光电子技术第1章光源.pptx

第第1 1章章 光源光源1.1 1.1 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源1.4 1.4 激光器激光器1.5 1.5 发光二极管发光二极管(LED)(LED)2021/9/122021/9/121 1一切能产生光辐射的辐射源都称为光源一切能产生光辐射的辐射源都称为光源天然光源天然光源人造光源人造光源电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱2021/9/122021/9/122 2按照发光机理，按照发光机理，光源的分类：光源的分类：需要了解各需要了解各类光源的发类光源的发光机理、重光机理、重要特性、适要特性、适用场合，以用场合，以便正确选用便正确选用光源。光源。光纤激光器发光二极管2021/9/122021/9/123 31.1 1.1 辐射度学与光度学的辐射度学与光度学的 介绍描述光辐射的一套参量介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量 1.1.辐射能辐射能 单位为单位为J J（焦耳）（焦耳）2.2.辐射通量辐射通量 又称辐射功率又称辐射功率 单位为单位为W W（瓦、焦耳每秒）（瓦、焦耳每秒）3.3.辐射强度辐射强度 描述点辐射源的描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。辐射功率在不同方向上的分布。基础知识基础知识2021/9/124单位单位:（瓦每球面度）（瓦每球面度）4.4.辐射出射度辐射出射度 与辐射亮度与辐射亮度单位：单位：（瓦每平方米）（瓦每平方米）单位：单位：（瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米）2021/9/125 的定义的定义 的定义的定义5.5.辐射照度辐射照度 单位：单位：（瓦每平方米）（瓦每平方米）6.6.光谱辐射量光谱辐射量 辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。2021/9/126光谱辐射通量光谱辐射通量 与波长的与波长的关系关系其它辐射度量都有类似关系其它辐射度量都有类似关系。二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量1.1.光谱光视效率光谱光视效率V():V():人眼对各种光波长的人眼对各种光波长的 相对灵敏度相对灵敏度详见表详见表1.11.12021/9/127 2.2.光度量光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度辐射度量量是客观物理量，是客观物理量，光度量体现了人的视觉特性。光度量体现了人的视觉特性。光能光能 单位：单位：lmlms（流明（流明秒秒）光通量光通量 单位：单位：lm lm（流明）（流明）发光强度发光强度 单位：单位：cdcd（坎德拉）（坎德拉）发光强度发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：时，时，即：即：1W=683 lm 1W=683 lm 此时，此时，V(V(）=1=1 V(V(）1 1W 1 1W 683 lm683 lm 时，时，2021/9/128可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：1W=683 V(1W=683 V(）lmlm，定义：定义：Km=683 lmKm=683 lm/W/W有关系式：有关系式：光出射度光出射度 与光亮度与光亮度 单位：单位：lmlm/m/m2 2单位：单位：cd/mcd/m2 2实用单位：实用单位：sb(sb(熙提熙提)1sb=1sb=10104 4cd/mcd/m2 22021/9/129 光照度光照度 单位：单位：lxlx（勒克斯）（勒克斯）1 lx=1 lm/m1 lx=1 lm/m2 2普适关系式：普适关系式：三、光源的辐射效率与发光效率三、光源的辐射效率与发光效率辐射效率辐射效率发光效率发光效率 单位：单位：lm/Wlm/W2021/9/12101.2 1.2 热辐射光源热辐射光源一、理想的热辐射光源一、理想的热辐射光源 (，T)=1 T)=1 绝对黑体绝对黑体在热平衡条件下在热平衡条件下绝对黑体热辐射能力最强。绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源生辐射的光源辐射光谱是连续光谱辐射光谱是连续光谱2021/9/1211普朗克公式普朗克公式维恩位移维恩位移定律定律斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律随着温度随着温度T的升高，的升高，峰值波长峰值波长 向短波方向移动，向短波方向移动，总出射度总出射度 迅速增加迅速增加。绝对黑体的温度决定了它的绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布辐射光谱分布灰体：灰体：(，T)T)1 1的热辐射光源，的热辐射光源，具有与具有与绝对黑体绝对黑体类似的辐射规律。类似的辐射规律。色温；相关色温色温；相关色温2021/9/12121.1.太阳与黑体辐射器太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布太阳的光谱分布非常接近于非常接近于绝对黑体绝对黑体黑体辐射器：黑体辐射器：科学制作的小科学制作的小孔空腔结构，孔空腔结构，可以很好地实可以很好地实现绝对黑体的现绝对黑体的辐射功能。辐射功能。常用作标准光常用作标准光源，最高工作源，最高工作温度是温度是3000K3000K。2021/9/12132.2.白炽灯与卤钨灯白炽灯与卤钨灯 灰体灰体 钨丝做灯丝钨丝做灯丝玻璃泡壳玻璃泡壳;色温约色温约2800K,2800K,辐射光谱约辐射光谱约0.40.43 3m m。可见光占可见光占6 612%12%，用于照明；，用于照明；加红外滤光片可作为近红外光源。加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）（如溴化硼）;形成卤钨循环。形成卤钨循环。色温色温3200K3200K以上以上,辐射光谱为辐射光谱为0.250.253.5m3.5m。发光效率可达发光效率可达30lm/W(30lm/W(为白炽灯的为白炽灯的2 23 3倍倍)，作仪器白光源作仪器白光源.卤钨灯卤钨灯 白炽灯白炽灯2021/9/12141.3 1.3 气体放电光源气体放电光源发光机理：发光机理：气体放电。气体放电。泡壳：用玻璃或石英等材料制造；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）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、泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、金属化合物蒸气、惰性气体金属化合物蒸气、惰性气体基本结构基本结构气体放电光源的特点：气体放电光源的特点：发光效率高发光效率高,节能。节能。电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。寿命长，比白炽灯长寿命长，比白炽灯长2 21010倍。倍。辐射光谱可以选择，只要选用适当辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。的发光材料。2021/9/1215一、汞灯一、汞灯 泡壳内充汞蒸泡壳内充汞蒸气气1.1.低压汞灯低压汞灯 作作253.7nm253.7nm紫外光源；紫外光源；作荧光灯（作荧光灯（日光灯）。日光灯）。2.2.高压汞灯高压汞灯 可见辐射加强，呈带状可见辐射加强，呈带状 光谱，可作光谱，可作高效照明光源。高效照明光源。3.3.球形超高压汞灯球形超高压汞灯 很好的蓝绿光点光源。很好的蓝绿光点光源。2021/9/1216二、钠灯二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠滴。与金属钠滴。低压钠灯：低压钠灯：发出波长发出波长589nm589nm、589.6nm 589.6nm 两条谱线的单色光源。两条谱线的单色光源。高压钠灯：高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金属卤化物灯三、金属卤化物灯 泡壳内充的是泡壳内充的是 金属卤化物气体。金属卤化物气体。通过通过金属金属 卤化物循环，卤化物循环，提供足够的提供足够的 金属原子气体。金属原子气体。铊灯（碘化铊）：铊灯（碘化铊）：绿光，峰值绿光，峰值535nm535nm。镝灯（碘化镝、碘化铊）：镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温色温6000K6000K。钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：近白色光源近白色光源,色温色温5500K5500K。2021/9/1217四、氙灯四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体泡壳内充的是是惰性气体氙。氙。色温色温6000K6000K，亮度高，被称为，亮度高，被称为“小太阳小太阳”，寿命长。，寿命长。长弧氙灯长弧氙灯:短弧氙灯短弧氙灯:脉冲氙灯脉冲氙灯:日光色点光源日光色点光源大范围照明大范围照明光源光源脉冲脉冲时间极短（时间极短（nSnSpS)pS)，光很强，光很强,用于用于光泵、光信号源、光泵、光信号源、照相制版、高速摄影照相制版、高速摄影2021/9/1218五、氘灯五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气泡壳内充有高纯度的氘气灯灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（常用作连续紫外光源（185185400nm400nm）。）。2021/9/12191.4 1.4 激光器激光器1.4.1 1.4.1 激光器概述激光器概述 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。崭新的阶段。激光器的激光器的基本结构基本结构2021/9/1220 激光形成机理激光形成机理（1）光与原子作用的三种跃迁）光与原子作用的三种跃迁v受激吸收受激吸收处于低能态处于低能态E1（基态）的原子，受（基态）的原子，受光照满足光照满足h=E2E1原子可能吸收原子可能吸收光子能量跃迁到高能态光子能量跃迁到高能态E2（激发态）（激发态）。E2E12021/9/1221v自发辐射自发辐射处处于于高高能能态态的的原原子子不不稳稳定定，要要自自发发从从E2跃跃迁迁到到E1，并并发发射射一一光光子子，光光子子能能量量满满足足h=E2E1。E2E1E2E1v受激辐射受激辐射处于高能态的原子，在自发辐射之前，受外来光子处于高能态的原子，在自发辐射之前，受外来光子的诱发，在的诱发，在E2 跃迁到跃迁到E1 的同时，发射一个与外来的同时，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。了相干光的放大。2021/9/1222（2）产生激光的条件）产生激光的条件v粒子数反转（前提条件）粒子数反转（前提条件）故使受激辐射大于受激吸收故使受激辐射大于受激吸收,必须必须:N2N1，即粒子数即粒子数反转。反转。热平衡下，原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律：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：）于是：N2/N1=exp-（E2-E1）/kT设设 T=300K，E2-E1=10eV，则则 N2/N1=10-40。实现反转的物质叫激活介质（或者叫激光工作物）。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激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫“泵浦泵浦”。激活介质本身必需要有适当的激活介质本身必需要有适当的能级结构能级结构。2021/9/1223例如激光的三能级系统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泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3。E3不不稳稳定定(平平均均寿寿命命约约10-8s)，无无辐辐射射跃跃迁迁到到亚亚稳稳态态E2（平均寿命约（平均寿命约1031s）。）。E2有可能积聚大量粒子，从而受激辐射。有可能积聚大量粒子，从而受激辐射。E1E2E3泵浦泵浦2021/9/1224v光学谐振腔（必要条件）光学谐振腔（必要条件）工作物两端对称地放置两反射镜。工作物两端对称地放置两反射镜。有谐振腔，偏离腔轴线的光子有谐振腔，偏离腔轴线的光子来回几次后最终逸出腔外。来回几次后最终逸出腔外。而沿轴线的光子来回反射，被而沿轴线的光子来回反射，被增益介质连锁式光放大。增益介质连锁式光放大。无谐振腔的受激辐射方向无谐振腔的受激辐射方向是随机的。是随机的。2021/9/1225v阈值条件（决定性条件）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。有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光。只有当只有当光在腔内来回一次，增益大于损耗才能产生激光。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、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。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描述工作物对光的放大能力,用用 I=IoeGx (G是增益系数是增益系数)。于是于是,I2=I1eGL I1I2I3I4I5I3=r2I2=r2I1eGL (r2是镜是镜2 反射率反射率)I4=I3eGL=r2I1e2GL I5=r1 I4=r1 r2I1e2GL(r1是镜是镜1 反射率反射率)必须，必须，I5 I1，即，即:r1 r2e2GL 1r1 r2e2GL 1 即为产生激光的阈值条件。即为产生激光的阈值条件。2021/9/1226 机理机理激光形成激光形成电泵浦或光泵浦；电泵浦或光泵浦；造成工作物质中粒子数反转分布造成工作物质中粒子数反转分布，自发辐射引发受激辐射；自发辐射引发受激辐射；谐振腔对辐射光波选频放大。谐振腔对辐射光波选频放大。特性特性激光的激光的高亮度、方向性好、单色性好高亮度、方向性好、单色性好和相干性好和相干性好激光将对激光将对2121世纪的科技腾飞和产业世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！革命产生深远的影响！激激光光技技术术为为科科学学技技术术的的发发展展打打开开了了宽宽阔阔而而又又崭崭新新的的通通道道，在在科科学学的的各各个个领领域域创创造造了了许许多多惊惊人人的的奇奇迹迹，在在高高新科学技术记录中创造了许多之最：新科学技术记录中创造了许多之最：2021/9/1227、激激光光能能产产生生最最大大的的能能量量密密度度。激激光光输输出出脉脉冲冲功功率率达达131015 W，亿亿度度以以上上高高温温，能能焊焊接接、加加工和切割最难熔的材料；工和切割最难熔的材料；、激激光光能能产产生生最最高高的的压压强强。光光压压强强达达31011大大气气压压，可以实现激光聚变点火；可以实现激光聚变点火；、激激光光能能产产生生最最短短的的脉脉冲冲。780nm达达4fs，相相当当该该光光1.5周周期期进进入入强强场场物物理理领领域域，用用超超短短激激光光脉脉冲冲研研究究光光合合作作用用，能能看看到到皮皮秒秒（1ps=10-12s）或或飞飞秒秒（1fs=10-15s）内发生的变化；）内发生的变化；、最最精精密密光光刻刻。能能制制造造最最小小的的光光机机电电一一体体化化设设备备，加加工工的的最最小小机机械械零零件件从从几几微微米米到到几几十十微微米米，制制作作的的大大规规模模集集成成线线路路的的线线宽宽可可达达到到50nm50nm，测测量量精精度度已已达达0.005m0.005m；2021/9/1228、激光能产生最大的信息量。目前已接近、激光能产生最大的信息量。目前已接近3T（Tera即即1012）目标，即通信传输容量）目标，即通信传输容量T bit/s，运算速度，运算速度T bit/s，三维立体存储密度，三维立体存储密度T bit/cm3；、激激光光能能产产生生最最保保密密的的通通信信系系统统。光光量量子子通通信信是是目目前前理理论论证证明明的的最最安安全全的的通通信信系系统统，目目前前美美国国、日日本本、瑞士等几个国家建立了量子通信系统；瑞士等几个国家建立了量子通信系统；、激激光光能能产产生生最最低低的的温温度度。激激光光冷冷却却可可将将原原子子冷冷却却到到20nK，接接近近绝绝对对零零度度，量量子子冷冷却却到到基基态态，为为量量子子光学和量子力学的实验研究准备了条件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。远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。2021/9/12291.1.气体激光器气体激光器工工作作物物质质是是气气体体或或金金属属蒸蒸气气，通通过过气气体体放电实现粒子数反转。放电实现粒子数反转。工工作作物物质质（气气体体）均均匀匀性性好好，输输出出光光束束的质量相当高。的质量相当高。2.2.固体激光器固体激光器工工作作物物质质是是掺掺杂杂的的晶晶体体或光学玻璃，光泵浦。或光学玻璃，光泵浦。有有脉脉冲冲输输出出激激光光器器和和连连续输出激光器。续输出激光器。主主要要优优点点：能能量量大大、峰峰值值功功率率高高、结结构构紧紧凑凑、坚固可靠和使用方便。坚固可靠和使用方便。2021/9/12303.3.染料激光器染料激光器工作物质是有机染料溶液，光泵浦。工作物质是有机染料溶液，光泵浦。输输出出激激光光波波长长可可以以在在很很宽宽范范围围内内调调谐谐，有有极极好好的的光束质量。光束质量。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。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，峰值功率达几百可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MWMW。4.4.半导体激光器（半导体激光器（LDLD）工工作作物物质质是是半半导导体体材材料料形形成成的的P-NP-N结。结。与结平面垂直的晶体解与结平面垂直的晶体解理面构成理面构成F-PF-P谐振腔。谐振腔。2021/9/1231对对P-NP-N结正向注入电流或结正向注入电流或光泵浦光泵浦，可激发激光。可激发激光。体积小，重量轻，易调制，功耗低；体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（波长覆盖面广（0.330.334444m m）；）；能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。主要优点主要优点5.5.光纤激光器光纤激光器工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐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。振腔有多种形式。是近年来发展起来的新型激光器，具有一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、光能源系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。系统中都有重要作用。2021/9/12321.4.2 1.4.2 固体激光器固体激光器介绍几种代表性的介绍几种代表性的固体激光器固体激光器YAG激光器激光器 基质晶体基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，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。使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。输出波长输出波长1064nm，加倍频技术可输出，加倍频技术可输出532nm。已经实现了已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。工、激光医疗、科学研究之中。输出波长输出波长2.94m,用于激光医疗。用于激光医疗。2021/9/1233输出波长输出波长2.1m,2.1m,用于激光医疗用于激光医疗 ,空间光通信。空间光通信。可调谐的固体激光器可调谐的固体激光器 输出激光有宽的调谐范围（输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm700-1000nm，峰值，峰值波长波长800nm800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。），应用广泛，并实现飞秒脉冲。可调谐范围可调谐范围700-800nm700-800nm。采用调。采用调Q Q技术，输出技术，输出755nm755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。脉冲激光，在激光医疗中很重要。2021/9/1234激光二极管（激光二极管（LDLD）泵浦的固体激光器）泵浦的固体激光器LDLD泵浦泵浦:实现高效率的能量转换实现高效率的能量转换,有端面泵浦和侧面泵浦。有端面泵浦和侧面泵浦。获得百瓦级高功率激光输出。获得百瓦级高功率激光输出。下图是纵向、双端面泵浦下图是纵向、双端面泵浦2021/9/1235一个横向、侧面泵浦的激光器一个横向、侧面泵浦的激光器市场上高功率的市场上高功率的LDLD泵浦固体激光器都是泵浦固体激光器都是用侧面泵浦方式，输出功率可达用侧面泵浦方式，输出功率可达6000W6000W以上。以上。2021/9/1236非线性频率转换得到短波长固体激光器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进行波长转换,可得到短波长固体激光器。可得到短波长固体激光器。LDLD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结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、价格便宜的合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。可调谐激光器。研究趋势研究趋势用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。还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。2021/9/12371.4.3 1.4.3 半导体激光器半导体激光器一、半导体材料的能带一、半导体材料的能带晶体中电子晶体中电子的共有化运动的共有化运动晶体中的能带晶体中的能带关于价带关于价带导带导带禁带禁带导电载流子：导电载流子：电子、空穴电子、空穴2021/9/1238I I型、型、N N型、型、P P型半导体型半导体关于施主能级关于施主能级受主能级受主能级费米统计分布费米统计分布式中，式中，Ef为费米能级，是电子占据率大于或小于为费米能级，是电子占据率大于或小于0.50.5的能级分界线。的能级分界线。2021/9/1239二、二、PNPN结的能带结的能带PNPN结空间电荷区与自建电场的形成结空间电荷区与自建电场的形成2021/9/1240PNPN结的能带弯曲结的能带弯曲重掺杂重掺杂P P型、型、N N型型半导体的能带半导体的能带热平衡时热平衡时PNPN结结的能带弯曲的能带弯曲 加上正向电压后，加上正向电压后，PNPN结势垒降低结势垒降低2021/9/1241PNPN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由有一个费米能级。自建电场的方向由N N区区指向指向P P区，区，P P区、区、N N区的电子能级差为：区的电子能级差为：PNPN结加上正向电压时，热平衡被破坏，结加上正向电压时，热平衡被破坏，PNPN结区结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。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。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。经谐振腔选频，可形成激光输出。PNPN结就是光辐射的有源区。结就是光辐射的有源区。2021/9/1242三、实用中代表性的三、实用中代表性的LDLD的结构的结构阈值电流阈值电流I Ithth注入电流注入电流I II Ith th,才能形成激光。才能形成激光。器件结构要着力于降低器件结构要着力于降低I Ith th。同质结同质结 单异质结（单异质结（SHSH）双异质结（双异质结（DHDH）、2021/9/1243条形异质结条形异质结LD:LD:增益导引条形增益导引条形DHLD DHLD 掩埋条形掩埋条形DHLDDHLD 2021/9/1244量子阱（量子阱（QWQW）LDLD单量子阱（单量子阱（SQWSQW）多量子阱（多量子阱（MQWMQW）超晶格结构超晶格结构 2021/9/1245MQWMQW结构的结构的优越性优越性：阈值电流很低阈值电流很低 改善频率啁啾改善频率啁啾调制速率高调制速率高 温度特性好温度特性好 MQWMQW的的能带能带2021/9/1246分布反馈激光器分布反馈激光器 谐振腔是谐振腔是波纹光栅波纹光栅结构结构 分布反馈分布反馈基于基于布拉格衍射布拉格衍射原理原理 2021/9/1247DFB DFB 激光器激光器DBR DBR 激光器激光器 每一个栅距每一个栅距 相当于一个微相当于一个微F-PF-P腔腔,易形成单易形成单 纵模振荡。波纹光栅相当于许多微纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-PF-P腔多级腔多级 调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。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。在高速调制时仍然保持单纵模特性。温度特性好。温度特性好。波纹光栅波纹光栅分布反馈分布反馈的优点的优点MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能优越，广泛应用于性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。高速光纤通信系统中。2021/9/1248四、四、LDLD的工作特性的工作特性I II Ith th 形成激光输出形成激光输出,光功率急剧上升，光功率急剧上升，P-IP-I曲线的线性好。曲线的线性好。斜率效率。斜率效率。I II Ith th 自发辐射阶段，自发辐射阶段，光功率较小光功率较小。LDLD是对温度很敏感的器件，温度升高，是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。光功率和峰值波长。1.P-I1.P-I特性特性2021/9/12492.光谱特性光谱特性I II IththI II Ithth单纵模单纵模LDLD是矩形光波导是矩形光波导:厚度为厚度为d d，条形宽度为，条形宽度为W W。出光发散角：出光发散角：约约30304040约约66882021/9/12503.3.调制特性调制特性具有直接调制的能力具有直接调制的能力 调制电流调制电流 模拟调制模拟调制数字调制数字调制LDLD芯片芯片的调制的调制频率达频率达 10GH10GHZ Z 量级。量级。2021/9/1251五、五、LDLD的应用及新的发展的应用及新的发展 LDLD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，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。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。已成为最重要的激光器之一。光通信光通信 光盘存储、光显示光盘存储、光显示 激光印刷、信息处理、办公自动化设备激光印刷、信息处理、办公自动化设备 激光加工、激光医疗激光加工、激光医疗 各种半导体激光器需求量极大，各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。是光电子产业的重要支柱。2021/9/1252LDLD的发展日新月异的发展日新月异 l垂直腔表面发射垂直腔表面发射LDLD（VCSELVCSEL）利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。有源区是多有源区是多量子阱结构，量子阱结构，腔长只有几腔长只有几个微米。动个微米。动态单纵模特态单纵模特性好，阈值性好，阈值电流可小于电流可小于1 1A A。2021/9/1253l微腔微腔LDLD如应变量子阱（如应变量子阱（SL-QWSL-QW）结构，调制频率）结构，调制频率已达已达30GHZ30GHZ以上。以上。l高速宽带高速宽带LDLD 普通普通LDLD的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，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（其中只有一个或几个模式形成激光（:10:10-4-41010-5-5）。因）。因而带来能量损失、速度限制和噪声。而带来能量损失、速度限制和噪声。微腔微腔LDLD的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大压缩（压缩（11），阈值大大降低，获得超高速响应（大于），阈值大大降低，获得超高速响应（大于100Gb/s100Gb/s）。甚至可实现无阈值激光器。）。甚至可实现无阈值激光器。微腔微腔LDLD及其二维面阵是一种高效、高密度光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。源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。激光器的重要变革激光器的重要变革2021/9/1254l可调谐可调谐LDLD用于用于DWDMDWDM光交换技术光交换技术实现实现5-7nm5-7nm范围范围连续连续调谐调谐实现实现100nm100nm范围范围波长波长调谐调谐2021/9/1255l短波长短波长LDLD 光存储、光显示的需要。光存储、光显示的需要。红光、绿光、蓝光、紫光红光、绿光、蓝光、紫光LDLD用有机材料（聚合物）作用有机材料（聚合物）作LDLD的有源层，的有源层，易得到短波长易得到短波长LDLD，是目前的研究热点。，是目前的研究热点。l大功率大功率LDLD作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；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；光存储、光印刷光源；激光加工、激光医疗激光加工、激光医疗光源光源产生大功率产生大功率LDLD的途径：的途径：提高单个提高单个LDLD的输出功率；的输出功率；发展列阵发展列阵LD:LD:一维一维LDLD列阵列阵;二维二维LDLD列阵列阵;激光棒激光棒 （脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。（脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。2021/9/1256l高性能高性能LDLD组件组件适于适于10Gb/s10Gb/s以上速率的以上速率的EAM/LDEAM/LD波长可选择的光电集成回路（波长可选择的光电集成回路（OEICOEIC）1.531.531.61m1.61m范围的多波长光源范围的多波长光源EAMEAM：电吸收光调制器。：电吸收光调制器。EAMEAM与与LDLD集成，集成，实现光调制，实现光调制，-3dB-3dB带宽为带宽为14GH14GHZ Z。含有含有EAMEAM、半导体光放大器（、半导体光放大器（SOASOA）、合波器）、合波器(MMI(MMI）、）、微列阵微列阵DFBDFB激光器，波长选择范围达激光器，波长选择范围达45nm45nm。4040个个DFBDFB-LDLD波长等间隔、光强大小一致、波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个每个集成一个EAMEAM，适用于，适用于DWDMDWDM全光网络。全光网络。2021/9/12571.4.4 1.4.4 光纤激光器光纤激光器一、光纤、光波导一、光纤、光波导 光纤光纤 光导纤维，光光导纤维，光传输的通路，纤芯折射传输的通路，纤芯折射率大于包层，光基于全率大于包层，光基于全内反射在纤芯中传输。内反射在纤芯中传输。纤芯中掺入稀土离子纤芯中掺入稀土离子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,有源光纤有源光纤,光泵浦，激光器的工作物质。光泵浦，激光器的工作物质。当光纤中光强超过上限，当光纤中光强超过上限，产生非线性光学效应。产生非线性光学效应。2021/9/1258 光波导光波导在光电集成回路中、各种光器件模块里，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。必有光信号的通路，即光波导。光波导类似于光纤的光波导类似于光纤的纤芯，其折射率高于纤芯，其折射率高于周围材料（衬底和包周围材料（衬底和包层）。波导截面是几层）。波导截面是几微米尺度，用光刻技微米尺度，用光刻技术制得各种光波导。术制得各种光波导。Y Y分叉光波导分叉光波导光波导可构成光分路器、光波导可构成光分路器、耦合器、干涉器、阵列耦合器、干涉器、阵列波导光栅等大量波导光栅等大量光无源器件。光无源器件。向光波导中掺杂，或向光波导中掺杂，或造成非线性光学效应造成非线性光学效应时，又可制备出多种时，又可制备出多种光有源器件。光有源器件。2021/9/1259二、光纤激光器的基本结构二、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。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。三部分组成。1.1.增益介质增益介质 光纤基质材料：光纤基质材料：硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂 元素而选择；元素而选择；光纤长度：光纤长度：典型值在典型值在0.50.55m5m之间。之间。光增益由掺杂离子决定：光增益由掺杂离子决定：掺掺NdNd3+3+光纤激光器，可在光纤激光器，可在1060nm1060nm等等3 3个波长获得激光。个波长获得激光。2021/9/1260掺掺 ErEr3+3+光纤激光器光纤激光器，输出输出1550nm1550nm激光，光纤通信波长。激光，光纤通信波长。掺掺TmTm3+3+光纤激光器，光纤激光器，可输出可输出143514351500nm1500nm波长激光，光纤波长激光，光纤通信波长。还可输出通信波长。还可输出170017002100nm2100nm波长、波长、810nm810nm波长激光，用于生物医学、光纤传感。波长激光，用于生物医学、光纤传感。掺掺PrPr3+3+光纤激光器，光纤激光器，可输出可输出129012901315nm1315nm波长激光，光纤波长激光，光纤通信波长。通信波长。2.2.谐振腔谐振腔有多种结构：有多种结构：2021/9/1261F-PF-P腔腔 将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。环形腔环形腔 光栅谐振腔光栅谐振腔 在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（FBGFBG）而构成而构成。2021/9/1262掺掺ErEr3+3+光纤光栅激光器光纤光栅激光器3.3.包层光泵浦包层光泵浦常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功率小。率小。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。2021/9/1263内包层直径在百内包层直径在百mm左右，是泵浦光的导管，有左右，是泵浦光的导管，有大的数值孔径（大的数值孔径（NANA），可以接收更多的泵浦光。），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。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：内包层截面设计成多种形状：矩形和矩形和D D字形截面内包层具有字形截面内包层具有95%95%的耦合效率的耦合效率,光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。2021/9/1264三、光纤激光器的优点三、光纤激光器的优点 能量转换效率高，光能量转换效率高，光光转换效率达光转换效率达80%80%以上。以上。光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮光纤损耗小；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。度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。光纤激光器波长范围可在光纤激光器波长范围可在3803803900nm3900nm，可以多波长，可以多波长运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运运行，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。转和超短脉冲输出。光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制光纤细、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。凑，小巧灵活。耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达1010万小时。万小时。2021/9/1265四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤放大器放大器1 1掺掺ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纤激光器是光纤通信波段光纤激光器是光纤通信波段128012801620nm1620nm光源；光源；2.2.光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组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。加以放大、增强。它使光通信线路上传统的光它使光通信线路上传统的光电电光型中继器光型中继器变革为全光型中继器，变革为全光型中继器，是光纤通信发展史上重要是光纤通信发展史上重要的里程碑。的里程碑。掺掺ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纤