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光电子技术 3 5 气体放电灯的启动 正常的工作电压通常并不能使气体放电 而需要一个起始的高压 Vz 来使气体产生预电离 并跨过非自持区 进入自持区 启动方法 高压启动 储能的瞬间释放 高频高压启动 线圈耦合 二 常用气体放电光源 分类 低压和高压气体放电光源两类 气压影响 发射光谱 光色和发光效率等 低气压气体放电灯 气压在10 1 10 2乇的气体光源 其光谱特点是表现为工作原子或分子的发射谱线 即线状光谱 带有明显的特征颜色 显色性不好 光电子技术 3 高气压气体放电光源 气压大于一个大气 其光谱特征为工作气体的原子或分子谱线展宽 并迭加在较强的连续背景光谱上 显色性较好 通常发光效率随压力增加而提高 1 低压气体放电光源 1 低压汞灯 低压汞灯规格多 用途广 主要有两类 冷阴极辉光放电型和热阴极弧光放电型 前者主要用作紫外光源 用于消毒 杀菌 后者通过光谱转换后用于照明 汞的主要辐射为253 7nm 发光效率很低 通常利用荧光粉转换此光谱能量到需要的波段 即二次发射 如照明用就要转换到可见区 诱杀害虫就要转换到370nm 光电子技术 3 2 低压钠灯 钠的共振辐射在人眼的敏感辐射区 不需要象汞灯那样二次转换光谱 所以发光效率较高 小功率钠灯主要用于光谱仪器中单色光源 大功率 45瓦 钠灯主要用于指示 信号照明光源 如航标灯 矿井 码头等 3 其它低气压气体放电光源 主要有氢灯 氪灯 氢弧灯 原子光谱灯 用于各种光谱仪器中 氢和氪灯属辉光放电灯 发射氢和氪原子光谱线 氢弧灯 弧光放电 发射1800 4000唉的连续光谱 原子光谱灯 又称空心阴极等 即阴极做成圆筒状 属辉光放电 工作气体为惰性气体 特点 稳定性好 谱线窄 强 光电子技术 3 汞齐灯 汞和镉 锌三种金属蒸气的弧光放电 使得光谱线在紫外 可见区更丰富 4 碳弧 一种特殊的气体放电光源 开放式电弧 分类 普通电弧 火焰电弧和高强度碳弧 放电发射 电极之间的空气击穿 主要在灯芯发光 其中火焰碳弧还添加其它金属化合物 如钙 铁 钡 镉等的化合物 电极结构 外壳 阴极 硬 和灯芯 阳极 软 用纯碳素制造 光谱 碳元素连续谱与空气和其它添加物的光谱的混合 普通和高强度碳弧直流供电 而火焰碳弧交 直流供电均可 光电子技术 3 2 高压气体放电光源 常用的高压气体光源主要有 高压汞灯 超高压汞灯 金属卤化物灯 高压钠灯和脉冲氙灯等 1 高压汞灯 充1 5大气压的汞蒸气 光效率显著增加 光谱特性 谱线加宽 连续背景加强 自吸收谱线形成 使紫外辐射大大减弱 可见成份加强 2 超高压汞灯 气压上升到10 20大气压 自吸收进一步加强 紫外共振辐射几乎全部吸收 光效显著增强 光电子技术 3 光谱特性 具有连续辐射谱线特征 用途 用于光学仪器和投影系统 3 高压钠灯 充2000 2500乇钠蒸气 共振辐射的自吸收增强 转换为长波发射 所以 光谱展宽 光色变好 发光效率近120lm W 用途 城市街道照明 4 金属卤化物灯 汞蒸气与某种金属的卤化物 主要是碘化物 混合 以改善汞灯的发光效率和光色 然而 此处汞并不参与发光 主要起如下三方面作用 1 提高光效 2 改善电特性 3 改善启动特性 光电子技术 3 发光原理 启动点燃放电加热泡壳金属卤化物蒸发向弧中心扩散在高温区分解金属发光电弧中的金属和卤素原子向外扩散在玻璃壳区再形成金属卤化物 常见卤钨灯 a 铊灯 碘化铊与汞的混合气体 发光峰波长为535nm 用于水下照明和光化学工业 b 镝灯 碘化镝 碘化汞和碘化铊及汞的混合物 光色好 光谱接近太阳 色温在5000 6000K 光效达80流明 瓦 显色指数为90 是理想的电影 电视摄影和印刷照相制板光源 C 钠铊铟灯 汞与碘化钠 碘化铊 碘化铟的混合气体 光色为白 显色指数68 用于公共场所照明 光电子技术 3 CIE规定用普朗克辐射体或标准照明体D 高色温标准照明体 作参考照明 并将其显色指数定义为100 规定3000K色温的标准荧光灯的显色指数为50 显色性和显色指数 定义标准颜色样品在参照光源和待测光源照明下的色差为 E 待测光源对该颜色样品的显色指数称为特殊显色指数 记为Ri 计算公式为 光源对特定的8个颜色样品的特殊显色指数的平均值称为一般显色指数Ra 光电子技术 3 光源的Ra值越高 显色性越好 最大值为100 即与参考光源一样 5 脉冲氙灯 脉冲放电是非稳定放电 脉冲氙灯脉冲放电可获得短脉冲 高通量和高亮度 工作原理 利用电容先将能量存起来 然后 通过触发 使氙灯瞬间放电 电容上的储能瞬间释放给氙灯 发出高亮度的光 电容器储存能量 式中C位电容 V为充电电压 光电子技术 3 脉冲氙灯的充电与触发 充电 通过RC电路充电 触发 分为外触发和内触发两种方式 内触发指触发电路与氙灯串联 外触发指触发线外绕在氙灯外壳上 触发高压使管内的气体预电离 引起初始导通 即点火 光谱 近似日光 影响寿命的因素 1 强电流放电加热引起冲击波 对管壁产生机械冲击 2 放电发热引起管壁析晶 分解 3 电极溶解溅射 污染管壁 造成局部过载 光电子技术 3 脉冲氙灯的极限负载 K为常数 通常取12 L为长度 即电极间距离 T为发光时间 D为内径 应用 用于激光抽运 高速摄影 航空照相等 光电子技术 3 第二章常用激光光源 2 0激光产生条件 一 粒子数反转 无线电通讯的发展建立在单频电磁波的产生 调制 传输和检测的基础上 而单频光波的产生在激光器问世之前是很难的 即使某些原子光谱灯的单色性很好 但其强度很弱 难于满足光通讯的需要 因此 在激光出现以前 在光波段难以实现无线电中对应的技术 直到60年代梅曼研制成功红宝石激光器 光通讯才变为现实 目前在光波段已基本实现无线电中的所有技术 激光是指受激辐射光放大 受激辐射的概念是由爱因斯坦于20世纪初提出的 在普朗克提出能量量子化 获得黑体辐射公式后 爱因斯坦就利用光与物质的共振相互作用 导出了与普朗克公式 光电子技术 3 一样的黑体辐射公式 在他的推导中提出了两个极为重要的概念 自发辐射和受激辐射 原子从低能态跃迁到高能态 必须吸收光子 这称为受激吸收 而处于高能级的原子会随机发射出光子而回到低能态 这称为自发辐射 爱因斯坦提出还有另外一种辐射跃迁 处于高能态的原子 在一个与发射光子能量相同的光子的作用下 辐射出与作用光子相同状态的光子而回到低能态 这种辐射称为受激辐射 由于受激辐射光子与作用光子具有相同的状态 它们的叠加就会增强 即放大 光在介质中传播时 其光强变化服从关系 光电子技术 3 上式中 为介质的线性吸收系数 I0为初始光强 上式表明I x 在传播过程中是衰减的 因为 通常是正值 要在传播过程中得到方大 必须 0 对于两能级体系 式中g1 g2分别为能级E1 E2的简并度 n为折射率 B21为爱因斯坦受激发射系数 h 21 E2 E1 显然 要使 0 则 对简并度为1 即g1 g2 1的原子体系 必须N2 N1 即粒子布居数反转 这是实现受激辐射放大的必要条件 光电子技术 3 在热平衡状态下 原子体系的能量分布服从玻耳兹曼分布 即 所以 高能级上的粒子数少于低能级上的粒子数 要增加高能级上的粒子数 必须使用受激吸收 即用能量为 激发 使原子吸收光子后跃迁到高能级 这个过程称为光泵浦 然而 根据爱因斯坦关系 B12 B21 对g1 g2 随着N2增加 受激发射率也增强 当N1 N2时 透明 两种效应达到平衡 这时候无论泵浦光多强 均不能使N2 N1 所以二能级体系不可能实现粒子数反转 光电子技术 3 考虑图 1 所示的三能级体系 光泵浦使原子从基态E1受激跃迁到E3能级 E3通过无辐射转移到E2能级 E2能级通过辐射跃迁回到基态E1 同时发出一个能量为E2 E1的光子 如果E2能级的寿命 较长 称为亚稳能级 并且 E3向E2的转移速率 32大 则在能级E2和E1之间可以实现粒子数反转 另一种三能级结构如图 2 要求E3能级的寿命 3大于E2能级的寿命 2 即 3 2 两种三能级结构的比较 2 比 1 更容易实现粒子数反转 因为E2通常为空 所以 效率更高 光电子技术 3 图 3 所示为一四能级系统 E3能级为亚稳能级 光激发使E3能级对E2能实现粒子数反转 图 4 所示为另一四能级体系 E4能级为亚稳能级 相对E3能级实现粒子数反转 比较 3 比 4 更有效 效率更高因为 3 中可以实现N3 N1 而 4 则不可能实现N3 N1 结论 二能级体系不可能实现粒子数反转 至少要三能级体系 并有一个亚稳激发态存在 粒子数反转在亚稳激发态与比其低的能态间实现 光电子技术 3 二 光学正反馈 放大与阈值条件 粒子数反转只是产生受激辐射放大的必要条件 要获得激光输出 还必须使增益足够大 以补偿由于吸收和光学系统损耗 通常激光介质不可能做得很长 所以单次通过激光介质所获得的增益是不够的 要多次放大 要实现这一目标 就要求光学正反馈 在激光器中通过谐振腔来实现光学正反馈 如图 M1为全反射镜 M2为高反射低透射耦合输出镜 光在腔内往反一次仅输出一部分 当输出加损耗与增益达到平衡时 激光器就输出稳定的光束 泵浦阈值 刚好能使激光器维持稳定输出的最小泵浦功率 复习要点 1 低气压气体