光电子技术第1章光源

第1章光源1.1辐射度学与光度学的基础知识1.2热辐射光源1.3气体放电光源1.4激光器1.5发光二极管(LED)一切能产生光辐射的辐射源都称为光源

天然光源人造光源电磁波谱按照发光机理，光源的分类：需要了解各类光源的发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。光纤激光器发光二极管1.1辐射度学与光度学的

介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量

1.辐射能单位为J（焦耳）

2.辐射通量又称辐射功率单位为W（瓦、焦耳每秒）

3.辐射强度描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。基础知识单位:（瓦每球面度）4.辐射出射度与辐射亮度单位：（瓦每平方米）

单位：

（瓦每球面度平方米）

的定义的定义5.辐射照度

单位：（瓦每平方米）6.光谱辐射量

辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。光谱辐射通量与波长的关系其它辐射度量都有类似关系。二、光度的基本物理量1.光谱光视效率V(λ):

人眼对各种光波长的相对灵敏度详见表1.1

2.光度量

光度量与辐射度量是一一对应的。

辐射度量是客观物理量，

光度量体现了人的视觉特性。⑴光能单位：lm·s（流明·秒）⑵光通量单位：lm（流明）⑶发光强度单位：cd（坎德拉）

发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：

时，

即：1W=683lm此时，V(λ）=1V(λ）＜11W＜683lm

时，可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：

1W=683V(λ）lm，定义：Km=683lm

/W有关系式：⑷光出射度与光亮度

单位：lm

/m2单位：

cd/m2实用单位：sb(熙提)1sb=

104cd/m2⑸光照度

单位：lx（勒克斯）

1lx=1lm/m2普适关系式：三、光源的辐射效率与发光效率辐射效率发光效率

单位：

lm/W1.2热辐射光源一、理想的热辐射光源α(λ，T)=1—绝对黑体在热平衡条件下绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源辐射光谱是连续光谱普朗克公式维恩位移定律斯蒂芬—玻尔兹曼定律随着温度T的升高，峰值波长

向短波方向移动，总出射度

迅速增加。绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布灰体：α(λ，T)＜1的热辐射光源，

具有与绝对黑体类似的辐射规律。色温；相关色温1.太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布非常接近于绝对黑体黑体辐射器：科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。常用作标准光源，最高工作温度是3000K。2.白炽灯与卤钨灯灰体钨丝做灯丝玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μm。可见光占6～12%，用于照明；加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物（如溴化硼）;形成卤钨循环。

色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)，作仪器白光源.卤钨灯

白炽灯1.3气体放电光源发光机理：气体放电。

泡壳：用玻璃或石英等材料制造；电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、金属化合物蒸气、惰性气体基本结构气体放电光源的特点：①发光效率高,节能。②电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。③寿命长，比白炽灯长2～10倍。④辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。一、汞灯

泡壳内充汞蒸气1.低压汞灯

作253.7nm紫外光源；作荧光灯（…日光灯）。2.高压汞灯

可见辐射加强，呈带状光谱，可作高效照明光源。3.球形超高压汞灯

很好的蓝绿光点光源。二、钠灯

泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm

两条谱线的单色光源。高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金属卤化物灯

泡壳内充的是金属卤化物气体。通过金属卤化物循环，提供足够的金属原子气体。铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：

近白色光源,色温5500K。四、氙灯

泡壳内充的是是惰性气体—氙。色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。长弧氙灯:短弧氙灯:脉冲氙灯:日光色点光源大范围照明光源脉冲时间极短（nS～pS)，光很强,用于光泵、光信号源、照相制版、高速摄影五、氘灯

泡壳内充有高纯度的氘气灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（185～400nm）。1.4激光器1.4.1激光器概述

20世纪激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。

激光器的基本结构

激光形成机理（1）光与原子作用的三种跃迁受激吸收处于低能态E1（基态）的原子，受光照满足hν=E2—E1原子可能吸收光子能量跃迁到高能态E2（激发态）。E2E1自发辐射处于高能态的原子不稳定，要自发从E2跃迁到E1，并发射一光子，光子能量满足hν=E2—E1。E2E1E2E1受激辐射处于高能态的原子，在自发辐射之前，受外来光子的诱发，在E2跃迁到E1的同时，发射一个与外来光子全同的（同方向、同频、同相位、同偏振）光子。依次不断地得到大量特征相同的光子，就实现了相干光的放大。（2）产生激光的条件①粒子数反转（前提条件）故使受激辐射大于受激吸收,必须:N2>N1，即粒子数反转。热平衡下，原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律：Ni=Aexp（-Ei/kT）于是：N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT]设T=300K，E2-E1=10eV，则N2/N1=10-40。实现反转的物质叫激活介质（或者叫激光工作物）。激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫“泵浦”。激活介质本身必需要有适当的能级结构。例如激光的三能级系统:泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3。E3不稳定(平均寿命约10-8s)，无辐射跃迁到亚稳态E2（平均寿命约10~3~1s）。E2有可能积聚大量粒子，从而受激辐射。E1E2E3泵浦②光学谐振腔（必要条件）工作物两端对称地放置两反射镜。有谐振腔，偏离腔轴线的光子来回几次后最终逸出腔外。而沿轴线的光子来回反射，被增益介质连锁式光放大。无谐振腔的受激辐射方向是随机的。③阈值条件（决定性条件）有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光。只有当光在腔内来回一次，增益大于损耗才能产生激光。虽然激活介质能使光得到增益放大；但介质吸收、散射；端面发射、透射等会产生光能损耗。描述工作物对光的放大能力,用I=IoeGx(G是增益系数)。于是,I2=I1eGL

I1I2I3I4I5I3=r2I2=r2I1eGL(r2是镜2反射率)I4=I3eGL=r2I1e2GL

I5=r1I4=r1r2I1e2GL

(r1是镜1反射率)必须，I5>I1，即:r1r2e2GL＞1r1r2e2GL

＞1即为产生激光的阈值条件。

机理激光形成电泵浦或光泵浦；造成工作物质中粒子数反转分布，自发辐射引发受激辐射；谐振腔对辐射光波选频放大。特性激光的高亮度、方向性好、单色性好和相干性好激光将对21世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通道，在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹，在高新科学技术记录中创造了许多之最：

１、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲功率达13×1015W，亿度以上高温，能焊接、加工和切割最难熔的材料；２、激光能产生最高的压强。光压强达3×1011大气压，可以实现激光聚变点火；３、激光能产生最短的脉冲。780nm达4fs，相当该光1.5周期进入强场物理领域，用超短激光脉冲研究光合作用，能看到皮秒（1ps=10-12s）或飞秒（1fs=10-15s）内发生的变化；４、最精密光刻。能制造最小的光机电一体化设备，加工的最小机械零件从几微米到几十微米，制作的大规模集成线路的线宽可达到50nm，测量精度已达0.005μm；

５、激光能产生最大的信息量。目前已接近3T（Tera即1012）目标，即通信传输容量Tbit/s，运算速度Tbit/s，三维立体存储密度Tbit/cm3；６、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目前理论证明的最安全的通信系统，目前美国、日本、瑞士等几个国家建立了量子通信系统；７、激光能产生最低的温度。激光冷却可将原子冷却到20nK，接近绝对零度，量子冷却到基态，为量子光学和量子力学的实验研究准备了条件。

已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。1.气体激光器工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电实现粒子数反转。工作物质（气体）均匀性好，输出光束的质量相当高。2.固体激光器工作物质是掺杂的晶体或光学玻璃，光泵浦。有脉冲输出激光器和连续输出激光器。主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。3.染料激光器工作物质是有机染料溶液，光泵浦。输出激光波长可以在很宽范围内调谐，有极好的光束质量。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MW。4.半导体激光器（LD）工作物质是半导体材料形成的P-N结。与结平面垂直的晶体解理面构成F-P谐振腔。对P-N结正向注入电流或光泵浦，可激发激光。体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（0.33～44μm）；能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。主要优点5.光纤激光器工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐振腔有多种形式。是近年来发展起来的新型激光器，具有一系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。

1.4.2固体激光器介绍几种代表性的固体激光器YAG激光器

基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。输出波长1064nm，加倍频技术可输出532nm。已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。输出波长2.94μm,用于激光医疗。

输出波长2.1μm,用于激光医疗,空间光通信。可调谐的固体激光器

输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm，峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。

可调谐范围700-800nm。采用调Q技术，输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。

激光二极管（LD）泵浦的固体激光器LD泵浦:实现高效率的能量转换,有端面泵浦和侧面泵浦。

获得百瓦级高功率激光输出。下图是纵向、双端面泵浦一个横向、侧面泵浦的激光器市场上高功率的LD泵浦固体激光器都是用侧面泵浦方式，输出功率可达6000W以上。非线性频率转换得到短波长固体激光器

固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料进行波长转换,可得到短波长固体激光器。

LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。研究趋势用LD泵浦晶体得到1064nm激光，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到532nm绿激光。还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。1.4.3半导体激光器一、半导体材料的能带晶体中电子的共有化运动晶体中的能带关于价带导带禁带导电载流子：电子、空穴I型、N型、P型半导体关于施主能级受主能级费米统计分布式中，Ef为费米能级，是电子占据率大于或小于0.5的能级分界线。二、PN结的能带PN结空间电荷区与自建电场的形成PN结的能带弯曲重掺杂P型、N型半导体的能带热平衡时PN结的能带弯曲

加上正向电压后，

PN结势垒降低PN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由N区指向P区，P区、N区的电子能级差为：PN结加上正向电压时，热平衡被破坏，PN结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。

电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。PN结就是光辐射的有源区。

三、实用中代表性的LD的结构阈值电流Ith注入电流I＞Ith,才能形成激光。器件结构要着力于降低Ith。同质结单异质结（SH）双异质结（DH）、条形异质结LD:增益导引条形DHLD掩埋条形DHLD

量子阱（QW）LD单量子阱（SQW）多量子阱（MQW）超晶格结构

MQW结构的优越性：

阈值电流很低改善频率啁啾调制速率高温度特性好MQW的能带分布反馈激光器

谐振腔是波纹光栅结构分布反馈基于布拉格衍射原理DFB激光器DBR激光器每一个栅距相当于一个微F-P腔,易形成单纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-P腔多级调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。在高速调制时仍然保持单纵模特性。

温度特性好。波纹光栅分布反馈的优点MQW-DFBLD性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。四、LD的工作特性I＞Ith形成激光输出,光功率急剧上升，

P-I曲线的线性好。

斜率效率。

I＜Ith自发辐射阶段，光功率较小

。LD是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。

1.P-I特性2.光谱特性I＜IthI＞Ith单纵模LD是矩形光波导:厚度为d，条形宽度为W

。出光发散角：

约30°～40°约6°～8°3.调制特性具有直接调制的能力

调制电流模拟调制数字调制LD芯片的调制频率达10GHZ

量级。五、LD的应用及新的发展

LD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，寿命长，有大功率、高集成度器件。已成为最重要的激光器之一。

光通信

光盘存储、光显示

激光印刷、信息处理、办公自动化设备

激光加工、激光医疗

各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。

LD的发展日新月异

垂直腔表面发射LD（VCSEL）利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。

有源区是多量子阱结构，腔长只有几个微米。动态单纵模特性好，阈值电流可小于1μA。微腔LD如应变量子阱（SL-QW）结构，调制频率已达30GHZ以上。

高速宽带LD普通LD的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，其中只有一个或几个模式形成激光（β:10-4～10-5）。因而带来能量损失、速度限制和噪声。微腔LD的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大压缩（β≤1），阈值大大降低，获得超高速响应（大于100Gb/s）。甚至可实现无阈值激光器。微腔LD及其二维面阵是一种高效、高密度光源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。激光器的重要变革可调谐LD用于DWDM光交换技术实现5-7nm范围连续调谐实现100nm范围波长调谐短波长LD

光存储、光显示的需要。红光、绿光、蓝光、紫光LD用有机材料（聚合物）作LD的有源层，易得到短波长LD，是目前的研究热点。大功率LD作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；激光加工、激光医疗光源产生大功率LD的途径：

﹡提高单个LD的输出功率；

﹡发展列阵LD:一维LD列阵;二维LD列阵;激光棒

（脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。高性能LD组件适于10Gb/s以上速率的EAM/LD波长可选择的光电集成回路（OEIC）

1.53～1.61μm范围的多波长光源EAM：电吸收光调制器。EAM与LD集成，实现光调制，-3dB带宽为14GHZ。含有EAM、半导体光放大器（SOA）、合波器(MMI）、微列阵DFB激光器，波长选择范围达45nm。40个DFB-LD波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个EAM，适用于DWDM全光网络。1.4.4光纤激光器一、光纤、光波导光纤光导纤维，光传输的通路，纤芯折射率大于包层，光基于全内反射在纤芯中传输。纤芯中掺入稀土离子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,→有源光纤,

光泵浦，激光器的工作物质。当光纤中光强超过上限，产生非线性光学效应。光波导在光电集成回路中、各种光器件模块里，必有光信号的通路，即光波导。光波导类似于光纤的纤芯，其折射率高于周围材料（衬底和包层）。波导截面是几微米尺度，用光刻技术制得各种光波导。Y分叉光波导光波导可构成光分路器、耦合器、干涉器、阵列波导光栅等大量光无源器件。

向光波导中掺杂，或造成非线性光学效应时，又可制备出多种光有源器件。二、光纤激光器的基本结构激光工作物质的基质是光纤，主要包括稀土掺杂光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源三部分组成。

1.增益介质

光纤基质材料：硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂元素而选择；光纤长度：典型值在0.5～5m之间。光增益由掺杂离子决定：掺Nd3+光纤激光器，可在1060nm等3个波长获得激光。

掺Er3+光纤激光器，

输出1550nm激光，光纤通信波长。掺Tm3+光纤激光器，可输出1435～1500nm波长激光，光纤通信波长。还可输出1700～2100nm波长、810nm波长激光，用于生物医学、光纤传感。掺Pr3+光纤激光器，可输出1290～1315nm波长激光，光纤通信波长。

2.谐振腔有多种结构：

F-P腔将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。环形腔

光栅谐振腔

在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（FBG）而构成。掺Er3+光纤光栅激光器3.包层光泵浦常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功率小。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。内包层直径在百μm左右，是泵浦光的导管，有大的数值孔径（NA），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。

内包层截面设计成多种形状：

矩形和D字形截面内包层具有95%的耦合效率,光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。

三、光纤激光器的优点①能量转换效率高，光—光转换效率达80%以上。②光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。③光纤激光器波长范围可在380～3900nm，可以多波长运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。④光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。⑤耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达10万小时。四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤放大器1．掺Er3+、Tm3+、Pr3+光纤激光器是光纤通信波段1280～1620nm光源；2.光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光加以放大、增强。

它使光通信线路上传统的光—电—光型中继器变革为全光型中继器，是光纤通信发展史上重要的里程碑。

掺Er3+、Tm3+、Pr3+光纤放大器和拉曼光纤放大器对于光纤通信系统非常重要。3．光纤激光器和光纤放大器的增益光纤容易与传输光纤耦合。4．光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。5．光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信的理想光源。五、高功率光纤激光器光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结构紧凑小巧，对激光加工、激光医疗相当有吸引力。

实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术：

1.石英光纤中掺Yb3+

Yb3+具有很宽的吸收带（800～1064nm）与荧光带（970～1200nm），可选的泵浦源很多。泵浦—发射的转换效率高。可高浓度掺杂获得高增益。

Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命长，小功率泵浦就可在极窄的纤芯内形成高密度的粒子数反转，从而可输出稳定的强激光。2.双包层侧面泵浦技术3.高可靠性泵浦光源

光纤侧面生出许多杈纤，每分杈耦合一个宽面多模大功率LD（＞100W）。高功率掺镱光纤激光器输出可达数万瓦,比大功率的气体、固体激光器优势显著。1.5发光二极管（LED）Lightemittingdiodes发光原理对PN结正向注入电流，P区空穴向有源区扩散，N区电子向有源区扩散，结果电子与空穴在有源区复合，以一定频率的光能释放出来。发光二极管的结构是半导体PN结。结与结之间是产生荧光的复合区，叫有源区。LED与LD的根本区别在于：LED发光是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；LD是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干光——激光。

LED是一种极有竞争力的新型节能光源，它的优点有：•效率高•光色纯•能耗小•寿命长•可靠耐用•应用灵活•绿色环保结构是半导体PN结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。1962年第一只红色LED问世，接着是黄色、绿色、橙色LED，早期的LED亮度不高。1993年日本利亚公司的中村秀二研制成功兰光LED，是LED发展史上重要的里程碑。之后，人们发展了超高亮度的红、绿、蓝LED。

高发光效率的白光LED，节能环保的照明工程。LED的发展历程1.5.1普通亮度LED一、材料与构型

GaP、GaAsP、GaN,峰值波长是可见光，用于光显示。

GaAs，峰值波长867nm，用于光电检测。

InGaAsP，峰值波长1.3μm、1.55μm,用于短距离光纤通信。LED采用双异质结、量子阱结构分为：面发光型－发光功率较大

边发光型－易与光纤耦合面发光型LED的光输出面发光型LED用于光显示边发光型LED用于短距离光纤通信二、主要工作特性谱线宽度Δλ在几十～上百μm。为发光光谱的峰值波长。

P-I特性I:10～数十mAP:几百μW～mWP-I特性曲线的线性区很宽。

光谱特性

调制特性

可以直接调制

边发光型在几百MHZ面发光型在几十MHZ调制带宽:

LED体积小，寿命长（可超过10万小时），耗电少，能与集成电路共电源，使用方便，应用广泛。1.5.2超高亮度LED法向强度在1000mcd以上的红、绿、蓝LED

,光效达50～100lm/W。一、实现超高亮度的关键技术2．有源区采用量子阱结构。3．分布布拉格反射（DBR）结构，克服衬底吸收。