chapter 2 深圳大學(xué) 光電檢測技術(shù) 課件

光電檢測系統(tǒng)的發(fā)光光源文僑E-mail:wenqiao@深圳大學(xué)光電工程學(xué)院334房間《光電檢測技術(shù)》課程2光電檢測系統(tǒng)中的發(fā)光光源

典型光電檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖

光源在光電檢測系統(tǒng)中的作用：作為載波，攜帶被測信息光電檢測系統(tǒng)對(duì)光源的要求：

空間分布強(qiáng)度、穩(wěn)定性頻譜分布3光譜功率分布

光譜功率分布：表征光頻率與功率的關(guān)系四種常見光功率譜分布圖線狀光譜帶狀光譜連續(xù)光譜混合光譜低壓汞燈高壓汞燈白熾燈鹵素?zé)魺晒鉄?空間發(fā)光強(qiáng)度分布一般光源的發(fā)光強(qiáng)度在空間各個(gè)方向上不相同光源配光曲線矢量長度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度呈正比，各矢量端點(diǎn)連線形成配光曲線5色溫：光電溫度計(jì)顏色與色溫色溫：如果輻射源發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射出的光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。色表：人眼直接觀察光源時(shí)所看到的顏色顯色：表征光源照明物體時(shí)所顯示的顏色與該物體在

完全輻射照明下所呈現(xiàn)的顏色的差異性開爾文(19C英國物理學(xué)家)色溫通常用開爾文溫度(K)

瞄準(zhǔn)作用6光源的分類7光源的光譜氙燈:屬于脈沖放電氙燈色溫接近日光，小太陽之稱。適合用于照相氙燈光譜分布8光源的光譜汞燈：科研中常用高壓汞燈高壓汞燈光譜分布254nm激發(fā)熒光粉制作日光燈

9金屬鹵化燈

（常用在路燈）金屬鹵化燈的光譜金屬鹵化燈的光譜與高壓汞燈類似光源的光譜10LED(LightEmittingDiode發(fā)光二極管)LEDs光譜光源的光譜11自發(fā)輻射過程示意圖各向同性（h為Planck常數(shù)）低能級(jí)高能級(jí)、初始相位隨機(jī)、偏振方向無序自發(fā)輻射光為非相干光輻射光子的能量自發(fā)輻射特點(diǎn):相干光源基本知識(shí)——光與物質(zhì)相互作用12受激吸收條件：入射光子hv=E2-E1受激吸收過程示意圖相干光源基本知識(shí)——光與物質(zhì)相互作用13受激輻射過程示意圖受激輻射特點(diǎn):相同的方向受激輻射相當(dāng)于“克隆”光子受激輻射光為相干光、頻率、位相、偏振態(tài)等相干光源基本知識(shí)——光與物質(zhì)相互作用14非相干光入射光h=E2-E1自發(fā)輻射E1E2hv受激吸收受激輻射

光與物質(zhì)相互作用三種過程的比較hvE1E2hvhvE1E2hv相干光無光輻射入射光h=E2-E1無需入射光發(fā)生條件：輻射出：能量轉(zhuǎn)移：粒子→光子粒子→光子光子→粒子發(fā)生幾率：原子能級(jí)特征原子能級(jí)特征與入射光子原子能級(jí)特征與入射光子相干光源基本知識(shí)——光與物質(zhì)相互作用15相干光源基本知識(shí)——諧振腔激光諧振腔的作用：提供反饋縱模

選頻確定腔內(nèi)光斑半徑分布優(yōu)化傳播方向選橫模圓形橫模

方形橫模

激光諧振腔內(nèi)光斑半徑分布圖16激光器的一般組成電源諧振腔鏡子聚光腔作用物質(zhì)

泵浦燈

激光的工作原理

17能量轉(zhuǎn)換電氣-光轉(zhuǎn)換過程損失光譜不配合及傳達(dá)過程損失冷光量子轉(zhuǎn)換損失模式不配合及各種諧振腔損失電氣能泵浦光能吸收能量子能激光聚光腔諧振腔工作物質(zhì)泵浦光源泵浦光受激輻射激光聚焦光電氣能泵浦系統(tǒng)激光的工作原理

18研究生正在開發(fā)的超短脈沖激光樣機(jī)19研究生正在開發(fā)的超短脈沖激光樣機(jī)20激光器實(shí)物圖2023/2/421激光器的圖片綠光激光器2023/2/422大功率綠光激光器2023/2/423紅光激光器2023/2/424藍(lán)光激光器2023/2/425紅綠藍(lán)多色激光器2023/2/426黃光激光器2023/2/427紫外激光器2023/2/428白光激光器2023/2/429小型激光器2023/2/430半導(dǎo)體激光器2023/2/431鈦寶石激光器和10太瓦/拍瓦高峰值功率超快激光器系統(tǒng)2023/2/432二氧化碳激光器2023/2/433氣體激光器2023/2/434泵浦燈管和氣體激光管2023/2/435固體激光器全反鏡激光二極管（LD）耦合系統(tǒng)半反鏡Yb:YLP光纖光纖激光器飛秒激光器工作時(shí)放大級(jí)Spitfire的工作實(shí)況實(shí)驗(yàn)室激光部的飛秒激光系統(tǒng)38高功率飛秒激光系統(tǒng)脈寬：30fs峰值功率：286TW峰值強(qiáng)度:>1×1020W/cm2（f/1.7）SILEX-I極光III號(hào)脈寬：40fs,峰值功率：200TW峰值強(qiáng)度：>1020W/cm2這是國內(nèi)目前可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的最高光強(qiáng)深圳大學(xué)：脈寬50fs，峰值功率2TW，聚焦后峰值強(qiáng)度可達(dá)2×1018W/cm2假定光斑半徑為10um39FacilityPeakPowerTypePulsedurationPulseEnergyRAL,UK1PWNd:glass/OPCPA600fs600JILE,Japan700TWNd:glass/OPCPA700fs350JJAERI,Japan850TWTi:sapphire33fs28JMBI,Germany100TWTi:sapphire50fs5JPhelix,Germany1PWTi:s/Nd:glass500

fs500

JLLNL,USA200TWTi:sapphire100fs20JLULI,France100TWNd:glass300fs30JCEDEX,France100TWTi:sapphire25fs2.5JSILEX-I(四川)286TWTi:sapphire30fs8.7JXL-III（北京）>200TWTi:sapphire40fs10.8JQG-III(上海)120TWTi:sapphire34fs4.3J深圳大學(xué)2TWTi:sapphire<50fs120mJ國際上現(xiàn)有的超短超強(qiáng)激光裝置404142434445典型的激光器一、固體激光器二、氣體激光器三、半導(dǎo)體激光器47工作物質(zhì)：基質(zhì)材料+發(fā)光粒子光譜特性主要由發(fā)光粒子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定基質(zhì)材料：玻璃：硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等晶體：白寶石（Al2O3）、釔鋁石榴石（YAG）、鋁酸鹽、氟化鈣等發(fā)光粒子（激活離子）：鉻（Cr3+）、釹（Nd3+）、鉺（Er2+）等一、固體激光器48

可獲得大的激光能量輸出，脈沖峰值功率很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用。固體激光器特點(diǎn)：49（一）基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。以下是長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。50紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)。它屬于三能級(jí)系統(tǒng)，相應(yīng)于右圖的簡化能級(jí)模型。（二）舉例——紅寶石激光器51工作物質(zhì)：紅寶石晶體（Cr2O3-Al2O3）發(fā)光的激活粒子：

Cr3+

（三能級(jí)系統(tǒng)）激光波長：694.3nm光譜線寬：0.01~0.1nm偏振特性：既可輸出無偏振光，也可輸出線偏振光（紅寶石為單軸晶體，存在雙折射現(xiàn)象）發(fā)散角：一般情況下遠(yuǎn)大于衍射角；由直徑很細(xì)的紅寶石棒發(fā)出的單模激光束的發(fā)散角可接近于衍射極限。（二）舉例——紅寶石激光器52工作物質(zhì)：摻釹釔鋁石榴石（Nd2O3-YAG）發(fā)光的激活粒子：Nd3+

（四能級(jí)系統(tǒng)）激光波長：1.06微米光譜線寬：0.73nm（室溫下）偏振特性：輸出無偏振光（YAG為立方晶體，無雙折射現(xiàn)象）特點(diǎn)：振蕩閾值低，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但在連續(xù)工作時(shí)，熱效應(yīng)將引起熱光畸變（熱透鏡效應(yīng)及熱應(yīng)力雙折射）。在YAG基質(zhì)上，還可以摻入Er3+、Tm3+等其他雜質(zhì)。YAG激光器：53

固體激光器紅寶石激光器YAG激光器工作物質(zhì)Al2O3＋Cr2O3；Cr3＋決定光譜性能Al2O3＋Y2O3＋Nd2O3；Nd3＋決定光譜性能物理過程三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)激光譜線0.6943μm+0.6929μm；0.6943μm占優(yōu)勢1.35μm+1.06μm；一般只產(chǎn)生1.06μm泵浦源脈沖氙燈氪燈由于固體激光器的工作物質(zhì)是絕緣晶體，所以一般用光泵浦源激勵(lì)泵浦特點(diǎn)*泵浦燈和激光棒分別位于橢圓聚光腔的兩條焦線上*泵光中僅有少部分與工作物質(zhì)吸收帶相匹配的光能是有用。優(yōu)缺點(diǎn)閾值高、溫度效應(yīng)非常嚴(yán)重、室溫下不適于連續(xù)和高重復(fù)率工作閾值低、有優(yōu)良的熱學(xué)性質(zhì)、適于連續(xù)和高重復(fù)率工作；是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì)輸出特性大多數(shù)為脈沖激光器，產(chǎn)生的激光脈沖是一系列的尖峰，寬度約為幾個(gè)微米轉(zhuǎn)換效率低(總體效率：激光輸出與泵浦源的電輸入之比)總體效率大概為0.5%-1%1%-3%特點(diǎn)輸出能量大；峰值功率高；54種類：原子氣體激光器產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，典型代表是氦氖激光器。分子激光器產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和準(zhǔn)分子激光器。離子激光器典型代表是氬離子激光器和氦鎘離子激光器。二、氣體激光器55發(fā)射的譜線分布在一個(gè)很寬的波長范圍內(nèi)，幾乎遍布了從紫外到遠(yuǎn)紅外的整個(gè)光譜區(qū)(已經(jīng)觀測到的譜線有萬余條)；工作物質(zhì)均勻性較好，使得輸出光束的質(zhì)量較高；容易實(shí)現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，如二氧化碳激光器可達(dá)萬瓦級(jí)的功率輸出；轉(zhuǎn)換效率高、工作物質(zhì)豐富、結(jié)構(gòu)簡單、器件成本低。氣體激光器的特點(diǎn)56工作物質(zhì)：氦-氖氣體（He-Ne）激光波長：0.6328微米（1.15微米、3.39微米）光譜線寬：小于20Hz（單色性好）發(fā)散角：10-3rad以下（方向性好）（一）氦-氖激光器輸出功率：與放電毛細(xì)管的長度有關(guān)。10cm的管子，輸出約0.5mW；200cm的管子，輸出約50mW。57結(jié)構(gòu)：激光管+電源激光管由放電管、電極和光學(xué)諧振腔組成58與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖He-Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條:3S→2P0.6328μ2S→2P1.15μ3S→3P3.39μ59譜線競爭:

He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線(0.6328μm，1.15μm，3.39μm)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。為了保證一定波長的輸出，可以采取合適的措施抑制其他波長的振蕩，如：使用布儒斯特窗進(jìn)行選擇性的吸收；在腔鏡上鍍反射膜，進(jìn)行選擇性的反射；在腔內(nèi)放置吸收元件，進(jìn)行選擇性的吸收。（一）氦-氖激光器（續(xù)）60工作物質(zhì)：氬氣（Ar+）激光波長：0.4880微米、0.5145微米（藍(lán)綠光）輸出功率：是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的激光器（幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦）由于氣體放電過程中電離度不高，而且量子效率比較低，氬離子激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，一般在10-4~10-5范圍。2、氬離子激光器61一般結(jié)構(gòu)放電管（核心部件）、電極、回氣管（減小放電管內(nèi)氣壓差）、諧振腔、軸向磁場（提高激光器的輸出功率及壽命）62激發(fā)機(jī)理Ar+的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)主要靠電子碰撞激發(fā)，激發(fā)過程包括三種形式：（1）電子與Ar原子碰撞，使其電離成Ar+，Ar+再與電子碰撞而被激發(fā)到高能態(tài)；（2）電子與Ar原子碰撞后直接將其電離并激發(fā)到激發(fā)態(tài)；（3）電子碰撞先把Ar+激發(fā)到更高的能態(tài)上，然后Ar+通過輻射躍遷到激光上能級(jí)上。63工作物質(zhì)：CO2、N2和He的混合物激光波長：10.6微米、9.6微米（遠(yuǎn)紅外光）（利用基態(tài)的不同振動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷，故光子能量?。┨攸c(diǎn)：激光器效率高、輸出能量大、功率高。3、二氧化碳激光器64結(jié)構(gòu)構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。65激發(fā)機(jī)理66

氣體激光器He－Ne激光器CO2激光器Ar＋離子激光器工作物質(zhì)He＋Ne；Ne決定光譜性能CO2＋He＋N2；CO2決定光譜性能Ar；Ar＋決定光譜性能物理過程四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)激光譜線0.6328μm+1.15μm+3.39μm；3.39μm占優(yōu)勢10.6μm+9.6μm；10.6μm占優(yōu)勢0.4880μm+0.5145μm藍(lán)光和綠光泵浦源氣體放電激勵(lì)氣體放電激勵(lì)氣體放電激勵(lì)輸出特性*譜線競爭*輸出功率特性：與放電電流關(guān)系很大，存在最佳氣體混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件和毛細(xì)管直徑*放電特性：電流有最佳值*溫度效應(yīng)：轉(zhuǎn)換效率高，約有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，溫度升高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)減小，譜線加寬增益系數(shù)下降*多譜線工作：每條譜線都有一個(gè)閾值電流，*輸出功率隨放電電流的關(guān)系與其他激光器不一樣；特點(diǎn)*氣態(tài)物質(zhì)的光學(xué)均勻性一般比較好，使其在單色性和光束穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢；*譜線極為豐富；目前已達(dá)數(shù)千種，從紫外到遠(yuǎn)紅外波段；*大多數(shù)能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)*都有瞬時(shí)功率不高的特點(diǎn)：工作氣體的氣壓較低，單位體積中粒子數(shù)較少，只有固體激光器中激活粒子數(shù)密度的千分之一或更少，因而儲(chǔ)存的能量少結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，光束質(zhì)量好，工作可靠，容易制造連續(xù)工作脈沖工作均可；輸出功率大，效率高；正好處于大氣窗口，且對(duì)人的眼睛的危害比可見光和紅外線小得多譜線豐富，主要分布在藍(lán)綠光區(qū)；連續(xù)脈沖工作均可，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器67三、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器，又稱激光二極管（即LD）工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料特點(diǎn)：波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且體積小、重量輕、壽命長。主要應(yīng)用領(lǐng)域：信息存儲(chǔ)、光纖通信等68半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)：激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測儀器等方面；光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等方面。691、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)理想半導(dǎo)體的能譜是由電子的一系列能帶組成的，下能帶稱為價(jià)帶，上能帶稱為導(dǎo)帶，它們之間不存在電子狀態(tài)的區(qū)域稱為禁帶。禁帶寬度

Eg=Ec-Ev其中，Ec——導(dǎo)帶底的能量Ev——價(jià)帶頂?shù)哪芰?0每個(gè)能帶實(shí)際上由大量極其密集的能級(jí)所組成。電子在能級(jí)上的分布遵從費(fèi)米-狄拉克分布。當(dāng)溫度T=0時(shí)，價(jià)帶是完全填滿的，導(dǎo)帶是完全空的；當(dāng)T>0時(shí)，價(jià)帶中填充的電子數(shù)多，導(dǎo)帶中填充的電子數(shù)少。由于某種原因（如溫度升高），電子從價(jià)帶提升至導(dǎo)帶，價(jià)帶中就因失去電子而存在帶正電的空穴。電子和空穴都稱為載流子。摻雜半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

——依靠電子導(dǎo)電P型半導(dǎo)體

——依靠空穴導(dǎo)電712、半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件如果頻率為v的光在半導(dǎo)體內(nèi)傳播，在光場的作用下，導(dǎo)帶中的電子向價(jià)帶躍遷，與空穴復(fù)合，造成一個(gè)導(dǎo)帶電子和一個(gè)價(jià)帶空穴同時(shí)湮滅，發(fā)射出一個(gè)能量為hv的光子。產(chǎn)生受激發(fā)射并得到放大的條件是：導(dǎo)帶能級(jí)上被電子占據(jù)的幾率大于與輻射相關(guān)的價(jià)帶能級(jí)上被電子占據(jù)的幾率。即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域稱為“有源區(qū)”或者“激活區(qū)”實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的一個(gè)簡單方法是利用PN結(jié)的特征。令一塊N型半導(dǎo)體和一塊P型半導(dǎo)體相接，在其結(jié)合處形成PN結(jié)。在PN結(jié)上加正向電壓后，電子將從N區(qū)的導(dǎo)帶被注入P區(qū)，空穴從P區(qū)的價(jià)帶被注入到N區(qū)。注入電子的位能比空穴的位能高Eg，當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶而復(fù)合時(shí)，這部分能量將以光的形式釋放出來。72（1）氣體激光器。所使用工作物質(zhì)為氣體，有氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器。激光器的分類（總結(jié)）（2）固體激光器。所使用的工作物質(zhì)是具有特殊能力的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，里面摻如具有發(fā)射激光能力的金屬離子。有Nd:YAG，Nd:YVO4，鈦寶石激光器73（3）染料激光器。以染料為工作物質(zhì)，染料溶解于某種有機(jī)溶液中，在特定波長光的激發(fā)下，能發(fā)射一定帶寬的熒光。（4）半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。激光器的分類（總結(jié)）74（1）單頻激光器（2）多縱模激光器（3）鎖模激光器（4）調(diào)Q激光器激光器的分類（總結(jié)）75（1）單色性激光器特性（總結(jié)）He-Ne激光器發(fā)出632.8nm光，對(duì)應(yīng)頻率為4.7×1014Hz,譜寬9×10-2Hz而普通氣體放電管發(fā)出同樣頻率的光，譜寬1.52×109Hz（2）方向性He-Ne激光器比目前單色性最好的氣體放電光源氪燈小四個(gè)數(shù)量級(jí)探照燈只能照射幾公里，He-Ne激光器可以照射地球到月球。探照燈照明照射不到十公里時(shí)，光束擴(kuò)大為直徑幾十米；

He-Ne激光傳播幾十公里，仍可得到一條細(xì)而亮的筆直光束。76激光器特性（總結(jié)）（3）高亮度激光器亮度比太陽高幾個(gè)乃至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)超短脈沖技術(shù)的發(fā)展是激光亮度呈幾何級(jí)數(shù)增長（4）相干性相干長度長達(dá)幾十到幾百公里單頻或鎖模激光器相干性更高激光安全激光對(duì)人體可能產(chǎn)生的損害激光的安全級(jí)別分類防護(hù)措施激光器的保護(hù)78激光對(duì)人體可