光電式傳感器新

光電式傳感器新1第一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日傳感器原理第7章光電式傳感器第一節(jié)發(fā)光器件一、玻爾的原子理論二

、發(fā)光器件

1、鎢絲白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極管

4、激光器光電式2第二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光電式第二節(jié)光敏元件一、光電效應(yīng)二、光電型光電器件三、光電導(dǎo)型光電傳感器四、光伏特型光電傳感器五、CCD光電器件第三節(jié)光電傳感器的應(yīng)用1

一、模擬式光電傳感器二、開關(guān)式光電傳感器

傳感器原理3第三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日第7章光電式傳感器它可用于檢測直接引起光量變化的非電量如：光強光照度輻射測溫等也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的非電量如：直徑表面粗糙度應(yīng)變位移（距離）振動速度加速度氣體成分分析以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。4第四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光電傳感器特點非接觸響應(yīng)快性能可靠等，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用x1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式x2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式光電式傳感器的組成光源光通路光電元件信號處理電路光量光量電量電量輸出x1x2光電式傳感器的組成5第五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光的波長：10-9~10-3（米m）紅外108106104102110-210-410-610-810-1010-1210-141km1m1cm1μm1nm1A°700600500400800λ/nm0.40.50.60.70.8λ/μm波長（nm）可見光電力傳輸廣播短波電視調(diào)頻雷達紫外γ射線宇宙射線赫茲波軟硬Χ-射線圖7-1

電磁波譜圖真空中可見光的波長范圍：390~760（nm）波長6第六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日在光電效應(yīng)中，光表現(xiàn)出它的粒子性。具有能量、動量和質(zhì)量。

式中：h

普朗克常數(shù)h=6.626×10-34（J.S焦耳.秒）ν

光的頻率（Hz赫）

λ光的波長（m米）C光速（m/s米/秒）光子能量與光的頻率成正比，不同頻率的光子具有不同的能量，光子的頻率越高，其能量就越大?！窆庾拥膭恿浚ㄅc波長λ成反比）為：●每一光子的能量為：●光子的質(zhì)量為：7第七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日一、玻爾的原子理論二、發(fā)光器件1、鎢絲白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極管4、激光器第一節(jié)發(fā)光器件8第八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日發(fā)光器件本身并非敏感元件和傳感器，但常與光敏元件配合構(gòu)成各種利用光檢測、傳感的裝置，在自動化領(lǐng)域有廣泛用途。第一節(jié)發(fā)光器件（光源）玻爾原子理論原子的自發(fā)發(fā)射原子的受激發(fā)射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔激光器發(fā)光器件等本節(jié)主要介紹物質(zhì)發(fā)光的原理及發(fā)光器件——9第九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日一、玻爾的原子理論1913年玻爾以原子的有核模型為基礎(chǔ)，結(jié)合原子光譜的規(guī)律，對原子結(jié)構(gòu)提出了三個基本假設(shè)，使光譜現(xiàn)象獲得了初步解釋。玻爾假設(shè)：（1）在電子繞核運動所有軌道中，只有在電子的角動量Lφ等于量h/(2π)的整數(shù)倍的那些軌道上（稱為量子軌道），運動才是相對穩(wěn)定的（在n=1的量子軌道上運動是最穩(wěn)定的），即式中：

h普朗克常數(shù)

n量子數(shù)，為正整數(shù)1、2、3、…n=3n=1n=2氫原子中電子的量化軌道＋玻爾的原子理論10第十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（3）只有原子從一個具有較大能量En的穩(wěn)定運動狀態(tài)躍遷到另一個較低能量Ek的穩(wěn)定運動狀態(tài)時，原子才以光的形式發(fā)射出單色輻射，其頻率是（頻率條件式）（2）電子在上述假設(shè)所許可的任一軌道上運動時，雖有加速度，但原子具有一定的能量En而不會發(fā)生輻射，所以處于相對穩(wěn)定的運動狀態(tài)（定態(tài)）。玻爾的原子理論n=3n=1n=2氫原子中電子的量化軌道＋11第十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日玻爾的第一、第二基本假設(shè)說明了●電子繞核運動的軌道不是任意的，而是有選擇的。電子只能在符合量子條件的那些軌道（稱為量子軌道n倍h/(2π)，n稱為量子數(shù)）上運動，并且處于相對穩(wěn)定的運動狀態(tài)，即具有一定的能量，而不輻射出能量?！裼捎谠觾?nèi)的電子只能在一些穩(wěn)定的量子軌道上運動，因此原子所具有的能量En是不連續(xù)的，即為E1、E2、E3、…特定的數(shù)值，而不具有介于E1和E2

或E2和Ea

等之間的數(shù)值?；蛘哒f，原子的能量是量子化的。由于原子能量數(shù)值的高低，象一級一級的階梯一樣，形成分立的序列，通常把這種按照突變形式的能量數(shù)值稱為原子的能級?！鑫镔|(zhì)發(fā)光機理物質(zhì)發(fā)光機理n=3n=1n=2氫原子中電子的量化軌道＋12第十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（如圖所示）即原子也可以改變它所處的能級，當(dāng)原子從一個能級躍遷到較低的能級時，就發(fā)射出光子；所減少的能量（En-Ek）被轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾拥哪芰縣v由光子能量的減少可算出發(fā)射的單色輻射的頻率式中：h為普朗克常數(shù)h=6.626×10-34（J.S焦耳.秒），v為光的頻率（Hz赫）玻爾第三個基本假設(shè)解釋了原子輻射的現(xiàn)象反之，當(dāng)原子吸收光子時，也可以從較低能級躍遷到較高能級。物質(zhì)發(fā)光機理＋－h(huán)ν從低能級躍遷到高能級原子吸收光子能量－＋－－h(huán)ν從高能級躍遷到低能級能級躍遷原子發(fā)射光子13第十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日根據(jù)玻爾理論，氫原子光譜的產(chǎn)生可解釋如下：電子在第一軌道（量子數(shù)n=1）時，能量最小，此時原子最為穩(wěn)定，原子的這種狀態(tài)稱為正常狀態(tài)或基態(tài)。當(dāng)原子受到輻射或高能粒子的碰撞等外界因素激發(fā)時，它就吸收一定的能量而躍遷到某一個能級較高的受激狀態(tài)，它的電子就躍遷到量子數(shù)較大的軌道上運動。量子數(shù)n越大，電子距核越遠，原子的能量En越大。量子數(shù)n>1的各個狀態(tài)，其能量大于正常狀態(tài)，稱為受激狀態(tài)或激發(fā)態(tài)。基態(tài)：受激狀態(tài)：受激狀態(tài)的形成：＋－h(huán)ν原子吸收光子能量從低能級躍遷到高能級－物質(zhì)發(fā)光機理n=3n=1n=2氫原子中電子的量化軌道＋14第十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日根據(jù)玻爾理論，氫原子光譜的產(chǎn)生可解釋如下：處于受激狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，能夠自發(fā)地躍遷到能級較低的受激狀態(tài)或基態(tài)，由玻爾第三假設(shè)，當(dāng)原子從量子數(shù)為n的初態(tài)躍遷到量子數(shù)為k的末狀態(tài)時（n>k），原子就發(fā)射出單色光。受激狀態(tài)→基態(tài)：＋－－h(huán)ν原子能級躍遷時發(fā)射光子物質(zhì)發(fā)光機理15第十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日二、發(fā)光器件1、鎢絲白熾燈2、氣體放電燈3、發(fā)光二極管4、激光器16第十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日二、發(fā)光器件1、鎢絲白熾燈用鎢絲通電加熱作為光輻射源是最普通的光源一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的可見光還輻射出大量紅外線和紫外線一般普通鎢絲白熾燈相當(dāng)于溫度為2700-2900K的黑體輻射，這一范圍在近紅外區(qū)。由于它的光譜是連續(xù)的，在可見光及紫外光波段也有相當(dāng)強的輻射，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。普通白熾燈還有溴鎢燈、碘鎢燈。17第十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日2、氣體放電燈氣體放電燈是利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長。目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如，照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/2—1/3。18第十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日日光燈亦稱“熒光燈”。一種利用光致發(fā)光的照明用燈。燈管用圓柱形玻璃管制成，實際上是一種低氣壓放電管。兩端裝有電極，內(nèi)壁涂有鎢酸鎂、硅酸鋅等熒光物質(zhì)。制造時抽去空氣，充入少量水銀和氬氣。通電后，管內(nèi)因水銀氣體被電離放電而產(chǎn)生紫外光（線），紫外光激發(fā)熒光物質(zhì)，使它發(fā)出可見光，不同發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生不同顏色，常見的近似日光（熒光物質(zhì)為鹵磷酸鈣）。熒光燈光線柔和，發(fā)光效率比白熾電燈高，其溫度約在40～50℃，電功率僅為同樣明亮程度的白熾燈之1/3～1/5。廣泛用于日常生活和工廠的照明光源。不講19第十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）半導(dǎo)體PN結(jié)的形成當(dāng)半導(dǎo)體P型硅和N型硅相互結(jié)合時，在結(jié)合面上P區(qū)的空穴濃度高，N區(qū)沒有空穴，由于擴散P區(qū)的空穴移到N區(qū)，N區(qū)的電子濃度高，P區(qū)沒有電子，由于擴散N區(qū)的電子移到P區(qū)，這樣在PN結(jié)處形成勢壘電荷區(qū)電子由N區(qū)注入到P區(qū)及空穴由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。在PN結(jié)處形成的勢壘電荷區(qū)，抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。從而在PN結(jié)處形成一個穩(wěn)定的內(nèi)電場。構(gòu)成P-N結(jié)時載流子擴散作用與內(nèi)電場作用的平衡N區(qū)P區(qū)＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋勢壘電荷區(qū)內(nèi)電場方向發(fā)光二極管是一種電致發(fā)光的半導(dǎo)體器件。20第二十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時，空間電荷層變窄，載流子擴散運動大于漂移運動，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，如圖7-2所示。即電子和空穴復(fù)合釋放出能量并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來。勢壘電荷區(qū)內(nèi)電場方向N區(qū)－P區(qū)－－＋＋＋變窄外電場RI加正向電壓勢壘變窄圖7-221第二十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日勢壘電荷區(qū)內(nèi)電場方向N區(qū)－P區(qū)－－＋＋＋變窄外電場RI加正向電壓勢壘變窄在外電場的作用下，電子或空穴如果能越過勢壘，從N區(qū)注入到P區(qū)的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時電子或空穴（越過勢壘）所具有的能量（該能量大于光子的能量），伴隨著以光子形式釋放出來，因而有發(fā)光的現(xiàn)象。由于復(fù)合是在擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)um以內(nèi)產(chǎn)生。22第二十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg

也就是PN結(jié)的（勢壘）禁帶寬度（能量間隔）（電子和空穴越過勢壘所具有的能量）。發(fā)光二極管禁帶寬度光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即：λ=1240/Eg（mm）若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管。23第二十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖7-3所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。圖7-324第二十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400-630SiC480ZnxCd1-xTe590-830GaP565,680GaAs1-xPx550-900GaAs900InPxAs1-x910-3150InP920InxGa1-xAs850-1350制作發(fā)光二極管的材料普通二極管是用鍺和硅制造的。這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為鍺0.67eV硅1.12eV這兩種材料不能直接使用。通常用砷化鎵GaAs和磷化鎵GaP兩種材料的固溶體，將該固溶體寫作GaAs1-xPx，下標(biāo)x

代表砷化鎵的比例，當(dāng)x>0.35時，便可得到Eg≥1.8eV的材料。25第二十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日4、激光器激光器是一種能發(fā)射激光光束的強光源。

激光的產(chǎn)生

激光器的組成激光器的分類26第二十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日1、原子的自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射（1）自發(fā)發(fā)射當(dāng)原子吸收外界能量而被激發(fā)到高能級時是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地躍遷到低能級而發(fā)光，這一過程稱為自發(fā)發(fā)射。自發(fā)發(fā)射所發(fā)出的光子頻率為：上述所講的是一個原子發(fā)光的情況，光源發(fā)光是大量原子運動的行為。常見的白熾燈、日光燈等均是自發(fā)發(fā)射的光源。常見光源中各發(fā)光原子是相互獨立地、互不關(guān)聯(lián)地、個體化地向四面八方發(fā)光，它們開始發(fā)光的時間也參差不一，光的頻率和周期也沒有一定的關(guān)系，所以各原子的發(fā)光不是相干光。E2E1吸收自發(fā)發(fā)射hνhν激光的產(chǎn)生27第二十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（2）受激發(fā)射處于高能級的原子在外界作用影響下發(fā)射光子而躍遷到低能級上去，這種發(fā)光過程稱為受激發(fā)射。亞穩(wěn)能級在物質(zhì)中某些原子能級具有這樣的特征，即能級E2不如能級E1穩(wěn)定，但比Ea穩(wěn)定，故稱E2為亞穩(wěn)能級。當(dāng)原子處于亞穩(wěn)能級E2時，需要在能量為hν=E2–E1的外界射入光子的激發(fā)下（此時外界入射光子并不將能量傳遞給所激發(fā)的原子），發(fā)生受激發(fā)射，躍遷到能級E1上去，并發(fā)射出一個能量為hν=E2–E1的光子。在受激發(fā)射過程中，發(fā)射光子●在能量（或頻率）上和外界的入射光子相同，●在周相上和發(fā)射方向上和外界的入射光子完全一樣。這樣在受激發(fā)射過程中，一個入射光子激發(fā)了一個光子，得到了兩個特征完全相同的光子。hνhνhνE2E1原子受激發(fā)射Ea28第二十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日如果這兩個光子再激發(fā)物質(zhì)中其它處于（亞穩(wěn)）能級E2的原子發(fā)生受激發(fā)射，這些原子所發(fā)射的光子在周相、發(fā)射方向、振動方向和頻率上也和最初引起受激發(fā)射的入射光子相同，即產(chǎn)生了四個相同的光子。于是在一個入射光子影響下，會獲得大量特征完全相同的光子。這個過程叫光放大。在受激發(fā)射時，原子的發(fā)光過程是相互聯(lián)系的，這種受激發(fā)射光的放大，就形成所謂激光。光放大激光hνhνhνE2E1原子受激發(fā)射Ea光的放大…E2亞穩(wěn)能級的原子29第二十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)●一方面，可能引起受激發(fā)射，形成光放大的過程；●一方面，也可能被處于能級E1（基態(tài)）上的原子所吸收（此時外界入射光子將能量傳遞給能級為E1的原子），而躍遷到能級E2（激發(fā)態(tài)）上去；從而使物質(zhì)中能量為hv=E2-E1傳播的光子數(shù)量因被吸收而減少，這一過程叫做光吸收。受激發(fā)射和光放大是產(chǎn)生激光的基礎(chǔ)當(dāng)能量為：hv=E2-E1的光子在物質(zhì)中傳播時，通常有兩種過程：光的吸收hνE2E1Ea光的吸收30第三十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光放大和光吸收這兩種過程在物質(zhì)中是同時發(fā)生的光放大會使能量為hv

的光子數(shù)增加光吸收會使能量為hv

的光子數(shù)減少能量為hv的光子通過工作物質(zhì)時，究竟是光吸收還是光放大占優(yōu)勢，取決于處于能級E2和處于能級E1的原子數(shù)若處于能級E2的原子數(shù)多，則光放大占優(yōu)勢若處于能級E1的原子數(shù)多，則光吸收占優(yōu)勢通常，在具有一定溫度的物質(zhì)中，處在高能級E2的原子數(shù)目恒少于處在低能級E1的原子數(shù)目。在這種情況下，光吸收占優(yōu)勢。為了實現(xiàn)光放大，設(shè)法通過外界能量（通過氣體放電或光照射等）的激發(fā)，將工作物質(zhì)中低能級上的原子激發(fā)到高能級上去，使某個高能級上的原子數(shù)比處于低能級的原子多，這種狀態(tài)叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實現(xiàn)光放大的必要條件。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)hvhvhvE2E1Ea31第三十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日現(xiàn)在以具有三個能級E1、E2、Ea（E1<E2<Ea）的原子系統(tǒng)為例，來說明粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。若原子內(nèi)這三個能級之間的躍遷均能進行用頻率為va1=(Ea-E1)/h的光子來激發(fā)工作物質(zhì)中的原子，則一部分原子就要從E1激發(fā)到Ea當(dāng)外界供給足夠的激發(fā)能量時，就會使能級Ea上的原子數(shù)目大量增加設(shè)Ea的自發(fā)躍遷的幾率比E2（亞穩(wěn)能級）大，這時，處于E1上的原子被大量激發(fā)到能級Ea后，會躍遷到亞穩(wěn)能級E2，于是大量原子被暫留在能級E2上，形成了E1與E2之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。使原子具有亞穩(wěn)態(tài)能級是形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件。EaE2E1亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)32第三十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日3、諧振腔諧振腔是一種激光器，用它可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。它由分別裝于其兩端的一塊全反射鏡與一塊部分反射鏡所構(gòu)成?！馎圖表示在常溫下，諧振腔工作物質(zhì)中，絕大部分原子處于低能級（以灰點表示）少數(shù)原子處于高能級（以白圓圈表示）。●B圖表示在外界激發(fā)下，工作物質(zhì)中大部分原子處于亞穩(wěn)態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?！瘛瘛稹瘛稹瘛瘛瘛瘛瘛稹瘛瘛瘛稹袢瓷洳糠址瓷銩圖●○○●○○●○○●○○●●○●全反射部分反射B圖33第三十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日●○○●○○●○○●○○●●○●全反射部分反射D圖●○○●○○●○○●○○●●○●全反射部分反射E圖●D圖表示被光放大的光子流遇到諧振腔的反射鏡后，被反射回去，又得到放大?！馝圖表示光在諧振腔內(nèi)來回反射。若光在來回反射的過程中，光放大的作用克服了各種衰減作用（如：腔內(nèi)部分反射鏡的透射、工作物質(zhì)對光的散射和吸收等），就形成了穩(wěn)定的光振蕩。諧振腔左端的反射鏡面，其反射率要求接近100%，右端的稍低些（如：98%），從這個鏡面上可透射出一部分光，這部分透射光是諧振腔輸出的激光?！瘛稹稹瘛稹稹瘛稹稹瘛稹稹瘛瘛稹袢瓷洳糠址瓷銫圖●C圖表示一部分處于高能級的粒子向各個方向發(fā)射受激發(fā)射所產(chǎn)生的一些光子，雜亂地沿任意方向傳播。凡是不沿諧振腔軸向的光子很快跑出腔外，而沿軸向轉(zhuǎn)播的光子，則可在腔內(nèi)傳播，并且在傳播過程中，與腔內(nèi)處于亞穩(wěn)態(tài)的受激原子碰撞，而產(chǎn)生受激發(fā)射，不斷得到光放大。34第三十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日從上述激光產(chǎn)生的過程來看，激光器由三個部分組成：激光工作物質(zhì)、激勵系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔。（1）激光工作物質(zhì)（即產(chǎn)生激光的物質(zhì)）

激光器的組成工作物質(zhì)是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系。它們可以是固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等媒質(zhì)。對激光工作物質(zhì)的主要要求，是盡可能在其工作粒子的特定能級間實現(xiàn)較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并使這種反轉(zhuǎn)在整個激光發(fā)射作用過程中盡可能有效地保持下去；為此，要求工作物質(zhì)具有合適的能級結(jié)構(gòu)和躍遷特性。激光器可攜式激光器35第三十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵方式和激勵裝置，常見的有以下四種。①光學(xué)激勵(光泵)。②氣體放電激勵。③化學(xué)激勵。④核能激勵。（2）激勵系統(tǒng)激勵(泵浦)系統(tǒng)：是指為使激光工作物質(zhì)實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而提供能量來源的機構(gòu)或裝置。是利用外界光源發(fā)出的光來輻照工作物質(zhì)以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成。是利用在氣體工作物質(zhì)內(nèi)發(fā)生的氣體放電過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置通常由放電電極和放電電源組成。是利用在工作物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，通常要求有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)物和相應(yīng)的引發(fā)措施。是利用小型核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生的裂變碎片、高能粒子或放射線來激勵工作物質(zhì)并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的。36第三十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（3）光學(xué)諧振腔其作用為：①提供光學(xué)反饋能力，使受激輻射光子在腔內(nèi)多次往返以形成相干的持續(xù)振蕩。②對腔內(nèi)往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。光學(xué)共振腔：通常是由具有一定幾何形狀和光學(xué)反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。37第三十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日激光器的分類按所采用的工作物質(zhì)可分為氣體激光器（如：氦氖激光器、二氧化碳激光器）固體激光器（如：紅寶石激光器、釹玻璃激光器）液體激光器（如：無機液體激光器）半導(dǎo)體激光器（如：砷化鎵二極管激光器）等38第三十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日它們所采用的工作物質(zhì)是氣體氣體激光器氦氖激光器（長度10cm的氣體放電管）其輸出功率為毫瓦級波長為：632.8nm,光功率約為：0.5mW。二氧化碳激光器輸出功率很大，波長為：10600nm，處于遠紅外區(qū)。氮分子脈沖激光器可發(fā)出峰值功率高而寬度很窄的脈沖光，波長為：337nm，處于紫外光。氣體激光器的共同特點是：激光的單色性好，光束穩(wěn)定，光的質(zhì)量好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工業(yè)檢測中應(yīng)用較少。最常用的氣體激光器是氣體激光器39第三十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日固體激光器如：紅寶石激光器波長為：694.3nm、692.9nm紅寶石激光器誕生于1960年，是人類發(fā)明的第一種激光器。曾成功用于地球到月球的距離測量。測量是靠登月的阿波羅留下一部分材料作為的反射鏡實現(xiàn)的固體激光器是通過把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的。摻釹的釔鋁石榴石激光器波長為：1064nm石榴石紅寶石40第四十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日摻釹釔鋁石榴石的激光測距機是現(xiàn)代主戰(zhàn)坦克的關(guān)鍵裝備上圖為稀土金屬釹41第四十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理是在半導(dǎo)體內(nèi)自發(fā)發(fā)射光子和受激發(fā)發(fā)射光子，使光在激發(fā)的工作物質(zhì)中放大或發(fā)射而發(fā)光的。根據(jù)激發(fā)方法不同，半導(dǎo)體激光器可分為三種：p-n結(jié)注入式電子束激發(fā)式光激發(fā)式特點：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單。適宜在飛機、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準(zhǔn)敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。半導(dǎo)體激光器42第四十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日激光器名稱介質(zhì)光頻數(shù)波長?He-Cd氣體紫外光3250N2氣體紫外光3371Kr氣體紫外光3507,3564Ar氣體紫外光3511,3638He-Cd氣體可見光4416,5378Ar氣體可見光4579,5145Kr氣體可見光4619,6764Xe氣體可見光4603,6271Ar-Kr氣體可見光4675,6764He-Ne氣體可見光6328紅寶石Cr3+固體可見光6943Kr氣體紅外光7530,7990Ca、Al、As固體(半導(dǎo)體)紅外光8500Ca、As固體(半導(dǎo)體)紅外光9040Nd固體紅外光10600Nd/YAG(摻釹的釔鋁石榴石)固體紅外光10600He-Ne氣體紅外光11500,33900CO2氣體紅外光10600H2O氣體紅外光11800HCN氣體紅外光33700常用激光器波長表

43第四十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日一、光電效應(yīng)二、光電型光電器件三、光電導(dǎo)型光電傳感器四、光伏特型光電傳感器五、CCD光電器件第二節(jié)光敏元件44第四十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日一、光電效應(yīng)1、光電效應(yīng)2、產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件(1)光電效應(yīng)的條件(2)紅限頻率(3)光電子初動能與光子的頻率成正比(4)光電子產(chǎn)生的時間常數(shù)45第四十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日一、光電效應(yīng)1、光電效應(yīng)光照射在某些物體上，使物體內(nèi)部的原子釋放出電子的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)兩大類；根據(jù)這些效應(yīng)可制成不同的光電傳感器（光敏元件）如：光電管光電倍增管光導(dǎo)管（光敏電阻）光電池光敏二極管光敏三極管等內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。46第四十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日這些能量一部分用作電子（逃脫原子核的束縛）逸出物體表面的逸出功A一部分變成電子的初動能(1/2)mυ2按照能量守恒定律有：愛因斯坦光電效應(yīng)方程：當(dāng)頻率為v的光照射在物體（金屬）上時，光子與其內(nèi)部的（原子）電子之間相互作用，一個光子的能量只能給一個電子，因此一個單個光子把全部能量傳給物體中的一個自由電子，使自由電子能量增加hv。光電效應(yīng)是光照射在物體上一連串具有能量hv的光子轟擊這些物體中的電子所造成的。由光電效應(yīng)在物體表面產(chǎn)生的自由電子稱為光電子。式中：v

入射光的頻率h普朗克常數(shù)υ電子逸出物體表面時的初速度

m電子的質(zhì)量

A電子逸出物體表面的逸出功■光電效應(yīng)的機理47第四十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日2、產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件當(dāng)光子能量大于電子逸出功時，發(fā)射出光電子，產(chǎn)生光電效應(yīng)。當(dāng)光子能量小于電子逸出功時，不發(fā)射出光電子，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。當(dāng)光子能量等于電子逸出功時，光電子的初速度υ=0，此時光子的能量

hv=A，光子相應(yīng)的單色光頻率為v0，該頻率為紅限頻率式中：v0

為該物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限頻率。（1）光電效應(yīng)的條件（2）紅限頻率hv0=A48第四十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日當(dāng)光子能量等于電子逸出功時，光電子的初速度υ=0此時光子的能量

hv=A光子相應(yīng)的單色光頻率為v0顯然，如果入射光的頻率低于紅限頻率v0，不論光強有多大，也不會使物質(zhì)發(fā)射光電子。入射光的強度不是產(chǎn)生光電效應(yīng)的必要條件紅限頻率v0反之，入射光的頻率高于紅限頻率v0，光強度再弱，該物體也能發(fā)射光電子，只是發(fā)射的光電子數(shù)較少，隨著光強的增加，光電子的數(shù)目增加，光電流增大。入射光的頻率高于紅限頻率v0，是產(chǎn)生光電效應(yīng)的必要條件。49第四十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光電子的初動能決定于光的頻率。從式中可以看出，對于一定的物質(zhì)，電子逸出功是一定的，所以光子的能量hv越大，則電子的初動能越大，電子的初動能與頻率成正比。根據(jù)一個光子的能量只能給一個電子，電子吸收光子的能量不需要累積能量的時間，在光照射物質(zhì)后，立刻有光電子發(fā)射，據(jù)測該時間不超過10-9秒。（3）光電子初動能與光子的頻率成正比（4）光電子產(chǎn)生的時間常數(shù)50第五十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日二、光電型光電器件1、外光電效應(yīng)2、光電管3、光電倍增管(1)光電倍增管的結(jié)構(gòu)(2)光電倍增管的工作原理51第五十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日二、光電型光電器件1、外光電效應(yīng)物體在受到光的照射時，其內(nèi)部的原子吸收光子（能量）后，繞核運動的電子掙脫原子核的束縛而成為自由電子，并從物體表面逸出的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光敏元件典型的有：真空光電管光電倍增管等52第五十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日2、光電管光電管是由一個陰極K和一個陽極A封裝在一個真空玻璃管內(nèi)構(gòu)成。陰極K和電源負極相聯(lián)，陽極A與電源正極相聯(lián)，因此在光電管內(nèi)形成電場。當(dāng)光照射陰極時，電子從陰極逸出，在電場作用下，逸出的電子被陽極收集，如果接有外部電路就會形成電流I，該電流隨光照射強弱而變化。實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光陽極A陰極K金屬底層為陰極光電管光陽極A陰極K光透明陰極光電管KAIRE光電管連接電路光53第五十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日3、光電倍增管（1）光電倍增管的結(jié)構(gòu)當(dāng)入射光很弱時，光電管產(chǎn)生電流很小（零點幾微安），不易檢測。這時可用光電倍增管對光電流放大，以提高光電管的靈敏度。在光電管的陰極和陽極之間安裝若干個光電倍增電極。光電倍增電極涂有Sd-Ga（銻-鎵）或Ag-Mg（銀-鎂）等合金材料，在電子加速轟擊下，可發(fā)射出更多的電子。其結(jié)構(gòu)形式很多，下圖為兩種常見結(jié)構(gòu)。光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理圖光陰極K倍增極D1D2D3D4陽極A

管泡式結(jié)構(gòu)陰極K陽極A光倍增極D

圓形鼠籠式結(jié)構(gòu)54第五十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光電倍增管的工作原理是建立在光電發(fā)射（光電效應(yīng)）和二次發(fā)射（具有能量的粒子在運動中相互碰撞）的基礎(chǔ)上。工作時倍增極電位是逐級增高。（2）光電倍增管的工作原理●當(dāng)入射光照射光電陰極K時，立刻有光電子逸出（此過程為光電效應(yīng)）●逸出的電子受到第一倍增級D1正電位（倍增級D1與陰極K之間電場）作用，使之加速打到D1倍增極上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射由于光電倍增電極涂有Sd-Ga（銻-鎵）或Ag-Mg（銀-鎂）等金屬材料，在電子加速轟擊下，可發(fā)射出更多的電子（此過程不是光電效應(yīng)，為具有能量的粒子在運動中相互碰撞的結(jié)果）光陰極K倍增極D1D2D3D4陽極A

管泡式結(jié)構(gòu)55第五十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光電倍增管的電流增益可達106相鄰電極之間的電壓為：200~400V電極一般為10個，光電倍增管的陰極和陽極之間的總電壓可達幾千伏光譜為：0.2~1.0μm●同理D1發(fā)射的電子在D2更高電位作用下，再次被加速打到D2極上，D2又會產(chǎn)生二次發(fā)射，這樣逐級進行，直到電子被陽極A收集為止。光陰極K倍增極D1D2D3D4陽極A

管泡式結(jié)構(gòu)56第五十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日假設(shè)每個電子落到任一倍增極上都打出σ個電子則陽極電流

I為：式中：i0

光電管陰極發(fā)出的光電流n光電倍增極數(shù)光電倍增管的電流放大系數(shù)β為：光電倍增管的電流放大系數(shù)光陰極K倍增極D1D2D3D4陽極A

管泡式結(jié)構(gòu)57第五十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日三、光電導(dǎo)型光電傳感器1、光電導(dǎo)效應(yīng)2、光電導(dǎo)元件—光敏電阻

(1)光敏電阻的工作原理(2)光敏電阻的結(jié)構(gòu)(3)光敏電阻的材料及光譜特性(4)光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性58第五十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日三、光電導(dǎo)型光電傳感器1、光電導(dǎo)效應(yīng)物體受到光的照射時，其內(nèi)部的電子吸收光子的能量后，掙脫原子的束縛而成為自由電子；但這些電子并不逸出物體表面，而仍留在物體的內(nèi)部，使物體電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件主要是光敏電阻。其特性為：在光的照射下其電阻率變小，阻值隨光照度的增加而減小，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；光照停止后，自由電子被失去電子的原子核俘獲，材料的電阻又恢復(fù)原值。59第五十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日2、光電導(dǎo)元件—光敏電阻

（1）光敏電阻的工作原理光敏電阻是一種用光導(dǎo)材料制成的沒有極性的光電元件，也稱為光導(dǎo)管。光敏電阻接在電路中能把光信號轉(zhuǎn)換為電信號（電阻、電壓、電流）。光敏電阻工作原理如下圖所示。當(dāng)受到一定波長的光照射時電阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增加。當(dāng)無光照射時光敏電阻的阻值（暗電阻）很大，電路中電流很小。IR光敏電阻光電極電極光敏電阻的工作原理60第六十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日為了提高光敏電阻的靈敏度，其電極一般采用梳狀結(jié)構(gòu)；它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜材料上蒸鍍金或銦金屬形成的；這種結(jié)構(gòu)有效地增大了感光面積，充分利用電極與光導(dǎo)材料接觸的有效面積，提高了光敏電阻的靈敏度。（2）光敏電阻的結(jié)構(gòu)一般光導(dǎo)材料怕潮濕，因此用帶有透光窗的金屬殼密封起來。為了提高散熱，有的還在內(nèi)部充有氫氣。光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡單。如下圖所示。電極電極光導(dǎo)體光敏電阻的電極結(jié)構(gòu)光敏電阻外形61第六十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日用不同的材料制成的光敏電阻適用于光的不同波長范圍●硫化鎘、硒化鎘光敏電阻其光譜響應(yīng)在可見光和X射線?！窳蚧U、硒化鉛光敏電阻，其光譜響應(yīng)在近紅外區(qū)。在室溫下，硫化鉛的光譜響應(yīng)處于1～3μm間；硒化鉛則在1～4.5μm之間?！駬浇疰N構(gòu)成的光敏電阻，其光譜響應(yīng)為1～9μm，在遠紅外區(qū)?！駬焦N構(gòu)成的光敏電阻，其光譜響應(yīng)為4～14μm，在遠紅外區(qū)。（3）光敏電阻的材料及光譜特性制造光敏電阻常用材料有：硫化物硒化物銻化物硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈硒化鎘、硒化鉛銻化鉛62第六十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（4）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性◎暗電阻、暗電流光敏電阻在室溫、無光照射的全暗條件下，經(jīng)過一定的穩(wěn)定時間后，測得的電阻值稱為暗電阻。此時的電流稱為暗電流?！蛄岭娮?、亮電流光敏電阻在某一光照射下的阻值，稱為該光照射下的亮電阻。此時流過的電流，稱為亮電流?！蚬怆娏髁岭娏髋c暗電流之差，稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大、亮電阻越小，則性能越好（或暗電流越小、亮電流越大光敏電阻的靈敏度越高）。一般情況下，光敏電阻的暗電阻為1～100MΩ；亮電阻為1kΩ以下。63第六十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日◎光照特性光電器件的靈敏度可用光照特性來表征。它反映光電器件（在一定的光譜下，即入射光波長一定）輸入光量與輸出電流（光電壓）之間的關(guān)系。00.20.40.60.81.00.250.200.150.100.05------|||||||||||光通量（lm）光電流I(mA)光電器件的光照特性64第六十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日◎光譜特性光電器件的光譜特性是指輸入光量不變的情況下，相對靈敏度與入射光波長λ之間的關(guān)系。硅器件靈敏度的極大值出現(xiàn)0.8~0.9μm處短波限為：0.4μm長波限為：1.1μm鍺器件靈敏度的極大值出現(xiàn)在1.4~1.5μm處短波限為：0.5μm長波限為：1.8μm光電器件光譜特性與光敏電阻材料有關(guān)。光敏電阻的光譜分布，不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與制造工藝—摻雜雜質(zhì)及其濃度有關(guān)。00.40.81.21.62.010080604020------入射光波長λ（μm）相對靈敏度

光電器件的光譜特性%鍺硅65第六十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日◎溫度特性溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時也對光譜特性有很大的影響。圖為硫化鉛（PbS）的光譜溫度特性。由圖可見光譜（曲線）響應(yīng)峰值隨溫度升高而向短波方向移動。采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波的響應(yīng)。01.02.03.04.010080604020------||||||||||||入射光波長（μm）相對靈敏度

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性I%+20℃-20℃66第六十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日四、光伏特型光電傳感器1、光伏特效應(yīng)2、光電池3、光敏二極管4、光敏三極管67第六十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日四、光伏特型光電傳感器1、光伏特效應(yīng)光伏特型光電傳感器是利用光伏特效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光伏特型的器件有：光電池（太陽能電池）光敏二極管光敏三極管等在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。68第六十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日當(dāng)光線照射P型、N型半導(dǎo)體表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，半導(dǎo)體原子中的電子吸收光子能量后，被激發(fā)出來成為自由電子，同時也產(chǎn)生空穴；在內(nèi)電場的作用下，在P區(qū)中被激發(fā)出來的電子通過PN結(jié)越遷到N區(qū)，N區(qū)帶負電；在N區(qū)中被激發(fā)出來的空穴通過PN結(jié)越遷到P區(qū)，P區(qū)帶正電；于是在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓。PN結(jié)空間電荷區(qū)N型硅＋－P型硅－－－＋＋＋－－＋＋光+++---PN光生伏特效應(yīng)+光++---光生伏特效應(yīng)69第六十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日當(dāng)外部接通電路時（如圖所示），在該電壓的作用下，電流方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)，即有電流流過外部電路，并產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是：光子能轉(zhuǎn)換成電能的過程。若將外電路斷開，可測得光生電動勢。IRPN結(jié)空間電荷區(qū)N型硅＋－P型硅－－－＋＋＋－－＋＋光+++---+++---光電池光RI光電池外接電路70第七十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日2、光電池（1）硒光電池硒光電池是在鋁（電極正）上噴涂硒（P），在硒上濺射一層半透明的氧化鎘（N）薄膜，再在其上面噴涂一層金屬環(huán)作為電極（負）。在光的照射下不需其它外部激勵就能產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)體器件，稱為光電池。常用的光電池有硒光電池和硅光電池。對可見光和近紅外光敏感。硒(P)

氧化鎘(N)

金屬環(huán)(負極)金屬極板(正極)光硒光電池結(jié)構(gòu)PN結(jié)結(jié)構(gòu)在此結(jié)構(gòu)中，硒為P型半導(dǎo)體材料；氧化鎘是N型半導(dǎo)體材料；在無光照射時，氧化鎘和硒接觸面之間（PN結(jié)）形成空間電荷區(qū)。71第七十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日硒中的電子受激發(fā)躍遷PN結(jié)到氧化鎘成為自由電子；氧化鎘中的空穴受激發(fā)躍遷PN結(jié)成為自由空穴；這些電子—空穴對，空穴移向P區(qū)，P區(qū)帶正電；電子移向N區(qū)，N區(qū)帶負電；于是在硒光電池中產(chǎn)生電壓。硒光電池的光譜峰值在570nm處。硒(P)

氧化鎘(N)

金屬環(huán)(負極)金屬極板(正極)光硒光電池結(jié)構(gòu)PN結(jié)工作原理：當(dāng)入射光照到氧化鎘（N）和硒（P）上時，吸收光子的能量激發(fā)出電子和空穴，在內(nèi)電場的作用下，72第七十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（2）硅光電池硅光電池用N型硅作為基體，將硼摻入上層表面，形成P型硅的透光層；也有用P型硅作為基體，將磷摻入表面，形成N型硅；其工作原理與前述相同。N型硅基體的硅光電池的光譜峰值為800nm（稍向藍光，在紅外區(qū)）P型硅基體的硅光電池的光譜峰值為900nm硅光電池常用于太陽能轉(zhuǎn)換。光電池可根據(jù)需要制成方形、矩形、圓形、三角形、環(huán)形，還可是對稱、四象限、雙環(huán)及多環(huán)形等形式。為了滿足電源電壓、容量的要求，可把單個電池串聯(lián)或并聯(lián)連接，組成光電池組。光P型硅N型硅PN結(jié)金屬鍍層電極(正)硅光電池結(jié)構(gòu)金屬鍍層電極(負)73第七十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日3、光敏二極管光敏二極管符號如圖。PN光光敏二極管符號光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。RL

光PN光敏二極管接線

74第七十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。75第七十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日4、光敏三極管光敏三極管與光敏二極管類似，不過光敏三極管有兩個PN結(jié)，它把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的同時，又將信號電流放大，如下圖所示。硅光敏三極管是NPN結(jié)構(gòu)它的基區(qū)是光敏區(qū)在集電極c加正電壓發(fā)射極e加負電壓基極b不加電壓NNP。光集電極c發(fā)射極e。Rceb光I76第七十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光激發(fā)電子-空穴對，電子-空穴在PN結(jié)內(nèi)部和外部電場的作用下移動形成電流，產(chǎn)生光伏特效應(yīng)；當(dāng)無光照射時，三極管不導(dǎo)通；當(dāng)光照射基極（發(fā)射極和基極）時Rceb光IRceb光I●NNP光集電極c發(fā)射極e可見，光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。該電流作為基極電流被晶體管放大，形成得到放大的光電流I，該電流從集電極c流向發(fā)射極e；光電流I的放大倍數(shù)為（1+β）倍（其等效電路如下圖）77第七十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（1）MOS光敏單元CCD（Charge–CoupledDevices）電荷偶合器件MOS（Metal–Oxide–Semiconductor）金屬-氧化物-半導(dǎo)體①MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體（P型硅）基片上生長具有電解質(zhì)作用的氧化物（SiO2二氧化硅），又在其上面沉積一層金屬電極，形成MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)（元）。金屬電極氧化物SiO2半導(dǎo)體P型硅U+MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)五、CCD光電器件1．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理CCD電荷耦合器件是由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。

它的基本功能是電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作原理是信號電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測。78第七十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日金屬電極氧化物SiO2本征半導(dǎo)體P型硅U+勢阱MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)②MOS光敏單元的工作原理當(dāng)在金屬電極上加正電壓時，由于在金屬和P型硅之間存在氧化物絕緣，在電場的作用下，電極下的P型硅區(qū)域里的空穴被趕盡，從而形成一個（空穴的）耗盡區(qū)，這個耗盡區(qū)對于帶負電的電子來說是一個電勢能很低的區(qū)域，稱為勢阱。如果此時有光線射入到該MOS光敏單元，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片上會產(chǎn)生電子-空穴對，光生空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。光生電子被附近的勢阱所俘獲。電子此時，勢阱內(nèi)所俘獲的光電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比。79第七十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日MOS光敏單元感生電荷圖象通常在半導(dǎo)體硅片上制有成千上萬個相互獨立的MOS光敏單元，這些MOS單元以陣列形式布放在硅片的平面上，若在金屬電極上施加正電壓，則在這個半導(dǎo)體硅片上形成成千上萬個相互獨立的勢阱。一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個電荷包。電荷包中電荷數(shù)量與光的強度成正比。一個MOS光敏單元稱為一個像素。③電荷包和像素金屬電極氧化物SiO2本征半導(dǎo)體P型硅U+勢阱電子MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)如果照射在硅片上是一幅明暗變化的圖像，那么這些光敏單元就感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。MOS光敏單元陣列80第八十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（2）讀出移位寄存器讀出移位寄存器的作用是將勢阱中的電荷讀出并送入后續(xù)電路進行處理，以生成圖像。①讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)在氧化物上有三類電極柵，輸入柵、傳輸柵、輸出柵P型硅●●●氧化物SiO2金屬電極輸入柵輸出柵傳輸柵遮光層第一組電極Φ1第二組電極Φ2第三組電極Φ3勢阱讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)輸出二極管輸入柵將光作用產(chǎn)生的電子俘獲在勢阱中傳輸柵將輸入柵勢阱中的電子轉(zhuǎn)移到輸出柵輸出柵將電荷信號輸出為了防止外來光線的干擾，在半導(dǎo)體的底部覆蓋一層遮光層81第八十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日傳輸柵傳輸柵有三組電極（電荷傳輸單元）Φ1、Φ2、Φ3在三組電極上分別施加時序脈沖信號Φ1、Φ2、Φ3P型硅●●●氧化物SiO2金屬電極輸入柵輸出柵傳輸柵遮光層第一組電極Φ1第二組電極Φ2第三組電極Φ3勢阱讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)輸出二極管在時序脈沖信號的作用下，將勢阱中的電荷從P型硅上的輸入端移到輸出端。當(dāng)電極施加的電壓為正時，對應(yīng)電極下的P型半導(dǎo)體中，就會產(chǎn)生一個勢阱。82第八十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日②讀出移位寄存器的工作原理Φ1處于高電平Φ2、Φ3處于低電平這時第一組電極下形成勢阱，光信息電荷存儲其中。

Φ1、Φ2處于高電平Φ3處于低電平這時第一組、第二組電極下均形成勢阱，由于兩組電極靠的很近，原第一組電極中的光信息電荷耦合到第二組電極的勢阱中。

Φ1電壓減?。◤母咦兊停│?處于高電平Φ3處于低電平這時第一組電極勢阱減小，光信息電荷從第一組電極向第二組電極轉(zhuǎn)移。t=t1t=t4t1t2t3t4T5T6Φ1Φ2Φ3t=T5t=T6t1時刻:t3時刻:t2時刻:Φ2處于高電平Φ1、Φ3處于低電平這時第一組電極勢阱消失，光信息電荷全部從第一組電極下移到第二組電極的勢阱中。t4時刻:t=t2t=t383第八十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日電荷就轉(zhuǎn)移到下一位的第一組Φ1電極下，這樣，在三相脈沖的控制下，信息電荷不斷向右側(cè)轉(zhuǎn)移，將電荷從硅片的輸入端移到輸出端，并傳輸?shù)捷敵鰱牛惠敵鰱艑⑿畔㈦姾奢敵龅胶罄m(xù)電路。第二組電極中的電荷全部轉(zhuǎn)移到第三組電極的勢阱中。T5時刻:T6

時刻：t=t2t=t1t=t4t=t3t1t2t3t4T5T6Φ1Φ2Φ3t=T5t=T6t1~t4

時刻：完成將電荷從電極Φ1中轉(zhuǎn)移到電極Φ2中84第八十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日P型硅●●●氧化物SiO2金屬電極輸入柵輸出柵傳輸柵遮光層第一組電極Φ1第二組電極Φ2第三組電極Φ3勢阱讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)輸出二極管根據(jù)輸出先后順序，可以辨別電荷是從哪個光敏元來的，根據(jù)輸出電荷量，可知該光敏元受光的強弱及有無光照射（電荷量反映光敏元感光的情況）85第八十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日

第三節(jié)光電傳感器的應(yīng)用1

一、模擬式光電傳感器二、開關(guān)式光電傳感器86第八十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日第四節(jié)光電傳感器的應(yīng)用1光電式傳感器按其輸出量的性質(zhì)可分為兩類：模擬式光電傳感器開關(guān)式光電傳感器87第八十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日一、模擬式光電傳感器這類傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，要求光電元件的光照特性為單值線性，而且光源的光照均勻恒定。屬于這一類的光電傳感器主要包括：輻射式、吸收式、反射式、透射式等。（1）被測物體本身是光輻射源（輻射式）由于被測物體自身發(fā)光，用光敏元件接收它的輻射，就可得到發(fā)光物體的某些物理參數(shù)。例：光電比色高溫計，火焰報警器，紅外遙感器等。88第八十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日通過測量熱輻射體在兩個以上波長的光譜輻射亮度之比來測量溫度的儀表，稱為比色溫度計。光電比色高溫計圖為光電高溫比色計的工作原理。被測對象經(jīng)物鏡1成像經(jīng)光欄3及光導(dǎo)棒4投射到分光鏡6上,它使長波(紅外線)輻射線透過,而使短波(可見光)部分反射。透過分光鏡的輻射線再經(jīng)濾光片9將殘余的短波濾去,爾后被紅外光電元件硅光電池10接收，轉(zhuǎn)換成電量輸出；由分光鏡反射的短波輻射線經(jīng)濾波片7將長波濾去，而被可見光硅光電池8接收；轉(zhuǎn)換成與波長亮度成函數(shù)關(guān)系的電量輸出。將這兩個電信號輸入自動平衡顯示記錄儀進行比較得出光電信號比，即可讀出被測對象的溫度值。這種高溫計屬非接觸測量，量程為800～2000℃，精度為0.5％，響應(yīng)速度由光電元件及二次儀表記錄速度而定。其優(yōu)點是測溫準(zhǔn)確度高，反應(yīng)速度快，測量范圍寬，可測目標(biāo)小，測量溫度更接近真實溫度，環(huán)境的粉塵，水氣，煙霧等對測量結(jié)果的影響小。可用于冶金、水泥、玻璃等工業(yè)部門。89第八十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（2）被測物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測物體對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的分析來測定被測物體的某些物理參數(shù)。（吸收式）例：氣體的透明度、濁度計，氣體成分析儀，物體中某種物質(zhì)成分的含量分析儀等。90第九十頁，共一百一十頁，2022年，8月28日煙塵濁度監(jiān)測儀平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報警器煙道吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖如圖所示，煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。91第九十一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（3）恒定光源投射到被測物體上，再從其表面反射到光敏元件上，根據(jù)反射的光通量多少測定被測物體表面性質(zhì)和狀態(tài)。（反射式）例：測量物體表面粗糙度表面缺陷表面位移表面白度濕度等92第九十二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日下圖為反射式光電傳感器示意圖。圖(a)和(b)都是利用反射法檢測材質(zhì)表面粗糙度、表面裂紋、凹坑等缺陷的傳感器示意圖。(a)為正反射接收型，用于檢測淺小的缺陷，靈敏度較高；(b)為非正反射接收型，用于檢測較大的幾何缺陷。工件光源光電敏感元件工件光源光電敏感元件反射式光電傳感器示意圖(a)(b)93第九十三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日（4）被測物體位于恒定光源與光敏元件之間，根據(jù)被測物體阻擋光通量的多少來測定被測物體的參數(shù)。（透射式，遮光式）例：測定物體的長度、厚度、線位移、角位移和角速度，測物位等。下圖為透射式光電傳感器示意圖。這種傳感器將被測物體作為光閘，用于測量小孔、夾縫細絲直徑等。透射式光電傳感器示意圖94第九十四頁，共一百一十頁，2022年，8月28日下圖為根據(jù)被測物體是否阻擋光源來測定被測物體的物位是否到達預(yù)定測定位置。。。發(fā)送器接收器。。發(fā)送器接收器物位測量95第九十五頁，共一百一十頁，2022年，8月28日二、開關(guān)式光電傳感器這類傳感器利用光敏元件受光照射的有無，將其電信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號。為此要求光敏元件靈敏度高，感應(yīng)速度快，而線性要求不高。這類傳感器主要應(yīng)用于零件或產(chǎn)品的自動記數(shù)、光控開關(guān)、電子計算機的光電輸入設(shè)備、光電編碼器以及光電報警裝置等方面。96第九十六頁，共一百一十頁，2022年，8月28日光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速儀工作原理：圖

光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速儀工作原理圖當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，調(diào)制盤的齒片遮光與不遮光交替出現(xiàn)，光電元件間斷地接收反射光信號，輸出電脈沖。經(jīng)放大整形電路轉(zhuǎn)換成方波信號，由數(shù)字頻率計測得電機的轉(zhuǎn)速。若頻率計的計數(shù)頻率為f，由下式：式中，z為調(diào)制盤的齒（孔）數(shù)。即可測得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n(r/min)。97第九十七頁，共一百一十頁，2022年，8月28日作業(yè)131、什么是光的二象性？2、簡述氣體放電燈工作原理。3、什么是發(fā)光二極管禁帶寬度？*4、簡述發(fā)光二極管LED發(fā)光原理。*5、簡述激光器的組成及各部分的作用。98第九十八頁，共一百一十頁，2022年，8月28日作業(yè)14*1、什么是光電效應(yīng)？產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是什么？2、什么是光電效應(yīng)的紅限頻率？3、什么是外光電效應(yīng)？什么是光電導(dǎo)效應(yīng)？什么是光伏特效應(yīng)？5、簡述光敏三極管的工作原理。6、簡述CCD電荷偶合器件的工作原理。*7、例舉出2個光電傳感器應(yīng)用的實例。4、簡述光電倍增管的工作原理。99第九十九頁，共一百一十頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。物質(zhì)的導(dǎo)電性的原因在于物質(zhì)內(nèi)部原子與原子結(jié)合的方式及原子本身的結(jié)構(gòu)，即物質(zhì)內(nèi)部運載電荷的粒子（稱為載流子，包括電子和空穴）的多少和運動速度的快慢。金屬材料的外層電子受原子的束縛力最小，因此大量的電子能掙脫原子核的束縛而成為自由電子。在外電場的作用下作定向運動而形成電流。所以金屬是導(dǎo)電性能良好。絕緣材料外層電子受原子核的束縛力很大，不容易掙脫出來，因此形成自由電子的機會很小。所以絕緣材料的導(dǎo)電性能很差。半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)，其外層電子既不象導(dǎo)體那樣容易掙脫，也不象絕緣體那樣束縛很緊，介于兩者之間。半導(dǎo)體100第一百頁，共一百一十頁，2022年，8月28日下面以硅四價元素為例說明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)當(dāng)硅半導(dǎo)體材料制成單晶體后，其原子排列就由原雜亂無章的狀態(tài)變成了排列非常整齊的狀態(tài)。原子之間的距離都是相等的（約為2.35×10-4微米），每個原子最外層的四個電子，不僅受自身原子的束縛，而且還與周圍相鄰的四個電子聯(lián)系；每兩個相鄰的原子有一對電子；電子對中的任何一個電子，一方面圍繞自身原子核運動，另一方面也時常出現(xiàn)在相鄰的原子所屬的軌道上，這樣的組合叫做共價鍵結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體101第一百零一頁，共一百一十頁，2022年，8月28日●SiSiSiSiSiSiSiSiSi●●●●●●●●●●●●●●○●●●●●●●●●●●●空穴載流子光子激發(fā)或熱運動產(chǎn)生電子-空穴對●●●●●●●●●●自由電子SiSiSiSiSiSiSiSiSi●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●●●●●●●硅單晶共價鍵結(jié)構(gòu)●●●●●●●●●由原子理論可知，每個原子的外層有八個電子屬于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是硅單晶的共價鍵結(jié)構(gòu)的特點是它們的外層共有電子所受到的束縛力不象絕緣體那樣緊，在光的激發(fā)或溫度的作用下，其中少數(shù)電子可能掙脫束縛而成為自由電子，成為電子載流子。共有電子在掙脫束縛成為自由電子后，同時留下一個空位；這個空位又由附近的共有電子進行填補，從而形成共有電子的運動。通常把這種帶正電荷的空位的移動叫做空穴運動。通常情況下電子和空穴是成對同時出現(xiàn)的，因此也可稱為電子-空穴對。半導(dǎo)體102第一百零二頁，共一百一十頁，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體，在純單晶半導(dǎo)體中硅摻雜三價元素硼（外層有三個電子），硅原子和硼原子組成共價鍵結(jié)構(gòu)如圖所示，形成空穴。摻入的每一個硼原子都有可能提供一個空穴，從而使硅單晶中空穴載流子的數(shù)目大大增加。這種半導(dǎo)體幾乎沒有自由電子，主要靠空穴導(dǎo)電，所以稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。硼原子提供了空穴，它的作用是接受電子，所以P型半導(dǎo)體中的硼原子又稱為受主原子。－＋空穴硼原子（受主原子）P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡化示意圖硼P型半導(dǎo)體硅中摻雜硼形成空穴載流子（P型半導(dǎo)體）SiSiBSiSiSiSiSiSi空穴載流子硼+3●●●●●●●●●●●○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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●103第一百零三頁，共一百一十頁，2022年，8月28日N型半導(dǎo)體＋－電子磷原子（施主原子）N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡化示意圖N型半導(dǎo)體，在純單晶半導(dǎo)體中硅摻雜五價元素磷（外層有五個電子），硅原子和硼原子組成共價鍵結(jié)構(gòu)如圖所示，形成電子。摻入的每一個磷原子都有可能提供一個電子，從而使硅單晶中電子載流子的數(shù)目大大增加。這種半導(dǎo)體有很多自由電子，主要靠電子導(dǎo)電，所以稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。磷原子提供了電子，它的作用釋放電子，所以N型