《光电检测技术》投影.ppt

《《光电检测技术》投影.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《光电检测技术》投影.ppt（63页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、光电检测技术 教 材：雷玉堂等，光电检测技术，北京：中国计量出版社，1997年第一版。参考文献：（1为基本要求；2为中等要求；3为高要求）1、缪家鼎，龚兆远等编，光电技术基础，杭州：浙江大学出版社，1988年第一版。2、钱浚霞，郑坚立编著，光电检测技术，北京：机械工业出版社，1993年第一版。3、图书馆有关参考书和期刊本门课学习方法1、认真听课并做好课堂笔记、课堂作业；2、考前认真复习课堂笔记、课堂作业。3、笔记中不清楚的地方或感兴趣处，去图书馆查参 考文献或互相交流，包括问；4、通过实验认识现代光电检测系统一个实例，实验 中要求再重温课堂有关内容；5、在图书馆至少找出一个运用光电检测解决工业

2、生 产中测控问题的实例，要求看懂；（其中1、2为基本要求；3、4为中等要求；5为较高要求）第1章 概 述1、什么是光电检测技术？2、光电检测技术有何优点？3、光电检测系统的基本构成4、五种光电变换的结构5、光电检测技术的发展趋势？1、什么是光电检测技术？将待测量的非电量信息变换成便于接收的光学信息，再利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示等。2、光电检测技术有何优点？是一种非接触式的检测方法，检测速度快，精度高，能自动、连续地进行检测，可进行遥测，可与计算机联接形成智能仪器，便于动态检测。3、光电检测系统的基本构成 光电检测系统由光电传感器，处理电路和显示控制三个

3、基本部分组成。光电传感器由光源、光学系统和光电探测器三部分组成。光电传感器是检测系统的核心部分，它以光为媒介，将各种待测量变换成电量（电压，电流或频率等）进行检测。4、五种光电变换的结构 A.反射式 镜面反射:光按一定方向反射，可用来判断光信号 的有无（典型用例：测量转速）。1光源2待测物3光电探测器 漫反射:接收到的光通量的大小与漫反射表面材料性 质，表面粗糙度及表面缺陷等有关，可检测 表面外观质量。B透射式 光通过待测物体，一部分光被吸收或散射另一部分光透射。用于检测液、气体浓度等。透射光通量入射光通量吸收系数介质厚度 dC辐射式 待测物体本身就是辐射源。光电探测器检测其辐射量的大小，以确

4、定待测量的大小。如辐射高温计、火警报警器和热成象仪等。D遮挡式 根据被遮挡光束的次数或被遮挡光通量的大小进行检测，如产品计数器、光控开关和防盗报警等。E干涉式 光束分成两路，一路为参考光，一路为测量光。用光电探测器检测干涉条纹信号。如检测位移、振动、折射率和液体浓度等。其检测灵敏度，精度很高，动态范围大，但成本高。5、光电检测技术的发展趋势？（1）非接触，小型化，集成化，数字化，智能化。（2）作为机器人视觉系统。（3）光导纤维传感器。可以解决传统检测技术难 以解决或无法解决的许多问题。如在噪声、干扰或污染严重的工业过程检测，在海洋、反应堆中（高温、高压、高辐射、化学腐蚀 等）。第2章 光的基础

5、知识 2.1 光到底是什么？五个阶段的认识：粒子说。代表人物：牛顿 波动说。代表人物：惠更斯 电磁波说。代表人物：麦克斯韦 光子说。代表人物：爱因斯坦 波粒二象性。目前的普遍观点电磁波说认为：光是一种电磁波。这可以解释光的反射，折射，干涉，衍射，偏振和光的传播现象等，但未能解释物质对光的吸收，色散和散射等。光子说认为：光由光量子组成。1905年爱因斯坦在普朗克1900年提出的辐射量子论的基础上提出了光量子概念，认为光由光量子组成，光量子具有波粒两重性，光子的能量E=h (h=6.62510Js)，每个光子以速度c传播，光子的波长c/。光在不同介质中的传播速度：v=c/n。光不论在什么介质中传播

6、，其频率总是不变的。在很多情况下，由于光子数巨大，使光的波动性占统治地位，例如，1mW的 He-Ne激光器每秒发射10个光子，发射光束可用平面波理论解释。光的波长范围：在整个电磁波谱中，波长从0.011000m范围内属于光学波段，包括紫外、可见光、红外光，人眼对波长为0.55m的黄绿光反应最敏感。2.2 光的反射、折射、吸收、色散和散射 正入射时可见光的反射率Rn：设光由n1向n2入射，有 例：空气n1，玻璃n1.5，得R4.3%。可见：对于构造复杂的光学系统，由于反射面过多，光能量的损失也是相当严重的。全反射时光能没有透射损失（几乎）。往往利用其来改变光线的传播方向。如光导纤维将光由一端传播

7、到另一端。光在金属的清洁磨光表面上一般有很强的反射。这与金属中存在密度很大的自由电子有关（1cm3中电子数约为1022数量级）。自由电子受到光场强迫振动会产生次波，这造成了强烈的反射波和较弱的透射波。红外辐射主要对自由电子发生作用，紫外辐射（频率较高）也可以对束缚电子发生作用，后者使反射能力下降，透射能力增强。银对红光和红外Rn90，对316nm附近紫外光Rn4.2。铝对紫外仍有相当高的反射率，抗腐蚀性好，常被用做反射镜的涂料。光的吸收。朗伯定律：I0:介质表面上辐射光强 （平面波：单位时间内通过垂直于传播方向的单位 面积的能量）。x:光在介质中传播距离:介质对光的吸收系数在0至1/深度内，辐

8、射光强被吸收了62.8，只剩约1/3的光强能继续传播，1/亦称透入深度。光的色散 不同波长的光被散开的现象称为色散。介质折射率n随波长变化。光的散射 光透过介质时，使一部分光离开了原来的方向，这种现象称为散射。1.均匀介质不会产生光的散射，光只能沿原来的方向传播。2.非均匀介质中有很多大质点时（其线度约等于光的波长），这些无规则排列的质点将引起丁达尔散射（例如悬浮液，胶体溶液，乳状液等介质）。3.由于介质中存在密度起伏，从而导致光的散射，其散射光强与波长四次方成反比（瑞利定律，瑞利散射），散射光的波长还是原来入射光的波长。大气散射是瑞利散射，这解释了天空为什么是蓝色的(波长较短的光易被散射)。

9、上述三种散射光，其波长与入射光相同，称为瑞利散射。此外还发现在散射光中，除有与入射光频率f0相同的瑞利散射外，在瑞利线的两侧还有频率为f0f1,f0f2,的散射线存在，这种散射称为喇曼散射。2.3 光的干涉、衍射和偏振 2.3.1 光的干涉 由同一光源发出的光，用适当的方法分成两部分，并使它们经不同的光程后相遇，相遇各点光强在某极大值和极小值之间变化(其极大值可超过两部分光强之和，其极小值可以是零)。这种现象称为光的干涉。明暗相间的条纹称为干涉条纹。两光波产生干涉的条件：两光波在相遇点有固定的相位差；两光波在相遇点振动方向一致。这是产生干涉的两个必要条件。产生明显的干涉现象须满足的两个补充条件

10、：两光波在相遇点振幅差不悬殊；两光波在相遇点光程差不太大。实际上光源所发出的光波是由一系列有限长的波列组成的。当两光波在相遇点的光程差很小时，两光波中有固定相位差的波列几乎同时作用于一点，能产生清晰的干涉，当光程差很大时，一光波的波列早已通过，而另一相应的波列尚未到达，两相应的波列间无重叠，因而无干涉现象出现。干涉条纹的清晰程度：实际中不可能得到 =1的干涉条纹。一般认为 0.8时，条纹是清晰的。2.3.2 光的衍射：当光在传播途中遇到障碍时，就会绕过它而继续前进，当障碍物（包括小孔）的大小和光波波长相近时，这种现象尤其明显，这种现象称为光的衍射。爱里斑：通过半径为a的圆孔的光，由透镜或反射镜

11、汇聚于焦面上时，得到的不是一个象点，而是一个衍射图形，中心光强最大(称爱里斑)，四周有若干最小和次最大光强形成的圆环，爱里斑直径对圆孔中心的张角为：光学系统成像的分辨率与此有关。2.3.3 光的偏振：如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随相位改变，这样的光叫线偏振光。从普通光源发出的光是具有一切可能的振动方向的许多光波的总和。从自然光中获得偏振光的几种方法：1、由反射和折射产生偏振光。当入射角满足1+2=2 (2为折射角)，发射光成为完全偏振光，其光矢量的振动垂直于入射面，这个2角叫起偏振角。利用玻璃表面可获得偏振光。若多片玻璃合成片堆，则有较强的光强度。2、由双折射产生偏振光。3、偏振

12、片产生偏振光。2.4 物体的辐射形式及黑体辐射定律 2.4.1 两种辐射形式 热辐射。物体只要维持一定的温度就能产生稳定的辐射，称热辐射（又称温度辐射或平衡辐射）。热辐射的光谱是连续的。任何物体在绝对温度零度以上都能产生热辐射。温度较低时辐射的是不可见的红外光，温度升高到500时开始辐射暗红色光，升高到1500时开始发白光。非平衡辐射。依靠其他一些激发过程来获得能量而维持的辐射。其光谱主要是线光谱和带光谱。2.4.2 黑体辐射：黑体：在任何温度下可以全部吸收任何波长辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体。基尔霍夫定律：用一根不导热的线将物体悬挂于黑体的空腔中（与腔壁热绝缘），如果腔壁保持恒定的温度，

13、则热交换最终使物体与腔温度相等，达到热平衡。令 (,T)为热平衡温度T时照射在物体上的光谱辐照度（即接收面上单位面积、单位时间所照射的辐射能），M (,T)为温度T时物体的辐射出射度（面辐射源表示单位面积、单位时间所发射的辐射能）。(,T)为热平衡温度T时物体的吸收比，则有：M (,T)(,T)(,T)若腔内还有物体2、3，则有：即所有物体的光谱辐射出射度与其吸收比的比值是相同的，等于空腔内的光谱辐照度。若物体为绝对黑体，则(,T)1，一般物体的(,T)总小于1，称为灰体。由此可见，灰体的光谱辐射出射度总是小于黑体的光谱辐射出射度。普朗克辐射公式：普朗克根据光的量子理论，推导出描述黑体辐射出射

14、度与波长、绝对温度之间的关系式：c1=2hc2=3.7410-16(Wm)c2=hc/k=1.4387910-2(mk)维恩位移定律：对普朗克辐射公式求导，可得不同温度下，黑体辐射最大光谱辐射出射度的峰值波长m的关系式：mhc/5k=2897（mk）例：室温下(300k)黑体的m10m，在中红外区；太阳表面温度约600k，其m0.5m，在人眼最灵敏区。斯蒂芬玻尔兹曼定律：黑体的总辐射出射度 例：T=300k时，460Wm-2 T=6000k时，7.36107 Wm-22.5 辐射度的基本物理量和光度的基本物理量 2.5.1 辐射度的基本物理量 A、光辐射度量 为了研究光辐射现象的规律，人们引入

15、了一组辐射度的基本物理量。1、辐射能Qe 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。当这些能量被物质吸收时，可以转换成其它形式的能量（如电能、热能等）。辐射能的单位是焦耳(J)。2、辐射能密度We 光源在单位体积内的辐射能称为光源的辐射能密度。它表征辐射能的空间特性。WedQe/dV 式中V为体积。辐射能密度单位是焦耳/立方米。3、辐射通量e 在单位时间内通过某一定面积的辐射能称为通过该面积的辐射通量。而光源在单位时间内辐射的总能量称为光源的辐射通量。辐射通量也称为辐射功率（用P表示）或辐射能流。edQe/dt 式中dQe是在dt时间内转移的单元能量。辐射通量的单位为瓦。4、辐射强度 Ie

16、 从一个点光源出发的，在单位时间内、单位立体角所辐射出的能量称为辐射强度（一个锥体的顶端在球心，底在球面上，底面积等于球半径的平方，这锥体所包的立体角就叫做单位立体角）。Iede/dw 式中de为辐射源在dw立方角内所辐射出来的辐射功率。辐射强度的单位是瓦/球面度(W/sr)。5、辐射出射度Me 辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率称为辐射出射度或称为辐射发射度。这是用来量度物体辐射能力的物理量。Mede/dA 式中,de为辐射体面积元dA向一切方向所发出的辐射通量。辐射出射度的单位是瓦/平方米。6、辐射亮度Le 由辐射表面定向发射的辐射强度称为辐射亮度。在与辐射表面dA的法线成角的方向上，辐

17、射亮度等于该方向上的辐射强度dIe与辐射表面在该方向上向垂直面上的投影面积之比。LedIe/dAcos 辐射亮度的单位为瓦/球面度(W/sr)。若Ie不随方向而变化，则Le 正比于cos,即 Le=Io.cos 这种光源称为余弦辐射体，也称为均匀漫反射体或朗伯体。除了黑体、灰体外，试验表明，抛毛乳白玻璃的透视光或发射光，抛毛乳白版的发射光以及氧化镁、硫酸钡等表面的发射光很接近理想的余弦辐射体。白雪对阳光的发射也很符合余弦辐射体的规律。对余弦辐射体，可以推出：MeLe 即余弦辐射体的辐射出射度在数值上为其辐射亮度的倍。7、辐照度Ee 为了评定辐射体对装置的作用，引入辐照度的概念，它表示单位面积内

18、所接收到的辐射通量。Eed e/dA 辐照度的单位为瓦/平方米（W/）。对于理想的散射面，满足条件MeLe B、光谱辐射度量（辐射量的光谱密度）为了表征辐射，不仅要知道辐射的总能量和强度，还应知道其光谱组份，因为光源发出的光，往往由许多波长的光组成，需要研究各种波长的光所分别辐射的能量。光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量。光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量称为光谱辐射通量e（）（曾称为辐射通量的光谱密度或单色辐射通量）。若在到d间隔内的辐射通量是de，则在波长处的光谱辐射通量为 e（）d e/d 若按整个光谱积分该函数，则可求得总辐射通量：与辐射通量的光谱密度函数e（）类似，其他辐射

19、度量的光谱密度函数表达式如下。光源发出的光每单位波长间隔内的辐射出射度称为光谱辐射出射度Me()=dMe/d 光源发出的光每单位波长间隔内的辐射强度称为光谱辐射强度I()=dI/d，光源发出的光每单位波长间隔内的辐射亮度称为光谱辐射亮度L()=dL/d，光源发出的光每单位波长间隔内的辐射照度称为光谱辐照度E()=dE/d，对这些函数积分,可以得到相应量的总辐射度量值：2.5.2 光度的基本物理量 除了特殊用途的光源（如红外光源和紫外光源）外，大量的光源是作为照明用的。由于照明的效果最终是以人眼来评定的，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参量即光度量来描述。光度量是人眼对相应辐射度的

20、视觉强度值。由于人眼对不同波长的光的感光灵敏度不一样，能量相同而波长不同的光，在人眼中引起的视觉强度不相同。1、光通量 光通量是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。若在波长到+d间隔内光源的辐射通量为 ，则光通量的表示式为:式中，Km为比例系数，V（）为人眼的光谱光视效率，积分限的变换是由于对波长小于380nm和大于780nm的不可见光，V（）=0。光通量的单位是流明（lm），辐射通量的单位是瓦（W）。Km=683流明/瓦（lm/W），称为最大光谱光视效能，它表示在波长为555mm处，与1W的辐射能通量相当的光通量为683lm。2、发光强度I 光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为光

21、源在该方向上的发光强度。发光强度的单位为坎德拉（cd）。坎德拉是国际单位制中7个基本单位之一。坎德拉的定义：坎德拉（cd）是一光源在给定方向上的发光强度。该光源发出频率为5401012赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。3、光出射度M 光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量，称为光源在该点的光出射度：M=d/dA 光出射度的单位为流明每平方米（lm/m2）。注意：所研究的光源表面不仅包括自身发光的光源（如白炽灯的灯丝）的表面，也可以是这些光源的象或自身并不发光而在受到光照后成为光源的表面。4、光照度E 被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的照度：

22、照度的单位为勒克斯（lx）（lm/m2）。对于点光源所产生的照度，满足距离平方反比定律：用点光源照明时，被照面的照度与光源的发光强度I成正比，而与被照面到光源的距离L的平方成反比：E=I/L2。如果被照面不垂直于光线方向，而其法线与光线的夹角为，由上式应改写成：E=Icos/L2，对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射度与光照度成正比，即M=RE。式中R为小于1的系数，称为漫反射率，与表面性质有关。5、光亮度 光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度：式中，为给定方向与面元法线间的夹角。亮度的单位为坎德拉

23、每平方米（cd/m2）。注意：不要把照度跟亮度的概念混淆起来。照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。6、光量Q 光通量对时间的积分称为光量:光量的单位为流明秒(lms)。2.5.3 辐射度参量与光度参量间的转换（1）、（2）、（3）、Km为光度参量对辐射度参量的转换常数（单位：lmW）。Km=683（lmW）例：色温为2859K的白炽灯，光视效能 K=17(lmW)，若辐射通量=100mW，则光通量=1.7(lm);若已知辐照度为 E

24、=10mW/,则光照度为E=1700(lx)。2.6 人眼的视觉灵敏度 1、明视光谱光视功率 正常人眼用各种单色辐射分别刺激，当刺激程度相同时，波长0.555m的光谱辐射亮度Le小于其它波长的光谱辐射亮度Le()。定义正常人眼的明视光谱光视功率V()为：2、暗视光谱光视效率 若以微弱的各种单色辐射刺激，则0.507m，最敏感，正常人眼的暗视光谱光视效率V()为：3、人眼的视觉灵敏度曲线 V()曲线称光视效率曲线，亦称视觉灵敏度曲线。视觉灵敏度曲线（正常人眼）2.7 光电检测技术中的常用光源 2.7.1 热辐射光源 使物体温度升到足够高而发光的光源。如白炽灯、卤钨灯等。它具有发射连续光源、波长范

25、围宽、价格便宜、使用方便等特点。真 空 钨 丝 白 炽 灯。钨 的 熔 点 约 为 3680K，光 效K10(lm/W)。充气钨丝白炽灯。光效K17(lm/W)。惰性气体可抑制钨的蒸发。卤钨灯。灯泡内充卤化物（氯化碘、溴化硼等），卤钨循环可使蒸发的钨又重新沉积在钨丝上，从而提高了灯的寿命。光效K30(lm/W)。卤钨灯体积小，是同功率白炽灯的0.53，可使检测装置小型化；卤钨灯光通量稳定，由于很好地克服了泡壳发黑，最终时的光通量仍为开始时的9598（而白炽灯只为初始时60）。卤钨灯紫外线丰富，可作为紫外辐射源。2.7.2 电致发光器件 发光二极管 1、发光二极管的结构 发光二极管（LED）是一

26、种注入式电致发光器件，它由P型和N型半导体组合而成。实际是将PN结管芯烧结在金属或陶瓷底座上，然后用透明环氧树脂封装而成。2、发光二极管的工作原理 当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p与n在PN结区相遇复合释放能量而发光。制作发光二极管的材料很多，某种材料具有不同掺杂时，可发出不同颜色的光。LED和白灯泡想比，有体积小、耐冲击、寿命长、功耗低、响应快、可靠性高、颜色鲜明、易和集成电路匹配等特点，因而获得了广泛的应用。3、LED的特性参数（1）LED的效率：用于非显示时，使用功率效率与光学效率，用于显示时，使用流明效率。功率效率：即将输入

27、的电功率转换成辐射的功率的效率。光学效率：即外量子效率与内量子效率的比。所谓量子效率是指注入载流子复合而产生的光量子的效率。由于内吸收和内反射等原因，使得产生的光量子不能全部射出。因此量子效率又分为内量子效率和外量子效率。发光效率（光度效率或流明效率）：它表示消耗单位电功率所得到的光通量。提高发光效率的方法是提高功率效率和照明效率（为辐射功率转换成光通量的效率）。（2）发光光谱。发光光谱是指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。发光光谱直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的流明效率。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和半强度宽度（称为半宽度）。对于辐射跃迁所发射的光

28、子，其波长与跃迁后的能量差之间的关系为,对于发光二极管，复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽度Eg。因此，发光二极管的峰值波长是由材料的禁带宽度决定的。（3）伏安特性。发光二极管的伏安特性如下图所示，它与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，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。反向击穿电压一般在-5V以上。（4）发光亮度与电流的关系。发光二极管的发光亮度B是单位面积发光强度的量度。发光亮度随电流密度近似成正比。发光二极管适合于在脉冲下使用，因为脉冲状态工作不易发热，在平均电流与直流相等的情况下可以得到更高的亮度。（5）寿命。发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度

29、一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于1A/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。（6）响应时间。在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，二极管的响应时间一般是很短的，为几个ns至几百个ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间所许可的范围内。3、发光二极管的应用 （1）数字、文字及图像显示。七段式数码管，是把管芯切成细条拼成如图所示的形状。工作时分别接通某些细条使其发光，使得到09十个可变换的数字。它已在数字手表

30、、数字钟和数字显示上得到广泛应用。1978年，日本三洋电机公司利用发光二极管底板代替显象管，制出了超薄型电视机。它是在的陶瓷线路板上，把6124个发光二极管配制成格子状，这些发光二极管可按照图像信号的幅度显示任一图像。目前，LED作为显示元件已发展到彩色和大面积显示，如市面上使用的电子商标及大屏幕显示等。（2）指示、照明。单个发光二极管还可以作仪器指示灯、示波器标尺、收音机刻度及钟表中的文字照明等。目前已有双色、多色甚至变色的单个发光二极管，如英国的将红、橙、绿三种颜色的管芯组装在一个管壳里以显示多种颜色的单个发光管。（3）光源。红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器中，LED作为信号光源多

31、用在光电检测中。（4）光电开关、报警、遥控、耦合。LED可用来制作光电开关、光电报警、光电遥控器及光电耦合器件等。2、氦氖激光器 氦氖激光器的工作物质:是氦氖混合气。主要发光物质是氖气，但仅用氖气，电离电压必须很高，所以要掺入适量的氦，首先使氦电离，然后利用氦气电离时产生的电子去电离氖气。氦氖气体激光器能够发出3种波长的谱线(即0.6328m、1.15m、3.39m)，其中最常见的是橘红色(0.6328m)的激光。氦氖激光器的突出优点：单色性好，单模稳频氦氖激光器的谱线宽度只有几埃，颜色非常纯，相干长度达几十km；方向性强，光束发散角很小，只有几毫弧度，激光束几乎是一条直线；结构简单、紧凑，稳

32、定性好；造价低廉，使用方便。He-Ne激光器的结构：He-Ne激光器以直流电源驱动，输出光功率可达0.315mW以上。从结构上有全外腔、全内腔和半内腔三种形式：全外腔激光器的放电管与腔反射镜完全分开，窗口密封镜片形成布儒斯特窗。其优点是：输出线偏振光；反射镜可以随时调整，适于多种实验要求；受温度影响较小等。其缺点是经常需要调整，而调整技术又比较复杂，因而使用不便。全内腔激光器的反射镜与放电管密封在一起。因此使用时不需要调整谐振腔，用起来比较方便。但腔管受温度影响较大，输出不稳定。半内腔激光器是一块反射镜与放电管固定在一起，另一块反射镜则和放电管分开。它具有上述两种结构的优点。3、半导体激光器（

33、）PN结型二极管注入式激光器 工作物质：工作物质种类很多，其中GaAs是第一种有激光作用的半导体材料，其它如PbS等，适当选择这些材料，可得到不同频率的激光。法布里泊罗共振腔：将工作物质制成PN结并切成长方块。为实现分布反转，结区的两侧都要求是重掺杂半导体材料，使费米能级分别进入导带及价带内。左右两侧是二极管的辐射输出端面，由一对相互平行的解理面或抛光面构成，并与结平面垂直，这对平面构成了端部反射器。其余的前后两面是粗糙的，用来消除主要方向以外的激光作用。这种结构叫法布里泊罗共振腔。然后焊上引出线，供给二极管的电流。工作原理：当PN结加上正向偏压后，势垒降低，外加电压V使N区和P区的费米能级分

34、开并分别进入导带和价带内。由于势垒降低，大量电子由N区越过势垒与P区的空穴复合，发射出能量等于的光子。空穴也可由P区流入N区与电子复合发射光子。当外加电压足够大，使时，在势垒区和它两侧一个扩散长度范围内将出现一个分布反转区，这就是发射激光的工作区。再加上端面反射反馈便会产生激光。阈值：在激光器中，要维持激光振荡，不仅需使光子的产生速率超过吸收速率，而且还要超过光子在结区的损耗率。这种刚好抵偿吸收与损耗的光子产生率叫阈值。阈值电流对温度很敏感。半导体激光器的阈值电流都比较高，由于激光器工作时需要的电流很大，电流经过结和串联电阻时，将使结的温度上升。所以阈值电压很高的激光器，通常用脉冲电流来激励，

35、以降低平均热损耗。（二）异质结激光器 由于PN结（同质结）激光器在室温下阈值电流很高，不能实现室温下的连续振荡，于是半导体激光器的研制由同质结过渡到异质结。单异质结激光器：在 的PN结上，用分子束外延或液相外延法得到 异质结。单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多，但在温度变化时，异质结激光器的阈值随温度的变化较小。为进一步降低阈值电流，实现室温下的连续振荡，研制了双异质结激光器。双异质结激光器：在 的一侧为N型 ，另一侧为P型 。作用区两侧具有对称性，因而激光作用区在N型或P型处皆可。双异质结激光器的阈值电流进一步降低到 ，实现了室温下的连续振荡。实验证明，阈值电流随温度的变化也较小。目前，异质结激光器的主要改进方向是进一步降低阈值电流密度和提高效率，以及获得与固体和气体激光器相近的光束相干性和方向性。另外，用其它半导体材料制做双异质结并扩展异质结激光器的光谱波段也是一个很重要的发展方向。