光电子课件和光学功能材料第四讲

2023/3/271光电子学

2§3-1光源的基本特征参数§3-2黑体辐射§3-3热辐射光源§3-4气体放电光源§3-5电致发光光源§3-6激光§3-7半导体光源§3-8同步辐射光源热辐射光源的发光原理、光谱特征及常见的热辐射光源？§

3.4气体放电光源1.定义：利用气体放电发光原理制成的光源。

即受激电子的自发辐射.

泡壳：用玻璃或石英等材料制造的管形或球形灯泡；电极：阴极、阳极泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、

金属化合物蒸汽、惰性气体基本结构P393.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。图

常用气体放电灯的外形图气体放电灯的基本结构是相似的.一、汞灯(泡壳内充汞蒸汽)1.低压汞灯汞灯在低压放电时主要辐射二条共振辐射线：253.7nm和185.0nm。所谓共振辐射线是指从激发态跃迁到基态时发出的辐射。当汞蒸气压为0.8Pa，玻璃壳温度40℃时，253.7nm的辐射效率最大，约占输入电功率的60%，而可见光只占2%。它的光谱分布如图⒜所示。常用气体放电光源(a)低压汞灯低压汞灯可作253.7nm紫外光源；作荧光灯，日光灯。P403-14吸收一定波长的光，立刻向外辐射不同波长的光

——光致发光荧光粉的作用？白炽灯,节能灯,荧光灯,日光灯的区别？

白炽灯，靠钨丝(通电)发热到一定温度(约2600度)才发光。

荧光灯，靠电子轰击汞原子发出紫外线，紫外线激发荧光粉而发光的。

节能灯，日光灯，都属荧光灯。其中，节能灯用的荧光粉是“稀土三基色”，普通日光灯用的荧光粉是“卤粉”。

2.高压汞灯当汞灯內的蒸气压达到1∼10大气压时，汞灯电弧的辐射光谱会产生明显变化，光谱线加宽，出现弱的连续光谱（带状光谱），紫外辐射明显减弱，而可见辐射增加，红外区呈连续光谱，其光谱分布如图⒝所示。可作高效照明光源(b)高压汞灯3.球形超高压汞灯点燃时，灯內汞蒸气压达到10∼20MPa，这样灯的辐射光谱与高压汞灯相比有明显的不同：紫外辐射减少，可见辐射光谱线较宽，连续部分增加，并且红外光谱辐射增强，如图⒞所示。可作很好的蓝绿光点光源，用于光学仪器、荧光分析等(c)超高压汞灯三种汞灯光谱的比较：1.低压汞灯：

2.高压汞灯：

3.球形超高压汞灯：

二、钠灯(泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴)利用钠蒸汽放电产生可见光的一种气体放电光源。的单色光源。，亮度高用于光学仪器P41三、氙灯氙灯是利用氙气放电而发光的气体放电光源。氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近（如图2-10），色温为6000K左右，因此有「小太阳」之称。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,用于激光器光泵、光信号源、照相制版、高速摄影等氙灯分类四、空心阴极灯（原子光谱灯）空心阴极灯的结构原理：在空心阴极灯两个电极间加上一定电压时，阴极灯开始辉光放电，电子从阴极射向阳极，并与周围惰性气体碰撞使之电离。带正电荷的惰性气体离子在电场作用下连续轰击阴极表面，阴极表面发射金属原子，金属原子在阴极区受到高速电子及离子流的撞击而激发，从而辐射出具有特征谱线的锐线光谱。3.应用：它是原子吸收分光光度计必不可少的光源，用于对微量金属元素吸收光谱作分析，以及光谱仪器波长定标。五、氘灯氘灯是一种热阴极弧光放电灯，泡壳內充有高纯度的氘气。氘是氢的同位素，又叫重氢。氘灯的阴极是直热式氧化物阴极，用0.5毫米厚的钽皮做成矩形，阴极矩形中心正对着灯的输出窗口，外壳由紫外透射比较好的石英玻璃制成。工作时先加热灯丝，产生电子发射，当阴极加高压后，氘原子在灯內受高速电子的碰撞而激发，从阴极小圆孔中辐射出连续的紫外光谱（185∼500nm）。紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源。概述霓虹灯的结构、工作原理、特点、应用及发展现状

2000字小四号2023/3/2722电致发光光源又称为场致发光光源，是利用固体发光材料在电场激发下的发光现象制成的光源。3.5电致发光光源电致发光光源的发展：1920年，德国学者古登和波尔发现，某些物质加上电压后会发光，人们把这种现像称为电致发光或场致发光。1936年，德斯垂将ZnS荧光粉浸入蓖麻油中，并加上电场，荧光粉便能发出光。1947年，美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，利用这种玻璃做电极制成了平面光源，但由于发光效率低，不适合作照明光源，只能勉强作显示器件。1970年代后期，薄膜晶体管（TFT）技术的发展使场致发光在寿命、效率、亮度、存储上的技术有了相当的提高，使得场致发光成为显示技术中最有前途的发展方向之一。2023/3/2723电致发光光源的类型电致发光按激发过程的不同分为注入式电致发光和本征型电致发光.注入式电致发光是直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。它的基本结构是结型二极管（LED）本征型电致发光又分为高场电致发光与低能电致发光。高场电致发光光源的大致可分为交流粉末电致发光，直流粉末电致发光，交流薄膜电致发光，直流薄膜电致发光.3.5电致发光光源1.交流粉末场致发光光源发光亮度与所加电压的关系-发光亮度与时间的关系如ZnS：峰值波长0.48~0.52μm,寿命约为3000小时使用特点：发散角大，光线柔和，寿命长，功耗小，响应快，不发热，但亮度低、电压高，老化快2.直流粉末场致发光光源100V电压下，光亮度约为30cd/m2,寿命上千小时，发光效率0.2~0.5lm/W。适合于脉冲激发下工作。主要用于：数码、字符、矩阵的显示3.薄膜场致发光光源直流：主要有橙黄和绿色，10~30V电压下，光亮度约为3cd/m2,发光效率10-4lm/W。寿命大于1000小时交流：主要有橙黄和绿色，100~300V电压，频率几十~几千Hz，光亮度几百cd/m2,发光效率10-3lm/W。寿命大于5000小时场致发光光源的优点：场致发光光源的缺点：固体化、平板化，可靠、安全、占地小，易安装面积、形状不受限制属无红外辐射的冷光源，隐蔽性好，对环境没影响视角大，光线柔和，便于观察寿命长，发光不会突然熄灭功耗低，几毫瓦/m2发光易于通过电压控制亮度低（<50cd/m2)驱动电压高，上百伏老化快主要用途-----特殊环境的指示和照明。仪表表盘、飞机座舱，坑道照明数字、符号显示模拟显示矩阵显示图像转换及图像增强谢谢！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。

“Laser”：lightamplificationbystimulatedemissionofradiation“受激辐射光放大”。1917年，爱因斯坦指出通过受激辐射可以实现光放大;1958年，美国科学家肖洛和汤斯指出物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光，这是激光原理的最初模型；1960年7月7日，梅曼发明了世界上第一台激光器；1961年8月，中国第一台激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。a.自发辐射原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2

自动跃迁至低能级E1，这种跃迁称为自发跃迁。自发辐射光子频率1.自发辐射受激辐射和受激吸收白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不相同，不是相干光。自发辐射一、光与物质的相互作用b.受激吸收当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级。c.受激辐射当原子中的电子处于高能级时，若外来光子的频率恰好满足电子会在外来光子的诱发下向低能级跃，并发出与外来光子一样特征的光子----受激辐射。实验表明：受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位和偏振方向。受激吸收受激辐射受激辐射和光放大35二.粒子按能级的统计分布原子体系热平衡温度为T，在能级En上的原子数为Nn,则k为玻耳兹曼常数，上面的统计规律称为玻耳兹曼分布，

gn为主量子数为n

的能级(能量为En)简并度.(简并度是具有相同能量的原子状态数.)N1为处于能级E1的原子数,N2为处于能级E2的原子数,E2>E1,则36或

热平衡时,处于高能级的原子数总是低于处于低能级的原子数.即因此，要实现光的放大作用，必须要将热平衡状态下粒子数密度的分布反转，即三.激光产生的必要条件---粒子数反转、光泵、谐振腔1）粒子数反转只有当n2>>n1时，才能使辐射远大于吸收，实现有效的光放大---粒子数反转a.自发辐射b.受激辐射辐射吸收c.受激吸收N1N22）泵浦为维持粒子数的反转状态，需不断的将原子从低能级状态抽运到高能态，这个过程称为-----泵浦。有电学的、化学的、热学的、光学的。

泵浦与粒子数密度的反转分布原理

亚稳态能级的存在是实现粒子数密度反转分布的内因（E2上的能级寿命可以达到10-3秒量级，而大多数粒子的能级寿命都很短暂，只有10-8秒量级）；外因，即外部能量的激发。选用原则2023/3/27393）光学谐振腔

谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。如图，凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。2023/3/2740激光器的结构和工作过程四、激光的特性

1.方向性极好：普通光源向四面八方发射能量，其能量分布在全空间4立体角内。而激光则是沿一条直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8Sr。若将激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米。激光的单向性是由受激辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光这种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。

2.单色性极强

从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色光的谱线宽度约为10-2nm

。而氦氖激光器发射的632.8nm激光的谱线宽度只有10-9nm

。若从多模激光束中提取单模激光，再采取稳频技术措施，还可以进一步提高激光的单色性。利用激光良好的单色特性，可以作为计量工作的基准光源。

3.高亮度

光源亮度是指光源单位发光表面沿单位立体角所发射的光通量，普通光源的亮度相当低，例如，太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉冲窄，光功率密度却非常大。

理想锁模可获得窄脉冲激光

由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中，因此，能在直径极小的区域内（10-3毫米）产生几百万度的高温。从一个功率为1kw的CO2激光器发出的激光束经过聚焦以后，在几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧穿。工业上利用激光高亮度的特性，在金属钻孔、焊接、切割、表面热处理、表面氧化等方面的应用近年来有很大的发展。4.相干性好：普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。因此也可以说激光具有非常好的相干性。用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，可以得到非常好的效果。另外，激光问世以来，推动了全息光学技术、激光光谱技术的发展。

由于激光具有上述这些良好的特性，从而突破了传统光源的种种局限性，引起了现代光学应用技术的革命性发展。同时促进了包括化学、生物学、医学、工业加工与检测技术、军事等科学的迅速发展。46按输出方式分：脉冲输出连续输出半导体激光器按工作物质分：气体激光器固体激光器液体激光器自由电子激光器五、激光器的类型（1）固体激光器工作物质---掺杂离子的绝缘体

或玻璃

以红宝石激光器为例：输出波长为694.3nm的脉冲激光，宽度为几毫秒，输出能量可达1~100J特点：输出能量大，峰值功率高三能级系统红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。通常红宝石激光器中只有

R1=0.6943mm线才能形成激光输出。（2）气体激光器a)氦氖激光器输出波长有：632.8nm,1.15μm,3.39μm功率可1mW~几十mW，工作物质为气体，优点：结构简单，成本低及操作简便He-Ne激光器的输出特性谱线:He-Ne激光器三条强的激光谱线：

3S2P0.6328m，

2S2P1.15m，

3S3P3.39m

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。b)二氧化碳激光器输出波长有：9~11μm,典型波长：10.6μmC02激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高，广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。二氧化碳激光器的连续功率已达10kW，脉冲激光器的瞬时功率可达1014W。（3）液体激光器输出波长：320~1000nm有连续和脉冲两种工作方式，输出稳定，功率大于1W采用溶于适当溶剂中的有机染料作为激光工作物质2023/3/2753（4）半导体激光器输出波长：0.33~44μm体积小，重量轻，效率高，寿命超过104h广泛应用于：光通信、测量、自动控制

电子跃迁是发生在半导体材料导带中的电子和价带中的空穴之间，而不像原子、分子、离子激光器那样发生在两个确定的能级之间。激光打孔※激光打孔中离焦量