光電系統(tǒng)的常用光源

1、 愛(ài)因斯坦根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合普朗克愛(ài)因斯坦根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合普朗克 能量子假說(shuō)能量子假說(shuō), 提出了光量子理論：提出了光量子理論： 光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的光子流光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的光子流, 以電磁波方以電磁波方 式傳播的粒子。式傳播的粒子。 光子和其它基本粒子一樣光子和其它基本粒子一樣,具有能量、動(dòng)量具有能量、動(dòng)量 和質(zhì)量。和質(zhì)量。 它的粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和波它的粒子屬性（能量、動(dòng)量、質(zhì)量等）和波 動(dòng)屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系滿(mǎn)動(dòng)屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系滿(mǎn) 足：足： 光子的基本特性光子的基本特性 ；、 2 ) 1 ( h hE , 2 )2( 2 c h

2、c E m 、 靜止質(zhì)量為零；光子具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，但 h P 、)3( 0 i s q Sd E dt d ld E m L 0 Sd B s dt d l d B e L 00 變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電 場(chǎng)場(chǎng) 電磁波譜與光輻射電磁波譜與光輻射 發(fā)光二極管 半導(dǎo)體激光器 染料激光器 固體激光器 氣體激光器 激光器 氘燈 氙燈 金屬鹵化物燈 鈉燈 汞燈 氣體放電光源 白熾燈、鹵鎢燈 太陽(yáng)、黑體輻射器 熱輻射光源 光源 1.1 1.1 輻射度學(xué)與光度學(xué)的輻射度學(xué)與光度學(xué)的 介紹描述光輻射的一套參量介紹描述光輻射的一套參量 一、輻射度的基本物理量一、輻射度

3、的基本物理量 1.1.輻射能輻射能 單位為單位為J J（焦耳）（焦耳） 2.2.輻射通量輻射通量 又稱(chēng)輻射功率又稱(chēng)輻射功率 單位為單位為W W（瓦、焦耳每秒）（瓦、焦耳每秒） 3.3.輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度 描述點(diǎn)輻射源描述點(diǎn)輻射源 的輻射功率在不同方向上的分布。的輻射功率在不同方向上的分布。 e Q e , e I 基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) ( , ) e e d I d 單位單位: （瓦每球面度）（瓦每球面度） W sr 4.4.輻射出射度輻射出射度 與輻射亮度與輻射亮度 e M, e B e e d M dS 單位：?jiǎn)挝唬?（瓦每平方米）（瓦每平方米） 2 W m 2 ( , ) ( , coscos

4、 ee e ddI B dSddS ） 單位：?jiǎn)挝唬?（瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米） 2 W sr m 的定義的定義 的定義的定義 e M , e B 5.5.輻射照度輻射照度 eL e e d L dS 單位：?jiǎn)挝唬?（瓦每平方米）（瓦每平方米）2 W m 6.6.光譜輻射量光譜輻射量 輻射量的光譜密度，輻射量隨波長(zhǎng)的變化率輻射量的光譜密度，輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。 光譜輻射通量光譜輻射通量 與波長(zhǎng)的關(guān)系與波長(zhǎng)的關(guān)系 ( ) e () e e d d 0 ( ) ee d 其它輻射度量都有類(lèi)似關(guān)系其它輻射度量都有類(lèi)似關(guān)系。 二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量 1.1.光譜光視效率

5、光譜光視效率V():V(): 人眼對(duì)各種光波長(zhǎng)的人眼對(duì)各種光波長(zhǎng)的 相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度 詳見(jiàn)表詳見(jiàn)表1.11.1 2.2.光度量光度量 光度量與輻射度量是一一對(duì)應(yīng)的。光度量與輻射度量是一一對(duì)應(yīng)的。 輻射度輻射度量量是客觀物理量，是客觀物理量， 光度量體現(xiàn)了人的視覺(jué)特性。光度量體現(xiàn)了人的視覺(jué)特性。 1 1）光能）光能 單位：?jiǎn)挝唬簂mlms（流明（流明秒秒） 2 2）光通量）光通量 單位：?jiǎn)挝唬簂m lm （流明）（流明） 3 3）發(fā)光強(qiáng)度）發(fā)光強(qiáng)度 單位：?jiǎn)挝唬篶dcd（坎德拉）（坎德拉） 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度 是光度量中最基本的單位。在明視覺(jué)時(shí)，規(guī)定：是光度量中最基本的單位。在明視覺(jué)時(shí)，規(guī)定：

6、 時(shí)，時(shí)， v v d I d v Q v v I v I 555nm 11 1 683 lm W cd sr sr 即：即：1W = 683 lm 1W = 683 lm 此時(shí)，此時(shí)，V(V(）=1 =1 555nmV(V(）1 1W 1 1W 683 lm683 lm 時(shí)，時(shí)， 可見(jiàn)，輻射通量與光通量之間的換算關(guān)系：可見(jiàn)，輻射通量與光通量之間的換算關(guān)系： 1W = 683 V(1W = 683 V(）lmlm ，定義：定義：Km = 683 lmKm = 683 lm /W/W ( )( )( ) vme K V 0 ( )( ) vme KVd 有關(guān)系式：有關(guān)系式： 4 4）光出射度）光

7、出射度 與光亮度與光亮度 v M v B v v d M dS 單位：?jiǎn)挝唬簂mlm /m/m2 2 2 coscos vv v ddI B dSddS 單位：?jiǎn)挝唬?cd/mcd/m2 2 實(shí)用單位：實(shí)用單位：sb(sb(熙提熙提) ) 1sb = 1sb = 10104 4cd/mcd/m2 2 5)5)光照度光照度 v L v v d L dS 單位：?jiǎn)挝唬簂xlx（勒克斯）（勒克斯） 1lx = 1lm/m1lx = 1lm/m2 2 普適關(guān)系式：普適關(guān)系式： 0 ( )( ) Vme XKVXd 三、光源的輻射效率與發(fā)光效率三、光源的輻射效率與發(fā)光效率 2 1 ( ) e e e d

8、 PP 0 ( ) ( ) me v v KVd PP 輻射效率輻射效率 發(fā)光效率發(fā)光效率 單位：?jiǎn)挝唬?lm/Wlm/W l例如，對(duì)于色溫為例如，對(duì)于色溫為 2856 K2856 K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效 能為能為17lm/W17lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為e e 100W100W時(shí)，其光通量為時(shí)，其光通量為 v v = 1710lm = 1710lm。 l 由此可見(jiàn)，色溫越高的輻射體，它的可見(jiàn)光的由此可見(jiàn)，色溫越高的輻射體，它的可見(jiàn)光的 成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢 絲燈的

9、供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見(jiàn)絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見(jiàn) 光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測(cè)光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測(cè) 光照度時(shí)，照度將顯著下降光照度時(shí)，照度將顯著下降。 1.2 1.2 熱輻射光源熱輻射光源 一、理想的熱輻射光源一、理想的熱輻射光源 (，T)=1 T)=1 絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體 在熱平衡條件下在熱平衡條件下 , ebeb MTT LT 絕對(duì)黑體熱輻射能力最強(qiáng)。絕對(duì)黑體熱輻射能力最強(qiáng)。 由于內(nèi)部原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)由于內(nèi)部原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn) 生輻射的光源生輻射的光源 輻射光譜是連續(xù)光譜輻射光譜是連續(xù)光譜 2 1 5 ( ,

10、 (1) eb cT c MT e ）普朗克公式普朗克公式 5 m hc kT 4 0 , ebeb MTMT dT 維恩位移維恩位移 定律定律 斯蒂芬斯蒂芬玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 隨著溫度隨著溫度T的升高，的升高， 峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng) 向短波方向移動(dòng)，向短波方向移動(dòng)， 總出射度總出射度 迅速增加迅速增加。 m eb MT 絕對(duì)黑體的溫度決定了它的絕對(duì)黑體的溫度決定了它的 輻射光譜輻射光譜分分布布 灰體：灰體：(，T)T)1 1的熱輻射光源，的熱輻射光源， 具有與具有與絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體類(lèi)似的輻射規(guī)律。類(lèi)似的輻射規(guī)律。 色溫；相關(guān)色溫色溫；相關(guān)色溫 1.1.太陽(yáng)與黑體輻射器太陽(yáng)與黑體輻射器 二、

11、實(shí)際的熱輻射光源二、實(shí)際的熱輻射光源 太陽(yáng)的光譜分布太陽(yáng)的光譜分布 非常接近于非常接近于絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體 黑體輻射器：黑體輻射器： 科學(xué)制作的小孔科學(xué)制作的小孔 空腔結(jié)構(gòu)，可以空腔結(jié)構(gòu)，可以 很好地實(shí)現(xiàn)絕對(duì)很好地實(shí)現(xiàn)絕對(duì) 黑體的輻射功能。黑體的輻射功能。 常用作標(biāo)準(zhǔn)光源，常用作標(biāo)準(zhǔn)光源， 最高工作溫度是最高工作溫度是 3000K3000K。 2.2.白熾燈與鹵鎢燈白熾燈與鹵鎢燈 灰體灰體 鎢絲做燈絲鎢絲做燈絲 玻璃泡殼玻璃泡殼; ;色溫約色溫約2800K,2800K,輻射光譜約輻射光譜約0.40.43 3m m。 可見(jiàn)光占可見(jiàn)光占6 612%12%，用于照明；，用于照明； 加紅外濾光片可作為近

12、紅外光源。加紅外濾光片可作為近紅外光源。 石英泡殼石英泡殼; ;泡殼內(nèi)充入微量鹵族元素或其化合物泡殼內(nèi)充入微量鹵族元素或其化合物 （如溴化硼）（如溴化硼）; ;形成鹵鎢循環(huán)。形成鹵鎢循環(huán)。 色溫色溫3200K3200K以上以上, ,輻射光譜為輻射光譜為0.250.253.5m3.5m。 發(fā)光效率可達(dá)發(fā)光效率可達(dá)30lm/W(30lm/W(為白熾燈的為白熾燈的2 23 3倍倍) )， 作儀器白光源作儀器白光源. . 鹵鎢燈鹵鎢燈 白熾燈白熾燈 1.3 1.3 氣體放電光源氣體放電光源 發(fā)光機(jī)理：發(fā)光機(jī)理：氣體放電。氣體放電。 泡殼：用玻璃或石英等材料制造；泡殼：用玻璃或石英等材料制造； 電極：陰

13、極、陽(yáng)極或不區(qū)分（交流燈）電極：陰極、陽(yáng)極或不區(qū)分（交流燈） 泡殼內(nèi)充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸汽、泡殼內(nèi)充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸汽、 金屬化合物蒸汽、惰性氣體金屬化合物蒸汽、惰性氣體 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 氣體放電光源的特點(diǎn)：氣體放電光源的特點(diǎn)： 1 1）發(fā)光效率高）發(fā)光效率高, ,節(jié)能。節(jié)能。 2 2）電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。）電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。 3 3）壽命長(zhǎng)，比白熾燈長(zhǎng)）壽命長(zhǎng)，比白熾燈長(zhǎng)2 21010倍。倍。 4 4）輻射光譜可以選擇，只要選用適當(dāng)）輻射光譜可以選擇，只要選用適當(dāng) 的發(fā)光材料。的發(fā)光材料。 一、汞燈一、汞燈 泡殼內(nèi)充汞蒸汽泡殼內(nèi)充汞蒸汽 1.1.低壓汞燈：低壓汞

14、燈： 作作253.7nm253.7nm紫外光源；紫外光源； 作熒光燈（作熒光燈（日光燈）。日光燈）。 2.2.高壓汞燈：高壓汞燈： 可見(jiàn)輻射加強(qiáng)，呈帶狀可見(jiàn)輻射加強(qiáng)，呈帶狀 光譜，可作光譜，可作高效照明光源。高效照明光源。 3.3.球形超高壓汞燈：球形超高壓汞燈： 很好的藍(lán)綠光點(diǎn)光源。很好的藍(lán)綠光點(diǎn)光源。 二、鈉燈二、鈉燈 泡殼內(nèi)充的是氖氬混合氣體泡殼內(nèi)充的是氖氬混合氣體 與金屬鈉滴。與金屬鈉滴。 低壓鈉燈：低壓鈉燈：發(fā)出波長(zhǎng)發(fā)出波長(zhǎng)589nm589nm、589.6nm 589.6nm 兩條譜線的單色光源。兩條譜線的單色光源。 高壓鈉燈：高壓鈉燈：接近白光，亮度高，用于照明光源。接近白光，亮度

15、高，用于照明光源。 三、金屬鹵化物燈三、金屬鹵化物燈 泡殼內(nèi)充的是泡殼內(nèi)充的是 金屬鹵化物氣體。金屬鹵化物氣體。 通過(guò)通過(guò)金屬金屬 鹵化物循環(huán)，鹵化物循環(huán)， 提供足夠的提供足夠的 金屬原子金屬原子 氣體。氣體。 鉈燈（碘化鉈）：鉈燈（碘化鉈）：綠光，峰值綠光，峰值535nm535nm。 鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：色溫色溫6000K6000K。 鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）：鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）： 近白色光源近白色光源, , 色溫色溫5500K5500K。 四、氙燈四、氙燈 泡殼內(nèi)充的是是惰性氣體泡殼內(nèi)充的是是惰性氣體氙。氙。 色溫色溫6000K6000

16、K，亮度高，被稱(chēng)為，亮度高，被稱(chēng)為“小太陽(yáng)小太陽(yáng)”，壽命長(zhǎng)。，壽命長(zhǎng)。 長(zhǎng)弧氙燈長(zhǎng)弧氙燈: : 短弧氙燈短弧氙燈: : 脈沖氙燈脈沖氙燈: : 日光色點(diǎn)光源日光色點(diǎn)光源 大范圍照明大范圍照明 光源光源 脈沖脈沖時(shí)間極短（時(shí)間極短（nSnSpS)pS)，光很強(qiáng)，光很強(qiáng), ,用于用于 光泵、光信號(hào)源、光泵、光信號(hào)源、照相制版、高速攝影照相制版、高速攝影 五、氘燈五、氘燈 泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣 燈燈的紫外輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，的紫外輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)， 常用作連續(xù)紫外光源（常用作連續(xù)紫外光源（185185400nm400nm）。）。 1.4 1.4 激光器激

17、光器 一、激光器概述一、激光器概述 2020世紀(jì)世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類(lèi)激光的誕生標(biāo)志著人類(lèi) 對(duì)光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)對(duì)光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè) 嶄新的階段。嶄新的階段。 激光器的激光器的 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 激光形成 激光形成 機(jī)理機(jī)理 電泵浦或光泵浦；電泵浦或光泵浦； 造成工作物質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布造成工作物質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ， 自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射；自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射； 諧振腔對(duì)輻射光波選頻放大。諧振腔對(duì)輻射光波選頻放大。 激光的激光的 優(yōu)越性?xún)?yōu)越性 高亮度、高方向性、高單色性高亮度、高方向性、高單色性 和高度的時(shí)間空間相干性和高度的時(shí)間空間相干性 已有數(shù)百種激光器，輸出波長(zhǎng)從近紫

18、外直到已有數(shù)百種激光器，輸出波長(zhǎng)從近紫外直到 遠(yuǎn)紅外，輻射功率從毫瓦到萬(wàn)瓦、兆瓦級(jí)。遠(yuǎn)紅外，輻射功率從毫瓦到萬(wàn)瓦、兆瓦級(jí)。 激光將對(duì)激光將對(duì)2121世紀(jì)的科技騰飛和產(chǎn)業(yè)世紀(jì)的科技騰飛和產(chǎn)業(yè) 革命產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響！革命產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響！ 1.1.氣體激光器氣體激光器 工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸汽，通過(guò)氣體工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸汽，通過(guò)氣體 放電實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。放電實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 工作物質(zhì)（氣體）均勻性好，輸出光束工作物質(zhì)（氣體）均勻性好，輸出光束 的質(zhì)量相當(dāng)高。的質(zhì)量相當(dāng)高。 2.2.固體激光器固體激光器 工作物質(zhì)是摻雜的晶體工作物質(zhì)是摻雜的晶體 或光學(xué)玻璃，光泵浦?；蚬鈱W(xué)玻璃，光泵浦。 有脈沖輸出激

19、光器和連有脈沖輸出激光器和連 續(xù)輸出激光器。續(xù)輸出激光器。 主要優(yōu)點(diǎn)：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、主要優(yōu)點(diǎn)：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、 堅(jiān)固可靠和使用方便。堅(jiān)固可靠和使用方便。 3.3.染料激光器染料激光器 工作物質(zhì)是有機(jī)染料溶液，光泵浦。工作物質(zhì)是有機(jī)染料溶液，光泵浦。 輸出激光波長(zhǎng)可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧，輸出激光波長(zhǎng)可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧， 有極好的光束質(zhì)量。有極好的光束質(zhì)量。 有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的 激光器。激光器。 可產(chǎn)生超短光脈沖，峰值功率達(dá)幾百可產(chǎn)生超短光脈沖，峰值功率達(dá)幾百M(fèi)WMW。 4.4.半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LDLD）

20、工作物質(zhì)是半工作物質(zhì)是半 導(dǎo)體材料形成導(dǎo)體材料形成 的的P-NP-N結(jié)。結(jié)。 與結(jié)平面垂直的晶體與結(jié)平面垂直的晶體 解理面構(gòu)成解理面構(gòu)成F-PF-P諧振腔。諧振腔。 對(duì)對(duì)P-NP-N結(jié)正向注入電流或結(jié)正向注入電流或光泵浦光泵浦， 可激發(fā)激光?？杉ぐl(fā)激光。 體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低； 波長(zhǎng)覆蓋面廣（波長(zhǎng)覆蓋面廣（0.330.334444m m）；）； 能量轉(zhuǎn)換效率高，有大功率、高集成度器件。能量轉(zhuǎn)換效率高，有大功率、高集成度器件。 主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn) 二、代表性的固體激光器二、代表性的固體激光器 YAG激光器激光器 基質(zhì)晶體基質(zhì)晶體Y3Al 5O12熱物理性能

21、優(yōu)良，熱物理性能優(yōu)良， 使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。 輸出波長(zhǎng)輸出波長(zhǎng)1064nm1064nm，加倍頻技術(shù)可輸出，加倍頻技術(shù)可輸出532nm532nm。 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了KWKW級(jí)大功率輸出，廣泛用于激光級(jí)大功率輸出，廣泛用于激光 加工、激光醫(yī)療、科學(xué)研究之中。加工、激光醫(yī)療、科學(xué)研究之中。 YAGNd: 3 YAGEr: 3 輸出波長(zhǎng)輸出波長(zhǎng)2.94m,2.94m,用于激光醫(yī)療。用于激光醫(yī)療。 YAGHo: 3 輸出波長(zhǎng)輸出波長(zhǎng)2.1m,2.1m,用于激光醫(yī)療用于激光醫(yī)療 , ,空間光通信?？臻g光通信。 可調(diào)諧的固體激光器可調(diào)諧的固體激

22、光器 32 3 :OAlTi 輸出激光有寬的調(diào)諧范圍（輸出激光有寬的調(diào)諧范圍（700-1000nm700-1000nm，峰，峰 值波長(zhǎng)值波長(zhǎng)800nm800nm），應(yīng)用廣泛，并實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖。），應(yīng)用廣泛，并實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖。 42 3 :OBeAlCr 可調(diào)諧范圍可調(diào)諧范圍700-800nm700-800nm。采用調(diào)。采用調(diào)Q Q技術(shù)，技術(shù)， 輸出輸出755nm755nm脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重 要。要。 激光二極管（激光二極管（LDLD）泵浦的固體激光器）泵浦的固體激光器 LDLD泵浦泵浦: :實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換 用用LDLD列陣泵浦固體激光器列

23、陣泵浦固體激光器 實(shí)現(xiàn)了高功率激光輸出。實(shí)現(xiàn)了高功率激光輸出。 非線性頻率轉(zhuǎn)換得到短波長(zhǎng)固體激光器非線性頻率轉(zhuǎn)換得到短波長(zhǎng)固體激光器 固體激光器的波長(zhǎng)在紅外波段。用非線性材料進(jìn)固體激光器的波長(zhǎng)在紅外波段。用非線性材料進(jìn) 行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換, ,得到綠光、藍(lán)光、紫外固體激光器得到綠光、藍(lán)光、紫外固體激光器. . LDLD泵浦固體激光器與準(zhǔn)相位匹配頻率轉(zhuǎn)換結(jié)泵浦固體激光器與準(zhǔn)相位匹配頻率轉(zhuǎn)換結(jié) 合，以期制造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、價(jià)格便宜的合，以期制造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、價(jià)格便宜的 可調(diào)諧激光器?？烧{(diào)諧激光器。 研究趨勢(shì)研究趨勢(shì) 光纖激光器和光纖放大器光纖激光器和光纖放大器 LDLD泵浦增益光纖、一對(duì)光纖光

24、柵構(gòu)成諧振腔。泵浦增益光纖、一對(duì)光纖光柵構(gòu)成諧振腔。 雙包層光纖激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙包層光纖激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了KWKW級(jí)大功率輸出。級(jí)大功率輸出。 光泵浦作用下增益光纖的光放大作用顯著光泵浦作用下增益光纖的光放大作用顯著, ,信號(hào)光信號(hào)光 輸入增益光纖將得以放大。光纖放大器的出現(xiàn)輸入增益光纖將得以放大。光纖放大器的出現(xiàn), ,是是 光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。 一、一、 光輻射的量子理論基礎(chǔ)光輻射的量子理論基礎(chǔ) 1 1、三種躍遷、三種躍遷 受激吸收概率：受激吸收概率： t 12 1 12 1 s dt dn n W ）( 1212 BW 為愛(ài)因斯坦吸收系數(shù)為愛(ài)因斯坦吸

25、收系數(shù), 只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。 12 B ）(為輻射場(chǎng)能量密度為輻射場(chǎng)能量密度 1 n 為為E1能級(jí)上的原子數(shù)密度能級(jí)上的原子數(shù)密度, （1) 受激吸收 處于低能級(jí)態(tài)的原子在一定 條件下的輻射場(chǎng)作用下，吸 收一個(gè)光子， 躍遷到高能 級(jí)態(tài)。 (2) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 1221 EEh 光子能量：光子能量： 自發(fā)躍遷概率：自發(fā)躍遷概率： 2 21 21 1 ndt dn A sp 單位時(shí)間、單位體積內(nèi)，單位時(shí)間、單位體積內(nèi)， 上粒子的減少為：上粒子的減少為： 221 212 nA dt dn dt dn sp 2 E 于是有：于是有： )exp()exp( 0 221

26、0 22 s t ntAnn 21 1 A s 為為 自發(fā)輻射壽命。自發(fā)輻射壽命。 2 E 處于高能級(jí)態(tài)的原子 自發(fā)躍遷到低能級(jí)態(tài)， 并同時(shí)向外輻射出一 個(gè)光子（自發(fā)輻射只自發(fā)輻射只 與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與原子本身性質(zhì)有關(guān)， 與輻射場(chǎng)的與輻射場(chǎng)的 無(wú)無(wú) 關(guān)）關(guān)） 。 ）( (3) 受激輻射受激輻射 受激輻射的概率：受激輻射的概率： st dt dn n W 21 2 21 1 )( 212121 BW 21 B稱(chēng)為愛(ài)因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。稱(chēng)為愛(ài)因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。 處于高能級(jí)態(tài)的原子 在一定條件下的輻射 場(chǎng)作用下，躍遷到低 能級(jí)態(tài)，并同時(shí)輻射輻射 出一個(gè)與入射光子完出一個(gè)與入射光子完 全一樣的光

27、子全一樣的光子。 受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性相干性。 2 2、愛(ài)因斯坦關(guān)系、愛(ài)因斯坦關(guān)系 設(shè)一個(gè)原子系統(tǒng)有特定兩個(gè)能級(jí) ,其簡(jiǎn)并度 為 （同一量子態(tài)占據(jù)的光子數(shù)目）, 在溫度T 下處于熱平衡狀態(tài), 能級(jí)的原子占有數(shù)密度分別 為 ,則原子系統(tǒng)從輻射場(chǎng)中吸收能量 后, 單位時(shí)間內(nèi)從 躍遷到 能級(jí)的原子數(shù)為： 1211212 )(nBn 單位時(shí)間內(nèi)， 12 EE 的原子數(shù)為： 2 21212121 )(nBAn 由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應(yīng)有： 1221 nn 即： 1211212 )(nBn 2)( 21212121 nBAn 21, g g 12 , EE 21,

28、n n 21 hv 1 E 2 E 所以有： 212121 1221 1 2 )( )( BA B n n 熱平衡狀態(tài)下， 按波爾茲曼分布： )exp()exp( 2112 1 1 2 2 kT h kT EE g N g N 即： 1)exp( 1 )( 21 221 112 21 21 21 kT h gB gB B A 21, N N , kT E nn n egN 熱平衡條件下，光輻射的能量密度的普朗克公式為： 1)exp( 18 )( 21 3 33 21 21 kT h c nh 比較兩式有： 221112 gBgB 3 33 21 21 21 8 c nh B A 上述兩式即著名

29、的愛(ài)因斯坦關(guān)系式。 若兩能級(jí)的簡(jiǎn)并度相同，則有： BBB 2112 3 33 21 8 c nh B A 結(jié)論：結(jié)論： u 三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)是相互關(guān) 聯(lián)的。 u對(duì)一定的原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù) A21 與受激輻射系數(shù) B21 之比正比于 的三 次方，因而 兩能級(jí)相差越大， 就越高，A,B的比值就越大，也就是 越 高自發(fā)輻射越容易，受激輻射越困難。一般 在熱平衡下，主要是自發(fā)輻射。 211221 ,BBA 21 v 21,E E 21 v 21 v 二、激光的產(chǎn)生二、激光的產(chǎn)生 1、普通光源的發(fā)光、普通光源的發(fā)光受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收和自發(fā)輻射 常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等發(fā)光）是

30、由于物質(zhì)在 受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原子中的電 子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā) 。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。處在高能級(jí)（E2)的 電子壽命很短（一般為108109秒），在沒(méi)有外界作用下會(huì) 自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射 。輻射光子能量為 h=E2-E1 這種輻射稱(chēng)為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī)原子的自發(fā)輻射過(guò)程完全是一種隨機(jī) 過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射過(guò)程，各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射 的光在發(fā)射方向上是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振的光在發(fā)射方向上

31、是無(wú)規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振 狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻 率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。 2 2、激光、激光 激光英文單詞為：LaserLaser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫(xiě),意思是受激輻射的受激輻射的 光放大。光放大。 3 3、受激輻射和光的放大、受激輻射和光的放大 受激輻射的過(guò)程大致如下：受激輻射的過(guò)程大致如下：原子開(kāi)始處于高能級(jí)E2， 當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量h正好為某一

32、對(duì)能級(jí) 之差E2-E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從 高能級(jí)E2向低能級(jí)E1 躍遷。這種受激輻射的光子 有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同 的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、 偏振方向以及光波的相位都完全一樣。偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入 射一個(gè)光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這 意味著原來(lái)光信號(hào)被放大，這種在受激過(guò)程中產(chǎn) 生并被放大的光，就是激光。 必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式 充分條件：起振和穩(wěn)定振蕩（形成穩(wěn)定激光）充分條件：起振和穩(wěn)定

33、振蕩（形成穩(wěn)定激光） 4、激光產(chǎn)生的條件、激光產(chǎn)生的條件 5 5、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而 且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高 能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受 激輻射躍遷才能超過(guò)受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。 由此可見(jiàn)，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出 普通光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目 比低能級(jí)上的多，這種情況，稱(chēng)為粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最 低能級(jí)（基態(tài)）低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。 6 6、工作物質(zhì)、亞穩(wěn)態(tài)

34、、工作物質(zhì)、亞穩(wěn)態(tài) 前面分析了產(chǎn)生激光的必要條件是受激 輻射，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)又是產(chǎn)生激光的一個(gè)條 件，激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)， 可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種 介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激 光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在對(duì)實(shí) 現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常必須的。 7 7、形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)、形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)-原子能級(jí)系統(tǒng)原子能級(jí)系統(tǒng) 二能級(jí)系統(tǒng)二能級(jí)系統(tǒng) 考慮一個(gè)二能級(jí)（ ）系統(tǒng)的粒子數(shù)的分布情 況。設(shè)有一光束通過(guò)此系統(tǒng)，頻率為： 12,E E h EE 12 21 由于受激吸收和發(fā)射的存在，光束的能量要發(fā)生變化。 經(jīng)d

35、t時(shí)間后有： dthBnd 2121121211 )()( dthBnd 2121212212 )()( 單位體積因吸收減少： 單位體積因發(fā)射增加： 能量總的變化為： dthBnBnd 212112121221 )()()( 221112 gBgB1 22112 / ggBB 由愛(ài)因斯坦關(guān)系得： dthBg g n g n d 2121212 1 1 2 2 21 )()()( 由上式可知，光束在傳播過(guò)程中能量密度的增減 由括號(hào)中運(yùn)算的值決定。據(jù)此可以把工作物質(zhì)狀 態(tài)分為兩類(lèi)： （1）粒子數(shù)正常分布，滿(mǎn)足：）粒子數(shù)正常分布，滿(mǎn)足： 2 2 1 1 g n g n 當(dāng)物質(zhì)處于熱平衡時(shí)有： )ex

36、p( 12 1 2 1 2 kT EE g g n n , kT E nn n egN , 0 12 EE 2211 /gngn 由于 于是粒子數(shù)分布總有 工作物質(zhì)中具有較低能量的 一個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)大于較 高能量的一個(gè)能級(jí)上的粒子 數(shù)，即粒子數(shù)正常分布。 正常分布 （2 2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足：）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，滿(mǎn)足： 1 1 2 2 g n g n 光束在此工作物質(zhì)中傳播光能密度不斷增加。 2 n 1 n 1 E 2 E E n 反轉(zhuǎn)分布 二能級(jí)系統(tǒng)不能充當(dāng)激光工作物質(zhì)二能級(jí)系統(tǒng)不能充當(dāng)激光工作物質(zhì), ,因因 為其不能實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)。為其不能實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)。 如果激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中有關(guān)的能級(jí)只有兩個(gè)，

37、用有效 的激勵(lì)手段把處于下能級(jí)E1的原子盡可能多地抽運(yùn)到 上能級(jí)E2。設(shè)能級(jí)E1和E2上單位體積內(nèi)的原子數(shù)分別為 n1和n2，自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射的概率分別 為A21、W12和W21。如果能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等，因而 W12=W21=W。E2能級(jí)上粒子數(shù)n2的速率方程為 dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2, 當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可見(jiàn)， 不管激勵(lì)手段如何強(qiáng)，（不管激勵(lì)手段如何強(qiáng)，（A A21 21+W +W）總是大于）總是大于W W，所以，所以n n2 2 n n1 1。這表明，對(duì)二能級(jí)系統(tǒng)的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，不能實(shí)現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 激光物質(zhì)是三能

38、級(jí)或四能級(jí)結(jié)構(gòu)。激光物質(zhì)是三能級(jí)或四能級(jí)結(jié)構(gòu)。 如果激勵(lì)過(guò)程使原子從基 態(tài)E1以很大概率W抽運(yùn)到 E3能級(jí)，處于E3的原子可 以通過(guò)自發(fā)輻射躍遷回到 E2或E1。假定從E3回到E2 的概率A32大大超過(guò)從E3回 到E1的概率A31，也超過(guò)從 E2回到E1的概率A21，則利 用泵浦抽運(yùn)使WW23或W W12時(shí)，E2和E1之間就可 能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 三能級(jí)系統(tǒng) n2 n1 n3 E1 E2 E3 在外界激勵(lì)下，基態(tài)E1 的粒子大量地躍遷到E4， 然后迅速轉(zhuǎn)移到E3。E E3 3 能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較 長(zhǎng)。長(zhǎng)。E E2 2能級(jí)壽命較短，能級(jí)壽命較短， 因而到達(dá)E2上的粒子會(huì) 很

39、快回到基態(tài)E1。所以 在在E E3 3和和E E2 2之間可能實(shí)現(xiàn)之間可能實(shí)現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。由于激光 下能級(jí)不是基態(tài)，而是 激發(fā)態(tài)E2，所以在室溫 下激光下能級(jí)的粒子數(shù) 很少，因而E3和E2間的 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比三能級(jí)系 統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。 n1 四能級(jí)系統(tǒng) E1 E E2 2 E3 E4 N2 n3 n4 (快） (慢） 8 8、泵浦源、泵浦源 必須用外界能量來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高 能級(jí)態(tài)的裝置，稱(chēng)為泵浦源。它是形成激光 的外因。激光器是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器件，它將 泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰俊?從直接完成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方式來(lái)分，泵浦 方式可分為：光激勵(lì)

40、方式，氣體輝光放電或 高頻放電方式，直接注入電子方式， 化學(xué)反 應(yīng)方式，還有熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核 能等方式。 三、三、LDLD的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用 1.1.半導(dǎo)體材料的能帶半導(dǎo)體材料的能帶 晶體中電子晶體中電子 的共有化運(yùn)動(dòng)的共有化運(yùn)動(dòng) 晶體中的能帶晶體中的能帶 關(guān)于價(jià)帶關(guān)于價(jià)帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 禁帶禁帶 導(dǎo)電載流子：導(dǎo)電載流子： 電子、空穴電子、空穴 I I型、型、N N型、型、P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 關(guān)于施主能級(jí)關(guān)于施主能級(jí) 受主能級(jí)受主能級(jí) 費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布 ()/ 1 ( ) 1 f E EkT f E e 式中，式中，Ef為費(fèi)米能級(jí)，是電子占據(jù)率大于或小于為費(fèi)

41、米能級(jí)，是電子占據(jù)率大于或小于 0.50.5的能級(jí)分界線。的能級(jí)分界線。 2.PN2.PN結(jié)的能帶結(jié)的能帶 PNPN結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)的形成結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)的形成 PNPN結(jié)的能帶彎曲結(jié)的能帶彎曲 重?fù)诫s重?fù)诫sP P型、型、N N型型 半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí)PNPN結(jié)結(jié) 的能帶彎曲的能帶彎曲 加上正向電壓后，加上正向電壓后， PNPN結(jié)勢(shì)壘降低結(jié)勢(shì)壘降低 PNPN結(jié)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，一個(gè)平衡系統(tǒng)只能結(jié)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，一個(gè)平衡系統(tǒng)只能 有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)。自建電場(chǎng)的方向由有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)。自建電場(chǎng)的方向由N N區(qū)區(qū) 指向指向P P區(qū)，區(qū)，P P區(qū)、區(qū)、N N區(qū)的電子能級(jí)差為

42、：區(qū)的電子能級(jí)差為： p f n fDD EEqUUq)()( PNPN結(jié)加上正向電壓時(shí)，熱平衡被破壞，結(jié)加上正向電壓時(shí)，熱平衡被破壞，PNPN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū) 勢(shì)壘降低，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。勢(shì)壘降低，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 電子、空穴復(fù)合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。電子、空穴復(fù)合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。 經(jīng)諧振腔選頻，可形成激光輸出。經(jīng)諧振腔選頻，可形成激光輸出。 PNPN結(jié)就是光輻射的有源區(qū)。結(jié)就是光輻射的有源區(qū)。 3.3.代表性的代表性的LDLD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 閾值電流閾值電流I Ith th 注入電流注入電流I II Ith th , ,才能形成激光。 才能形成激光。 器件結(jié)構(gòu)要著力于降低器件結(jié)構(gòu)要著力于

43、降低I Ith th 。 。 同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié) 單異質(zhì)結(jié)（單異質(zhì)結(jié)（SHSH） 雙異質(zhì)結(jié)（雙異質(zhì)結(jié)（DHDH） 、 條形異質(zhì)結(jié)條形異質(zhì)結(jié)LD:LD: 增益導(dǎo)引條形增益導(dǎo)引條形 DHLD DHLD 掩埋條形掩埋條形DHLDDHLD 量子阱（量子阱（QWQW）LDLD 單量子阱（單量子阱（SQWSQW）多量子阱（多量子阱（MQWMQW） 超晶格結(jié)構(gòu)超晶格結(jié)構(gòu) MQWMQW結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的 優(yōu)越性?xún)?yōu)越性： 閾值電流很低閾值電流很低 改善頻率啁啾改善頻率啁啾 調(diào)制速率高調(diào)制速率高 溫度特性好溫度特性好 MQWMQW的的 能帶能帶 將脈沖傳輸時(shí)中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移的現(xiàn)象叫做“啁啾”。例如在光纖通信中由 于激光二極管

44、本身不穩(wěn)定而使傳輸單個(gè)脈沖時(shí)中心波長(zhǎng)瞬時(shí)偏移的現(xiàn)象，也 叫“啁啾”。 分布反饋激光器分布反饋激光器 諧振腔是諧振腔是 波紋光柵波紋光柵 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) nmB/ mn)sin1 ( mn2 分布反饋分布反饋 基于基于 布喇格衍射布喇格衍射 原理原理 DFB DFB 激光器激光器DBR DBR 激光器激光器 每一個(gè)柵距每一個(gè)柵距 相當(dāng)于一個(gè)微相當(dāng)于一個(gè)微F-PF-P腔腔, ,易形成單易形成單 縱模振蕩。波紋光柵相當(dāng)于許多微縱模振蕩。波紋光柵相當(dāng)于許多微F-PF-P腔多級(jí)腔多級(jí) 調(diào)諧，使波長(zhǎng)選擇性大大提高，譜線寬度窄。調(diào)諧，使波長(zhǎng)選擇性大大提高，譜線寬度窄。 在高速調(diào)制時(shí)仍然保持單縱模特性。在高速調(diào)制時(shí)

45、仍然保持單縱模特性。 溫度特性好。溫度特性好。 波紋光柵波紋光柵 分布反饋分布反饋 的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于 高速光纖通信系統(tǒng)中。高速光纖通信系統(tǒng)中。 4.LD4.LD的工作特性的工作特性 I II Ith th 形成激光輸出 形成激光輸出, 光功率急劇上升，光功率急劇上升， P-I P-I曲線的線性好。曲線的線性好。 斜率效率。斜率效率。 I II Ith th 自發(fā)輻射階段， 自發(fā)輻射階段， 光功率較小光功率較小 。 LDLD是對(duì)溫度很敏感的器件，溫度升高，是對(duì)溫度很敏感的器件，溫度升高， 性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定

46、輸出性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸出 光功率和峰值波長(zhǎng)。光功率和峰值波長(zhǎng)。 P-I P-I特性特性 光譜特性光譜特性 I II Ith th I II Ith th單縱模單縱模 LDLD是矩形光波導(dǎo)是矩形光波導(dǎo): :厚度為厚度為d d，條形寬度為，條形寬度為W W 。出光發(fā)散角：出光發(fā)散角： )arcsin(2 d )arcsin(2 / w 約約3030 4040 約約6 68 8 調(diào)制特性調(diào)制特性具有直接調(diào)制的能力具有直接調(diào)制的能力 )()(tfIItI bmb 調(diào)制電流調(diào)制電流 模擬調(diào)制模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 LDLD芯片芯片 的調(diào)制的調(diào)制 頻率達(dá)頻率達(dá) 10GH10GHZ Z 量級(jí)

47、。 量級(jí)。 5.LD5.LD的應(yīng)用的應(yīng)用 LDLD體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；效率高，體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；效率高， 壽命長(zhǎng)，有大功率、高集成度器件。壽命長(zhǎng)，有大功率、高集成度器件。 已成為最重要的激光器之一。已成為最重要的激光器之一。 u 光通信光通信 光盤(pán)存儲(chǔ)、光顯示光盤(pán)存儲(chǔ)、光顯示 激光印刷、信息處理、辦公自動(dòng)化設(shè)備激光印刷、信息處理、辦公自動(dòng)化設(shè)備 激光加工、激光醫(yī)療激光加工、激光醫(yī)療 各種半導(dǎo)體激光器需求量極大，各種半導(dǎo)體激光器需求量極大， 是光電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。是光電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。 6.LD6.LD的發(fā)展日新月異的發(fā)展日新月異 l垂直腔表面發(fā)射垂直腔表面發(fā)射LD

48、LD （VCSELVCSEL） 利于與光利于與光 纖耦合；纖耦合； 適合大面適合大面 積二維列積二維列 陣集成。陣集成。 l高速寬帶高速寬帶LDLD 如應(yīng)變量子阱（如應(yīng)變量子阱（SL-QWSL-QW）結(jié)構(gòu)，調(diào)制頻率已達(dá)）結(jié)構(gòu)，調(diào)制頻率已達(dá) 30GH30GHZ Z以上。以上。 l量子點(diǎn)（量子點(diǎn)（QDQD）激光器）激光器 是是2121世紀(jì)令人世紀(jì)令人 矚目的器件。矚目的器件。 由于電子和空由于電子和空 穴的強(qiáng)限制作穴的強(qiáng)限制作 用，比量子阱用，比量子阱 （QWQW）LDLD性能性能 更優(yōu)越。更優(yōu)越。 l可調(diào)諧可調(diào)諧LDLD用于用于DWDMDWDM光交換技術(shù)光交換技術(shù) l短波長(zhǎng)短波長(zhǎng)LDLD 光存儲(chǔ)

49、、光顯示的需要。光存儲(chǔ)、光顯示的需要。 紅光、綠光、藍(lán)光、紫光紅光、綠光、藍(lán)光、紫光LDLD 用有機(jī)材料（聚合物）作用有機(jī)材料（聚合物）作LDLD的有源層，的有源層， 易得到短波長(zhǎng)易得到短波長(zhǎng)LDLD，是目前的研究熱點(diǎn)。，是目前的研究熱點(diǎn)。 l大功率大功率LDLD 作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源；作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源； 光存儲(chǔ)、光印刷光源；光存儲(chǔ)、光印刷光源； 激光加工、激光醫(yī)療激光加工、激光醫(yī)療光源光源 產(chǎn)生大功率產(chǎn)生大功率LDLD的途徑：的途徑： 提高單個(gè)提高單個(gè)LDLD的輸出功率；的輸出功率； 發(fā)展列陣發(fā)展列陣LD:LD:一維一維LDLD列陣列陣; ;二維二維LDL

50、D列陣列陣; ;激光棒激光棒 （脈沖）功率可達(dá)幾千乃至幾萬(wàn)（脈沖）功率可達(dá)幾千乃至幾萬(wàn)W W。 l高性能高性能LDLD組件組件 適于適于10Gb/s10Gb/s以上速率的以上速率的EAM/LDEAM/LD 波長(zhǎng)可選擇的光電集成回路（波長(zhǎng)可選擇的光電集成回路（OEICOEIC） l1.531.531.61m1.61m范圍的多波長(zhǎng)光源范圍的多波長(zhǎng)光源 EAMEAM：電吸收調(diào)制器。：電吸收調(diào)制器。EAMEAM與與LDLD集成，集成， 實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，-3dB-3dB帶寬為帶寬為14GH14GHZ Z。 含有含有EAMEAM、半導(dǎo)體光放大器（、半導(dǎo)體光放大器（SOASOA）、合波器）、合波器(

51、MMI(MMI）、）、 微列陣微列陣DFBDFB激光器，波長(zhǎng)選擇范圍達(dá)激光器，波長(zhǎng)選擇范圍達(dá)45nm45nm。 4040個(gè)個(gè)DFBLDDFBLD波長(zhǎng)等間隔、光強(qiáng)大小一致、波長(zhǎng)等間隔、光強(qiáng)大小一致、 每個(gè)集成一個(gè)每個(gè)集成一個(gè)EAMEAM，適用于，適用于DWDMDWDM全光網(wǎng)絡(luò)。全光網(wǎng)絡(luò)。 1.5 1.5 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LEDLED） 一、一、LEDLED的材料與構(gòu)型的材料與構(gòu)型 結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PNPN結(jié)，無(wú)諧振腔。對(duì)結(jié)，無(wú)諧振腔。對(duì) 其正向注入電流，電子與空穴復(fù)合其正向注入電流，電子與空穴復(fù)合 發(fā)光，是非相干光。發(fā)光，是非相干光。 GaPGaP、GaAsPGaAsP、GaN,

52、GaN,峰值波長(zhǎng)是峰值波長(zhǎng)是可見(jiàn)光，可見(jiàn)光， 用于光顯示。用于光顯示。 GaAsGaAs，峰值波長(zhǎng)，峰值波長(zhǎng)867nm867nm，用于光電檢測(cè)。，用于光電檢測(cè)。 InGaAsPInGaAsP，峰值波長(zhǎng)，峰值波長(zhǎng)1.3m1.3m、1.55m,1.55m,用于用于 短距離光纖通信。短距離光纖通信。 直接帶隙直接帶隙半導(dǎo)體材料就是導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)帶底） 和價(jià)帶最大值在k空間中同一位置。電子要躍遷到 導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半價(jià)能帶） 只需要吸收能量。GaAs、GaN半導(dǎo)體 間接帶隙間接帶隙半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)帶底）和滿(mǎn)帶最大 值在k空間中不同位置。形成半滿(mǎn)能帶不只需要吸收能 量，還要改變動(dòng)量。 電子在k狀態(tài)時(shí)的動(dòng)量是（h/2pi） k，k不同，動(dòng)量就不同，從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)必須改變 動(dòng)量。Si、Ge、 GaP半導(dǎo)體 波矢波矢(波數(shù)矢量)k：表示單位長(zhǎng)度內(nèi)的波數(shù). 大小k=2/. 波矢波矢k 電子的狀態(tài)波函數(shù) 電子被約束在一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)時(shí)，其狀態(tài)是量子化的。 同一波矢k ，電子態(tài)能量Ea(從價(jià)帶頂算起)，Eb(從導(dǎo) 帶底算起)為： 對(duì)于同一波矢k ，可以是電子在價(jià)帶中占據(jù)能級(jí)Ea， 也可以是電子在導(dǎo)帶中占據(jù)能級(jí)Eb。 22 2 v h k Ea m 22 2 c h k Eb m LED