第三章-光輻射檢測(cè)器件

第三章--光輻射檢測(cè)器件第一頁(yè)，共106頁(yè)。光敏電阻：利用光電導(dǎo)效應(yīng)的材料制成電導(dǎo)率隨著入射光輻射量變化而變化的器件。1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理在絕緣材料裝上梳形光電導(dǎo)體并封閉在金屬或塑料外殼內(nèi)，再在兩端連上電極。3.1光電導(dǎo)檢測(cè)器件第二頁(yè)，共106頁(yè)。光電導(dǎo)材料主要采用N型金屬硫化物或硒化物。工作時(shí)在兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷海瑒t有電流通過(guò)。當(dāng)改變光照，半導(dǎo)體內(nèi)部因產(chǎn)生光生載流子而電阻減小。電阻的變化反應(yīng)在電流的變化。第三頁(yè)，共106頁(yè)。光敏電阻分為：本征型半導(dǎo)體光敏電阻、雜質(zhì)型半導(dǎo)體光敏電阻。本征型半導(dǎo)體光敏電阻常用于可見(jiàn)光長(zhǎng)波長(zhǎng)檢測(cè)。雜質(zhì)型半導(dǎo)體光敏電阻常用于紅外波段光輻射甚至于遠(yuǎn)紅外波段光輻射的檢測(cè)。光敏電阻特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬工作電流大所測(cè)的光電強(qiáng)度范圍寬靈敏度高無(wú)選擇極性之分，使用方便第四頁(yè)，共106頁(yè)。使用的光電導(dǎo)材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅、鍺等，以及一些有機(jī)物。常用光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)器件材料禁帶寬度/eV光譜響應(yīng)范圍/nm峰值波長(zhǎng)/nm硫化鎘（CdS）2.45400～800515～550硒化鎘（CdSe）1.74680～750720～730硫化鉛（PbS）0.40500～30002000碲化鉛（PbTe）0.31600～45002200硒化鉛（PbSe）0.25700～58004000硅（Si）1.12450～1100850鍺（Ge）0.66550～18001540銻化銦（InSb）0.16600～70005500砷化銦（InAs）0.331000～40003500第五頁(yè)，共106頁(yè)。2、光敏電阻特性參數(shù)1）光電導(dǎo)靈敏度Sg按靈敏度定義（響應(yīng)量與輸入量之比）有:Gp：光電導(dǎo)，單位為西門子S（Ω-1）。E：照度，單位為勒克斯（lx）。Sg:單位為西門子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。第六頁(yè)，共106頁(yè)。2)光電特性光電流與照度的關(guān)系稱為光電特性。I光：光電流E：照度α：電壓指數(shù)Sg：光電導(dǎo)靈敏度U：光敏電阻兩端所加的電壓γ：光照指數(shù)第七頁(yè)，共106頁(yè)。γ與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下γ＝1，在強(qiáng)光照下γ＝1/2，一般γ＝0.5～1。第八頁(yè)，共106頁(yè)。3）光譜特性

光譜特性多用相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線表示。1-硫化鎘單晶

2-硫化鎘多晶

3-硒化鎘多晶

4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶第九頁(yè)，共106頁(yè)。紅外區(qū)幾種光敏電阻的光譜特性曲線第十頁(yè)，共106頁(yè)。4）伏安特性在一定的光照下，加到光敏電阻兩端的電壓與光敏電阻的光電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。光敏電阻的伏安特性曲線第十一頁(yè)，共106頁(yè)。5）時(shí)間和頻率特性

光敏電阻的時(shí)間常數(shù)大，從而影響了光敏電阻對(duì)變化光照的響應(yīng)。光敏電阻采用交變光照時(shí)，其輸出將隨入射光頻率的增加而減小。照度越大時(shí)間常數(shù)越大。1-硒

2-硫化鎘

3-硫化鉈

4-硫化鉛第十二頁(yè)，共106頁(yè)。6）溫度特性光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，一般情況下相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性曲線a)硫化鎘單晶

b)硫化鎘多晶第十三頁(yè)，共106頁(yè)。3、光敏電阻的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬，測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無(wú)極性之分。缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、頻率特性差、強(qiáng)光線性差、受溫度影響大。主要用在紅外區(qū)的弱光探測(cè)和開(kāi)關(guān)控制上。1）使用中的注意事項(xiàng)：（1）當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。第十四頁(yè)，共106頁(yè)。（2）用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。（3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來(lái)提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。（4）光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說(shuō)，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無(wú)輸出。第十五頁(yè)，共106頁(yè)。（5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過(guò)1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為代價(jià)。（6）設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很小。第十六頁(yè)，共106頁(yè)。2）火焰檢測(cè)報(bào)警器第十七頁(yè)，共106頁(yè)。3）照相機(jī)電子快門第十八頁(yè)，共106頁(yè)。4）照明燈的光電控制第十九頁(yè)，共106頁(yè)。真空光電器件光電導(dǎo)檢測(cè)器件光生伏特檢測(cè)器件熱電檢測(cè)器件第二十頁(yè)，共106頁(yè)。利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光生伏特器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，包括：光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、光電耦合器件等。暗電流小、噪聲低、響應(yīng)速度快、光電特性線形度好、溫度影響小等特點(diǎn)。3.3光生伏特檢測(cè)器件第二十一頁(yè)，共106頁(yè)。1、光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。目前主要有硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池四大類。硒光電池：光譜響應(yīng)與人眼接近，頻譜較寬硅光電池：轉(zhuǎn)換效率高砷化鎵光電池：量子效率高、噪聲小、光譜響應(yīng)在紫外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)鍺光電池：長(zhǎng)波響應(yīng)寬，多用于紅外探測(cè)第二十二頁(yè)，共106頁(yè)。1）光電池的基本結(jié)構(gòu)光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。第二十三頁(yè)，共106頁(yè)。光電池在光照下能夠產(chǎn)生光生電勢(shì)，光電流實(shí)際流動(dòng)方向?yàn)?，從P端流出，經(jīng)過(guò)外電路，流入N端。作為太陽(yáng)能電池使用時(shí)，為提高其輸出功率，可將硅光電池單體經(jīng)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成陣列結(jié)構(gòu)，作為光電檢測(cè)器使用時(shí)可按不同測(cè)量要求制做。2）光電池的特性參數(shù)

伏安特性、輸出特性、光譜特性、溫度特性和頻率特性。第二十四頁(yè)，共106頁(yè)。（1）伏安特性硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。光電池等效電路光電池伏安特性曲線第二十五頁(yè)，共106頁(yè)。伏安特性曲線方程為：IL為光電池等效電路中的恒流源Is為光電池等效二極管反向飽和電流

Rd為光電池等效電路中串聯(lián)電阻

Rd很小，則方程改寫為：第二十六頁(yè)，共106頁(yè)。其中S為光電靈敏度,L為入射光強(qiáng)度短路電流：V=0開(kāi)路電壓：I=0第二十七頁(yè)，共106頁(yè)。可以看出，開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)成對(duì)數(shù)關(guān)系。而短路電流與入射光強(qiáng)成線性關(guān)系。電壓、電流隨入射光強(qiáng)度變化特性

電壓、電流與受光面積A變化特性

第二十八頁(yè)，共106頁(yè)。當(dāng)外接負(fù)載電阻時(shí)，如果負(fù)載電阻值比Rd小得多，則輸出電流可以近似認(rèn)為就是短路電流。此時(shí)，輸出電流與光強(qiáng)仍為線性關(guān)系。光電池在不同負(fù)載電阻下的光電特性第二十九頁(yè)，共106頁(yè)。負(fù)載電阻愈小，線性度愈好，且線性范圍愈寬光強(qiáng)愈大，線性范圍愈?。?）輸出特性光電池兩端連接某一負(fù)載RL,其上的電流設(shè)為IL，電壓降為VL，則光電流在RL上產(chǎn)生的電功率為：PL=VLIL轉(zhuǎn)換效率η：電功率與入射光功率之間的比值。第三十頁(yè)，共106頁(yè)。

IL、VL、PL有如圖的關(guān)系RM為功率最大值PM對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻值，稱為最佳負(fù)載。第三十一頁(yè)，共106頁(yè)。（3）光譜特性用單位輻射通量的不同波長(zhǎng)的光分別照射時(shí)光電池短路電流大小的相對(duì)值表示。硅光電池：光譜響應(yīng)范圍0.4~0.9μm 峰值波長(zhǎng)0.8~0.9μm硒光電池：光譜響應(yīng)范圍0.34~0.75μm 峰值波長(zhǎng)0.54μm第三十二頁(yè)，共106頁(yè)。（4）溫度特性（5）頻率特性第三十三頁(yè)，共106頁(yè)。3）光電池的應(yīng)用作為光電檢測(cè)器件、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏鳛闄z測(cè)器件，有著光敏面積大，頻率響應(yīng)高，光電流隨照度線性變化等特點(diǎn)。用在光電讀數(shù)、光電開(kāi)關(guān)、光柵測(cè)量技術(shù)、激光準(zhǔn)直、電影還音等裝置上。作為太陽(yáng)能電池，可常用于衛(wèi)星、微波站、野外燈塔、航標(biāo)燈，無(wú)人氣象站等無(wú)輸電線路地區(qū)的電源供給。第三十四頁(yè)，共106頁(yè)。2、光電二極管光電二極管其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。與光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦、鈰化鉛光電二極管等許多種。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。第三十五頁(yè)，共106頁(yè)。1）光電二極管的結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)特性來(lái)分，有PN結(jié)、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘及點(diǎn)接觸型等。2CU系列光電二極管只有兩個(gè)引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個(gè)環(huán)極。第三十六頁(yè)，共106頁(yè)。第三十七頁(yè)，共106頁(yè)。硅光電二極管的封裝可采用平面鏡和聚焦透鏡作入射窗口，有利于提高靈敏度。聚焦位置與入射光方向有關(guān)，能夠減小雜散背景光的干擾，但也引起靈敏度隨入射光方向而變化。第三十八頁(yè)，共106頁(yè)。2）工作原理硅光電二極管通常是用在電壓反偏的光電導(dǎo)工作模式。光電二極管光電轉(zhuǎn)換示意圖第三十九頁(yè)，共106頁(yè)。3）光電二極管的特性參數(shù)（1）結(jié)電容光電二極管的重要工作區(qū)是勢(shì)壘區(qū)．它的厚度對(duì)光電二極管的特性有著非常重要的影響。結(jié)電容可表示為：N：摻雜濃度U：外加電壓第四十頁(yè)，共106頁(yè)。（2）光譜特性光譜特性主要決定于：①表面層(半導(dǎo)體薄層與金屬薄層)②材料的禁帶寬度Eg；②表面抗反射涂層的性質(zhì)與厚度，④器件的結(jié)構(gòu)。2DU和2DUL系列光電二極管的光譜特性第四十一頁(yè)，共106頁(yè)。（3）光電特性反向偏壓足夠大時(shí)，光生電流與所加的電壓幾乎無(wú)關(guān)，它僅取決于光照強(qiáng)度。反向偏壓為1.5V時(shí)擴(kuò)散PN結(jié)光電二極管的光照特性第四十二頁(yè)，共106頁(yè)。（4）伏安特性光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。另一種是加反向電壓。a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法第四十三頁(yè)，共106頁(yè)。由于多數(shù)場(chǎng)合光電二極管都是加反向電壓，所以其伏安特性曲線常畫成如下圖所示。反偏可以減小載流子的渡越時(shí)間和二極管的極間電容，有利于提高器件的響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)頻率。但反向偏置電壓也不能太高，以免引起雪崩擊穿。第四十四頁(yè)，共106頁(yè)。4）幾種光電二極管按材料分：有鍺、硅制作的光電二極管，也有III-V族化合物及其它化合物制作的二極管。按結(jié)構(gòu)分：有PN結(jié)、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘及點(diǎn)接觸型等。按對(duì)光的響應(yīng)分：有用于紫外光、可見(jiàn)光及紅外光等種類。第四十五頁(yè)，共106頁(yè)。（1）點(diǎn)接觸光電二極管光電面很小(結(jié)面很小)，勢(shì)壘電容很小，響應(yīng)很快。（2）擴(kuò)散型PN結(jié)光電二極管耗盡層厚度比結(jié)的任何一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度要小的管子。它的工作區(qū)主要是結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)。頻率特性較差。第四十六頁(yè)，共106頁(yè)。（3）耗盡層型光電二極管耗盡區(qū)比結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度大的管子。它的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域主要是在耗盡層內(nèi)，光電流主要是由漂移電流引起的，這種管子有很高的頻率響應(yīng)。（4）PIN光電二極管又稱為快速光電二極管。第四十七頁(yè)，共106頁(yè)。PIN光電二極管具有以下優(yōu)點(diǎn)：①使PN結(jié)的結(jié)時(shí)間距離拉大，結(jié)電容變小。②由于內(nèi)建電場(chǎng)基本上全集中在I層，提高了量子效率。③增加了對(duì)長(zhǎng)波的吸收，提高了長(zhǎng)波靈敏度，其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍0.4~1.1um。④可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變寬。不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。第四十八頁(yè)，共106頁(yè)。（5）雪崩光電二極管與光電倍增管相對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體器件，具有十分高的響應(yīng)率、高的增益帶寬乘積和極快的時(shí)問(wèn)響應(yīng)持性。為了實(shí)現(xiàn)均勻倍增，襯底材料的摻雜濃度要均勻，缺陷要少；同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采用保護(hù)環(huán)。帶保護(hù)環(huán)的雪崩光電二極管稱為保護(hù)環(huán)雪崩光電二極管，記作GAPD。第四十九頁(yè)，共106頁(yè)。一般雪崩光電二極管具有以下特性：①靈敏度很高；②響應(yīng)速度快；③噪聲等效功率很小，約10-15W；④反偏壓高，可達(dá)200V，接近于反向擊穿電壓。缺點(diǎn)：噪聲大。工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無(wú)法使用。

第五十頁(yè)，共106頁(yè)。4、陣列式或象限式結(jié)型光電器件將2個(gè)至幾百個(gè)光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件。也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。特點(diǎn)：光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號(hào)處理

第五十一頁(yè)，共106頁(yè)。5、光電位置敏感器件（PSD）PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。其特點(diǎn)是，它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，光敏面上無(wú)象限分隔線，對(duì)光斑位置可連續(xù)測(cè)量。第五十二頁(yè)，共106頁(yè)。1）、一維光電位置敏感器第五十三頁(yè)，共106頁(yè)。光斑能量中心對(duì)于器件中心的位置第五十四頁(yè)，共106頁(yè)。2）二維光電位置敏感器兩種形式：?jiǎn)蚊嫘汀㈦p面型。單面型雙面型第五十五頁(yè)，共106頁(yè)。6、光電耦合器件1）發(fā)光器件按激發(fā)方法可分光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等。按光譜寬度可分為相干光與非相干光。主要的相干光源是激光。光電源分為3種：熱輻射光源（白熾燈、鹵鎢燈等）、氣體放電光源（汞燈、脈沖氙燈等）、固體發(fā)光光源（發(fā)光二極管等）。第五十六頁(yè)，共106頁(yè)。激光光源按激光工作物質(zhì)的分為：氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器以及染料激光器等；按工作方式分為：連續(xù)工作激光器和脈沖工作激光器；按工作波長(zhǎng)范圍分為：紫外光激光器、可見(jiàn)光激光器和紅外光激光器等。（1）發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源。把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。第五十七頁(yè)，共106頁(yè)。LED有5種類型：表面發(fā)光二極管（SLED）、側(cè)面發(fā)光二極管（ELED）、平面LED、圓頂型LED和超發(fā)光LED。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)施加正向電壓LED發(fā)出的光是熒光第五十八頁(yè)，共106頁(yè)。a）發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管的材料直接帶(直接躍遷)材料：GaAs和GaN間接帶(間接躍遷)材料：GaP

混合晶體材料：GaAs1-xPx

第五十九頁(yè)，共106頁(yè)。b)光譜特性指發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度(或能量)隨波長(zhǎng)(或頻率)變化的分布曲線。發(fā)射光譜的形成是由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定。描述光譜分布的兩個(gè)主要參量是它的峰值波長(zhǎng)和半強(qiáng)度寬度(稱為半寬度)。材料禁帶寬度（eV）峰值波長(zhǎng)（nm）顏色外量子效率GaP2.24565綠10-3GaP2.24700紅3×10－2GaP2.24585黃10-3GaAs1－xPx1.84～1.94620～680紅3×10-3GaN3.5440藍(lán)10－4×10-3Ga1－xAlxAs1.8～1.92640～700紅4×10-3GaAsSi1.44910～1020紅外0.1第六十頁(yè)，共106頁(yè)。峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)溫上升時(shí)，譜帶波長(zhǎng)以0.2~0.3nm／℃的比例向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。第六十一頁(yè)，共106頁(yè)。c)伏安特性UTUT為開(kāi)啟電壓，U>UT時(shí)導(dǎo)通發(fā)光；U<UT時(shí)截止不發(fā)光。一般為1.5伏。反向擊穿電壓一般在-5V以上。正向電流與電壓的關(guān)系為：m為復(fù)合因子，標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。第六十二頁(yè)，共106頁(yè)。d)壽命發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。f)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指注入電流后發(fā)光二極管啟亮（上升）或熄滅（衰減）的時(shí)間。發(fā)光二極管的上升時(shí)間隨著電流的增大近似地成指數(shù)減小。第六十三頁(yè)，共106頁(yè)。（2）發(fā)光二極管的應(yīng)用a)數(shù)字、文字及圖像顯示七段式數(shù)碼14劃字碼管二極管作矩陣排列第六十四頁(yè)，共106頁(yè)。橫向(行)輸入信號(hào)縱向(列)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)縱向輸入信號(hào)橫向轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)b)指示、照明c)光源d)光電開(kāi)關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合第六十五頁(yè)，共106頁(yè)。(3)激光器激光器是一種新型的發(fā)光器件，具有方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、亮度高等突出優(yōu)點(diǎn)。a)激光器的工作原理激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。受激輻射原子的兩個(gè)能級(jí)之間產(chǎn)生躍遷的吸收、自發(fā)發(fā)射和受激輻射的三個(gè)基本過(guò)程。第六十六頁(yè)，共106頁(yè)。吸收：能量剛好等于hν12的光子碰擊系統(tǒng)時(shí)，處于能態(tài)E1上的原子會(huì)吸收光子而進(jìn)入激發(fā)態(tài)E2。

自發(fā)輻射：原子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，在沒(méi)有任何外界刺激的條件下，有自發(fā)返回基態(tài)的趨勢(shì)，并放出能量為hν12的光子

第六十七頁(yè)，共106頁(yè)。受激輻射：當(dāng)能量為hν12的入射光子激勵(lì)已處于激發(fā)態(tài)的原子后，原子因受激而躍回基態(tài)，并發(fā)射出頻率、位相和方向都與入射光子相同的能量為hν12的光子。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)是使受激輻射從次要地位轉(zhuǎn)化為主導(dǎo)地位的必要條件。由泵浦源完成。光泵浦、電泵浦。第六十八頁(yè)，共106頁(yè)。諧振腔諧振腔對(duì)共振頻率有選擇增益作用。產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件是共振腔的長(zhǎng)度L恰好等了輻射光半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即共振腔是產(chǎn)生激光的又一必要條件。第六十九頁(yè)，共106頁(yè)。b)激光器類型按工作物質(zhì)分：氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。氣體激光器以氣體為工作物質(zhì)的激光器。多數(shù)采用高壓放電方式泵浦。最常見(jiàn)的有氦-氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦-鎘激光器和銅蒸氣激光器等。第七十頁(yè)，共106頁(yè)。氦-氖激光器1961年由佳萬(wàn)博士及其同事們發(fā)明。激光器的結(jié)構(gòu)有內(nèi)腔式、半內(nèi)腔式和外腔式第七十一頁(yè)，共106頁(yè)。固體激光器使用的工作物質(zhì)是具有特殊功能的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，里面摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。固體激光器有紅寶石、釹玻璃和釓鋁石榴石等激光器。紅寶石激光器第七十二頁(yè)，共106頁(yè)。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，它的原理與前面討論過(guò)的發(fā)光二極管沒(méi)有太多差異，PN結(jié)就是激活介質(zhì)。GaAs半導(dǎo)體激光器第七十三頁(yè)，共106頁(yè)。半導(dǎo)體激光器輸出-電流特性影響閾值電流的因素很多溫度越高，閾值電流越大。腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，閾值電流越小。還與材料，結(jié)區(qū)表面透過(guò)損耗等因素有關(guān)。第七十四頁(yè)，共106頁(yè)。染料激光器染料激光器是以染料為工作物質(zhì)。染料高反鏡激光半反鏡激勵(lì)光第七十五頁(yè)，共106頁(yè)。c)激光器的特性①單色性②方向性③高亮度④相干性2）光電耦合器件將發(fā)光器件（LED)和光敏器件(光電二、三極管等)密封裝在一起形成的一個(gè)電—光—電器件。第七十六頁(yè)，共106頁(yè)。光耦合器件分為兩類：光電隔離器：是在電路之間傳送信息，以便實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲影響。光傳感器：是一種固體傳感器，主要用于檢測(cè)物體的位置或檢測(cè)物體有無(wú)的狀態(tài)。光耦合器件具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、可單向傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)。第七十七頁(yè)，共106頁(yè)。光電耦合器件的發(fā)光件常采用LED發(fā)光二極管、LD半導(dǎo)體激光器和微形鎢絲燈等。光電接收器件常采用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。第七十八頁(yè)，共106頁(yè)。（1）光電隔離器把發(fā)光器件和光電接收器件組裝在同一管殼內(nèi)，且兩者的管心相對(duì)、相互靠近，除光路部分外，其他部分完全遮光就構(gòu)成光電隔離器。第七十九頁(yè)，共106頁(yè)。（2）光傳感器透過(guò)型和反射型兩種。透過(guò)型光傳感器是將保持一定距離的發(fā)光器件和光接收器件相對(duì)組裝而成。當(dāng)物體從兩器件之間通過(guò)時(shí)將引起透射光的通和斷，從而判斷物體的數(shù)量和有無(wú)。第八十頁(yè)，共106頁(yè)。反射型光傳感器是把發(fā)光器件和光接收器件以某一交叉角度安放在同一方向。通過(guò)測(cè)量物體經(jīng)過(guò)時(shí)反射光量的變化，可檢測(cè)物體的數(shù)目、長(zhǎng)度。第八十一頁(yè)，共106頁(yè)。3）光電耦合器的特點(diǎn)具有電隔離的功能。信號(hào)傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用，適用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。具有抗干擾和噪聲的能力。響應(yīng)速度快。使用方便。第八十二頁(yè)，共106頁(yè)。4）光電耦合器件的特性參數(shù)光電耦合器件的主要特性為傳輸特性與隔離特性。（1）電流傳輸比βIC:光電耦合器件的集電極電流IF:發(fā)光二極管的注入電流第八十三頁(yè)，共106頁(yè)。交流電流傳輸比:β的大小與IF有關(guān)第八十四頁(yè)，共106頁(yè)。β隨外界溫度也有關(guān)β隨外界溫度的變化。在0℃以下時(shí)，β值隨溫度T的升高而上升；在0℃以上時(shí)，β值隨T的增加而下降。第八十五頁(yè)，共106頁(yè)。（2）最高工作頻率fm光電耦合器件的頻率特性分別取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性。光電耦合器頻率特性

頻率特性測(cè)量電路第八十六頁(yè)，共106頁(yè)。最高工作頻率fm與負(fù)載電阻的關(guān)系：（3）脈沖上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf第八十七頁(yè)，共106頁(yè)。5)光電耦合器件的抗干擾特性光電耦合器件的重要優(yōu)點(diǎn)之一就是能強(qiáng)有力地抑止尖脈沖及各種噪音等的干擾。6)光電耦合器件的應(yīng)用(1)電平轉(zhuǎn)換第八十八頁(yè)，共106頁(yè)。(2)邏輯門電路(3)隔離方面的應(yīng)用第八十九頁(yè)，共106頁(yè)。(4)可控硅控制電路種的應(yīng)用典型光耦合可控硅典型光耦合雙向可控硅第九十頁(yè)，共106頁(yè)。真空光電器件光電導(dǎo)檢測(cè)器件光生伏特檢測(cè)器件熱電檢測(cè)器件第九十一頁(yè)，共106頁(yè)。熱電檢測(cè)器件工作原理是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)而制成的器件。工作的物理過(guò)程是：器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參量的變化，監(jiān)測(cè)其中一種性能的變化，來(lái)探知輻射的存在和強(qiáng)弱。3.4熱電檢測(cè)器件第九十二頁(yè)，共106頁(yè)。熱電探測(cè)器件的時(shí)間常數(shù)定義為τ=CH/GCH：熱容 G：熱導(dǎo)τ的數(shù)量級(jí)約為幾毫秒至幾秒，比光電器件的時(shí)間常數(shù)大得多。為使探測(cè)器的熱容小，應(yīng)盡量使探測(cè)器的結(jié)構(gòu)小、重量輕。熱電檢測(cè)器件大致分為熱敏電阻型、熱電偶型、氣動(dòng)型(高萊元件)和熱釋電型四類。第九十三頁(yè)，共106頁(yè)。１、熱敏電阻熱敏電阻是由電阻溫度系數(shù)大的導(dǎo)體材料制成的電阻元件，也稱它為測(cè)輻射熱計(jì)。在吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化。第九十四頁(yè)，共106頁(yè)。熱敏電阻有金屬的和半導(dǎo)體的兩種。金屬的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為正的，絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小，它的電阻與溫度的關(guān)系基本上是線性的，耐高溫能力較強(qiáng)。半導(dǎo)體的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的，絕對(duì)值比金屬的大十多倍，它的電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，耐高溫能力較差。第九十五頁(yè)，