发光和光电耦合器.ppt

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1、关于发光与光电耦合器1第一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月2l l 光具有波粒二象性光具有波粒二象性l原子内有若干电子围绕原子核不断运动；运动有多种原子内有若干电子围绕原子核不断运动；运动有多种可能状态；不同运动状态的电子具有不同能量；当它可能状态；不同运动状态的电子具有不同能量；当它们的运动受到干扰时就可能发射出电磁波。们的运动受到干扰时就可能发射出电磁波。光的本质及产生光的本质及产生假假设设E0、E1为为电电子子的的两两个个运运动动状状态态，E0为为基基态态，电电子子受受激激获获得得一一定定能能量量而而跃跃迁迁到到激激发发态态E1，当当电电子子从从激激发发态态回回到到基基态态

2、时时，能能量量从从E1变变到到E0，此时发射光子的频率为：，此时发射光子的频率为：h为普朗克常数为普朗克常数第二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月3光源光源 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为的辐射。前者被称为热辐射热辐射，

3、后者称为，后者称为激发辐射激发辐射，激，激发辐射的光源常被称为发辐射的光源常被称为冷光源冷光源。第三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月4 l l 任何高于绝对温度任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。的物体都具有热辐射。l l 温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。l l 自然界中的任何物体都是热辐射体。自然界中的任何物体都是热辐射体。温温度度低低的的物物体体发发红红外外辐辐射射，500左左右右时时物物体体的的温温度度辐辐射射开开始始发发部部分分暗暗红红色色的的可可见见光光。温温度度越越高高，发发出出的的辐辐射射波波长长越越短短；大约

4、在大约在1500时的温度辐射体开始发白光。时的温度辐射体开始发白光。应应用用：热热辐辐射射是是红红外外探探测测技技术术和和温温度度非非接接触触测测量量的的依据依据。热辐射（温度辐射）热辐射（温度辐射）-连续光谱连续光谱第四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月5 激激励励可可以以使使发发光光物物质质产产生生光光，外外界界提提供供激激励励能能的的形形式式可可有有多多种种方方式式，常常用用的的有有以以下下几几种种方方法法：电电致致发发光光、光光致致发发光光、化学发光等化学发光等。1电致发光电致发光物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使

5、原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光。就会发出辐射。这一过程称为电致发光。例如：例如：发光二极管发光二极管所产生的光就是电致发光。所产生的光就是电致发光。激发辐射的产生方法激发辐射的产生方法 第五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月62光致发光光致发光物物体体被被光光直直接接照照射射或或预预先先被被照照射射而而引引起起自自身身的的辐辐射射称称为为光致发光。光致发光。例如：例如：l l荧光、示波管、显

6、象管、日光灯等中荧光物质的余辉；荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；l l钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射称为共振辐射)；l l短波长的紫外光照射到杂质短波长的紫外光照射到杂质(油污油污)上发出波长较长的可见荧光。上发出波长较长的可见荧光。光致发光原理光致发光原理当当光光投投射射到到物物质质上上时时，光光子子直直接接与与物物质质中中的的电电子子起起作作用用(吸吸收收、动动量量传传递递等等)，引引起起电电子子能能态态的的改改变变，电电子子由由高高能能态态跃跃迁迁到到低低能能态态过过程程中中发发出出辐辐射。射。第六张，PPT共一百三十二页，

7、创作于2022年6月73化学发光化学发光由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。实实际际上上，物物质质受受激激而而发发光光是是很很复复杂杂的的，有有些些同同属属几种受激过程。几种受激过程。总结：总结：温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。光谱为连续谱。热平衡状态的辐射。光谱为连续谱。激发辐射是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成激发辐射是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱

8、、带光谱和连续光谱。光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱。第七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月8l按照辐射来源不同，光源分为：自然光源与人工光按照辐射来源不同，光源分为：自然光源与人工光源。源。l按照光波在时间空间上的相位特征，一般将光源分成按照光波在时间空间上的相位特征，一般将光源分成相相干光源干光源和和非相干光源非相干光源。l按照发光机理，光源又可分成：按照发光机理，光源又可分成：热辐射光源，气体发热辐射光源，气体发光光源，固体发光光源和激光器光光源，固体发光光源和激光器四种。四种。光源的分类光源的分类第八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月9光源光源热辐

9、射光源热辐射光源气体放电光源气体放电光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器太阳太阳白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯黑体辐射器黑体辐射器汞灯、荧光灯、钠灯汞灯、荧光灯、钠灯氙氙(xian)(xian)灯、金属卤化物灯灯、金属卤化物灯氘氘(dao)(dao)灯、空心阴极灯灯、空心阴极灯场致发光灯场致发光灯发光二极管发光二极管气体激光器、固体激光器气体激光器、固体激光器染料激光器、半导体激光器染料激光器、半导体激光器由物体温度高于绝对零度而产生由物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热辐射光源。的物体热辐射，称为热辐射光源。由于物体在特定环境由于物体在特定环境下受外界能量激发而下受外界能量激发而

10、产生辐射，为激发辐产生辐射，为激发辐射，其光源被称为冷射，其光源被称为冷光源。光源。冷光源按激发方式分可冷光源按激发方式分可分为分为光致发光、化学发光、摩光致发光、化学发光、摩擦擦发光、阴极射线致发发光、阴极射线致发光、光、电致发光等。电致发光等。第九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月106.1 发光二极管的基本工作原理与特性发光二极管的基本工作原理与特性1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。近十年来，发光二极管

11、的发光效率及发光光谱都有示器。近十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。1.它体积小，重量轻，便于集成；它体积小，重量轻，便于集成；2.工作电压低，耗电少，驱动简便，容工作电压低，耗电少，驱动简便，容易用计算机控制；易用计算机控制；3.它既有单色性好的单色发光二极管，它既有单色性好的单色发光二极管，又有发白光的发光二极管；又有发白光的发光二极管；4.发光亮度高，发光效率高，亮度便发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整。于调整。第十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月11 发光二极管（即发光二极管（

12、即LED）是一种）是一种注入电注入电致发光致发光器件，它由器件，它由P型型和和N型半导体组合而成。型半导体组合而成。其发光机理常分为其发光机理常分为PN结结注入发光与注入发光与异质结异质结注入发光两种。注入发光两种。6.1.1 发光二极管的发光机理发光二极管的发光机理第十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月12由某原因激励到高能级的由某原因激励到高能级的粒子，没有外刺激的情况粒子，没有外刺激的情况下，自己跃迁到低能级，下，自己跃迁到低能级，发出光的现象发出光的现象自发辐射自发辐射E1E2h=E2-E1特征特征特征特征频率频率(波长波长),),相位相位,偏振偏振,传播方向是随机的传播

13、方向是随机的t激激励励作作用用原子模型原子模型第十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月13制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的的N区很多自由电子，区很多自由电子，P区有很多空穴。由于区有很多空穴。由于PN结阻挡层的结阻挡层的限制，在常态下，二者不能自然复合。限制，在常态下，二者不能自然复合。1.PN结注入发光结注入发光内电场内电场空间电荷区空间电荷区PN多子空穴多子空穴多子电子多子电子第十三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月14当加以正向电压时，当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过区导带中的电子可越过

14、PN结的势垒进入结的势垒进入P区。区。P区的空穴也向区的空穴也向N区扩散，于是电子与空穴有机会相遇，区扩散，于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在发生在p区。区。复合过程是电子从高能级跌落到低能级过程复合过程是电子从高能级跌落到低能级过程，这属于自发辐射，是非相干光。这属于自发辐射，是非相干光。光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强弱与电流，光的强弱与电流有关有关 内电场内电场空间电荷区空间电荷区PN多子空穴多子空穴多子电子多子电子第十四张，PPT共一百三

15、十二页，创作于2022年6月15电电子子和和空空穴穴复复合合，所所释释放放的的能能量量Eg等等于于PN结结的的禁禁带带宽宽度度（即即能能量量间间隙隙）。所所放放出出的的光光子子能能量量用用h表表示示，h为为普普朗朗克克常常数数，为光的频率。则为光的频率。则普朗克常数普朗克常数h=6.6 10-34J.s；光速；光速c=3 108m/s；Eg的单位为电子伏（的单位为电子伏（eV），），1eV=1.6 10-19J。hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长可见光的波长近似地认为在近似地认为在710-7m以下，所以制作发光以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大

16、于二极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c/=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为分别为0.67eV和和1.12eV，显然不能使用。，显然不能使用。第十五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月16电电子子和和空空穴穴复复合合时时放放出出能能量量的的大大小小，即即光光子子的的能能量量，取取决决于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度Eg(Eg=EEg(Eg=E1 1-E-E0 0)，放放出出的的能能量量越越大大，发发出出的的光光辐辐射射波波长就越短，即长就越短，即例如：例如：GaAs材料的禁带宽度材料

17、的禁带宽度Eg=1.43eV,则光辐射波长为：则光辐射波长为：第十六张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月17 半半导导体体内内还还因因为为存存在在微微量量杂杂质质而而发发生生导导带带杂杂质质能能级级、杂杂质质能能级级与与价价带带，以以及及杂杂质质能能级级之之间间的的跃跃迁迁，这这些些跃跃迁迁的的距距离离小小于于导导带带到到价价带带的的禁禁带带宽宽度度，并并在在禁禁带带宽宽度度附附近近的的能能级级区区域域。这这样样造造成成了了发发光光二二极极管管发发射射出出来来的的谱谱线线具具有有一一定定的的宽宽度度。由由此此可可见见，发发光光二二极极管管发发出出的的波波长长和和谱谱带带宽度主要取决于

18、发光二极管的半导体材料及其掺杂材料。宽度主要取决于发光二极管的半导体材料及其掺杂材料。在在LEDLED中，向各个方向发出的光是自发发射的。中，向各个方向发出的光是自发发射的。第十七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月18光输出光输出P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs反型异质结反型异质结同型异质结同型异质结图中图中P-GaAs（砷化镓）是复合区（砷化镓）是复合区（有源区），（有源区），它和相它和相邻的邻的P-AlxGa1-xAs（砷化镓掺铝）层构成同型异质结，而和（砷化镓掺铝）层构成同型异质结，而和N-AlyGa1-yAs构成反型异质结。这两个异质结起限制载流

19、子构成反型异质结。这两个异质结起限制载流子（电子和空穴）作用，是载流子有效的集中在（电子和空穴）作用，是载流子有效的集中在P-GaAs区内区内复合发光，故其内部量子效率非常高，这是半导体发光二极复合发光，故其内部量子效率非常高，这是半导体发光二极管所要求的。管所要求的。同时，将复合区夹在低折射率的两种半导体材料之间，同时，将复合区夹在低折射率的两种半导体材料之间，起到限制光子的作用。起到限制光子的作用。(2)双异质结注入发光双异质结注入发光 第十八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月19 按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发

20、射型边发射型 2.2.基本结构基本结构(1)面发光二极管面发光二极管有源区有源区圆形金属触点圆形金属触点SiO2绝缘层绝缘层SiO2绝缘层绝缘层金属化层金属化层热沉热沉双异质结层双异质结层衬底衬底限制层限制层接合材料接合材料金属化层金属化层光纤光纤圆形蚀刻孔圆形蚀刻孔 图所示为波长图所示为波长0.80.80.9m0.9m的双异质结的双异质结面发光型面发光型LEDLED的结构。的结构。有源发光区是圆形平有源发光区是圆形平面，直径约为面，直径约为50m。厚度小于厚度小于2.5m2.5m。一段光纤一段光纤(尾纤尾纤)穿过衬底上的小圆孔与有源穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入，用以接收有源发

21、光区平面射出发光区平面正垂直接入，用以接收有源发光区平面射出的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为散角均为120120。第十九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月20(2)边发光二极管边发光二极管 图图6-4所示为波长所示为波长1.3m的双异质结边发光型的双异质结边发光型LED的结构。它的核心部的结构。它的核心部分是一个分是一个N型型AIGaAs有源有源层，及其两边的层，及其两边的P型型AIGaAs和和N型型AIGaAs导光层导光层(限制层限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折。导光层的折射率比有源层低

22、，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从其端面射出。其端面射出。为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为为5070m，长度为，长度为100150m。边发光。边发光LED的方向性比面发的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为光器件要好，其发散角水平方向为2535，垂直方向为，垂直方向为120。第二十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月213.LED的特性参数的特性参数 (1)(1)发光光谱和发光效率发光光谱和发光效

23、率LED的发光光谱的发光光谱：指：指LED发出光的相对强度发出光的相对强度(或能量或能量)随波长随波长(或或频率频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱由材料的种类、性质以及发光中心的结构决它的发光效率。发射光谱由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的要参量是它的峰值波长峰值波长m和和发光强度的半宽度发光强度的半宽度。峰值波长由材料的禁带宽度决定：峰值波长由材料的禁带

24、宽度决定：mhc/Eg对大多数半导体材料由于折射率大，在发射光逸出半导对大多数半导体材料由于折射率大，在发射光逸出半导体之前，在样品内已经经过了多次反射，因为短波长比长体之前，在样品内已经经过了多次反射，因为短波长比长波长更容易被吸收，所以峰值波长对应的光子能量比禁带波长更容易被吸收，所以峰值波长对应的光子能量比禁带宽度对应的光子能量小些宽度对应的光子能量小些第二十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月22图图6-5给出了给出了GaAs0.6Po.4和和GaP的的发射光谱。当发射光谱。当GaAs1xPx中的中的x值不值不同时，峰值波长在同时，峰值波长在620680nm之之间变化，谱线

25、半宽度大致为间变化，谱线半宽度大致为2030nm。GaP发红光的峰值波长在发红光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为附近，半宽度大约为100nm。峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以在结温上升时，谱带波长以0.20.3nm/的比例向长波方向移的比例向长波方向移动。动。第二十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月23 LED的的发发光光效效率率：发发光光二二极极管管发发射射的的光光通通量量与与输输人人电电能能之之比比表表示示发发光光效效率率，单单位位lm/W；也也有有把把发发光光强强度度与与注注

26、入入电电流流之之比比称为发光效率，单位为称为发光效率，单位为cdA（坎（坎/安）。安）。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率内部量子效率:式中，式中，neo为每秒为每秒发射出的光子数发射出的光子数,ni为每秒注入到器件为每秒注入到器件的的电子数电子数,r是辐射复合的载流子寿命是辐射复合的载流子寿命,rn是无辐射复合是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有的载流子寿命。由式中可以看出，只有rnr，才能，才能获得有效的光子发射。获得有效的光子发射。第二十三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月24 光子通过半导体有一部分被吸

27、收，有一部分到达界面光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后因高折射率（折射系统的折射系数约为后因高折射率（折射系统的折射系数约为34）产生全反）产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。提高外部量子效率的措施：提高外部量子效率的措施：用用比比空空气气折折射射率率高高的的透透明明物物质质如如环环氧氧树树脂脂（n2=1.55）涂涂敷敷在发光二极管上；在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。外部量子效外部量子效率定义率

28、定义单位时间发射到单位时间发射到外部外部的光子数的光子数单位时间内注入到器件的单位时间内注入到器件的电子电子-空穴空穴对数对数第二十四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月25发光二极管的时间短于发光二极管的时间短于1s，比人眼的时间响应要，比人眼的时间响应要快得多，但用作光信号传递快得多，但用作光信号传递时，响应时间又显得太长。时，响应时间又显得太长。如图，通常发光二极管的如图，通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升外部发光效率均随温度上升而下降。而下降。(2)(2)时间响应特性与温度特性时间响应特性与温度特性时间响应特性与温度特性时间响应特性与温度特性第二十五张，PPT共一百三十

29、二页，创作于2022年6月26(3)(3)发光亮度与电流的关系发光亮度与电流的关系 发光二极管的发光亮度发光二极管的发光亮度L是单位是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发面积发光强度的量度。在辐射发光发生在生在P区的情况下，发光亮度区的情况下，发光亮度L与电与电子扩散电流子扩散电流idn之间的关系为之间的关系为(6-3)式中，式中，是载流子辐射复合寿命是载流子辐射复合寿命r和和非辐射复合寿命非辐射复合寿命nr的函数的函数 如图如图6-7所示为所示为GaAsl-xPx、Gal-xAlxAs和和GaP(绿色绿色)发光二极管发光二极管的发光亮度与电流密度的关系曲线。的发光亮度与电流密度的关系曲线。第

30、二十六张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月27(4)(4)最大工作电流最大工作电流若若LED的最大功耗为的最大功耗为Pmax，则其最大的电流为，则其最大的电流为(6-4)式中，式中，rd为为LEDLED的内阻；的内阻；If、Uf均为它在较小电流时的电流和压降均为它在较小电流时的电流和压降.若工作电流较小，若工作电流较小，LED发光效率随发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。反，发光效率随电流的增大而降低。图图6-8所示为发红光的所示为发红光的GaP发光二

31、极管发光二极管内量子效率内量子效率in的相对值与电流密度的相对值与电流密度J及及温度温度T的关系。随着电流密度的增的关系。随着电流密度的增加，加，pn结温度升高结温度升高,将导致热扩散，使发光效率降低。将导致热扩散，使发光效率降低。第二十七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月28(5)(5)伏安特性伏安特性LED的伏安特性如图的伏安特性如图6-9所示所示,它与它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。这超过开启点就显示出欧姆导通特性。这时，正向电流与电压的

32、关系为时，正向电流与电压的关系为 iioexp(U/mkT)(6-5)式中，式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流iE1)的的原原子子数分别为数分别为N1和和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布 式式中中，k=1.38110-23J/K，为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T为为热热力力学学温温度度。由由于于(E2-E1)0，T0，所所以以在在这这种种状状态态下下，总总是是N1N2。这这是是因因为电子总是首先占据低能量的轨道。为电子总是首先占据低能量的轨道。第五十六张，PPT共一百三十二页，创作于2022

33、年6月57 受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射的的速速率率分分别别比比例例于于N N1 1和和N N2 2，且且比比例例系系数数(吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率)相等。相等。如如果果N1N2，即即受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当当光光通通过过这这种种物物质质时时，光强按指数衰减，光强按指数衰减，这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。如如果果N2N1，即即受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收，当当光光通通过过这这种种物物质质时时，会产生放大作用，这种物质称为会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。N2N1的分布，和正常状态的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，的

34、分布相反，所以称为粒子所以称为粒子(电子电子)数反转分布。数反转分布。导带导带价带价带导带导带价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布第五十七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月58问题问题:怎样实现粒子数反转？怎样实现粒子数反转？用用外外界界作作去去激激发发处处在在低低能能级级的的原原子子，使使原原子子处处在在高高能能级级上上，实实现现粒粒子子数数反反转转分分布布。这这种种用用来来激激发发低低能能级级原原子子向向高能级跃迁的作用称高能级跃迁的作用称泵浦泵浦。泵浦方法：泵浦方法：固体激光器：光谱适当地强光灯；固体激光器：光谱适当地强光灯；气体激光器：气体电离；气体激光器：气体电离；气

35、体激光器：气体电离；气体激光器：气体电离；半导体激光器：注入载流子。半导体激光器：注入载流子。第五十八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月593.3.谐振腔谐振腔激励能源激励能源 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）；2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。第五十九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月606.3 半导体激光器半导体激光器6.3.1半导体激光器（半导

36、体激光器（LaserDiode）的发光原理）的发光原理半半导导体体激激光光器器也也称称为为激激光光二二极极管管(LD)(LD)，是是一一种种光光学学振振荡荡器。器。谐振腔：谐振腔：半导体介质的自然解理面半导体介质的自然解理面 构成平行平面腔构成平行平面腔 泵浦源：泵浦源：通常采用电压很低通常采用电压很低的直流电源的直流电源激光工作物质激光工作物质：直接带隙半导体材料直接带隙半导体材料-砷化稼砷化稼(GaAs)(GaAs)、砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、铝稼砷、铝稼砷(A1(A1x xGaAs)GaAs)、铟磷砷、铟磷砷 (InP(InPx xAs)As)等等等等第六十张，PPT共一百三

37、十二页，创作于2022年6月61光光增增益益ECEV1.1.半导体激光器发光机理半导体激光器发光机理（1 1）激光介质的增益系数）激光介质的增益系数g g第六十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月62 若若入入射射光光强强为为I I0 0，在在激激光光介介质质内内传传播播至至z z处处的的光光强强为为I I，传传播播至至z+dzz+dz处处的的光光强强为为I+dII+dI，则则我我们们定定义义激光介质的增益系数激光介质的增益系数g g为：为：g=dI/(IdZ)光穿过厚度为光穿过厚度为dzdz介质的情况介质的情况因因此此激激光光介介质质的的增增益益系系数数g就就是是光光通通过过单单

38、位位长长度度激激光光介介质后光强的相对增长率。质后光强的相对增长率。第六十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月63（2 2）激光介质的损耗）激光介质的损耗 实实际际上上，介介质质的的光光损损耗耗就就是是对对光光的的负负增增益益。因因此此激激光光介介质质的的损损耗耗系系数数:就就是是光光通通过过单单位位长长度度激激光光介介质质后后光光强强相相对对衰衰减减率率。只只有有当当增增益益大大于于或或者者等等于于损损耗耗时时，才才能能建建立立起起稳稳定定的的振振荡荡，这这一一增增益益称称为为阈阈值值增增益益。为为达达到到阈阈值值增增益益所所要要求求的的注注入入电电流流称称为为阈值电流。阈值电流

39、。a.a.介介质质的的不不均均匀匀性性造造成成光光线线的的折折射射或或散散射射，使使得得光光线线偏偏离离轴轴线线方方向向飞飞出出腔腔外外。气气体体激激光光器器中中这这类类损损耗耗较较小小，固固体体激激光光器器中中这类损耗较大。这类损耗较大。b.b.介介质质中中存存在在某某些些能能级级差差正正好好与与激激光光频频率率对对应应，引引起起光光子吸收。子吸收。在光增益的同时，激光介质也有一定的光损耗。在光增益的同时，激光介质也有一定的光损耗。第六十三张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月64（3 3）如如果果粒粒子子数数不不随随传传播播距距离离z z而而变变化化 ，则则增增益益系系数数g是一个

40、常数，并称为小信号增益系数。则是一个常数，并称为小信号增益系数。则 I=I0egz可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律增长可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律增长问题：光在介质中的放大一直持续下去？问题：光在介质中的放大一直持续下去？不不会会。因因为为每每经经过过一一次次受受激激跃跃迁迁，粒粒子子数数反反转转程程度度都都要要降降低低，当当增增益益不不再再超超过过损耗时，放大就停止。损耗时，放大就停止。第六十四张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月65 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜镜(解理面）按特定的方式组

41、合而成。解理面）按特定的方式组合而成。作用：作用：提供正反馈和增益提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。维持受激辐射的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。出激光具有一定的定向性和单色性。谐振腔谐振腔在激光物质的两测放置相互平行的反射面。作用是在激光物质的两测放置相互平行的反射面。作用是在激光物质的两测放置相互平行的反射面。作用是在激光物质的两测放置相互平行的反射面。作用是让所选光能在其内反复振荡而加强让所选光能在其内反复振荡而加强让所选光能在其内反复振荡而加强让所选光能在其内反复振荡而加强

42、。光在共振腔内获得增益，当。光在共振腔内获得增益，当。光在共振腔内获得增益，当。光在共振腔内获得增益，当腔内增益大于损耗，产生激光振荡。腔内增益大于损耗，产生激光振荡。腔内增益大于损耗，产生激光振荡。腔内增益大于损耗，产生激光振荡。第六十五张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月66增益增益 损耗损耗增益增益 损耗损耗增益增益=损耗损耗增益和损耗增益和损耗第六十六张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月67LDLD的发光过程的发光过程l注入电流，即注入载流子；注入电流，即注入载流子；l在在有有源源区区形形成成粒粒子子数数反反转转，导导带带电电子子不不稳稳定定，少少数数电电子自发跃迁

43、到价带，产生光子；子自发跃迁到价带，产生光子；l1 1个个光光子子被被导导带带中中电电子子吸吸收收跃跃迁迁到到价价带带，同同时时释释放放出出2 2个个相相干干光光子子，持持续续这这个个过过程程，直直到到释释放放出出多多个个相相干干光光子子，即在合适的腔内振荡放大；即在合适的腔内振荡放大；l光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LDLD开始工作。开始工作。第六十七张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月682.2.激光器工作模式激光器工作模式 在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变以平面平行腔为例以平面平行腔为

44、例:设设M1M1点处光电场为：点处光电场为：在长度为在长度为L L，功率增益系数为，功率增益系数为g,g,光腔往返一次后，为：光腔往返一次后，为：由介质增益导致振幅变化为：由介质增益导致振幅变化为：考虑激光器内介质吸收和散射损耗：考虑激光器内介质吸收和散射损耗：R1R1和和R2R2为端面反射率，为端面反射率，intint为腔内总损耗率，为腔内总损耗率，为平面波的波数为平面波的波数第六十八张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月69在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变有有:令两边振幅和相位分别相等，则：令两边振幅和相位分别相等，则：振幅条

45、件：振幅条件：（m m为整数）为整数）相位条件相位条件：第六十九张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月70激光器稳定工作的相位条件：激光器稳定工作的相位条件：m m为整数为整数2kL=2m波数波数k=2nv/cL L为光腔长度为光腔长度n n为增益介质折射率为增益介质折射率激光器振荡频率激光器振荡频率vm=mc/2nL c/(2nL)满足相位条件的纵模分布满足相位条件的纵模分布这这些些频频率率对对应应于于激激光光器器的的纵纵向向模模式式，和和光光腔腔长长度有关度有关第七十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月71 显然产生激光要满足显然产生激光要满足阈值条件阈值条件和和相位条件

46、相位条件。激光器稳定工作的振幅条件激光器稳定工作的振幅条件：只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为这一增益称为阈值增益，阈值增益，理论推出在谐振腔内开始建立稳定的理论推出在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为。激光振荡的阈值条件为。式式中中，g为为阈阈值值增增益益系系数数，int为为谐谐振振腔腔内内激激活活物物质质的的损损耗耗系数，系数，L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，R1，R20、EG0EGEA+_R当可控硅阳极加正向电压当可控硅阳极加正向电压E E E EA A A A时时 ，一旦有足够的门极电，一旦有足

47、够的门极电流流I IG G流入时，就形成强烈的正流入时，就形成强烈的正反馈，即：反馈，即：IB2IC2(=2IB2)IB1IC1(1IB1)晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持依靠正反馈，仍可维持导通状态。导通状态。第一百二十张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月121可控硅的特性：可控硅的特性：可控硅象二极管一样，具有单向导电性。可控硅象二极管一样，具有单向导电性。电流只能从阳极流向阴极。电流只能从阳极流向阴极。当阳极与阴极之间加上反向当阳极与阴极之间加上反向偏压时，只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极，可控硅偏压时，只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极，可控硅

48、处于反向阻挡状态。处于反向阻挡状态。与二极管不同的是，可控硅具有正向导通的可控特性与二极管不同的是，可控硅具有正向导通的可控特性 当阳极加上正向电压时，元件还不能导通，呈正向阻断状当阳极加上正向电压时，元件还不能导通，呈正向阻断状态，这是二极管不具有的。要使可控硅正向导通除了阳极加上态，这是二极管不具有的。要使可控硅正向导通除了阳极加上正向电压外，还必须同时在门极和阴极之间加上一定的正向门正向电压外，还必须同时在门极和阴极之间加上一定的正向门极电压极电压U UG G，有足够的门极电流，有足够的门极电流I IG G流入。门极对元件能否正向流入。门极对元件能否正向导通起控制作用。当可控硅加上正向阳

49、极电压后，门极加导通起控制作用。当可控硅加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压，使可控硅导通的过程称为上适当的正向门极电压，使可控硅导通的过程称为触发触发。第一百二十一张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月122可控硅一旦触发后，门极对它将失去控制作用。可控硅一旦触发后，门极对它将失去控制作用。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。因此在门因此在门极只极只要加正向脉冲电压即可，称为触发电压。门极在要加正向脉冲电压即可，称为触发电压。门极在一定条件可使可控硅导通，但无法使其关断。一定条件可使可控硅导通，但无法使其关断。晶闸管关断的条件：晶闸管关断

50、的条件：1.1.可降低阳极电源或增大负载电阻，使流过它的阳极电流可降低阳极电源或增大负载电阻，使流过它的阳极电流IaIa减小，当电流减小，当电流IaIa减小到一定值时（约几十毫安，称减小到一定值时（约几十毫安，称为维持电流为维持电流I IH H），正反馈效应不能维持，电流会突），正反馈效应不能维持，电流会突然降到零。然降到零。2.2.将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相阳极和阴极间加反相电压。电压。第一百二十二张，PPT共一百三十二页，创作于2022年6月123U2UgUdttt0t1t2t3t4t5KU2IaUaUgUdRdEg第一百二十三张，PPT共一