第四章光电检测技术中的光源

第四章光电检测技术中的光源第1页，共57页，2023年，2月20日，星期四第2页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.白炽光源

用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。发光器件第3页，共57页，2023年，2月20日，星期四2.气体放电光源定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm,546nm,576.96nm,579.07nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3第4页，共57页，2023年，2月20日，星期四发光二极管(Lightemittingdiode)由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。

半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。第5页，共57页，2023年，2月20日，星期四发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源，也称作注入式场致发光光源P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出发光二极管的工作原理第6页，共57页，2023年，2月20日，星期四

图3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED

第7页，共57页，2023年，2月20日，星期四LED的光谱特性LED的发光谱决定其发光颜色，目前可实现各类颜色,有红、橙、黄、绿、蓝。LED具有正的温度系数，温度升高时，发射波长红移，约为：0.2-0.3nm/度第8页，共57页，2023年，2月20日，星期四第9页，共57页，2023年，2月20日，星期四0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度发光二极管的光谱特性第10页，共57页，2023年，2月20日，星期四发光二极管LED的频率响应

第11页，共57页，2023年，2月20日，星期四发光二极管LED的P-I特性曲线原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4321050100150电流/mA输出光功率/mW0℃25℃70℃第12页，共57页，2023年，2月20日，星期四LED驱动电路及伏安特性UccRLUFIFRL为限流电阻UF和IF为二极管参数例如：GaAs电流选用20mA，GaP电流选用10mA，即可获得足够亮度。1.01.52.02.5120100806040200阈值特性与材料有关：GaAs是1.0V；GaAsP、GaAlAs约为1.5V；发红光的GaP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V，反向击穿电压一般在-5V以上。第13页，共57页，2023年，2月20日，星期四+5VLEDReRb2Rb1VinLED信号控制电路第14页，共57页，2023年，2月20日，星期四LED的特点及应用一、特点

1、

LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。

2、

LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAsP材料的红色LED，GaAsP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使在日光下，由LED发出的光也能辨认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。第15页，共57页，2023年，2月20日，星期四

4、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。

5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域第16页，共57页，2023年，2月20日，星期四二、应用

1、指示灯2、数字显示用显示器

利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型数字显示字段型数字显示第17页，共57页，2023年，2月20日，星期四3、平面显示器LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。4、光源

LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。例如HBLED（超低压LED）。第18页，共57页，2023年，2月20日，星期四第19页，共57页，2023年，2月20日，星期四激光器梅曼和第一只激光器第20页，共57页，2023年，2月20日，星期四典型激光器按工作波段分类远红外、红外激光器可见光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按运转方式分类连续激光器脉冲激光器超短脉冲激光器按工作物质分类固体激光器气体激光器染料激光器半导体激光器第21页，共57页，2023年，2月20日，星期四激光器的工作原理自发辐射、受激吸收和受激辐射——工作物质——激励能源——光学谐振腔产生激光必要条件1.实现粒子数反转２.使工作物质被激发３.要实现光放大第22页，共57页，2023年，2月20日，星期四一、气体激光器氦氖（He－Ne）激光器氦氖激光器是最典型的惰性气体原子激光器，其主要输出波长为632.8nm这种激光器的输出功率只有毫瓦级，但光束质量很好，发散较小（1mrad以下),接近衍射极限单色性好稳定性高最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。第23页，共57页，2023年，2月20日，星期四第24页，共57页，2023年，2月20日，星期四He-Ne气体激光器He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶110∶1。Ne原子可以产生多条激光谱线,最强的三条:

0．6328ｍ、1．15m、3．39ｍ第25页，共57页，2023年，2月20日，星期四氩离子激光器氩离子激光器是惰性气体离子激光器的典型代表，是利用气体放电使管内Ar原子电离并激发，在离子激发态能级之间实现粒子数翻转而产生激光的。它可以产生多条波长的激光，其中最强的是448nm和514.5nm。在可见光区它是输出连续功率最高的一种器件，目前，连续输出激光功率为几百毫瓦至几百瓦它的能量转换效率比较低，最高达0.6％，一般只有10－4它被应用于光谱学、光泵染料激光器、激光化学和医学等

第26页，共57页，2023年，2月20日，星期四二氧化碳激光器二氧化碳激光器是一种混合气体激光器，其中二氧化碳是激光物质，其它气体，比如He，N2，CO，Xe，H2O，H2，O2，都是辅助气体。二氧化碳激光器效率高，大约在10％～25％范围内，可以获得很高激光功率,连续输出功率高达万瓦,脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以9.6微米和10.6微米为中心的多条分子振转光谱线上。这些激光器可用于加工和处理（如焊接、切割和热处理）、光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。第27页，共57页，2023年，2月20日，星期四根据工作物质分类：红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级；钕玻璃：激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级；

二、固体激光器第28页，共57页，2023年，2月20日，星期四1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为694.3纳米。红宝石激光器第29页，共57页，2023年，2月20日，星期四灯泵浦Nd:YAG激光器

大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50-800W。第30页，共57页，2023年，2月20日，星期四固体激光器第31页，共57页，2023年，2月20日，星期四1kW的脉冲Nd:YAG激光器第32页，共57页，2023年，2月20日，星期四液体激光器三、染料激光器以某种有机染料溶解于一定溶剂（甲醇，乙醇或水）中作为激活介质的激光器。优点：激光波长可调谐，它不仅可直接获得0.3－1.3um光谱范围内连续可调谐的窄带高功率激光，而且可以通过混频技术得到从真空紫外到中红外的可调谐相干光。光谱分辨率高，结构简单，价格便宜缺点：是稳定性差第33页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体激光器四、半导体激光器（LD，LaserDiode）第34页，共57页，2023年，2月20日，星期四五、激光器的基本特性1、单色性激光自然光波长能量激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，线宽只有10-9nm。普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)，其谱线宽度为4.7×10-3nm。激光的单色性比一般光要高出106～107倍以上.自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；CO2：10.6μmCO：5.4μmYAG：1.06μm准分子：0.24μm；第35页，共57页，2023年，2月20日，星期四激光的单色性第36页，共57页，2023年，2月20日，星期四从光源发出的激光平行传播的程度称为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3-10-5弧度。激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：2、方向性好HeNe气体激光：3×10-4rad；

固体激光：10-2rad

半导体激光：5°-10°。第37页，共57页，2023年，2月20日，星期四激光的方向性带来两个结果：

光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。

激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。第38页，共57页，2023年，2月20日，星期四第39页，共57页，2023年，2月20日，星期四3、高亮度

亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。

激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180°范围内的光集中到0.18°范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。第40页，共57页，2023年，2月20日，星期四激光的高强度第41页，共57页，2023年，2月20日，星期四4、相干性好自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只有几个mm或几十cm。激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术，HeNe激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。全息照相相干计量、全息照相、全息存储等就利用了激光相干性好的特点。第42页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体激光器

●

光学谐振腔与激光器的阈值条件●

半导体激光器的结构

●半导体激光器特性●LD的应用

第43页，共57页，2023年，2月20日，星期四光学谐振腔与激光器的阈值条件激光器稳定工作的必要条件:(1)粒子数反转产生增益(2)提供光的反馈:其中最简单的是法布里——珀罗腔

图4.4.1-1激光二极管的谐振腔

注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L第44页，共57页，2023年，2月20日，星期四光学谐振腔与激光器的阈值条件

只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。第45页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体激光器的结构

最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成，如图所示。大面积半导体激光器解理面金属接触电流有源层P型N型300μm100μm200μm第46页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体激光器的结构为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构。一、增益导引型半导体激光器解决光限制问题的一种简单方案是将注入电流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半导体激光器，其结构如图所示。将一绝缘层介质(SiO2)淀积在P层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益导引型半导体激光器。第47页，共57页，2023年，2月20日，星期四增益导引型半导体激光器

P-InPInGaAsPN-InPN+-InP衬底P-InGaAsP绝缘介质半导体激光器的结构第48页，共57页，2023年，2月20日，星期四二、折射率导引型半导体激光器

通过在侧向采用类似异质结的设计而形成的波导，引入折射率差，也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为折射率导引型半导体激光器半导体激光器的结构P-InPInGaAsP有源层N-InPN+-InP衬底接点SiO2SiO2折射率导引型半导体激光器第49页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体激光器特性

一、光谱特性

GaAIAs双异质结激光器的光谱特性。832830828826824832830828826824832830828826824驱动电流增大→→图4.4.3-1GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，称为静态单纵模激光器。波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模第50页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体激光器特性2二、激光束的空间分布

近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。第51页，共57页，2023年，2月20日，星期四典型LD的远场辐射特性

图为典型LD的远场辐射特性，图中为分别为平行于结平面和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。

1.00.80.60.40.20发射光功率P/mW

804004080

辐射角θ(度)相对光强

半导体激光器特性2第52页，共57页，2023年，2月20日，星期四三、转换效率与输出光功率特性

激光器的电——光转换效率用外微分量子效率

半导体激光器特性2表示，其定义为在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数

4.4.3-1

由此得到