光学仪器中的常用光源讲稿.ppt

关于光学仪器中的常用光源第一页，讲稿共七十一页哦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第二页，讲稿共七十一页哦按照发光机理，按照发光机理，按照发光机理，按照发光机理，光源的分类：光源的分类：光源的分类：光源的分类：需要了解需要了解需要了解需要了解各类光源各类光源各类光源各类光源的发光机的发光机的发光机的发光机理、重要理、重要理、重要理、重要特性、适特性、适特性、适特性、适用场合，用场合，用场合，用场合，以便正确以便正确以便正确以便正确选用光源。选用光源。选用光源。选用光源。第三页，讲稿共七十一页哦1.1 1.1 辐射度学与光度学的辐射度学与光度学的基础知识基础知识为了对光辐射进行定量描述，需引入为了对光辐射进行定量描述，需引入计计量光辐射量光辐射的物理量，有两套体系：的物理量，有两套体系：辐辐射度射度单位体系和单位体系和光度光度单位体系。单位体系。介绍描述光辐射的一套参量介绍描述光辐射的一套参量光辐射光辐射:以电磁波形式或粒子以电磁波形式或粒子(光子光子)形形式传播的能量式传播的能量,可用光学元件反射、成像可用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程叫光辐或色散，这种能量及其传播过程叫光辐射。射。第四页，讲稿共七十一页哦一、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 描述点辐射源的辐射功率在不同方向描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。上的分布。第五页，讲稿共七十一页哦单位单位:（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）第六页，讲稿共七十一页哦 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。第七页，讲稿共七十一页哦光谱辐射通量光谱辐射通量 与波长的关与波长的关系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。光谱辐射出射度光谱辐射出射度光谱辐射亮度光谱辐射亮度光谱辐射照度光谱辐射照度第八页，讲稿共七十一页哦二、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():详见表详见表1.11.1国国际际照照明明委委员员会会（CIE）根根据据对对许许多多人人的的大大量量观观察察结结果果，确确定定了了人人眼眼对对各各种种光光波波长长的的相相对对灵灵敏敏度度，称称为为光光谱谱光光视视效效率率，或或称称视见函数视见函数，见图。，见图。第九页，讲稿共七十一页哦 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。1 1）光能）光能 单位：单位：lmlms（流明（流明秒秒）2 2）光通量）光通量 单位：单位：lm lm（流明）（流明）3 3）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，第十页，讲稿共七十一页哦可见，可见，555nm是明视觉曲线中人眼最敏感波是明视觉曲线中人眼最敏感波长，长，V(555nm)=1。定义：定义：为明视觉最大光谱为明视觉最大光谱光视效能。光视效能。于是于是,同一波长下，辐射通量与光通量之间的换同一波长下，辐射通量与光通量之间的换算关系：算关系：对含有多种波长的辐射通量，它对应的光通量对含有多种波长的辐射通量，它对应的光通量为：为：第十一页，讲稿共七十一页哦4 4）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 25)5)光照度光照度 单位：单位：lxlx（勒克斯）（勒克斯）1lx=1lm/m1lx=1lm/m2 2普适关系式：普适关系式：第十二页，讲稿共七十一页哦1.2 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、分子的热运动而产生由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源辐射的光源辐射光谱是连续光谱辐射光谱是连续光谱第十三页，讲稿共七十一页哦普朗克公式普朗克公式绝对黑体的温度决定了它的辐射绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱光谱分分布布灰体：灰体：(，T)T)1 1的热辐的热辐射光源，射光源，具有与具有与绝对黑体绝对黑体类似的类似的辐射规律。辐射规律。色温；相关色温色温；相关色温热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该热辐射光源的颜色相同，则黑体的这一温度称为该热辐射光源的色温色温；如果；如果不相同，就以发光颜色最相近的黑体温度为它的相关色温。不相同，就以发光颜色最相近的黑体温度为它的相关色温。第十四页，讲稿共七十一页哦1.1.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。第十五页，讲稿共七十一页哦2.2.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 白炽灯白炽灯第十六页，讲稿共七十一页哦1.3 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：金属蒸汽、泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、金属化合物蒸汽、惰性气体金属化合物蒸汽、惰性气体基基本本结结构构气体放电光源的特点：气体放电光源的特点：1 1）发光效率高）发光效率高,节能。节能。2 2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。3 3）寿命长，比白炽灯长）寿命长，比白炽灯长2 21010倍。倍。4 4）辐射光谱可以选择，只要选用适当的发）辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。光材料。第十七页，讲稿共七十一页哦一、汞灯一、汞灯 泡壳内充汞蒸汽泡壳内充汞蒸汽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。第十八页，讲稿共七十一页哦二、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 金属原子金属原子 气体。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。第十九页，讲稿共七十一页哦四、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光大范围照明光源源脉冲脉冲时间极短（时间极短（nSnSpS)pS)，光很强，光很强,用于光泵、用于光泵、光信号源、光信号源、照相制版、高速摄影照相制版、高速摄影第二十页，讲稿共七十一页哦五、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，常用的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（作连续紫外光源（185185400nm400nm）。）。第二十一页，讲稿共七十一页哦1.4 1.4 激光器激光器 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类对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光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。的阶段。“Laser”：light amplification by stimulated emission of radiation“受激辐射光放大受激辐射光放大”。第二十二页，讲稿共七十一页哦一、激光器概述一、激光器概述 激激光光器器的的基基本本结结构构第二十三页，讲稿共七十一页哦 激激光光形形成成机机理理电泵浦或光泵浦；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。（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，受光照满足（基态）的原子，受光照满足h=E2E1原子可能吸收光子能量跃迁到高原子可能吸收光子能量跃迁到高能态能态E2（激发态）。（激发态）。E2E1第二十四页，讲稿共七十一页哦v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，光子能量满足光子能量满足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，受外来光子的诱发，处于高能态的原子，在自发辐射之前，受外来光子的诱发，在在E2 跃迁到跃迁到E1 的同时，发射一个与外来光子全同的的同时，发射一个与外来光子全同的（同方向、同频、同相位、同偏振）光子。依次不断（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，就实现了相干光的放大。地得到大量特征相同的光子，就实现了相干光的放大。复利原则复利原则.ppt第二十五页，讲稿共七十一页哦（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，即粒子数反转。即粒子数反转。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。第二十六页，讲稿共七十一页哦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（平平均均寿命约寿命约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泵浦泵浦第二十七页，讲稿共七十一页哦v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，偏离腔轴线的光子来回几有谐振腔，偏离腔轴线的光子来回几次后最终逸出腔外。次后最终逸出腔外。而沿轴线的光子来回反射，被增而沿轴线的光子来回反射，被增益介质连锁式光放大。益介质连锁式光放大。无谐振腔的受激辐射方向是无谐振腔的受激辐射方向是随机的。随机的。第二十八页，讲稿共七十一页哦v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、散射；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。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。第二十九页，讲稿共七十一页哦激激光光的的优优越越性性高亮度、高方向性、高单色性和高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性高度的时间空间相干性 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。激光将对激光将对2121世纪的科技腾飞和产业革世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！命产生深远的影响！激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通道，激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通道，在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹，在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹，在高新科学技在高新科学技术记录中创造了许多之最：术记录中创造了许多之最：第三十页，讲稿共七十一页哦、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲功率、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲功率达达131015 W，亿度以上高温，能焊接、加工和切割最，亿度以上高温，能焊接、加工和切割最难熔的材料；难熔的材料；、激光能产生最高的压强。光压强达、激光能产生最高的压强。光压强达31011大气压，可以实大气压，可以实现激光聚变点火；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）内内发发生生的的变变化；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已已达达到到0.18 0.18 mm，纳纳米米器器件件和和量量子子光光学学器器件件最最终终可可达达50nm50nm，测量精度就更高了（测长的精度达，测量精度就更高了（测长的精度达0.005m0.005m）；）；第三十一页，讲稿共七十一页哦、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，运算速度度T bit/s，三维立体存储密度，三维立体存储密度T bit/cm3；、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目前、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目前理论证明的最安全的通信系统，目前美国、日本、瑞士理论证明的最安全的通信系统，目前美国、日本、瑞士等几个国家建立了量子通信系统；等几个国家建立了量子通信系统；、激光能产生最低的温度。激光冷却可将原子冷却到激光能产生最低的温度。激光冷却可将原子冷却到20nK，接近绝对零度，量子冷却到基态，为量子光学和量子，接近绝对零度，量子冷却到基态，为量子光学和量子力学的实验研究准备了条件力学的实验研究准备了条件。第三十二页，讲稿共七十一页哦1.1.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汽汽，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的质质量量相当高。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或光学玻璃，光泵浦。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续输出激光器。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、坚坚固固可可靠和使用方便。靠和使用方便。第三十三页，讲稿共七十一页哦3.3.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，有有极极好好的光束质量。的光束质量。有有连连续续输输出出的的激激光光器器，也也有有脉脉冲冲输输出出的的激激光器。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理与结平面垂直的晶体解理面构成面构成F-PF-P谐振腔。谐振腔。第三十四页，讲稿共七十一页哦对对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，可激发激光。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。主主要要优优点点二、代表性的固体激光器二、代表性的固体激光器YAG激光器激光器 基质晶体基质晶体Y3Al 5O12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1064nm1064nm，加倍频技术可输出，加倍频技术可输出532nm532nm。已经实现了已经实现了KWKW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。第三十五页，讲稿共七十一页哦输出波长输出波长2.94m,2.94m,用于激光医疗。用于激光医疗。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，峰值波，峰值波长长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。第三十六页，讲稿共七十一页哦激光二极管（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 用用LDLD列阵泵浦固体激光器实列阵泵浦固体激光器实现了高功率激光输出。现了高功率激光输出。第三十七页，讲稿共七十一页哦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 固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进行波长固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进行波长转换转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器得到绿光、蓝光、紫外固体激光器.LDLD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以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、价格便宜的可调谐激光器。期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。研研究究趋趋势势光纤激光器和光纤放大器光纤激光器和光纤放大器LDLD泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。双泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。双包层光纤激光器已经实现了包层光纤激光器已经实现了KWKW级大功率输出。级大功率输出。光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著,信号光输入增信号光输入增益光纤将得以放大。光纤放大器的出现益光纤将得以放大。光纤放大器的出现,是光纤通信是光纤通信发展史上的重要里程碑。发展史上的重要里程碑。第三十八页，讲稿共七十一页哦三、三、LDLD的结构、性能和应用的结构、性能和应用1.1.半导体材料的能带半导体材料的能带晶体中电子的晶体中电子的共有化运动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、空穴第三十九页，讲稿共七十一页哦I 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。第四十页，讲稿共七十一页哦2.PN2.PN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第四十一页，讲稿共七十一页哦PNPN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结的结的能带弯曲能带弯曲 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第四十二页，讲稿共七十一页哦PNPN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由个费米能级。自建电场的方向由N N区指向区指向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结区势垒结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。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。经电子、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。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。第四十三页，讲稿共七十一页哦3.3.代表性的代表性的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）、第四十四页，讲稿共七十一页哦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 第四十五页，讲稿共七十一页哦量子阱（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 第四十六页，讲稿共七十一页哦MQWMQW结构的优结构的优越性越性：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的的能带能带第四十七页，讲稿共七十一页哦分布反馈激光器分布反馈激光器 谐振腔是波谐振腔是波纹光栅结构纹光栅结构 分布反馈分布反馈基于基于布喇格衍射布喇格衍射原理原理 第四十八页，讲稿共七十一页哦DFB 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。波纹光栅分波纹光栅分布反馈的优布反馈的优点点MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能优越，广泛应用于高性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。速光纤通信系统中。第四十九页，讲稿共七十一页哦4.LD4.LD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,光光功率急剧上升，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，性能是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。峰值波长。P-I P-I特性特性第五十页，讲稿共七十一页哦 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6688第五十一页，讲稿共七十一页哦 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。第五十二页，讲稿共七十一页哦5.LD5.LD的应用的应用 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，是光各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。电子产业的重要支柱。第五十三页，讲稿共七十一页哦6.LD6.LD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）利于与光利于与光纤耦合；纤耦合；适合大面适合大面积二维列积二维列阵集成。阵集成。l高速宽带高速宽带LDLD如应变量子阱（如应变量子阱（SL-QWSL-QW）结构，调制频率已达）结构，调制频率已达30GH30GHZ Z以上。以上。第五十四页，讲稿共七十一页哦l量子点（量子点（QDQD）激光器）激光器是是2121世纪令人世纪令人瞩目的器件。瞩目的器件。由于电子和空由于电子和空穴的强限制作穴的强限制作用，比量子阱用，比量子阱（QWQW）LDLD性能性能更优越。更优越。l可调谐可调谐LDLD用于用于DWDMDWDM光交换技术光交换技术第五十五页，讲稿共七十一页哦l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，易得到的有源层，易得到短波长短波长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；光存作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；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（脉冲）功率可达几千乃至几万W W。第五十六页，讲稿共七十一页哦l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：电吸收调制器。：电吸收调制器。EAMEAM与与LDLD集成，实集成，实现光调制，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）、微列阵阵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DFBLDDFBLD波长等间隔、光强大小一致、每个集波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个成一个EAMEAM，适用于，适用于DWDMDWDM全光网络。全光网络。第五十七页，讲稿共七十一页哦1.5 1.5 发光二极管（发光二极管（LEDLED）Light emitting diodes第五十八页，讲稿共七十一页哦 用用P-N结结电电致致发发光光原原理理制制成成的的发发光光二二极极管管是是在在60年年代代末末得得到到迅迅速速发发展展的的。LED是是注注入入式式电电致致发发光光显显示器件的典型。示器件的典型。第五十九页，讲稿共七十一页哦 最最早早用用半半导导体体P-N结结发发光光原原理理制制成成的的LED光光源源问问世世于于20世世纪纪60年年代代初初。当当时时所所用用的的材材料料是是GaAsP，发发红红光光（=650nm），在在驱驱动动电电流流为为20毫毫安安时时，光光通通量量只只有有千千分分之之几几个个流流明明，相相应应的的发发光光效效率率约约0.1流流明明/瓦。瓦。70年年代代中中期期，引引入入元元素素In和和N，使使LED产产生生绿绿光光（=555nm），黄黄光光（=590nm）和和橙橙光光(=610nm)，光效也提高到光效也提高到1lm/W。90年年代代初初，发发红红光光、黄黄光光的的GaAlInP和和发发绿绿、蓝蓝光光的的GaInN两两种种新新材材料料的的开开发发成成功功，使使LED的的光光效效得得到到大大幅幅度度的的 提提 高高。在在2000年年，前前 者者 做做 成成 的的LED在在 红红、橙橙 区区(=615nm)的的光光效效达达到到100流流明明/瓦瓦，而而后后者者制制成成的的LED在在绿色区域绿色区域(=530nm)则达到则达到50流明流明/瓦。瓦。到到了了80年年代代初初，出出现现了了GaAlAs的的LED光光源源，使使得得红红色色LED的光效达到的光效达到10流明流明/瓦。瓦。第六十页，讲稿共七十一页哦发光原理发光原理对对PN结结正正向向注注入入电电流流，P区区空空穴穴向向有有源源区区扩扩散散，N区区电电子子向向有有源源区区扩扩散散，结结果果电电子子与与空空穴穴在在有有源源区区复复合合，以以一一定定频频率率的光能释放出来。的光能释放出来。发发光光二二极极管管的的结结构构是是半半导导体体PN结结。结结与与结结之之间间是是产产生荧光的复合区，叫有源区。生荧光的复合区，叫有源区。LED的体积小，结构简单，耗电少，寿命长，造价低，的体积小，结构简单，耗电少，寿命长，造价低，是应用广泛、前景诱人的重要光源。是应用广泛、前景诱人的重要光源。LED与与LD的根本区别在于：的根本区别在于：LED发光是基于自发辐射，发发光是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；出的是荧光，是非相干光；LD是靠两端解理面为谐振腔起是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干光光激光。激光。第六十一页，讲稿共七十一页哦一、一、LEDLED的材料与构型的材料与构型用于光显示和光电检测。用于光显示和光电检测。GaP，Eg=2.24eV，峰值波长，峰值波长555nm，绿光。，绿光。GaP:N，掺，掺N量不同，可发绿光量不同，可发绿光(568nm)或黄光或黄光(590nm)。发光二极管的材料主要是发光二极管的材料主要是-族化合物半导体。族化合物半导体。GaP:ZnO，GaP中掺锌、氧，峰值波长中掺锌、氧，峰值波长700nm，红光。，红光。GaN，LED的有源层是的有源层是INGaN多量子阱，随组分的差异可发多量子阱，随组分的差异可发蓝光（蓝光（450nm）和发紫光（）和发紫光（400nm）。）。第六十二页，讲稿共七十一页哦GaAs，Eg=1.43eV，峰值，峰值867nm，近红外光。，近红外光。GaAs 1-xPx，GaAs与与GaP按按比比例例(1-x):x 混混合合的的晶晶体体。GaAs0.6P0.4，发发光光效效率率高高，响响应应速速度度快快，记记为为GaAsP。峰值波长。峰值波长650nm，红光，用得较普遍。，红光，用得较普遍。InGaAsP，峰值波长，峰值波长1.3m、1.55m。用于短距离光纤通信。用于短距离光纤通信。第六十三页，讲稿共七十一页哦LEDLED采用双异质结、量子阱结构采用双异质结、量子阱结构分为：分为：面发光型面发光型发光功率较大发光功率较大 边发光型易与光纤耦合边发光型易与光纤耦合面发光型面发光型LEDLED的光输出的光输出面发光型面发光型LEDLED用于光显示用于光显示边发光型边发光型LEDLED用于短距离光纤通信用于短距离光纤通信第六十四页，讲稿共七十一页哦二、二、LEDLED的主要工作特性的主要工作特性谱线宽度谱线宽度在几十上百在几十上百mm。为发光光谱的为发光光谱的峰值波长峰值波长。l P-I P-I 特性特性I:10I:10数十数十mAmAP:P:几百几百WWmWmWP-IP-I特性曲线的线性特性曲线的线性区很宽。区很宽。l 光谱特性光谱特性第六十五页，讲稿共七十一页哦l 调制特性调制特性 可以直接调制可以直接调制 边发光型在几百边发光型在几百MHMHZ Z面面发光型在几十发光型在几十MHMHZ Z调制带宽调制带宽:三、发光二极管的应用三、发光二极管的应用LEDLED体积小、寿命长（可超过体积小、寿命长（可超过1010万小时）、耗电少，能与万小时）、耗电少，能与集成电路共电源、使用方便，应用广泛。集成电路共电源、使用方便，应用广泛。(1).仪器仪表指示灯、数码显示、广告显示屏等。仪器仪表指示灯、数码显示、广告显示屏等。(2).GaAs LED，发发光光波波长长867nm，与与硅硅光光探探测测器器有有最最佳佳光光谱谱匹匹配配，成成为为各各种种遥遥控控器器、光光电电耦耦合合器器、光光电电检检测测系系统统关键器件。关键器件。第六十六页，讲稿共七十一页哦(3).红红、绿绿、蓝蓝LED在在用用于于交交通通信信号号灯灯中中，耗耗电电只只是是白白炽炽灯灯(加加滤滤光光片片)的的12,且且寿寿命命长长，