chapter 2 深圳大学 光电检测技术 课件

光电检测系统的发光光源文侨E-mail:wenqiao@深圳大学光电工程学院334房间《光电检测技术》课程2光电检测系统中的发光光源

典型光电检测系统的组成结构示意图

光源在光电检测系统中的作用：作为载波，携带被测信息光电检测系统对光源的要求：

空间分布强度、稳定性频谱分布3光谱功率分布

光谱功率分布：表征光频率与功率的关系四种常见光功率谱分布图线状光谱带状光谱连续光谱混合光谱低压汞灯高压汞灯白炽灯卤素灯荧光灯4空间发光强度分布一般光源的发光强度在空间各个方向上不相同光源配光曲线矢量长度与该方向的发光强度呈正比，各矢量端点连线形成配光曲线5色温：光电温度计颜色与色温色温：如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。色表：人眼直接观察光源时所看到的颜色显色：表征光源照明物体时所显示的颜色与该物体在

完全辐射照明下所呈现的颜色的差异性开尔文(19C英国物理学家)色温通常用开尔文温度(K)

瞄准作用6光源的分类7光源的光谱氙灯:属于脉冲放电氙灯色温接近日光，小太阳之称。适合用于照相氙灯光谱分布8光源的光谱汞灯：科研中常用高压汞灯高压汞灯光谱分布254nm激发荧光粉制作日光灯

9金属卤化灯

（常用在路灯）金属卤化灯的光谱金属卤化灯的光谱与高压汞灯类似光源的光谱10LED(LightEmittingDiode发光二极管)LEDs光谱光源的光谱11自发辐射过程示意图各向同性（h为Planck常数）低能级高能级、初始相位随机、偏振方向无序自发辐射光为非相干光辐射光子的能量自发辐射特点:相干光源基本知识——光与物质相互作用12受激吸收条件：入射光子hv=E2-E1受激吸收过程示意图相干光源基本知识——光与物质相互作用13受激辐射过程示意图受激辐射特点:相同的方向受激辐射相当于“克隆”光子受激辐射光为相干光、频率、位相、偏振态等相干光源基本知识——光与物质相互作用14非相干光入射光h=E2-E1自发辐射E1E2hv受激吸收受激辐射

光与物质相互作用三种过程的比较hvE1E2hvhvE1E2hv相干光无光辐射入射光h=E2-E1无需入射光发生条件：辐射出：能量转移：粒子→光子粒子→光子光子→粒子发生几率：原子能级特征原子能级特征与入射光子原子能级特征与入射光子相干光源基本知识——光与物质相互作用15相干光源基本知识——谐振腔激光谐振腔的作用：提供反馈纵模

选频确定腔内光斑半径分布优化传播方向选横模圆形横模

方形横模

激光谐振腔内光斑半径分布图16激光器的一般组成电源谐振腔镜子聚光腔作用物质

泵浦灯

激光的工作原理

17能量转换电气-光转换过程损失光谱不配合及传达过程损失冷光量子转换损失模式不配合及各种谐振腔损失电气能泵浦光能吸收能量子能激光聚光腔谐振腔工作物质泵浦光源泵浦光受激辐射激光聚焦光电气能泵浦系统激光的工作原理

18研究生正在开发的超短脉冲激光样机19研究生正在开发的超短脉冲激光样机20激光器实物图2023/2/421激光器的图片绿光激光器2023/2/422大功率绿光激光器2023/2/423红光激光器2023/2/424蓝光激光器2023/2/425红绿蓝多色激光器2023/2/426黄光激光器2023/2/427紫外激光器2023/2/428白光激光器2023/2/429小型激光器2023/2/430半导体激光器2023/2/431钛宝石激光器和10太瓦/拍瓦高峰值功率超快激光器系统2023/2/432二氧化碳激光器2023/2/433气体激光器2023/2/434泵浦灯管和气体激光管2023/2/435固体激光器全反镜激光二极管（LD）耦合系统半反镜Yb:YLP光纤光纤激光器飞秒激光器工作时放大级Spitfire的工作实况实验室激光部的飞秒激光系统38高功率飞秒激光系统脉宽：30fs峰值功率：286TW峰值强度:>1×1020W/cm2（f/1.7）SILEX-I极光III号脉宽：40fs,峰值功率：200TW峰值强度：>1020W/cm2这是国内目前可进行实验的最高光强深圳大学：脉宽50fs，峰值功率2TW，聚焦后峰值强度可达2×1018W/cm2假定光斑半径为10um39FacilityPeakPowerTypePulsedurationPulseEnergyRAL,UK1PWNd:glass/OPCPA600fs600JILE,Japan700TWNd:glass/OPCPA700fs350JJAERI,Japan850TWTi:sapphire33fs28JMBI,Germany100TWTi:sapphire50fs5JPhelix,Germany1PWTi:s/Nd:glass500

fs500

JLLNL,USA200TWTi:sapphire100fs20JLULI,France100TWNd:glass300fs30JCEDEX,France100TWTi:sapphire25fs2.5JSILEX-I(四川)286TWTi:sapphire30fs8.7JXL-III（北京）>200TWTi:sapphire40fs10.8JQG-III(上海)120TWTi:sapphire34fs4.3J深圳大学2TWTi:sapphire<50fs120mJ国际上现有的超短超强激光装置404142434445典型的激光器一、固体激光器二、气体激光器三、半导体激光器47工作物质：基质材料+发光粒子光谱特性主要由发光粒子的能级结构决定基质材料：玻璃：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等晶体：白宝石（Al2O3）、钇铝石榴石（YAG）、铝酸盐、氟化钙等发光粒子（激活离子）：铬（Cr3+）、钕（Nd3+）、铒（Er2+）等一、固体激光器48

可获得大的激光能量输出，脉冲峰值功率很高，而且结构紧凑、牢固耐用。固体激光器特点：49（一）基本结构与工作物质固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。以下是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。50红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)。它属于三能级系统，相应于右图的简化能级模型。（二）举例——红宝石激光器51工作物质：红宝石晶体（Cr2O3-Al2O3）发光的激活粒子：

Cr3+

（三能级系统）激光波长：694.3nm光谱线宽：0.01~0.1nm偏振特性：既可输出无偏振光，也可输出线偏振光（红宝石为单轴晶体，存在双折射现象）发散角：一般情况下远大于衍射角；由直径很细的红宝石棒发出的单模激光束的发散角可接近于衍射极限。（二）举例——红宝石激光器52工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd2O3-YAG）发光的激活粒子：Nd3+

（四能级系统）激光波长：1.06微米光谱线宽：0.73nm（室温下）偏振特性：输出无偏振光（YAG为立方晶体，无双折射现象）特点：振荡阈值低，容易实现连续运转，但在连续工作时，热效应将引起热光畸变（热透镜效应及热应力双折射）。在YAG基质上，还可以掺入Er3+、Tm3+等其他杂质。YAG激光器：53

固体激光器红宝石激光器YAG激光器工作物质Al2O3＋Cr2O3；Cr3＋决定光谱性能Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3＋决定光谱性能物理过程三能级系统四能级系统激光谱线0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占优势1.35μm+1.06μm；一般只产生1.06μm泵浦源脉冲氙灯氪灯由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励泵浦特点*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上*泵光中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用。优缺点阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作阈值低、有优良的热学性质、适于连续和高重复率工作；是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质输出特性大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比)总体效率大概为0.5%-1%1%-3%特点输出能量大；峰值功率高；54种类：原子气体激光器产生激光作用的是没有电离的气体原子，典型代表是氦氖激光器。分子激光器产生激光作用的是没有电离的气体分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和准分子激光器。离子激光器典型代表是氩离子激光器和氦镉离子激光器。二、气体激光器55发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，几乎遍布了从紫外到远红外的整个光谱区(已经观测到的谱线有万余条)；工作物质均匀性较好，使得输出光束的质量较高；容易实现大功率连续输出，如二氧化碳激光器可达万瓦级的功率输出；转换效率高、工作物质丰富、结构简单、器件成本低。气体激光器的特点56工作物质：氦-氖气体（He-Ne）激光波长：0.6328微米（1.15微米、3.39微米）光谱线宽：小于20Hz（单色性好）发散角：10-3rad以下（方向性好）（一）氦-氖激光器输出功率：与放电毛细管的长度有关。10cm的管子，输出约0.5mW；200cm的管子，输出约50mW。57结构：激光管+电源激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成58与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条:3S→2P0.6328μ2S→2P1.15μ3S→3P3.39μ59谱线竞争:

He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328μm，1.15μm，3.39μm)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。为了保证一定波长的输出，可以采取合适的措施抑制其他波长的振荡，如：使用布儒斯特窗进行选择性的吸收；在腔镜上镀反射膜，进行选择性的反射；在腔内放置吸收元件，进行选择性的吸收。（一）氦-氖激光器（续）60工作物质：氩气（Ar+）激光波长：0.4880微米、0.5145微米（蓝绿光）输出功率：是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器（几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦）由于气体放电过程中电离度不高，而且量子效率比较低，氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在10-4~10-5范围。2、氩离子激光器61一般结构放电管（核心部件）、电极、回气管（减小放电管内气压差）、谐振腔、轴向磁场（提高激光器的输出功率及寿命）62激发机理Ar+的粒子数反转主要靠电子碰撞激发，激发过程包括三种形式：（1）电子与Ar原子碰撞，使其电离成Ar+，Ar+再与电子碰撞而被激发到高能态；（2）电子与Ar原子碰撞后直接将其电离并激发到激发态；（3）电子碰撞先把Ar+激发到更高的能态上，然后Ar+通过辐射跃迁到激光上能级上。63工作物质：CO2、N2和He的混合物激光波长：10.6微米、9.6微米（远红外光）（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小）特点：激光器效率高、输出能量大、功率高。3、二氧化碳激光器64结构构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。65激发机理66

气体激光器He－Ne激光器CO2激光器Ar＋离子激光器工作物质He＋Ne；Ne决定光谱性能CO2＋He＋N2；CO2决定光谱性能Ar；Ar＋决定光谱性能物理过程四能级系统四能级系统四能级系统激光谱线0.6328μm+1.15μm+3.39μm；3.39μm占优势10.6μm+9.6μm；10.6μm占优势0.4880μm+0.5145μm蓝光和绿光泵浦源气体放电激励气体放电激励气体放电激励输出特性*谱线竞争*输出功率特性：与放电电流关系很大，存在最佳气体混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件和毛细管直径*放电特性：电流有最佳值*温度效应：转换效率高，约有60％以上的能量转换为气体的热能，温度升高，粒子数反转减小，谱线加宽增益系数下降*多谱线工作：每条谱线都有一个阈值电流，*输出功率随放电电流的关系与其他激光器不一样；特点*气态物质的光学均匀性一般比较好，使其在单色性和光束稳定性方面有较大优势；*谱线极为丰富；目前已达数千种，从紫外到远红外波段；*大多数能连续运转*都有瞬时功率不高的特点：工作气体的气压较低，单位体积中粒子数较少，只有固体激光器中激活粒子数密度的千分之一或更少，因而储存的能量少结构简单，使用方便，光束质量好，工作可靠，容易制造连续工作脉冲工作均可；输出功率大，效率高；正好处于大气窗口，且对人的眼睛的危害比可见光和红外线小得多谱线丰富，主要分布在蓝绿光区；连续脉冲工作均可，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器67三、半导体激光器半导体激光器，又称激光二极管（即LD）工作物质：半导体材料特点：波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且体积小、重量轻、寿命长。主要应用领域：信息存储、光纤通信等68半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术：激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面；光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备等方面。691、半导体的能带结构理想半导体的能谱是由电子的一系列能带组成的，下能带称为价带，上能带称为导带，它们之间不存在电子状态的区域称为禁带。禁带宽度

Eg=Ec-Ev其中，Ec——导带底的能量Ev——价带顶的能量70每个能带实际上由大量极其密集的能级所组成。电子在能级上的分布遵从费米-狄拉克分布。当温度T=0时，价带是完全填满的，导带是完全空的；当T>0时，价带中填充的电子数多，导带中填充的电子数少。由于某种原因（如温度升高），电子从价带提升至导带，价带中就因失去电子而存在带正电的空穴。电子和空穴都称为载流子。掺杂半导体N型半导体

——依靠电子导电P型半导体

——依靠空穴导电712、半导体受激发射的条件如果频率为v的光在半导体内传播，在光场的作用下，导带中的电子向价带跃迁，与空穴复合，造成一个导带电子和一个价带空穴同时湮灭，发射出一个能量为hv的光子。产生受激发射并得到放大的条件是：导带能级上被电子占据的几率大于与辐射相关的价带能级上被电子占据的几率。即实现粒子数反转。

粒子数反转分布的区域称为“有源区”或者“激活区”实现半导体中粒子数反转分布的一个简单方法是利用PN结的特征。令一块N型半导体和一块P型半导体相接，在其结合处形成PN结。在PN结上加正向电压后，电子将从N区的导带被注入P区，空穴从P区的价带被注入到N区。注入电子的位能比空穴的位能高Eg，当电子从导带跃迁到价带而复合时，这部分能量将以光的形式释放出来。72（1）气体激光器。所使用工作物质为气体，有氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器。激光器的分类（总结）（2）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，里面掺如具有发射激光能力的金属离子。有Nd:YAG，Nd:YVO4，钛宝石激光器73（3）染料激光器。以染料为工作物质，染料溶解于某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。（4）半导体激光器。半导体激光器的工作物质是半导体材料。激光器的分类（总结）74（1）单频激光器（2）多纵模激光器（3）锁模激光器（4）调Q激光器激光器的分类（总结）75（1）单色性激光器特性（总结）He-Ne激光器发出632.8nm光，对应频率为4.7×1014Hz,谱宽9×10-2Hz而普通气体放电管发出同样频率的光，谱宽1.52×109Hz（2）方向性He-Ne激光器比目前单色性最好的气体放电光源氪灯小四个数量级探照灯只能照射几公里，He-Ne激光器可以照射地球到月球。探照灯照明照射不到十公里时，光束扩大为直径几十米；

He-Ne激光传播几十公里，仍可得到一条细而亮的笔直光束。76激光器特性（总结）（3）高亮度激光器亮度比太阳高几个乃至十几个数量级超短脉冲技术的发展是激光亮度呈几何级数增长（4）相干性相干长度长达几十到几百公里单频或锁模激光器相干性更高激光安全激光对人体可能产生的损害激光的安全级别分类防护措施激光器的保护78激光对人体可