发光与耦合器件

1、第六章 发光与耦合器件本章内容本章内容 发光二极管的结构与工作原理激光的产生半导体激光器氦氖激光器光电耦合器件重点内容重点内容发光二极管的结构与工作原理半导体激光器难点内容难点内容激光的产生第一节 常用的普通光源 在光电检测系统中，大量采用的是人工光源。按其工作原理不同，人工光源大致可以分为热光源、气体放电光源、固体光源和激光光源。其中气体放电光源又可分为开放式的电弧或电火花光源和封闭式的气体灯或气体放电管两种类型。发光与耦合器件发光与耦合器件发光：物体向外发射出可见光、不可见光（红外、紫外等） 热辐射：物体温度高于绝对零度而产生的物 体热辐射。分类 激发辐射：物体在待定温度下受外界能量激 发

2、的辐射，激发辐射光源为冷光源。 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源叫做热光源。在照明工程、光学和光电检测系统中，这类光源有着广泛的应用。常用热光源中主要是黑体源和以炽热钨发光为基础的各种白炽灯。 热光源发光或辐射的材料或是黑体，或是灰体，因此它们的发光特性，如出射度、亮度、发出通量的光谱分布等，都可以利用普朗克公式进行精确的估算。也就是说，可以精确掌握和控制它们发光或辐射的性质。这是热光源的第一个优点。发光与耦合器件 热光源的第二个优点是，它们发出的通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。但是它们在通常温度或炽热温度下，发光光谱主要在红外区域中，少量在可见光区域中。只有在温

3、度很高时，才会发出少量的紫外辐射，从这一特点来说，又限制了这类光源的使用范围。 热光源的另一个优点是，这类光源大多属于电热型，通过控制输入电量，可以按需要在一定范围内改变它们的发光特性。同时采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。这在检测中是很重要的。发光与耦合器件发光与耦合器件白炽灯： 电流把灯丝加热到白炽状态而用来发光的灯。真空白炽灯、充气钨丝灯、卤钨灯等。节能灯： 又称为省电灯泡、电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体式荧光灯，是指将荧光灯与镇流器（安定器）组合成一个整体的照明设备。发光与耦合器件普通白炽灯: 适用于需要调光、要求显色性高、迅速点燃、频繁开关及需要避免对测试

4、设备产生高频干扰的地方和屏蔽室等。因体积较小，并可制成各种功率的规格，同时易于控光、没有附件、光色宜人等，故特别适于艺术照明和装饰照明。小功率投光灯还适用于橱窗展示照明和美术馆陈列照明等。适用于事故照明。因白炽灯光效低，寿命短、电能消耗大、维护费用高，使用时间长的工厂车间照明不宜采用。 在现代灯泡里使用了惰性气体通常是氩气，这大大减少了钨的这种损失。当一个钨原子蒸发，它就会和一个氩原子碰撞并且由于惰性气体通常都不和其它元素反应，所以就没有了燃烧反应。发光与耦合器件卤钨灯： 填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯。具有普通照明白炽灯的全部特点，光效和寿命比普通照明白炽灯提高一倍以上，且体

5、积小。 用途：会议室、展览展示厅、客厅、商业照明、影视舞台、仪器仪表、汽车、飞机以及其它特殊照明。 光致发光 化学发光冷光源： 摩擦发光 阴极射线发光 结型（注入式） 电致发光 粉末 薄膜发光与耦合器件发光与耦合器件气体放电光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源，利用置于气体中的两个电极间放电发光，这类光源又可分为开放式辉光放电和封闭式弧光放电两种。放电电压有低气压、高气压和超高气压3种。弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光源等放电气压跨度较大的气

6、体放电灯。辉光放电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯；此外还包括某些光谱光源。发光与耦合器件 高压汞灯的发光效率可达2O60 lmW，广泛应用于环境温度为一2040 的街道、广场、高大建筑物、交通运输、仓库和公共建筑等场所作为室内外照明光源。除作普通照明用的高压汞灯外，还有在外壳内涂发射膜的发射型灯(HR)；适于300 500 nm重氮感光纸的复印灯，广告、显示杀菌、微生物和法医学研究，以及荧光颜料探测用的黑光灯；红斑治疗仪用尼龙原料光合化学作用和涂料、墨水聚合干燥用的紫外线固化用的汞灯等。 虽然氙灯的成本比卤素灯高，但由于性能优越，亮度

7、、色温、防眩目和耐用等方面氙灯都比卤素灯好，这种光亮的色温与太阳光相似，但含较多的绿色与蓝色成份，因此呈现蓝白色光。这种蓝白色光大幅提高了道路标志和指示牌的亮度。一旦发生故障不会瞬间熄灭，而是通过逐渐变暗的方式熄灭，一些轿车的四灯制前照灯采用氙灯与卤素灯混用方式，远光系统用氙灯，近光系统用卤素灯，充分发挥各自的性能。电致发光技术：1）无机粉末发光：又分为交流（AC）与直流（DC）发光。2）无机薄膜发光：于70年代末期开始小规模使用真空溅射技术，主要用于终端显示器件，目前处于缓慢发展状态。3）无机厚膜发光：于90年代末开始小规模生产，主要应用于大屏幕电视，现处于规模化研究生产前期状态。4）有机（

8、大、小）分子发光（OEL或OLED）。于90年代末开始小规模生产，主要应用于小屏幕电视显示，如手机。现处于大规模化生产前期状态。5）P-N结发光器件（LED，发光二极管）。已经成熟应用。发光与耦合器件现阶段主要分为面光源及点光源（LED） 电致发光是电能直接转换为光能的发光现象。实现这种发光的材料很多。利用电致发光现象制成的电致发光屏和发光二极管，将完全脱离真空成为全固体化的发光器件即固体发光光源： 电致发光屏 当荧光材料在足够强的电场或电流作用下，被激发而发光构成电致发光屏。按激发电源不同，又有交流和直流电致激发屏两种。发光与耦合器件附加：液晶显示器(LCD)： 是现在非常普遍的显示器。它具

9、有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同。LCD是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。发光与耦合器件发光与耦合器件高效节能的平面分布式固态光源OLED 无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。事实上这种发光原理早在1936年就被人们所发现，但直

10、到1987年柯达公司推出了OLED双层器件，OLED才作为一种可商业化和性能优异的平板显示技术而引得人们的重视。目前，全球已经有100多家的研究单位和企业投入到OLED的研发和生产中，包括目前市场上的显示巨头，如三星，LG,飞利浦，索尼等公司。整体上讲，OLED的产业化目前已经开始，其中单色，多色和彩色器件已经达到批量生产水平，大尺寸全彩色器件目前尚处在研究开发阶段。 在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机材料中复合而释放出能量，并将能量传递给有机发光物质的分子，后者受到激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。 和LCD比较：更轻更薄、主动发光、广视角、

11、高清晰、响应快速、低能耗、低温、抗震性能优异、潜在的低制造成本、柔性和环保设计等等。具备了信息显示和器件制造所要的所有优异特征，是公认的下一代显示器主流。其柔性的特征将使得可折叠电视、电脑成为可能。还存在使用寿命短、大型化难等缺陷。松下2011量产40寸OLED电视发光与耦合器件光源的基本参数：1、发光效率辐射效率：在给定的波长范围内，某一辐射源发出的辐射通量与产生该辐射通量所需要的电功率之比。发光效率：某一光源所发出的光通量与产生该光通量所需要的功率之比。（单位为lm/W）21( )deeePPP 780380( ) ( )dmevvKVPPP 发光与耦合器件2、光谱分布 线状光谱 带状光谱

12、 连续光谱 复合光谱 选择光源，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长一致，当然探测器和光源都要根据被测对象的要求来定。发光与耦合器件3、空间光强分布特性用配光曲线表示，实际就是一个灯具或光源发射出的光在空间的分布情况。反映了灯具在各个方向的光强，当然也可以记录光通量、光源数量、功率、灯具尺寸、灯具效率、灯具制造商、型号等。分为：轴向对称、对称、非对称配光。 发光二极管 交通灯 气体发光光源发光与耦合器件4、光源的温度和颜色温度在绝对零度以上就会产生，因为黑体是一种完全辐射体，所以辐射光源的某些特性常用黑体辐射特性近似的表示，一般光源的温度用色温、相关色温、分布温度表示。色温：色温度

13、以绝对温度 K 来表示，是将一标准黑体（例如铂）加热，温度升高至某一程度时颜色开始由红、橙、黄、绿、蓝、靛（蓝紫）、紫，逐渐改变，利用这种光色变化的特性，其光源的光色与黑体的光色相同时，我们将黑体当时的温度称之为该光源的色温度。发光与耦合器件色温度在 3000K 左右时，光色偏黄。色温度在 5000K 以上时，光色偏蓝。不同色温度的光，具有不同的照明和视觉效果。以下是不同色温的表现： 光色温光色温 光效果光效果 3000K黄色光，强穿透力 4200K白中带黄，原车配氙气灯 5000K光全白，欧规最高色温 6000K光全白，略带蓝色 6500K阳光下的白天 70008000K白中明显带蓝 800

14、0K以上蓝光，穿透力极差推荐6000K左右的色温正好是最白略微开始转蓝的色温，人眼容易接受，不易疲劳，提高安全性，而卤素灯则较差发光与耦合器件不同的波长给人眼造成不同的颜色感觉，从红、橙、黄、绿、蓝、靛（蓝紫）、紫。眼睛的敏感度随波长的变化而强烈变化。例如，在很好的照明条件下，眼睛对 550nm 波长的光（黄光）的敏感程度是红光或蓝光的 20 倍。这也是为什么大部分车的雾灯和马路的路灯采用黄光的一个重要原因。色温是度量颜色温度的标准，并不是度量灯的亮度。卤素灯的色温可以由2300K到7000K；HID灯的色温由4200K到超过8000K；灯的色温越高，它对雾和雨的穿透力越差（越不亮）。大厂如飞

15、利浦至今只生产色温最高6000K的氙气灯。发光与耦合器件相关色温：除热辐射光源以外的其它光源具有线状光谱，其辐射特性与黑体辐射特性差别较大，所以这些光源的光色在色度图上不一定准确地落在黑体轨迹上，对这样一类光源，通常用相关色温来描述光源的颜色特性。相关色温是指与具有相同亮度刺激的颜色最相似的黑体辐射体的温度，用K氏温度表示。如标准光源D65的相关色温为6500K。2、ELED的工作原理的工作原理当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p与n在PN结区相遇复合释放能量而发光。3、SLED（正面发光型）的结构（正面发光型）的结构（Flash演示）

16、演示）出射光束时朗伯型，平行于PN结结平面的方向光束发散角为1200，垂直于结平面的方向，光束发散角为300。%100iepPP光学效率：外量子效率与内量子效率的比。qiqoo 量子效率：注入载流子复合而产生的光量子效率，可分为内量子效率外量子效率。 内量子效率：辐射复合所产生的光子数与激发时注入的电子空穴对数之比。 外量子效率：射出光子数与注入电子空穴对数之比。（2）用于显示 照明效率：辐射功率转换成光通量的效率。 流明效率：消耗单位功率所得到的光通量。iLPFebPF（2）发光光谱（发光的相对强度随波长变化的分布曲线，它直接决定发光二极管的发光颜色，并影响其流明效率）相对强度波长GaAs0

17、.6P0.4GaP描述光谱分布的两个主要参量是峰值波长和半强度宽度。发光二极管的峰值波长是由材料的禁带宽度决定的。当GaAs1-xPx的x值不同时，峰值波长在620680nm之间变化，谱线半宽度大约为2030nm，GaP发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。（四）伏安特性电压电流mkTeViiexp0复合因子GaP(红色)GaP(绿色)GaAs1-xPxGa1-xAlxAs光强电流强度RdneiB七段式数码管文字显示器的内部接线14划字码管类型出光面尺寸(um)发射波长(nm)光谱宽度(nm)截止频率(MHz)光纤芯径(um)数值孔径耦合方式进纤功率(uw)“平底碗”型正面

18、出光500.904025500.66直接耦合1700无波导型侧面出光()0.05*650.8230100900.14直接耦合800集成化透镜型正面出光401.27100501000.25球端光纤耦合310第三节 白光LED 目前所用的照明灯光源。白炽灯和卤钨灯，其光效为1224流明/瓦；荧光灯和HID灯的光效为50120流明/瓦。 白光LED：在1998年，只有5流明/瓦，1999年达到15流明/瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年已达25流明/瓦，这一指标与卤钨灯相近。从理论和技术发展分析，白光LED的光效可以达到200流明瓦以上，工作电流可达安培级。由此可见开发白光LED作家用

19、照明光源，将成可能的现实。 普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间100000小时以上），几乎无需维护。 LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵、光效，仍被认为是它将不可避免地替代现有照明器件。 目前人们将白光LED划分为2005年和2010年两个阶段目标。2005年后开始替代白炽灯，进入商业照明；2010年进入家庭照明。若实现第一个目标，2005-2007年开始部分取代白炽灯，对美国来说，可节

20、约10GW电能；实现第2个目标进入家庭照明，在2010-2015年白光LED的光效达到150-200lmw，美国可节能约25GW电能。第一类为利用荧光粉将蓝光LED或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长(Dichromatic) 或三波长(Trichromatic)白光，此项元件技术称之为荧光粉转换白光LED(Phosphor Converted-LED)；第二类则为多芯片型白光LED，经由组合两种(或以上)不同色光的LED组合以形成白光，目前市场上白光LED商品以蓝光LED芯片搭配黄光荧光粉最为普遍，主要应用于汽车照明与手机面板等领域，以目前白光LED产品市场分析，荧光粉转换

21、白光LED可谓主流。 （红色和绿色荧光粉多为硫化物体系，这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大。）多种白光LED构装原理和优劣点：(a)型构装方式、演色性最佳，但成本最高，尚未能普及； (b)则具有技术最成熟且成本低廉之优势，但色偏、演色性不佳，须以适当红、黄光荧光粉加以改善，此外，最严重者为日亚化学专利限制难以规避；(c)与(d)两者所制作的白光LED演色性俱佳、色偏小、成本低且专利局限较不严重，因此未来深具发展潜力。一、激光的产生（一）受激辐射1、自发辐射（Flash演示）演示）2、受激吸收（Flash演示）演示）3、受激辐射（Flash演示）演示）1、产生稳定振荡的条件：腔长恰好等于辐射光半波

22、长的整数倍。nmL2反射面反射面Lm=1m=2nLmc2（四）产生激光的三个必要条件需要泵源将处于较低能态的电子激发或泵浦到较高能态上；实现粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；要有一个共振腔提供正反馈及增益，用以维持受激辐射的持续振荡。KM2M1AT(套管)G（毛细管）两个反射镜紧贴在放电管的两端，称为内腔式。输出不稳定，受温度影响大，但无需调整。AD（放电管）B（布儒斯特窗）两个反射镜与放电管完全分开装架，称为外腔式。输出线偏振光，受温度影响小，但需经常调整，技术复杂，使用不便。KGTKABM1M2一个紧贴放电管的一端，另一个与放电管分开装架，称为半外腔式。集中了上两种方式的优点。XL激光棒

23、L放在螺旋状灯X的里面，棒的端面镀有反射膜。M1M2L激光棒放在椭圆柱面镜的一条焦线上，作光泵用的氙灯放在另一条焦线上，两反射镜与激光棒分离。2、红宝石激光器工作物质为掺有Cr2O3的人造宝石单晶；辐射波长为694.3nm的激光；特点：较高的泵浦能量阈值；峰值功率可达1050mw，脉宽为1020ns；三能级系统五、半导体激光器1、PN结型半导体激光器的一般结构法布里泊罗共振腔：将工作物质制成PN结并切成长方块，为实现分布反转，结区的两侧都要求是重掺杂半导体材料，使费米能级分别进入导带及价带内。由一对相互平行的解理面或抛物面构成，并与结平面垂直，这对平面构成了端部反射器。其余的前后两面是粗糙的，

24、用来消除主要方向以外的激光作用。这种结构叫法布里泊罗共振腔。2、PN结型半导体激光器的工作原理3、主要特性（1）激光阈值条件及影响阈值得因素光输出电流受激辐射自发辐射Ith刚好抵偿吸收与损耗的光子产生率叫阈值。阈值电流：达到阈值增益时注入的电流密度。PN结型LD室温下阈值电流很高，且不能实现室温下连续振荡。阈值电流阈值电流296k195k77k4.2V1/L影响因素：共振腔长度大，阈值电流小；温度大，阈值电流大；单轴向压力大，阈值电流小；外加磁场强度大，阈值电流小。（2）频谱分布光强度波长100mA82mA10mA123低于阈值时，自发辐射，非相干光，谱线宽，如1；高于阈值时，发生共振，谱线变

25、窄，对应峰值波长的频率为共振频率（驻波频率）如图2，3。相对强度波长电流超过阈值时碲化铅二极管的激光发射光谱光强度波长59K20K2K磷化铟激光二极管频谱分布与温度的关系4、异质结激光器（1）单异质结激光器在GaAs的PN结上，用分子束外延和液相外延法得到GaAs-AlxGa1-xAs异质结。由于GaAsAlxGa1-xAs禁带宽度不同，因而在界面出形成了较高势垒，使从N-GaAs注入到P-GaAs中的电子在继续向P-AlxGa1-xAs扩散时受到阻碍，同没有这种势垒存在时比较，P-GaAs层内的电子浓度增加，辐射复合的几率也提高了。再者，P型铝镓砷对来自P型GaAs的发光吸收系数小，损耗也较

26、小。由于铝镓砷的折射率较砷化镓低，因而限制了管座进入铝镓砷区，使光受到反射面局限在P-GaAs区内，从而少了周围非受激区对光的吸收。由于电子光子在异质结面上都受到了限制，减小了损耗，因而降低了阈值。其结构图能带图如下：P-AlxGa1-xAsP-GaAsN-GaAs异质结PN结结构图电子空穴N-GaAsP-GaAsP-AlxGa1-xAs2ev1.5ev能带图单异质结激光器分布反转区低温下阈值电流密度与同质结差不多，大约为8000A/cm2，但在温度变化下，阈值随温度变化小，在室温下实现脉冲振荡。（2）双异质结激光器在GaAs的一侧为N型AlxGa1-xAs，另一侧为P型AlxGa1-xAs，

27、加正向偏压时，电子注入作用区到达P-GaAsP-AlxGa1-xAs界面，受到势垒的阻挡而返回，不能进入P型AlxGa1-xAs层中去，从而增加了P型GaAs层中的电子浓度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs与P型GaAs之间的势垒避免了单异质结激光器存在地空穴注入现象，使工作区电子，空穴浓度加大，复合几率增加。另外，由于两个界面处折射率都发生较大突变，所以光子被更有效地限制在作用区内。因此，双异质结激光器的阈值电流进一步降低到10003000A/cm2，实现了室温下的连续振荡，且随温度变化也较小。其结构图能带图如下：P-AlxGa1-xAsN-AlxGa1-xAsGaAs异质结异质结

28、NGaAsP空穴电子结构图能带图双异质结激光器5、分布反馈（DFB）半导体激光器（1）结构（动态单纵模激光器）（2）光栅结构（3）DFB与一般半导体激光器（多纵模振荡）的比较nm /26、量子阱（QW）激光器生长方向GaAsGaAlAs衬底有源层是由两种不同材料交替生长组成超薄层一维周期结构，称为量子阱激光器。当薄层的周期厚度等特征尺寸减小到电子平均自由程（50nm）时，整个材料的电子系统进入量子领域，并产生量子尺寸效应。（1）结构（2）超晶格结构组分超晶格：将两种不同的半导体材料薄层做成重复相间的多层结构长在一块晶体上，量子阱激光器就属于该种；掺杂超晶格：由材料相同但掺杂类型不同的大量重复相

29、间薄层长在同一块单晶上形成。（3）优点极低的阈值电流（0.55mA）且随温度变化极小，甚至预言量子点（量子线，量子箱，量子阱）激光器不随温度变化；高功率输出，可达10w；高调制频率，窄的线宽。国外半导体激光器的典型参数激光器的类型阈值电流发射波长发散角输出功率转换效率截止频率温度系数AlGaAs/GaAs1001500.85(1020)*(3050)521100150InGaAsP/InP201.330*40510265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，且在电性能上是完全隔离的。所以，我们

30、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：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