第四章 光电检测技术中的光源.ppt

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1、第四章第四章 发光器件发光器件1.白炽光源白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般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。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。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，是差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。可取之处。发光器件发光器件2.气体放电光源定义：定义：定义：定义：利用电流通过气体

2、产生发光现象制成的灯。利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。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，可件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可件有关。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。得

3、到主要在某一光谱范围的辐射。得到主要在某一光谱范围的辐射。得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光是光谱仪器中常用的光是光谱仪器中常用的光是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压源，统称为光谱灯。例如低压源，统称为光谱灯。例如低压源，统称为光谱灯。例如低压汞灯汞灯汞灯汞灯的辐射波长为的辐射波长为的辐射波长为的辐射波长为254nm,546nm,576.96nm,579.07nm254nm,546nm,576.96nm,579.07nm254nm,546n

4、m,576.96nm,579.07nm254nm,546nm,576.96nm,579.07nm，钠灯钠灯钠灯钠灯的辐射波长为的辐射波长为的辐射波长为的辐射波长为589nm589nm589nm589nm，可，可，可，可被用作被用作被用作被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料单色光源。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，通过对的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波

5、长，通过对的作用，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。灯。灯。灯。气体放电灯气体放电灯气体放电灯气体放电灯消耗的能量为白炽灯消耗的能量为白炽灯消耗的能量为白炽灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/31/2-1/31/2-1/31/2-1/3发光二极管发光二极管(Light emitting diode)(Light emitting diode)(Light em

6、itting diode)(Light emitting diode)由半导体由半导体由半导体由半导体PNPNPNPN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿结构成，其工作电压低、响应速度快、寿结构成，其工作电压低、响应速度快、寿结构成，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。命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。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，在半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PNPN结处形成势垒，从结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当而抑制了空穴和电子的继

7、续扩散。当PNPN结上加有正向电压时，势结上加有正向电压时，势垒降低，电子由垒降低，电子由N N区注入到区注入到P P区，空穴则由区，空穴则由P P区注入到区注入到N N区，称为少区，称为少数载流子注入。所注入到数载流子注入。所注入到P P区里的电子和区里的电子和P P区里的空穴复合，注入区里的空穴复合，注入到到N N区里的空穴和区里的空穴和N N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子区里的电子复合，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。形式放出能量，因而有发光现象。发光二极管是少数载流子在发光二极管是少数载流子在PNPN结区的结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光注入与复

8、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 图图 3.14两类发光二极管两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；正面发光型；(b)侧面发光型侧面发光型 发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型：正面发光型正面发光型LED和和侧面发光型侧面发光型LED LEDLED的光谱特性的光谱特性LEDLEDLEDLED的发光谱决定的发光谱决定的发光谱决定的发光谱决定其发光颜色，目前其发光颜色，目前其发光颜色，目前其发光颜色，目前可实现各类颜色可实现各类颜色

9、可实现各类颜色可实现各类颜色,有有有有红、橙、黄、绿、红、橙、黄、绿、红、橙、黄、绿、红、橙、黄、绿、蓝蓝蓝蓝 。LEDLEDLEDLED具有正的具有正的具有正的具有正的温度系数，温度升温度系数，温度升温度系数，温度升温度系数，温度升高时，发射波长红高时，发射波长红高时，发射波长红高时，发射波长红移，约为：移，约为：移，约为：移，约为：0.2-0.2-0.2-0.2-0.3nm/0.3nm/0.3nm/0.3nm/度度度度0.20.20.40.40.60.60.80.8 1.01.0 0 060060070070080080090090010001000GaAsPp=670nmp=670nmp

10、=670nmp=670nmp=655nmp=655nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmp=565nmp=565nmGaPp=950nmp=950nmp=950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnmnmnm相相相相对对对对灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性发光二极管发光二极管LEDLED的频率响应的频率响应 发光二极管发光二极管LEDLED的的P-IP-I特性曲线特性曲线原理：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4 3 2 1 0 50 100 150 电

11、流电流/mA输输出出光光功功率率/mW0025257070LEDLEDLEDLED驱动电路及伏安特性驱动电路及伏安特性驱动电路及伏安特性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。1.0 1.5 2.0 2.5 120100806040200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。+5VLEDReRb2Rb1VinLEDLEDLEDLED信号控制电路信号控制电路信号控制电路

12、信号控制电路 LEDLED的特点及应用的特点及应用一、特点一、特点一、特点一、特点 1 1 1 1、LEDLEDLEDLED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。2 2 2 2、LEDLEDLEDLED的的的的发发发发光光光光颜颜颜颜色色色色非非非非常常常常丰丰丰丰富富富富，通通通通过过过过选选选选用用用用不不不不同同同同的的的的材材材材料料料料，可可可可以以以以实实实实现现现现各各各各种种种种发发发发光光光光颜颜颜颜色色色色。如如如如采采采采用用用用GaP:ZnOGaP:ZnOGaP:

13、ZnOGaP:ZnO或或或或GaAsPGaAsPGaAsPGaAsP材材材材料料料料的的的的红红红红色色色色LEDLEDLEDLED，GaAsPGaAsPGaAsPGaAsP材材材材料料料料的的的的橙橙橙橙色色色色、黄黄黄黄色色色色LEDLEDLEDLED，以以以以及及及及GaNGaNGaNGaN蓝蓝蓝蓝色色色色LEDLEDLEDLED等等等等。而而而而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。3 3 3 3、LEDLEDLEDLED的的的的辉辉辉辉度度

14、度度高高高高。随随随随着着着着各各各各种种种种颜颜颜颜色色色色LEDLEDLEDLED辉辉辉辉度度度度的的的的迅迅迅迅速速速速提提提提高高高高，即即即即使使使使在在在在日日日日光光光光下下下下，由由由由LEDLEDLEDLED发发发发出出出出的的的的光光光光也也也也能能能能辨辨辨辨认认认认。正正正正是是是是基基基基于于于于这这这这一一一一优优优优势势势势，在在在在室室室室外外外外用用用用信信信信息息息息板板板板、广广广广告告告告牌牌牌牌、道道道道路路路路通通通通行行行行状状状状况况况况告告告告示示示示牌牌牌牌等等等等方方方方面面面面的应用正迅速扩大。的应用正迅速扩大。的应用正迅速扩大。的应用正

15、迅速扩大。4 4 4 4、LEDLEDLEDLED的的的的单单单单元元元元体体体体积积积积小小小小。在在其其他他显显示示器器件件不不能能使使用用的的极极小小的的范范围围内内也也可可使使用用，再再加加上上低低电电压压、低低电电流流驱驱动动的的特特点点，作作为为电电子子仪仪器器设设备备、家家用用电电器器的的指指示示灯灯、信信号号灯的使用范围还会进一步扩大。灯的使用范围还会进一步扩大。5 5 5 5、寿寿寿寿命命命命长长长长，基基本本上上不不需需要要维维修修。可可作作为为地地板板、马马路路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域广场地面的信号光源，是一个新的应用领域 二、二、二、二、应用应用应用应用

16、 1 1 1 1、指示灯指示灯指示灯指示灯 2 2 2 2、数字显示用显示器、数字显示用显示器、数字显示用显示器、数字显示用显示器 利利用用LEDLED进进行行数数字字显显示示，有有点点矩矩阵阵型型和和字字段段型型两两种方式。种方式。点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示 字段型数字显示字段型数字显示 3 3 3 3、平面显示器、平面显示器、平面显示器、平面显示器 LEDLED平面显示器可分为单片型、混合型及点平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。矩阵型等几大类。4 4 4 4、光源、光源、光源、光源 LEDLED除用做显示器件外，还可用做各种装除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的

17、光源。例如置、系统的光源。例如HBLEDHBLED（超低压（超低压LEDLED）。）。激光器梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器典型激光器典型激光器按工作波段分类按工作波段分类远红外、红外激光器远红外、红外激光器可见光激光器可见光激光器紫外、真空紫外激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器光激光器按运转方式分类按运转方式分类连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器超短脉冲激光器超短脉冲激光器按工作物质分类按工作物质分类固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器染料激光器染料激光器半导体激光器半导体激光器激光器的工作原理自发辐射、受激吸收和自发辐射、受激吸收和受激辐射受激辐射工作物质工作物质激励能源激

18、励能源光学谐振腔光学谐振腔产生激光必要条件1.1.实现粒子数反转实现粒子数反转.使工作物质被激发使工作物质被激发.要实现光放大要实现光放大 一、气体激光器一、气体激光器氦氖（氦氖（HeNe）激光器）激光器氦氖激光器是最典型的惰性气体原子激光器，其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（很好，发散较小（1mrad以下以下),接近衍射极限接近衍射极限单色性好单色性好稳定性高稳定性高最常见的有氦最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、氖激光器、氩离子激光器、二

19、氧化碳二氧化碳激光器激光器、氦、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。镉激光器和铜蒸气激光器等。He-NeHe-Ne气体激光器气体激光器He-Ne He-Ne 激光器中激光器中HeHe是辅助物质，是辅助物质，NeNe是激活物质是激活物质，HeHe与与NeNe之比为之比为51 51 101101。NeNe原子可以产生多条激光谱线原子可以产生多条激光谱线,最强的三条最强的三条:0 063286328、1 115 15 m m、3 339 39 氩离子激光器氩离子激光器 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用气体放电使管内Ar原子

20、电离并激发，在离子激发态能原子电离并激发，在离子激发态能级之间实现粒子数翻转而产生激光的。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，其中最强的是它可以产生多条波长的激光，其中最强的是448nm和和514.5nm。在可见光区它是输出连续功率最高的一种器件，目前，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，最高达它的能量转换效率比较低，最高达0.6，一般只有，一般只有104它被应用于光谱学、光泵染料激光器、激光化学和医学它被应用于光谱学、光泵染料激光器、激光化学和医学等等 二氧化碳激光

21、器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，比如激光物质，其它气体，比如He，N2，CO，Xe，H2O，H2，O2，都是辅助气体。，都是辅助气体。二氧化碳激光器效率高，大约在二氧化碳激光器效率高，大约在10102525范围内，可以范围内，可以获得很高激光功率获得很高激光功率,连续输出功率高达万瓦连续输出功率高达万瓦,脉冲器件输出脉冲器件输出可达万焦耳每脉冲级。可达万焦耳每脉冲级。这种激光器工作在以这种激光器工作在以 9.69.6微米和微米和10.610.6微米为中心的多条分微米为中心的多条分子振转光谱线

22、上。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）、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。光通信、测距、同位素分离和高温等离子体研究等方面。根据工作物质分类：根据工作物质分类：红宝石：激活离子红宝石：激活离子CrCr3+3+，波长：波长：694.3nm694.3nm，三能级；三能级；Nd:YAGNd:YAG：激活离子：激活离子：NdNd，波长：波长：1.061.06 m m，四能级；四能级；钕玻璃：钕玻璃：激活离子：激活离子：NdNd，波长波长:1.061.06 m m，四，四能级；能级；二、固体激光器二、固体

23、激光器1960196019601960年年年年5 5 5 5月月月月15151515日，加州休斯实验室的梅曼日，加州休斯实验室的梅曼日，加州休斯实验室的梅曼日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.Maiman,1927T.H.Maiman,1927T.H.Maiman,1927T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一台）制成了世界上第一台）制成了世界上第一台）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，红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为波长为波长为波长为694.3694.3694.3694.3纳

24、米。纳米。纳米。纳米。红宝石激光器红宝石激光器灯泵浦灯泵浦Nd:YAGNd:YAG激光器激光器 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。固体激光器固体激光器1kW的脉冲Nd:YAG激光器液体激光器三、染料激光器三、染料激光器以某种有机染料溶解于一定溶以某种有机染料溶解于一定溶剂（甲醇，乙醇或水）中作为剂（甲醇，乙醇或水）中作为激活介质的激光器。激活介质的激光器。优点：优点：激光波长可调谐，它不仅可直激光波长可调谐，它不仅可直接获得接获得0.31.3um光谱范围

25、光谱范围内连续可调谐的窄带高功率激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到从真空紫外到中红外的可调谐相干光。谐相干光。光谱分辨率高，结构简单，价光谱分辨率高，结构简单，价格便宜格便宜缺点：缺点：是稳定性差是稳定性差半导体激光器半导体激光器四、半导体激光器（四、半导体激光器（LD，Laser Diode）五、激光器的基本特性五、激光器的基本特性1 1、单色性、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激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。光器产生的激光。He-NeHe-Ne激光器激光器产生的产生的632.8nm632.

26、8nm谱线，线宽只有谱线，线宽只有1010-9-9nmnm。普通光源中单色性最好的普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)(Kr86)，其谱线宽度为，其谱线宽度为4.74.71010-3-3nmnm。激光的单色性比一般光要高出。激光的单色性比一般光要高出10106 610107 7倍以上倍以上 .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；聚焦的可能性；COCO2 2：10.6

27、m CO10.6m CO：5.4m YAG5.4m YAG：1.06m 1.06m 准分子：准分子：0.24m0.24m；激光的单色性激光的单色性 从光源发出的激光平行传播的程度称为方向性。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，可以小于或等激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于于1010-3-3-10-10-5-5弧度。激光通过直径为弧度。激光通过直径为D D的孔径时，由的孔径时，由于衍射会产生一定发散：于衍射会产生一定发散：2 2、方向性好、方向性好HeNeHeNe气体激光气体激光：3 31010-4-4radrad；固体激光固体激光：1010-2-2

28、radrad 半导体激光半导体激光：5 5-10-10。激光的方向性带来两个激光的方向性带来两个结果：结果：光源表面的亮光源表面的亮度高；被照射地方光的度高；被照射地方光的照度大。照度大。一个具有一个具有10mW10mW功率功率的的He-NeHe-Ne激光器可产生激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。小但照度很大的光斑。激光定位、导向、测激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的距等就利用了方向性好的特点。特点。3 3、高亮度、高亮度 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角

29、内发射的功率。位立体角内发射的功率。激光的输出功率虽然有个限激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在亮度也特别大。把分散在180180范围内的光集中到范围内的光集中到0.18 0.18 范围，范围，亮度提高亮度提高100100万倍。通过调万倍。通过调Q Q等技等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。步提高亮度。激光的高强度4 4、相干性好、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

30、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。半导体激光器 光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件光学谐振腔与激光器的阈值条件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的结构半导体激光器的结构半导体激光器的结构 半导体激光器特性半导体激光器特性半导体激光器特性半导体激光器特性 LDLD的应用的应用的应

31、用的应用 光学谐振腔与激光器的阈值条件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激光器稳定工作的必要条件激光器稳定工作的必要条件激光器稳定工作的必要条件 :(1)(1)粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益粒子数反转产生增益 (2)(2)提供光的反馈提供光的反馈提供光的反馈提供光的反馈 :其中最简单的是法布里其中最简单的是法布里其中最简单的是法布里其中最简单的是法布里珀罗腔珀罗腔珀罗腔珀罗腔 图图图图4.4.1-1 4.4.1-1 激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔激光二极管的谐振腔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光学谐振

32、腔与激光器的阈值条件 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为的振荡，这一增益称为的振荡，这一增益称为的振荡，这一增益称为阈值增益阈值增益阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所。为达到阈值增益所。为达到阈值增益所。为达到阈值增益所要求的注入电流称为要求的注入电流称为要求的注入电流称为要求的注入电流称为阈值电流阈值电流阈值电流阈值电流。一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于

33、或等于损耗时，才能成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。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。为工作模式，即在该频率上形成激光输出。有有有有2 2个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器多纵模激光器多纵模激光器多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，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

34、激振，这样的激光器称为可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为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单纵模激光器单纵模激光器单纵模激光器。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最简单的半导体激光器由一个薄有源层最简单的半导体激光器由一个薄有源层最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约（厚度约（厚度约（厚度约0.1m0.1m）、）、）、）、P P型和型和型和型和N N型限制层构成，如型限制层构成，如型限制层构成，如型限制层构成，如图所示。图所示。图所示。图所示。大面积半导体激光器大面积半导体激光器大面积半导

35、体激光器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300m100m200m半导体激光器的结构 为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用为解决侧向辐射和光限制问题，实际的激光器采用了了了了增益导引型增益导引型增益导引型增益导引型和和和和折射率导引型折射率导引型折射率导引型折射率导引型结构。结构。结构。结构。一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器一、增益导引型半导体激光器一、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解决光限制问题的一种简单方案是将注入电解决光限制问

36、题的一种简单方案是将注入电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，这样的激光器称为流限制在一个窄条里，这样的激光器称为流限制在一个窄条里，这样的激光器称为流限制在一个窄条里，这样的激光器称为条形半条形半条形半条形半导体激光器导体激光器导体激光器导体激光器，其结构如图所示。将一绝缘层介质，其结构如图所示。将一绝缘层介质，其结构如图所示。将一绝缘层介质，其结构如图所示。将一绝缘层介质(SiO(SiO2 2)淀积在淀积在淀积在淀积在P P层上，中间敞开以注入电流。由于层上，中间敞开以注入电流。由于层上，中间敞开以注入电流。由于层上，中间敞开以注入电流。由于光限制是借助中间条形区的增

37、益来实现的，这样光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样光限制是借助中间条形区的增益来实现的，这样的激光器称为的激光器称为的激光器称为的激光器称为增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器。增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器增益导引型半导体激光器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二、二、二、二、折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器折射率导引型半导体激光器 通过在侧向采用类似异质

38、结的设计而形成的波导，引入折射率差，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，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，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，这种激光器称为也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为也可以解决在侧向的光限制问题，这种激光器称为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折射率导引型半导体折射率导引型半导体折射率导引型半导体激光器激光器激光器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折射率导引型半导折射率导

39、引型半导折射率导引型半导折射率导引型半导体激光器体激光器体激光器体激光器半导体激光器特性 一、光谱特性一、光谱特性一、光谱特性一、光谱特性 GaAIAsGaAIAs双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。双异质结激光器的光谱特性。832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824驱动电流增大 图图4.4.3-1 GaAIAs双异质结激光器的光谱特性示意图双异质结激光器的光谱特性示意图当当当当驱驱驱驱动动动动电电电电流流流流足足足足够够够够大大大大时时时时，多多多多纵纵纵纵模模模模变变变变为为为

40、为单单单单纵纵纵纵模模模模，称称称称为为为为静静静静态态态态单纵模激光器单纵模激光器单纵模激光器单纵模激光器。波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的波长取决于激光器的光学腔长，称为激光器的纵模纵模半导体激光器特性2二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布 近场近场近场近场是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，是指激光器反射镜面上的光强分布，远场远场远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布

41、。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场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，光表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为强呈现周期性的空间分布，称为强呈现周期性的空间分布，称为强呈现周期性的空间分布，称为多横模多横模多横模多横模；在垂；在垂；在垂；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个

42、方直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是向的场图总是向的场图总是向的场图总是单横模单横模单横模单横模。典型典型典型典型LDLD的远场辐射特性的远场辐射特性的远场辐射特性的远场辐射特性 图为典型图为典型图为典型图为典型LDLD的远场辐射特性，图中为分别为平行于结平面的远场辐射特性，图中为分别为平行于结平面的远场辐射特性，图中为分别为平行于结平面的远场辐射特性，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。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。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。和垂直于结平面方向的辐射角，整个光束的横

43、截面呈椭圆形。1.00.80.60.40.20 发射光功率P/mW 80 40 0 40 80 辐射角(度)相对光强 半导体激光器特性2三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性三、转换效率与输出光功率特性 激光器的电激光器的电激光器的电激光器的电光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率 半导体激光器特性2表表示示，其其定定义义为为在在阈阈值值电电流流以以上上，每每对对复复合合载载流流子子产产生生的光子数的光子数 4.4.3-1 由此得到由此得到 4.4.3-2 式式中中，P和和I分分别别

44、为为激激光光器器的的输输出出光光功功率率与与驱驱动动电电流流，Pth和和Ith分分别别为为对对应应的的阈阈值值，hf与与e分分别别为为光光子子能能量量与与电子电荷。电子电荷。激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用激光器的输出光功率通常用P-IP-I曲线表示，图曲线表示，图曲线表示，图曲线表示，图4.4.3-34.4.3-3为典型为典型为典型为典型LDLD的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当的光功率特性曲线。当 时，激光器发出的时，激光器发出的时，激光器发出的时，激光器发出的是自发辐射光，当是自发辐射光，当是自发辐射光，当是自发辐射光，当

45、 时，发出的是受激辐射光，光功时，发出的是受激辐射光，光功时，发出的是受激辐射光，光功时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。率随驱动电流的增加而增加。率随驱动电流的增加而增加。率随驱动电流的增加而增加。半导体激光器特性2543210 0 50 100 I/mA发射光功率P/mW典型典型LD的光功率特性曲线线的光功率特性曲线线 四、温度特性四、温度特性四、温度特性四、温度特性 温温温温度度度度变变变变化化化化将将将将改改改改变变变变激激激激光光光光器器器器的的的的输输输输出出出出光光光光功功功功率率率率，有有有有两两两两个个个个原原原原因因因因：一一一一是是是是激激激激光光光光器

46、器器器的的的的阈阈阈阈值值值值电电电电流流流流随随随随温温温温度度度度升升升升高高高高而而而而增增增增大大大大，二二二二是是是是外外外外微微微微分分分分量量量量子子子子效效效效率率率率随随随随温温温温度度度度升升升升高高高高而而而而减减减减小小小小。图图图图给给给给出出出出了了了了LDLD的的的的P-IP-I曲曲曲曲线线线线随随随随温温温温度度度度变变变变化化化化的实例。的实例。的实例。的实例。图图图图4.4.3-4 LD4.4.3-4 LD的的的的P-IP-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化曲线随温度的变化曲线随温度的变化 半导体激光器特性2543210 0 50 100 I/mA发射光功率P/mW 22 50 70 LD的封装方式同轴式双列直插式蝶形封装LD的应用 LD 的应用的应用 一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源一、光纤通信系统的光源 二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源二、光学测量系统的光源 三、其他应用三、其他应用三、其他应用三、其他应用