6第六章发光与耦合器件

1、1第6章 发光与耦合器件6.1光电检测系统中常用的普通光源6.2发光二极管LED6.3固体环保照明光源白光LED6.4高效节能的平面分布式固态光源一 OLED6.5激光器 6.6半导体激光器 6.7光纤激光器6.8光电耦合器件26.1光电检测系统中常用的普通光源 6.1.1光源的基本参数发光效率 在给定的波长范围内，某一光辐射源所发出的辐射通量与产生该辐射通量所需要的电功率之比 谱功率谱分布 光源输出的功率与光谱（光的波长）有关，称为光谱的功率分布。线状光谱、带状光谱、连续光谱、复合光谱。36.1光电检测系统中常用的普通光源空间光强分布特性 许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 光源的温度和

2、颜色 任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为温度辐射，光源的温度常用色温、相关色温、分布温度表示。 光源的颜色通常包含色表和显色性两方面。一般用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（人眼产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。46.1光电检测系统中常用的普通光源 6.1.2常用的普通光源热辐射光源 太阳光 白炽灯：真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯等气体放电光源 利用气体放电原理来发光的光源，称为气体放电光源。如汞灯56.2发光二极管LED 6.2.1发光二极管的结构与工作原理结构 PN

3、结 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结区相遇复从而释放能量而发光。66.2发光二极管LED 6.2.2LED的特性参数LED的效率 LED用于非显示时的效率、LED用于显示时的效率发光光谱 伏安特性发光亮度与电流的关系响应时间76.2发光二极管LED 6.2.3发光二极管的分类按LED的发光颜色分 红色、橙色、绿色（还可细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝色等按LED出光面特征分 圆形灯、方形灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等按LED的结构分 全环氧包封，金属底座环氧封装，陶瓷底座环氧封装，玻璃封装。按LED的

4、发光强度和工作电流分 普通亮度的、超高亮度的、高亮度；十几毫安至几十毫安。86.2发光二极管LED 6.2.4发光二极管的特点及检测发光二极管的主要特点 工作电压低，有的仅需1. 5-1.7V；电流小，典型值约10mA；单向导电特性，只是死区电压略高些；具有和硅稳压二极管相似的稳压特性；响应时间快，大多小于1ms；寿命长，一般可达1 0万小时以上。通发光二极管的检测 用万用表检测、用外接电源检測光电特性。红外发光二极管的检测 硅光电池作接收器。96.2发光二极管LED 6.2.5发光二极管的应用数字、文字及图像显示 七段数码显示器米字管、符号管显示器LED点阵式显示器。指示、照明光源光电开关、

5、报警、遥控、耦合 106.3固体环保照明光源白光LED 6.3.1白光LED的技术原理二波长光，即蓝色光与黄色光混合三波长光，即红色光、绿色光与蓝色光混合116.3固体环保照明光源白光LED 6.3.2白光LED的特点及与现行照明设备的比较白光LED的特点 全固体、结构简单、体积小 、省电。、寿命长、响应快、真正的绿色环保光源、理论光效率高、可平面封装，易开发成轻薄短小产品。白光LED与现行照明设备的比较 表6-2 126.4高效节能的平面分布式固态光源OLED灯 6.4.1OLED灯的结构组成 OLED灯的结构组成如图6 12所示。它是由多层薄膜器件组成，即由箔、膜、刚性或柔性的板作基底，由

6、电极层、活性材料层以及保护阻挡层等组成，要求其中至少一个电极光透明。136.4高效节能的平面分布式固态光源OLED灯 6.4.2 OLED灯的照明原理 工作时520V的电压加到电极，因活性层很薄(1100nm)，其场强高达105107 V/cm，几乎接近击穿场强，它促使电荷通过电极和活性层的界面注入。空穴从透明的阳极注入，电子从阴极注人。注入电荷以彼此相反的方向迁移，最终相遇而结合。在结合时，释放能量并使再结合的分子或聚合物分段达到激发态。受激电子可以一个分子迁移到另一分子，最后某些分子或聚合物分段以光子或热的形式释放，显然希有超额的激发能作为光的方式释放。146.4高效节能的平面分布式固态光

7、源OLED灯 6.4.3 OLED的特点及与现有光源的比较OLED的特点 是分布式平面固体光源，重量轻、超薄、柔软、明亮、少阴影； 能耗低、工作电压低(3-5V)，使用与维护安全； 能效高、寿命长，没有灯丝断裂而耐用； 环环保，无污染，不发热，仅有少量紫外与红外辐射； 可沉积到任何衬底，能制成意形状和式样，能调节颜色，以及色的深浅和156.4高效节能的平面分布式固态光源OLED灯 6.4.3 OLED的特点及与现有光源的比较 具有良好的色坐标、实现接近100的高彩色重现指数(CRI)，能调节白光从冷色到暖色 电流驱动型器件，亮度可在大于10000cd/m2的动态范围内变化，均匀发光、不闪烁；

8、较少插入元器件，能大规模、大面积、低成本制造。166.4高效节能的平面分布式固态光源OLED灯 6.4.3 OLED的特点及与现有光源的比较OLED灯与现有光源的比较 表6-3176.5激光器 6.5.1 激光的概述激光的含义激光的基本特征激光出现的意义186.5激光器 6.5.2 激光的产生受激辐射分布反转（粒子数反转）共振腔196.5激光器 6.5.3 激光器的类型按工作物质分 固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器按输出波长分 远红外激光器、红外激光器、可见光激光器、紫外光激光器、真空紫外激光器、X射线激光器。按泵浦机理分 光泵激光器、气体放电激光器、化学激光器等。

9、206.5激光器 6.5.3 激光器的类型按激光器运转方式分 连续激光器（包括准连续激光器）与脉冲激光器（分为单次脉冲激光器、重复率脉冲激光器及高重复率脉冲激光器）。按输出激光的脉冲时间宽度分 长脉冲激光器、短脉冲激光器、超短脉冲激光器（进进一步可细分为皮秒激光器、飞秒激光器）等。216.5激光器 6.5.3 激光器的类型按工作物质分 固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器按输出波长分 远红外激光器、红外激光器、可见光激光器、紫外光激光器、真空紫外激光器、X射线激光器。按泵浦机理分 光泵激光器、气体放电激光器、化学激光器等。226.5激光器 6.5.4 氦氖激光器氦氖激光

10、器的优点 单色性好方向性强结构简单、紧凑，稳定性好；造价低廉，使用方便。氧氖激光器的类型 全外腔激光器全内腔激光器半内腔激光器。236.6半导体激光器 6.6.1半导体激光器的特点与分类半导体激光器的特点 (1)体积最小， ( 2)质量最轻，(3)直接电注入，(4)工作寿命最长， (5)覆盖的波长范围最广。(6)结构最简单，(7)价格最便宜，(8 ) 能方便地与光纤高效率耦合。(9)具有直接调制的能力，(10)有与其他半导体光子器件或电子器件单片集成的能力。 半导体激光器的分类 246.6半导体激光器 6.6.2半导体激光器的主要特性阈值 效率半导体激光器直接调制带宽半导体激光模式 256.6

11、半导体激光器 6.6.3PN结型二极管注入式激光器结构与原理 激光器一般由激发装置（泵源）、工作物质及共振腔组成。结型结型激光器的结构如图6 21。图(a)为常用的法布里泊罗共振腔。主要特性 (1)激光阈值条件及影响阈值的因素 (2)频谱分布266.6半导体激光器 6.6.4异质结半导体激光器单异质结激光器 如图6 29。 双异质结激光器 图6 30。 276.6半导体激光器 6.6.5量子阱半导体激光器量子阱的含义 异质结的激活区进一步变窄到与电子的量子波长相当，甚至还要小，这时的激活区就更像陷阱一样。电子的运动受到强烈约束，电子和空穴在导带底和价带顶的能力状态出现不连续分布，称为量子阱(Q

12、W)。用这样的量子阱结构制成的半导体激光器就称为量子阱半导体激。量子阱半导体激光器的结构及原理 图6 31286.6半导体激光器量子阱半导体激光器的类型及应用 类型：有两类高性能的GaAL/GaALAs QW激光器： 一类是具有梯度折射率隔离限制异质结构(GRIN SCH) SQW激光器，其阈值电流可小于5mA，特征温度达160K，微分量子效率为81%; 另一类是掩埋式MQW激光器。 应用：光纤通信、光传感、光盘、激光打印以及光计算技术。296.6半导体激光器 6.6.6垂直腔面发射半导体激光器边发射半导体激光器的缺点 法布里泊罗(F P)腔半导体激光器的结构和制作工艺最简单，成本最低低，但难

13、于实现单纵模工作，适用于调制速率小于622Mb/s的光纤通信系统分布反馈式(DFB)半导体激光器易于获得单模、单步频输出，在高速调制下保持单纵模工作，容易与光缆、光纤调制器耦合，但其波长调谐范围比毛较小，适用于高速调制(2. 5-1OGb/s)的短距离光纤通信系统 分布布拉格反射(DBR)半导体激光器较大的谱线展宽，波长的调谐范围可扩大到103nm，但其纵模的模式稳定性较差，容易出现跳模现象。306.6半导体激光器垂直腔表面发射半导体激光器的优点 (1)良好的动态单纵模。 ( 2)光束质量好，发散角小，易于与光纤耦合。(3)阈值电流很，(4)易于生产和降低成本。 (5)易于制作二维的激光器阵列

14、垂直腔表面发射半导体激光器的结构及原理316.7光纤激光器6.7.1光纤激光器的结构、原理、特性及类型光纤激光器的基本结构和特点 光纤激光器是指以掺杂光纤为介质的激光器。 (1)耦合效率高；( 2)能量转换效率高；(3)激光阈值低；(4)波段调谐范围；(5)结构紧凑简单、小巧灵活，可集成化；6)激光亮度高 (7)激光束质量及调谐性能好，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。(8)能在不施加强制冷的情况下连续工作；(9)器件寿命长。(10)工作条件不严格，可自然冷却或简单风冷，且耐高振动、高冲击，可在高温与大烟尘下运行。326.7光纤激光器光纤激光器的基本原理图6 33掺杂光纤激光器的一般特性表6

15、-5特殊光纤谐振腔 环形光纤谐振腔，图6 34；光纤形镜及其谐振腔，图6-35；Fox Smith光纤谐振腔光纤激光器的类型 336.8光电耦合器件6.8.1光电耦合器件的含义和特点光电耦合器件的含义 在信息的传输过程中是用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能。信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。具有抗干扰和噪声的能力。响应速度快。使用方便，可靠性高，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在-55一+100之间。346.8光电耦合器件6.8.2光电耦合器件的特性参数传输特性 (1)电流传输比；(2)间绝缘耐压；(3)绝缘电阻；(4)寄生电容；( 5)最高工作频率；(6)脉冲上升时间，和下降时间。光电耦合器件的抗干扰特性 (1)光电耦合器件抗干扰强的原因 (2)光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算356.8光电耦合器件6.8.3光