气体放电光源气体放电光源l第四节第四节 固体发光光源固体发光光源l第五节第五节 激光器激光器l第六节第六节 紫外光源紫外光源第五节第五节 激光器激光器l基本概念基本概念 l工作原理工作原理l激光模式激光模式l高斯光束高斯光束l激光器类型激光器类型基本概念基本概念l受激吸收：受激吸收：l类似于本征吸收，电子吸收外来光子后由低能类似于本征吸收，电子吸收外来光子后由低能态跃迁到高能态态跃迁到高能态l自发辐射：自发辐射：l类似于复合时发光，电子从高能态回落到低能类似于复合时发光，电子从高能态回落到低能态，释放出一个光子态，释放出一个光子l受激辐射：受激辐射：l低能态能

40、量为低能态能量为E0，若电子（原子）处于高能态，若电子（原子）处于高能态E1，当一能量恰好满足的入射光子经过该电子，当一能量恰好满足的入射光子经过该电子（原子）附近，处于高能态的电子（原子）就（原子）附近，处于高能态的电子（原子）就会跌落到低能态并辐射出与入射光子完全相同会跌落到低能态并辐射出与入射光子完全相同的光子来，而原入射光子不损耗（光放大）的光子来，而原入射光子不损耗（光放大）l完全相同的光子是指完全相同的光子是指频率、相位、偏振态和传频率、相位、偏振态和传播方向播方向都完全一样（受激辐射是都完全一样（受激辐射是相干相干的）。的）。l粒子数反转：粒子数反转：l物质处于热平衡状态下，高能

41、态的粒子数远少于低物质处于热平衡状态下，高能态的粒子数远少于低能态粒子数，一能量为能态粒子数，一能量为hv=E2-E1的光子入射，引起的光子入射，引起受激吸收的概率要远大于受激辐射的概率，受激吸受激吸收的概率要远大于受激辐射的概率，受激吸收占主导，入射光因吸收而衰减收占主导，入射光因吸收而衰减;l只有让高能态粒子数多于低能态粒子数，入射光子只有让高能态粒子数多于低能态粒子数，入射光子引起受激辐射的概率才会大于受激吸收的概率，光引起受激辐射的概率才会大于受激吸收的概率，光子不但不被吸收反而得到放大子不但不被吸收反而得到放大。l泵浦泵浦l为实现粒子束反转，把粒子由低能态抽运到高为实现粒子束反转，把

42、粒子由低能态抽运到高能态的行为能态的行为l泵浦需要泵浦激励源泵浦需要泵浦激励源l激励方式：激励方式：l光泵：固体激光器、燃料激光器光泵：固体激光器、燃料激光器l电激发：气体激光器电激发：气体激光器l其它激发：热激发、化学激发、核激发其它激发：热激发、化学激发、核激发工作原理工作原理l组成组成l最简单的激光器由增益介质、泵浦源和谐振腔最简单的激光器由增益介质、泵浦源和谐振腔组成组成 谐振腔作用：提供光学正反馈、控制振荡光束方向谐振腔作用：提供光学正反馈、控制振荡光束方向光在增益介质中来回一次所产生的增益必须大于各种光在增益介质中来回一次所产生的增益必须大于各种损耗（反射镜透射损耗、衍射损耗、几何

43、损耗）损耗（反射镜透射损耗、衍射损耗、几何损耗） 激光的模式激光的模式l驻波条件驻波条件 l光波在腔镜上来回反射并发生干涉，为在腔内光波在腔镜上来回反射并发生干涉，为在腔内形成稳定的振荡，需满足相长干涉条件：光波形成稳定的振荡，需满足相长干涉条件：光波在腔内沿轴线来回一周的光程为在腔内沿轴线来回一周的光程为的整数倍的整数倍l谐振频率：谐振频率：l相邻纵模的频率间隔相邻纵模的频率间隔 knlck2nlc22nlkl纵模：纵模： l每一个腔对应的谐振每一个腔对应的谐振频率都有无数个频率都有无数个l但激光工作物质的荧但激光工作物质的荧光谱线线宽却是有限光谱线线宽却是有限的的l因此，激光器的纵模因此，

44、激光器的纵模数也是有限的，当腔数也是有限的，当腔长长L越短，纵模的频率越短，纵模的频率间隔越大，激光器纵间隔越大，激光器纵模数越少，频宽越窄，模数越少，频宽越窄，单色性越好。单色性越好。l横模横模l在横向上不同的光场稳定分布在横向上不同的光场稳定分布高斯光束高斯光束l横截面上振幅服从高横截面上振幅服从高斯分布斯分布l光斑半径：振幅减小光斑半径：振幅减小到中心值到中心值1/e处的处的r值值)(022zwreEl光斑半径在激光传播方向上按双曲线规律扩展。光斑半径在激光传播方向上按双曲线规律扩展。l0为束腰，为束腰，Z0为从束腰处到为从束腰处到21/2束腰处的距离束腰处的距离l束腰越小，光束越发散，准直光束的一般都较束腰越小，光束越发散，准直光束的一般都较大大1)(20202zzz激光器类型激光器类型l气体（氦氖、氩离子、气体（氦氖、氩离子、CO2）激光器）激光器l固体激光器固体激光器l染料激光器染料激光器l半导体激光器半导体激光器