常见光源技术课件

常见光源一、白炽灯白炽灯即常说的钨丝灯，它是一种热辐射型的光源，当钨丝通过电流时便炽热发光。其光谱是连续的，分布于近红外到可见光范围，其光谱曲线与钨丝加热的温度有关，它除可做一般光学仪器的照明光源外，还可用来作可见光和近红外的吸收光谱的光源。白织灯（6.3V）根据不同的目的和要求，现已制造出各种专用的灯泡，实验室常用的白炽灯有下列几种：(1)普通灯泡普通灯泡电压为220V（交流），功率有几十瓦到几百瓦各种规格，作白色光源或照明用。在白炽灯前加滤光片或色玻璃，可得到单色光源，其单色性决定于滤光片的性质和质量。(2)仪器灯泡特点是灯丝线度小，亮度高，用来作点光源比较适宜。(3)卤钨灯（特殊的白炽灯）普通的白炽灯泡使用时，钨丝温度高达几千度，钨丝会逐渐蒸发，灯丝丝径逐渐变小，灯丝越用越细，而泡壳则由于钨的沉积而越用越黑，性能是不够稳定的。为了解决这一矛盾，近年来，利用卤族元素和钨的化合物容易挥发的特点制成了卤钨灯（目前主要有碘钨灯和溴钨灯）。在灯泡内充有卤元素后，沉积在玻璃泡壳的钨将和卤素原子化合，生成卤化钨，卤化钨挥发生成气体又反过来向灯丝扩散。由于灯丝附近温度比较高，卤化钨分解，钨重新沉积到钨丝上，形成卤钨循环。所以卤钨灯能获得较高的发光效率，光色较好，同时提高了稳定性。与普通灯泡相比，具有体积小，亮度高，光色好，寿命较长等优点。各类灯泡用途不同，所需的工作电压也不同。每个灯泡上都标有它的限用电压值和功率，我们必须通过变压器按规定电压接上电源使用。汞灯是一种气体放电光源，发光物体是水银蒸汽，并按水银气压的高低分为低压，高压，超高压三类汞灯。点燃稳定后发出白色光，在可见光范围内的光谱成分是一些分离的谱线，特别是低压汞灯的谱线常被用作光学仪器的基准波长。二汞灯汞光源低压汞灯照明平行光管前端的狭缝高压汞灯的结构示意图如图所示。灯管内两端各有一个放电电极，在一个主电极旁边有一个辅助电极，辅助电极通过一只几十千欧的电阻R与另一端电极连接，氩气为辅助气体，起帮助启动的作用。整个石英玻璃管外，再用硬玻璃外壳保护起来。当在辅助电极与相邻的主电极之间加220V交流电压时，由于它们靠得很近，电场很强，两极之间的气体被击穿产生辉光放电，产生大量电子和离子使主电极之间产生弧光放电。刚开启时，是低压汞蒸汽和氩气放电，之后逐渐向高压放电过渡；当汞全部蒸发后，管压开始稳定，灯管发出正常的青白色光。汞灯在点燃后如突然断电，灯管仍然发烫，再接通电源常常不能点燃，要等灯管温度下降后汞蒸汽压降低到一定程度才能点燃，一般约需等10分钟。汞灯结构及原理图三钠光灯钠光灯也是一种气体放电光源，在可见光范围，它的光谱黄光部分有两条波长非常接近的谱线，波长分别588.996nm和589.593nm，在一般实验条件下，因两条谱线不易分开，故取其平均值589.3nm作为钠光灯的单色波长。在实验中，它是一种比较好的单色光源。钠光源钠光灯的结构如图所示。这种钠光灯是将金属钠密闭在抽空的特种玻璃泡内。泡内充以辅助气体氩，发光过程类似汞灯。钠为难熔金属，冷时蒸汽压很低。工作时钠蒸汽压约为10-3mm汞柱，通电后15分钟可发强黄光。灯泡两端电压约为20V(A.C)，电流为1.0-1.3A。电源与汞灯一样用20V(A.C)，并串入镇流器。钠灯外形与接法四激光器自从1960年梅曼演示了第一台以红宝石为介质的激光器以来，激光器件已经发展到很多种类。从发射激光的波长来看，已经从与微波接壤的远红外激光一直延伸到软X射线激光。以产生激光的介质种类来看，可分为气体，液体，固体，等离子体，半导体，燃料，自由电子，准分子等等。从泵浦方式分类，则可分为电激励，化学反应能激励，核能激励，光激励等。从激光功率看，可以小到μW量级（用于光互联，光计算等领域），可以大到TW量级（用于激光核聚变等）。从激光输出方式分，有连续输出的，也有脉冲输出的，最短的激光脉冲目前已达4fs，是任何其他方式无法达到的超短脉冲。随着激光应用的蓬勃发展，对激光器的性能不断提出新的要求，可以预计，新器件，新技术，新概念一定会层出不穷。激光特点与普通光源相比，激光具有一系列无与伦比的特点：(1)方向性好，亮度高激光的发散角很小，可小到10－3rad。这意味着激光器所发射出的能量可高度集中在很细的光束中。从单位面积光源表面，在法线方向上单位立体角度范围内传输出去的辐射功率称为光源的亮度。激光束有很强的方向性使激光器具有很高的亮度.一台较好的调Q红宝石激光器每平方厘米的输出功率可达109W，发散度接近10－3

rad，其亮度约为1015W/(cm2sr)，是太阳亮度的几百亿倍！即使是普通的功率为10mW的氦氖激光器，其亮度要比太阳的亮度大几千倍，所以在不戴特殊防护眼镜的情况下直视激光是很危险的。(2)单色性好普通原子光谱的每条谱线并不是严格单色的，每条谱线都有自己的宽度Δλ，这使普通光源的单色性和时间相干性很差，即其相干长度很短。一般原子光谱的相干长度仅几个厘米，单色性最好的Kr86的605.7nm谱线的宽度为

Δλ＝0.00047nm其相干长度也只有78cm左右。但氦氖激光器波长为632.8nm的谱线宽度可小到10－9nm,其相干长度可达几十公里。激光的极好的单色性也为精密测量长度提供了十分有利的光源。人们在这良好的单色性的基础上发展了光的拍频技术。利用光波的拍频技术可测量及其缓慢的速度（每秒移动几个微米）以及缓慢的角速度（每秒转过十分之一度）。可以想象，随着激光单色性的进一步提高，更多的无线电技术可推广到光学领域中来。(3)空间相干性好普通光源的光是由彼此独立的发光原子发出的，其空间相干性很差。为得到空间相干性较好的光波，通常采用限制光源宽度的方法，这当然就大大减弱了光波的强度。相反，从激光器端面输出的光束是相干光束，在其传播的波场空间中，波前上的各点是相干的，也就是说，激光光束与普通光源（面光源）相比，具有高度的空间相干性。因而在杨氏双缝干涉实验中，直接用激光源照射双缝就能产生可见度很高的干涉条纹，这对普通光源来说是办不到的。由于具有高度空间相干性的激光诞生，使得全息技术得以迅速发展并很快进入实用阶段；激光光源的使用更使相干光学得到迅速的发展。在光学信息处理的相干光处理实验中，激光器已成为必不可少的光源。激光光源和扩束镜五He-Ne激光器He-Ne激光器是最早的，也是目前使用最为广泛的气体激光器。激光是由Ne原子的受激辐射产生，He则是辅助气体，如图所示。图的左侧是He原子的能级图。在充以He-Ne的稀薄气体中，电子碰撞使He激发到2s能级，由于处于该能级的He原子不能通过电偶极跃迁返回基态，故在此能级上的寿命很长，可长达10－4～10－5s。而此能级与Ne的5s能级刚好共振，故处于2s态的He原子很容易通过碰撞而把Ne由基态激发到5s态，这样在Ne原子的5s态与3p态之间就发生了反转。利用这个粒子数反转所获得的激光波长为632.8nm。从图中可以看到，还可以有其他波长的激光，只有通过选模装置才能抑制无用的波长的激光。He－Ne激光器是由谐振腔与放电管所组成。要求发散角小，单横模输出的He－Ne激光器，采用平凹腔（一个平面镜与一个凹面镜组成的谐振腔）。对要求功率输出稳定的He－Ne激光器，则可采用双凹面镜（两个凹面镜组成的谐振腔）。He－Ne激光器的输出功率只有几个毫瓦到几十个毫瓦量级。虽然功率不大，但由于它有很好的光谱特性，在精密测量方面，依然具有不可取代的地位。He-Ne激光器能级图氦氖激光器气体激光器中研究的最成熟，实验室中使用最普遍的是氦氖激光器。氦氖激光器的工作介质是封闭在放电管中的氦与氖的混和气体。其中氦的气压约为1mmHg，氦氖气体比为5：1－10：1，图为氦氖激光器的结构示意图。放电管是内径为几个毫米的石英管霍硬质玻璃管，管的长度从几厘米到1米多不等。管越长，输出的激光功率就越高。在管的两段安装了经精密加工的布儒斯特窗。构成谐振腔的两个反射镜是球面的，它们的曲率半径大于两个反射镜之间的距离。一个反射镜的反射率为100％，另一个为98％（对所发激光的波长）。由于反射镜在放电管的外面，故称外腔式激光器。两反射镜也可直接装在放电管的两段，称为内腔式激光器。He－Ne激光管外形结构图He-Ne激光器氦和氖的能级图及氦氖激光的产生六半导体激光器

早在1962年就有四个小组的科学家同时研制成半导体激光器。由于半导体激光器具有体积小，耗电少，电压低，效率高等诸多优点，一直吸引着人们进行研究开发。最近几年来，得益于半导体材料科学与技术，微电子科学与技术的成就，半导体激光器取得了突飞猛进的发展，产量逐年上升，据统计，现在全世界每年半导体激光器的产量占各类激光器总产量的99％以上。半导体激光器的质量也在不断提高，由于它寿命长，功率高，易调制，响应速度快，不仅在光通信，光存储，光计算等领域也大有全面取代现有的许多气体，固体激光器之势。由于半导体激光技术的飞速发展，新兴的光子学，光子技术正在兴起和发展。半导体激光器半导体激光器输出的激光是由PN结区导带中的电子与价带中的空穴复合而发出的，因此光子的能量hν要比禁带宽度Eg大（即hν>Eg）。要能产生激光，同样需要粒子数反转分布，需要谐振腔和满足增益的阈值条件。七氢放电管氢放电管又称氢灯。它是一种高电压的气体放电光源，属于辉光放电。常用它作氢谱光源。如图为放电管的结构原理与电路图。放电管的结构原理与电路图氢氘放电管氢放电管中放有氢氧化钠，氢氧化钠所含的水分，保持放电管中含有一定的水蒸气。在放电管的两极加上高压后，水蒸气被离解为氢和氧。氧被铜电极吸收，氢原子受到加速电子的碰撞被激发而辐射。使用这种氢放电管时切勿倒置，以防氢氧化钠将支管口堵塞。有霓虹灯变压器供给其高压，可高达上万伏。此变压器的初级电压为90