光电检测技术与应用发光器件

光电检测技术与应用发光器件第1页，共46页，2023年，2月20日，星期三上一章主要内容回顾1、影响检测测量精度的主要因素有哪些，其中哪些因素又是需要特别注意的？2、试叙述光电检测系统的组成及特点第2页，共46页，2023年，2月20日，星期三一、光源的分类定义：光源——一切能产生光辐射的源。人造光源天然光源自然界本来存在的，如太阳（核聚变）、夜明珠、萤火虫、发光的鱼（深海）。人为地将其他能量转化为光辐射能的器件，如灯。第3页，共46页，2023年，2月20日，星期三一、光源的分类相干光源非相干光源低相干光源相干光源：

频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列光。光的干涉：相干光相遇时，使某些地方振动加强（明亮），使某些地方振动减弱（暗淡），形成稳定的强弱分布的现象。按照光波在时间、空间上的相位特征：第4页，共46页，2023年，2月20日，星期三一、光源的分类非相干光源相干光源激光照明光源显示光源信息处理用光源低相干光源发光二极管超辐射发光二极管

气体激光器固体激光器 半导体激光器染料激光器等离子激光器太阳气体放电灯、荧光灯白炽灯等离子体管荧光显示器液晶显示器场致发光显示器掺杂光纤超荧光宽带光源非线性光学器件阴极射线管第5页，共46页，2023年，2月20日，星期三一、光源的分类

按照发光机理★

热辐射光源：

利用热辐射发出可见光的电光源。

电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源，通常是钨丝通电。包括白炽灯和卤钨灯。热辐射光源气体发光光源固体发光光源激光器特点：光谱连续寿命短而且发热大、效率低、动态特性差第6页，共46页，2023年，2月20日，星期三一、光源的分类

按照发光机理★

气体发光光源：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，气体放电有弧光放电和辉光放电两种。热辐射光源气体发光光源固体发光光源激光器弧光放电——如荧光灯，荧光灯是低压汞蒸气放电产生的紫外线，激发涂在灯管内壁的荧光粉层而发光辉光放电——如霓虹灯，霓虹灯是依靠两端电极头在高压电场下将灯管内的稀有气体击燃，不同稀有气体（氖、氙、氩、氦、氪）发出不同的色光。特点：发光效率高结构牢固紧凑、耐震、抗冲击寿命长，光色适应性强不足：冷态阻抗大，起动后阻抗急剧变小。启动后内阻太小，必须用限流措施“镇流器”。第7页，共46页，2023年，2月20日，星期三一、光源的分类

按照发光机理★

固体发光光源：在电场作用下，使固体物质发光的光源，电能直接转变为光能，包括场致发光光源和发光二极管（LED，半导体）两种。热辐射光源气体发光光源固体发光光源激光器LED发光二极管LCD液晶显示器PDP等离子显示器……特点：固体化、平板化、安全可靠面积形状不受限制寿命长，功耗低，发光易于控制第8页，共46页，2023年，2月20日，星期三一、光源的分类

按照发光机理★

激光器：激光是20世纪60年代重大科技成就之一；具有高方向性、高单色性、高亮度和相干性等重要特性。热辐射光源气体发光光源固体发光光源激光器特点：

波长从近紫外光到远红外光；辐射功率从几毫瓦到上万瓦；

He-Ne激光器是当今使用最多的激光器。第9页，共46页，2023年，2月20日，星期三二、发光二极管(LED)

LED（

Light-EmittingDiode，简称LED）是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。结构：半导体PN结色彩：根据所用半导体材料不同，可制成红、橙、黄、绿、蓝、紫等颜色。使用：施加正向电压，使管内流过一定量的电流，就发光。第10页，共46页，2023年，2月20日，星期三二、发光二极管(LED)特点：

工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻、光效高、无辐射与低功耗

。理论上未来的LED寿命将无穷大，但目前大功率LED照明受到散热问题的制约。

第11页，共46页，2023年，2月20日，星期三★工作原理 发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管，PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒。

二、发光二极管(LED)第12页，共46页，2023年，2月20日，星期三★工作原理

当加上正向电压时，外加电场将削弱内建电场，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入。当导带中的电子与价带中的空穴复合时，释放出复合能量，这个能量会以热能、光能的形式辐射出来，即电致发光。

二、发光二极管(LED)第13页，共46页，2023年，2月20日，星期三★工作原理如果尝试使电流向其它方向流动，P型端就边接到电流负极和N型连接到正极，这时电流将不会流动。N型物质的负极电子被吸引到正极电子。P型物质的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有电流流通过汇合处，损耗区增加。 二、发光二极管(LED)第14页，共46页，2023年，2月20日，星期三

普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV。发光二极管材料：

通常用的砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例。当x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使λ在550～900nm间变化。普通二极管不能用作发光二极管二、发光二极管(LED)第15页，共46页，2023年，2月20日，星期三发光二极管的光谱特性0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度砷磷化镓的曲线有两根：材质成分稍有差异峰值波长λp：决定发光颜色二、发光二极管(LED)第16页，共46页，2023年，2月20日，星期三U/V

I/mA-10-5012GaAsP(粉)GaAsP(紫)图上的横坐标正负值刻度比例不同，发光二极管的反向击穿电压大于5V，使用时反向电压应在5V以下。砷磷化镓发光二极管的伏安特性绿色约为1.7V开启、紫色约为2.2V二、发光二极管(LED)第17页，共46页，2023年，2月20日，星期三按形状分：字段式、点式、光柱式、点阵式七段式数码管（8字型）：七个发光二极管、数字14画字码管（米字型）：数字、字母矩阵：文字、扫描方式工作（每个管点亮1～2ms

）静态文字（余辉效应、视觉暂留）二、发光二极管(LED)的分类第18页，共46页，2023年，2月20日，星期三u/Vi

/mAO2工作条件：正向偏置工作电流:

几mA~几十mA导通电压:(12)V发光二极管的特性和参数二、发光二极管(LED)第19页，共46页，2023年，2月20日，星期三发光二极管（LED）是冷光源。冷光源：发光时，光源温度不比环境温度高。工作时不发热，避免与热量积累相关的问题。几乎把全部能量转化为可见光，其他波长光很少。热光源：除了有可见光，还有大量红外光，部分能量转化为对照明没有贡献的红外光。加红外滤波片滤掉红外光，出来的光和冷光源差不多。二、发光二极管(LED)第20页，共46页，2023年，2月20日，星期三从外观判别极性用万用表测量极性和好坏发光二极管极性的判别和检测

将测量挡切换到R10k，用万用表测量LED的正、反向电阻，阻值偏小的一次，黑表笔所接触的为正极。

若两次测量的阻值均为，则该LED已坏。二、发光二极管(LED)第21页，共46页，2023年，2月20日，星期三

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abcdefgDIP共阴极发光二极管的连接方式：共阴极、共阳极二、发光二极管(LED)第22页，共46页，2023年，2月20日，星期三发光二极管的特点优点：最高效的人造照明技术★

工作电压低(1伏～2伏)，耗电少(10mA下即可在室内得到适当的亮度)；★

寿命数十万小时以上，为普通白炽灯的100倍以上。★

可通过调节电流(或电压)来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直流驱动；★

比普通光源的单色性好；★

发光亮度和发光效率均较高；★

容易与集成电路配合使用；★

体积小、重量轻，抗冲击，耐振动。二、发光二极管(LED)第23页，共46页，2023年，2月20日，星期三缺点★

含有毒物质，如锑、砷、铬、铅、镍和铜等，对人体和环境的影响严重。★

LED白光主要是靠蓝光激发荧光粉，“蓝光技术”，人眼最不能接受的是蓝光和UV光(即紫外线光)

。二、发光二极管(LED)第24页，共46页，2023年，2月20日，星期三★能量量子化假设：

是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。LED发光光谱二、发光二极管(LED)第25页，共46页，2023年，2月20日，星期三★发光光谱 电子和空穴复合时放出能量的大小，即光子的能量。光子的能取决于半导体材料的禁带宽度Eg，释放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短。Egλ=hc

式中，λ为辐射光波长；h为普朗克常量；c为光速；Eg为材料禁带宽度。普朗克常数h：用来描述量子大小。光的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，一份能量叫做能量子，等于hv，v为频率，h为普朗克常数。

二、发光二极管(LED)第26页，共46页，2023年，2月20日，星期三

单向导电性，反向击穿电压约5伏，一般要加限流电阻以限定工作电流。发光二极管可工作在直流状态、交流状态和脉冲状态。

图(a)为直流供电，二极管出射光强度不变。

图(b)为交流供电，由于二极管的发光特性，它出射的光强如图(c)，呈半波形。R为限流电阻，D1为普通二极管，对发光二极管作反向保护。发光二极管的工作状态二、发光二极管(LED)第27页，共46页，2023年，2月20日，星期三★光源：检测用光源、遥控器的光源、扣式微型电筒发光二极管应用二、发光二极管(LED)★指示和信息显示：数字显示大型显示器★光耦合器件（OC,opticalcoupler）亦称光电隔离器：将发光二极管和光电接收元件组合而构成的一种器件。它是以光子作为传输媒介，将输入端的电信号耦合到输出端。第28页，共46页，2023年，2月20日，星期三

激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。激光（Laser，Lightamplificationbythestimulatedemissionofradiation）激光是20世纪60年代重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和相干性等重要特性。激光器的种类非常多：波长从近紫外光到远红外光；辐射功率从几毫瓦到上万瓦；

He-Ne激光器是当今使用最多的激光器。三、激光器激光器的特点第29页，共46页，2023年，2月20日，星期三激光器的工作原理组成:工作物质、谐振腔、泵浦源泵浦源工作物质谐振腔全反镜半反镜三、激光器泵浦源：

辐射源、电源，如脉冲灯激发工作粒子从低能态到高能态粒子数反转谐振腔：

辐射波在谐振腔来回多次传播，激发更多辐射，辐射能量放大，通过投射平面镜输出激光。第30页，共46页，2023年，2月20日，星期三激光器的工作原理谐振腔是激光器设计的重点：

高反射率很小吸收高波长稳定性高机械强度三、激光器第31页，共46页，2023年，2月20日，星期三激光的特性单色性：

谱线宽度：单色光的波长范围谱线宽度越窄，单色性越好。激光9*10-2Hz、普通光1.52*109Hz方向性：

光束的发射角普通光源均匀四射高亮度：

比太阳高几个~十几个数量级。相干性：

空间、时间相干性好三、激光器第32页，共46页，2023年，2月20日，星期三按工作物质分类：气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）固体激光器（如红宝石激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器（染料激光器、燃料激光器）激光器的分类三、激光器第33页，共46页，2023年，2月20日，星期三气体激光器特点：光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。效率低，能耗高，寿命较短，体积大。分类：原子（氦－氖）激光器离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器分子（CO2，CO，准分子）激光器。近视眼激光手术——准分子激光手术

三、激光器第34页，共46页，2023年，2月20日，星期三气体激光器激光管：由放电管、电极（几千伏电压）和光学谐振腔组成。1、放电管：是氦一氖激光器的心脏，是产生激光的地方。放电管由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦气（He）、氖气（Ne）。三、激光器第35页，共46页，2023年，2月20日，星期三气体激光器2、电极：阳极一般用钨棒制成；阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。3、谐振腔：一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。三、激光器第36页，共46页，2023年，2月20日，星期三气体激光器

按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。

三、激光器第37页，共46页，2023年，2月20日，星期三1、内腔式激光器：两块反射镜直接贴在放电管两端。优点：使用方便，不用调整。缺点：放电发热或外界冲击发生形变导致谐振腔失调时，无法校正。

适用于短管结构。气体激光器三、激光器第38页，共46页，2023年，2月20日，星期三2、外腔式激光器：谐振腔的两块反射境与放电管分开，放电管的两端用布儒斯特窗密封构成反射最小的光通路。布儒斯特窗本质上是一个偏振器，以布儒斯特角放置，光束的ｐ偏振分量将无损耗通过窗口，而ｓ偏振分量将被布儒斯特窗口反射。优点：可随时调整反射镜的位置，达到最佳振荡条件。缺点：腔易变动，需经常调整，腔内损耗增大。气体激光器

适于作长管结构。三、激光器第39页，共46页，2023年，2月20日，星期三3、半内腔式激光器：谐振腔的一端采用内腔结构，另一端用布儒斯特窗密封，放电管与反射镜分开。这种结构兼有前两者的优点，适于特殊要求的小型激光器的结构。气体激光器三、激光器第40页，共46页，2023年，2月20日，星期三气体激光器3、内腔式激光器：优点：

将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端，使用时不必调整；阴极与毛细管同轴放置，结构紧凑、不易碎裂，安装方便。缺点：

工作过程中放电管受热变形时,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，热稳定性越差，内腔式激光管的长度一般不超过一米。谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，热稳定性不好。三、激光器第41页，共46页，2023年，2月20日，星期三工作物质：

光学玻璃或光学晶体，掺入具有发射激光能力的金属离子。如红宝石激光器是以掺有0.05%铬离子的氧化铝单晶体为工作物质。固体激光器用途：

在军事、加工、医疗和科研有广泛应用。用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。三、激光器第42页，