光電檢測技術與應用-2發(fā)光器件資料

1、光電檢測(jin c)技術及應用第二章 發(fā)光器件（光源）共五十頁上一章(y zhn)主要內容回顧1、影響檢測測量精度的主要因素有哪些，其中(qzhng)哪些因素又是需要特別注意的？2、試敘述光電檢測系統的組成及特點共五十頁一、光源(gungyun)的分類定義(dngy)：光源一切能產生光輻射的源。人造光源天然光源自然界本來存在的，如太陽（核聚變 ）、夜明珠、螢火蟲、發(fā)光的魚（深海）。人為地將其他能量轉化為光輻射能的器件，如燈。共五十頁一、光源(gungyun)的分類相干(xinggn)光源非相干光源低相干光源相干光源： 頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列光。光的干涉： 相干光相遇時，使某

2、些地方振動加強（明亮），使某些地方振動減弱（暗淡），形成穩(wěn)定的強弱分布的現象。按照光波在時間、空間上的相位特征：共五十頁一、光源(gungyun)的分類非相干(xinggn)光源相干光源激光照明光源顯示光源信息處理用光源低相干光源發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管氣體激光器固體激光器半導體激光器染料激光器等離子激光器太陽氣體放電燈、熒光燈白熾燈等離子體管熒光顯示器液晶顯示器場致發(fā)光顯示器摻雜光纖超熒光寬帶光源非線性光學器件陰極射線管共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照(nzho)發(fā)光機理 熱輻射光源： 利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。 電流流經導電物體，使之在高溫下輻射光能的光源，通常是鎢絲通

3、電。 包括白熾燈和鹵鎢燈。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器特點： 光譜連續(xù) 壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照發(fā)光(f un)機理 氣體發(fā)光光源： 電流流經氣體或金屬蒸氣，使之產生氣體放電而發(fā)光的光源，氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器弧光放電如熒光燈，熒光燈是低壓汞蒸氣放電產生的紫外線，激發(fā)涂在燈管內壁的熒光粉層而發(fā)光輝光放電如霓虹燈，霓虹燈是依靠兩端電極頭在高壓電場下將燈管內的稀有氣體擊燃，不同稀有氣體（氖、氙、氬、氦、氪）發(fā)出不同的色光 。特點：發(fā)光效率高結構牢固緊湊、耐震、抗沖擊壽命長，光色

4、適應性強不足： 冷態(tài)阻抗大，起動后阻抗急劇變小。 啟動后內阻太小，必須用限流措施“鎮(zhèn)流器” 。共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照發(fā)光(f un)機理 固體發(fā)光光源：在電場作用下，使固體物質發(fā)光的光源，電能直接轉變?yōu)楣饽?，包括場致發(fā)光光源和發(fā)光二極管（LED，半導體）兩種。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器LED 發(fā)光二極管LCD 液晶顯示器PDP 等離子顯示器 特點：固體化、平板化、安全可靠面積形狀不受限制壽命長，功耗低，發(fā)光易于控制共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照(nzho)發(fā)光機理 激光器： 激光是20世紀60年代重大科技成就之一； 具有高方向性、高單色性、

5、高亮度和相干性等重要特性。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器 特點： 波長從近紫外光到遠紅外光； 輻射功率從幾毫瓦到上萬瓦； He-Ne激光器是當今使用最多的激光器。共五十頁二、發(fā)光(f un)二極管(LED) LED（ Light-Emitting Diode，簡稱LED）是少數載流子在PN結區(qū)的注入與復合而產生發(fā)光的一種半導體光源。結構：半導體PN結色彩：根據所用半導體材料不同，可制成紅、橙、黃、綠、藍、紫等顏色。使用：施加正向電壓，使管內(un ni)流過一定量的電流，就發(fā)光。共五十頁二、發(fā)光(f un)二極管(LED)特點： 工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕、光效高

6、、無輻射與低功耗 。 理論上未來的LED壽命將無窮大，但目前大功率LED照明(zhomng)受到散熱問題的制約。 共五十頁 工作原理發(fā)光二極管是由P型和N型半導體組成的二極管，PN結附近，N型材料中的多數(dush)載流子是電子，P型材料中的多數載流子是空穴，PN結上未加電壓時構成一定的勢壘。二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁 工作原理 當加上正向電壓時，外加電場將削弱內建電場，載流子的擴散運動加強，構成少數載流子的注入。當導帶中的電子與價帶中的空穴復合時，釋放出復合能量(nngling)，這個能量會以熱能、光能的形式輻射出來，即電致發(fā)光。 二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十

7、頁 工作原理 如果嘗試使電流向其它方向流動，P型端就邊接到電流負極和N型連接到正極，這時電流將不會流動。N型物質的負極電子被吸引到正極電子。P型物質的正極電子空穴被吸引到負極電子。因為電子空穴和電子都向錯誤的方向移動(ydng)所以就沒有電流流通過匯合處，損耗區(qū)增加。二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁 普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度(kund)Eg分別為0.67eV和1.12eV。發(fā)光二極管材料： 通常(tngchng)用的砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例。 當x0.35時，可得到Eg1.8eV的材料。 改變x值還可以

8、決定發(fā)光波長，使在550900nm間變化。 普通二極管不能用作發(fā)光二極管二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁發(fā)光二極管的光譜(gungp)特性0.20.40.60.81.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs/nm相對(xingdu)靈敏度砷磷化鎵的曲線有兩根：材質成分稍有差異峰值波長p：決定發(fā)光顏色二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁U/V I/mA -10 -5 0 12GaAsP(粉)GaAsP(紫) 圖上的橫坐標正負值刻度比例不同，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，使用(shyng)時反向電壓應在5V以下

9、。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安(f n)特性綠色約為1.7V開啟、紫色約為2.2V二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁按形狀分：字段式、點式、光柱(un zh)式、點陣式七段式數碼管（8字型）：七個發(fā)光二極管、數字14畫字碼管（米字型）：數字、字母矩陣：文字(wnz)、掃描方式工作（每個管點亮12ms ） 靜態(tài)文字（余輝效應、視覺暫留）二、發(fā)光二極管(LED)的分類共五十頁u /Vi /mAO2工作條件：正向偏置工作電流(dinli) : 幾mA 幾十 mA導通電壓 : ( 1 2) V發(fā)光二極管的特性(txng)和參數二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁發(fā)光(f un)二極管（LED）是冷光源。冷光源：

10、 發(fā)光時，光源溫度不比環(huán)境溫度高。 工作時不發(fā)熱(f r)，避免與熱量積累相關的問題。 幾乎把全部能量轉化為可見光，其他波長光很少。熱光源： 除了有可見光，還有大量紅外光，部分能量轉化為對照明沒有貢獻的紅外光。 加紅外濾波片濾掉紅外光，出來的光和冷光源差不多。 二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁從外觀(wigun)判別極性用萬用表測量(cling)極性和好壞發(fā)光二極管極性的判別和檢測 將測量擋切換到 R 10k，用萬用表測量LED的正、反向電阻，阻值偏小的一次，黑表筆所接觸的為正極。 若兩次測量的阻值均為，則該LED已壞。二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 f2 g2 a2 b2 f1 a1 b1

11、 e2 d2 c2 DIP2 e1d2 g1 c1 DIP1 a gd f be cg f a b e d c DIP a b c d e f gDIP共陽極 a b c d e f gDIP共陰極發(fā)光二極管的連接方式：共陰極(ynj)、共陽極二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁發(fā)光(f un)二極管的特點優(yōu)點：最高效的人造照明技術 工作電壓低(1伏2伏)，耗電少(10mA下即可在室內(sh ni)得到適當的亮度)； 壽命數十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍以上。 可通過調節(jié)電流(或電壓)來對發(fā)光亮度進行調節(jié)，且響應速度快，并可直流驅動； 比普通光源的單色性好； 發(fā)光亮度和發(fā)光效率均

12、較高； 容易與集成電路配合使用； 體積小、重量輕，抗沖擊，耐振動。二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁缺點(qudin) 含有毒物質，如銻、砷、鉻、鉛、鎳和銅等，對人體和環(huán)境的影響嚴重。 LED白光主要是靠藍光激發(fā)熒光粉，“藍光技術”，人眼最不能接受的是藍光和UV光(即紫外線光) 。二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁 能量量子化假設： 是一個劃時代的發(fā)現，能量子的存在打破了一切自然過程都是連續(xù)的經典定論，第一次向人們揭示(jish)了自然的非連續(xù)本性。LED發(fā)光(f un)光譜二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 發(fā)光光譜 電子和空穴(kn xu)復合時放出能量的大小，即光子的能量。 光子的

13、能取決于半導體材料的禁帶寬度Eg，釋放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長就越短。E g=h c 式中，為輻射光波長；h為普朗克常量(chngling)；c為光速；Eg為材料禁帶寬度。普朗克常數h： 用來描述量子大小。 光的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進行的，一份能量叫做能量子，等于hv，v為頻率，h為普朗克常數。 二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 單向(dn xin)導電性，反向擊穿電壓約5伏，一般要加限流電阻以限定工作電流。發(fā)光二極管可工作在直流狀態(tài)、交流狀態(tài)和脈沖狀態(tài)。 圖(a)為直流供電，二極管出射光強度不變。 圖(b)為交流供電，由于二極管的發(fā)光特性，它出射的光強如圖(c)，呈半波

14、形。R為限流電阻，D1為普通(ptng)二極管，對發(fā)光二極管作反向保護。發(fā)光二極管的工作狀態(tài)二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 光源：檢測用光源、遙控器的光源、扣式微型(wixng)電筒 發(fā)光(f un)二極管應用二、發(fā)光二極管(LED) 指示和信息顯示： 數字顯示 大型顯示器 光耦合器件（ OC ,optical coupler）亦稱光電隔離器： 將發(fā)光二極管和光電接收元件組合而構成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號耦合到輸出端。共五十頁 激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質中放大(fngd)或振蕩發(fā)射的器件。 激光（Laser，Light amplificatio

15、n by the stimulated emission of radiation）激光是20世紀60年代重大科技成就之一。 具有高方向性、高單色性、高亮度和相干性等重要特性。激光器的種類非常多： 波長(bchng)從近紫外光到遠紅外光； 輻射功率從幾毫瓦到上萬瓦； He-Ne激光器是當今使用最多的激光器。三、激光器激光器的特點共五十頁激光器的工作(gngzu)原理組成(z chn):工作物質、諧振腔、泵浦源泵浦源工作物質諧振腔全反鏡半反鏡三、激光器泵浦源： 輻射源、電源，如脈沖燈 激發(fā)工作粒子從低能態(tài)到高能態(tài) 粒子數 反轉諧振腔： 輻射波在諧振腔來回多次傳播，激發(fā)更多輻射，輻射能量放大，通過

16、投射平面鏡輸出激光。共五十頁激光器的工作(gngzu)原理諧振腔是激光器設計的重點： 高反射率 很小吸收 高波長(bchng)穩(wěn)定性 高機械強度三、激光器共五十頁激光(jgung)的特性單色性： 譜線寬度：單色光的波長范圍 譜線寬度越窄，單色性越好。 激光9*10-2Hz、普通光1.52*109Hz方向性： 光束的發(fā)射角 普通光源均勻四射高亮度： 比太陽(tiyng)高幾個十幾個數量級。相干性： 空間、時間相干性好三、激光器共五十頁按工作物質分類： 氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器） 固體激光器（如紅寶石激光器） 半導體激光器（如砷化鎵激光器） 液體(yt)激光器（染料激光器、燃

17、料激光器）激光器的分類(fn li)三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器特點：光束質量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。效率低，能耗高，壽命較短，體積大。分類：原子（氦氖）激光器離子（氬，氪，金屬(jnsh)蒸汽）激光器分子（CO2，CO，準分子）激光器。近視眼激光手術準分子激光手術 三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器激光管： 由放電管、電極（幾千伏電壓）和光學(gungxu)諧振腔組成。1、放電管：是氦一氖激光器的心臟，是產生激光的地方。 放電管由毛細管和貯氣室構成。 放電管中充入一定比例的氦氣（He）、氖氣（Ne）。三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器2、電極：陽極一般用鎢棒制成；陰極多用

18、電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后(rnhu)用鎢棒引到管外。3、諧振腔： 一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器 按諧振腔與放電管的放置方式(fngsh)不同可分內腔式、外腔式和半內腔式。 三、激光器共五十頁1、內腔式激光器：兩塊反射鏡直接貼在放電管兩端。優(yōu)點：使用方便，不用調整。缺點：放電發(fā)熱或外界沖擊發(fā)生形變(xngbin)導致諧振腔失調時，無法校正。 適用于短管結構。氣體(qt)激光器三、激光器共五十頁2、外腔式激光器： 諧振腔的兩塊反射境與放電管分開，放

19、電管的兩端用布儒斯特窗密封構成反射最小的光通路。 布儒斯特窗本質上是一個偏振器，以布儒斯特角放置，光束的偏振分量將無損耗通過窗口，而偏振分量將被布儒斯特窗口反射。優(yōu)點：可隨時調整反射鏡的位置，達到最佳振蕩條件。缺點：腔易變動(bindng)，需經常調整，腔內損耗增大。氣體(qt)激光器 適于作長管結構。三、激光器共五十頁3、半內腔式激光器： 諧振腔的一端采用內腔結構(jigu)，另一端用布儒斯特窗密封，放電管與反射鏡分開。 這種結構兼有前兩者的優(yōu)點，適于特殊要求的小型激光器的結構。氣體(qt)激光器三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器3、內腔式激光器：優(yōu)點： 將諧振腔的兩反射鏡調整好后，用膠固

20、定在放電管的兩端，使用時不必調整；陰極與毛細管同軸放置，結構緊湊、不易碎裂，安裝方便。 缺點： 工作過程中放電管受熱變形時,諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。 激光管越長，熱穩(wěn)定性越差，內腔式激光管的長度一般不超過一米。 諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內表面(biomin)污染后也無法清除。由于陰極放在放電管內，陰極濺射物質易污染窗片，使用壽命低，同時由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，熱穩(wěn)定性不好。三、激光器共五十頁工作物質： 光學(gungxu)玻璃或光學(gungxu)晶體，摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。 如紅寶石激光器是以摻有0.05%鉻離子的氧化鋁單

21、晶體為工作物質。固體(gt)激光器用途： 在軍事、加工、醫(yī)療和科研有廣泛應用。 用于測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科手術、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調諧染料激光器的激勵源。 三、激光器共五十頁固體(gt)激光器特點：小而堅固、功率高；運行方式多樣： 連續(xù)、脈沖、調、鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(chngf)率，高脈沖能量，高峰值功率激光；主要在紅外波段工作，采用光學泵浦方式；結構緊湊，壽命較長，穩(wěn)定可靠；三、激光器共五十頁種類： 紅寶石激光器、釓（ga）鋁石榴石激光器（簡稱YAG激光器）和

22、釹(nv)玻璃激光器等，其中紅寶石激光器發(fā)現最早、用途最廣。紅寶石激光器： 是1960年美國梅曼發(fā)明的第一臺激光器。 用高強閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使這一點達到比太陽(tiyng)還高的溫度。 固體(gt)激光器三、激光器共五十頁固體(gt)激光器固體激光(jgung)晶體棒微型固體激光器1太瓦10的12次方瓦1萬億瓦 T：太，10的12次方1000GG：吉，10的9次方1000MM：兆，10的6次方1000kk：千，10的3次方 釹（nv）玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達到幾十太瓦。三、激光器共五十頁工作(gngzu)物質：半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。 半導體激光器用途： 光纖通信、光學測量(cling)、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆）。 軍事領域：激光制導跟蹤、激光雷達、激光引信、光測距、激光通信電源、激光模擬武器、激光瞄準告警、激光通信和激光陀螺等。 又稱激光二極管(LD），PN結是激活介質，是目前生產量最大的激光器，是最有前途的輻射源之一。三、激光器共五十頁半導體激光器缺點： 輸出功率較??； 發(fā)散角大，溫度特性(txng)差，容易