光纤传感第二章第2节光源2015学

1、第二节 光纤传感用光源物体的热辐射一、物体发光的基本形式n热辐射n发光辐射（1）热辐射：n任何物质温度只要高于热力学温度0K，它就一定要不断地发射电磁辐射，称之为热辐射。因为与温度有关，又被称作温度辐射。n在这种发射过程中，只要通过加热维持物体的温度不变，物体就可以不改变内能持续不断地发射电磁波。n固体、液体、甚至相当厚的气体在内的任何物体都有这种辐射发生。温度低（如室温下）时，发射不可见的红外线；加热到500左右，开始发射部分暗红外的可见光；温度更高时，发射波长更短，大约1500 时，开始发射白光，其中还有相当多的紫外线。特点： 在任何温度下都向外辐射能量，辐射光谱连续，辐射的能量大小及按波

2、长的分布都与温度有关。 一般情况下，它不仅与物体温度有关，还与物体的表面特征有关。例如：一个玻璃棒上有黑色斑点，当玻璃被加热，黑色斑点处显得更亮，这说明吸收最多的地方发射也最多。 （2）发光辐射 主要借助于其他一些外来激发过程而获得能量产生辐射发射的。n电致发光：物体中的原子在由电场加速的电子作用下，被激发到激发状态，当它返回到正常状态时将产生辐射；n光致发光：物体被光照射而引起的自身发射，如荧光（激发停止后，持续时间小于108s的发光），磷光（ 激发停止后，持续时间大于108s的发光）； n化学发光：由于化学反应引起发光；n热发光：物体被加热到一定温度后引起发光。它与热辐射不同，只有达到一定

3、温度后才开始发光，而热辐射在任何温度下都产生发射。n阴极发光：通过电子轰击而使固体发光，如某些矿物。 发光辐射是是非平衡发射，不能用温度描述，光谱不是连续谱，是带光谱和线光谱。辐射定律1、基尔霍夫定律 n基尔霍夫：德国物理学家，18241887 ，电学方面，电路计算，扩展了欧姆理论；光学方面，研究光谱，利用吸收光谱研究星体外层空间化学成分；研究热辐射，提出基尔霍夫定律。n任何物体在热平衡状态时，从周围吸收辐射的能量恰好等于本身因辐射而减少的能量。此时，物体的状态可用一个确定的温度值来表征。n基尔霍夫定律指出，在一定温度下，物体对某波长光的吸收率 与该物体发射该波长光的辐出度 成正比，而且比例系

4、数对任何物体都一样。n在真空绝热的密闭腔中，热平衡下，物体发射的功率等于它所吸收的功率，而且对任意波长成分都一样。n其中 为投射到物体表面的辐照度。T,),(TM TETTM,TE,.,2211TTMTTM显然，该式对任何物体都成立，表明一个好的吸收体，一定也是一个好的发射体。任何物体的光谱辐出度与光谱吸收率的比例系数与物体性质无关，等于真空容器的光谱辐照度TETTM,TE,n 对任何物体都一样，设想有这样一个物体，其光谱吸收率 ，它对任何波长的入射辐射都能完全吸收。称为绝对黑体，简称黑体。TE,1,T1,),(TMTEb表示黑体，黑体的光谱辐出度就是真空容器的光谱辐照度。黑体是一种特殊物体，

5、在所有物体中，它吸收率最大，发射本领也一定最大。对任何物体，只要能测量出其吸收率，就可计算出其光谱辐出度),(,TMTTMbn自然界不存在理想黑体: 按照黑体概念，在任何温度下，能够全部吸收任何波长的入射辐射功率，在常温下，黑体一定看上去是黑色的，优质煤炭吸收率大约90，远处的窗孔吸收率。n人工黑体模型：光线要在容器壁上多次反射后才能从小孔射出，小孔的吸收率对于所有波长几乎都等于。看上去是一个很黑的洞。根据基尔霍夫定律，小孔的辐出度将接近面积等于孔面积的黑体的辐出度。2、维恩定律、维恩定律n小孔是黑体，外壁不是黑体，所以这与基尔霍夫定律一致。n在一定温度下，三小孔外表面发射的功率密度各不相同，

6、但三小孔内发射功率密度相等，说明黑体辐出曲线只决定于黑体的热力学温度，与构成黑体的物质性质无关。n黑体光谱辐出度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值，对应峰值辐射波长。n黑体光谱辐出度曲线随温度整体升高下降，各曲线不相干。n黑体光谱辐出度曲线下面积代表黑体总辐出度n黑体辐射的峰值辐射波长 与黑体温度之间关系。高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。),(TMbm dTMTMbb,0)(2898KmTmm用钨、钽、铜分别做成三个空腔黑体辐射源，并且把每个空腔都加热到相同的温度，保持温度不变，用分光光谱仪测量空腔的热辐射可得到光谱辐出度曲线3、斯忒潘波尔兹曼定律、斯忒潘波尔兹曼定律n

7、1879年，斯忒潘发现：黑体总辐出度与热力学温度的四次方呈正比n斯忒潘波尔兹曼定律： 黑体总辐出度与热力学温度之间是一个非线性关系，n通过 的测量，可以十分灵敏地测量出热力学温度。是红外测温原理。TdTTMTdMbb4)()( TMb)(106687. 5),()(42840KmWTdTMTMbb4.普朗克公式普朗克公式 黑体辐出度公式， 可简写成KmkhcCmmWhcCTCCTMBb4224831251104388. 1)(107415. 321exp1),(1exp12,53TkhchcTMBbC1、C2分别为黑体第一辐射常数和第二辐射常数n 实际上描述了实际物体的辐射特性与黑体辐射特性的

8、差别，引入一个物体的发射率 代替吸收率更符合逻辑。n 与材料性质及表面状态有关的比例系数有关，表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了物体的发射率，就知道了任何物体的辐射特性。 n所以进行高温测量时用到的近似黑体的谱功率密度辐出度公式为),(,TMTTMbT,T,1exp),(251TCCTM由于5. 高温测量高温测量T,光纤传感器的光源在光纤传感器设计与实际使用中，要对诸因素综合考虑n光源的体积尽量小，以利于它与光纤耦合；n光源发出的光波长应合适，减少光在光纤中传输的损失；n光源要有足够亮度，提高传感器的输出信号;n光源稳定性好、噪声小、

9、安装方便和寿命长;n光源与光纤耦合时，希望耦合效率高，这与光源的光强、波长及光源发光面积等有关，也与光纤的粗细、数值孔径有关。它们之间耦合的好坏，取决于它们之间匹配程度。热光源n 热光源的主要原理是由电流加热合适的材料使其产生热辐射。典型的热光源是钨灯，其优点是结构简单，使用方便且具有连续光谱。n问题： 1. 光源的稳定性：钨丝产生的光电流正比于灯丝电压的34次幂，为了保证提供较稳定的光功率就必须具有高稳定性的电源和电路； 2. 调制速率的限制：一般采用机械斩波器，其频率通常低于1kHz，在很多光纤传感器的应用中是远远达不到要求的。一般适用于光纤束或粗芯光纤实际光纤传感器的设计中一般不提倡选用

10、此种光源。 一、白炽灯工作原理：n热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。n电流通过灯丝（钨丝，熔点达3000多摄氏度）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上，灯丝在处于白炽状态时发出光。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。故称之为白炽灯。白炽灯发光时，大量的电能将转化为热能，只有极少一部分可以转化为有用的光能。 n白炽灯发出的光是全色光，但各种色光的成份比例是由发光物质（钨）以及温度决定的。透过玻璃泡的光谱部分大约 。n白炽灯的寿命跟灯丝的温度有

11、关，因为温度越高，灯丝就越容易升华n抽出空气的灯泡内充进惰性气体，目的在于抑制灯丝蒸发。在同样寿命下，充气灯可提高灯丝工作温度，从而提高光效。m4 . 03 . 0二、卤钨灯原理：n卤钨灯也是一种白炽灯，为了进一步延长灯的寿命，提高光效，在充气钨灯的基础上又制成了卤钨灯（如碘钨灯，溴钨灯等）。n卤钨循环：高温下（17001800）从灯丝蒸发出来的钨在泡壁附近与卤素反应，生成挥发性的卤钨化合物。当卤钨化合物扩散到灯丝附近时，又分解为卤素与钨，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素则又扩散到低温（2501200 ）的泡壁附近与蒸发出来的钨化合。这一过程叫做卤钨循环，或钨的再生循环。这样，不仅可以大大提高

12、灯丝的工作温度和灯的光效，而且泡壳在燃烧过程中并不发黑。n卤钨灯比白炽灯体积小，是同功率白炽灯体积的0.53%，光通量稳定，发光效率为白炽灯的23倍，寿命长，但价格贵，管壁温度高。激光器组成激光器的三要素n激光物质：激光器核心，反转状态，自发发射诱发受激发射。分为固体（晶体、非晶体、半导体等）；n光谐振：放置于激光物质两端的严格平行或凹面反射镜（腔），提供光反馈建立和维持自激振荡，同时控制光束特性；n激发装置：光泵，气体放电、化学反应、热激励。激光特性n单色性n相干性n方向性n高亮度 特点：各个原子的辐射都是自发独立地进行。各个光子的量子态都不相同，没有一定的相位关系，所以不相干，其单色性极差

13、，亮度不高。 自发辐射（spontaneous emission） ：处在高能态的原子或分子总是企图降低其势能而自发地跃迁到较低的能态。（stimulated absorption） （stimulated emission ） 爱因斯坦关系 假设原子二能级系统中，处在高能级 E2的原子数为N2，处在低能级 E1的原子数为N1，作用于此原子系统的光子的能量密度为 。 f221221NANBf受激辐射自发辐射12112221NNNBNBff受激辐射受激吸收要想受激辐射占主导地位，必须创造两个基本条件第一， N2 远远大于N1 ，即粒子数反转，光泵浦提供。第二，足够高的辐射谱密度 ，光学谐振腔提供

14、光反馈达到。f(1) 粒子数反转（population inversion） ：高能级上的原子数大于低能级上的原子数的状态。 光泵（optical pumping）：为维持原子系统的粒子数反转，需不断地将原子从低能级抽运到高能级，将能量注入原子系统，以维持激光运转所需能量。光泵可以是电学、化学、热学或光学的方法。 谐振腔对光束具有选择性，使受激辐射集中于特定的方向。对增益小的激活介质采用稳定腔：半球腔、球面腔、共焦腔。 一、固体激光器n以固态基质中掺入少量激活元素为工作物质的激光器。“固态基质”包括绝缘体和半导体，但半导体激光器通常都不被列入固体激光器中而需要单独介绍。n最为广泛采用的固体激光

15、工作物质有红宝石、掺钕钇铝石榴石和钕玻璃三种，此外还包括可调谐固体激光器。 结构和工作过程n启动激光电源，点燃泵灯。因为激光棒和泵灯分别置于椭圆柱聚光腔的两个焦轴线上，所以点亮的泵灯通过聚光腔在激光棒上成像，形成均匀照射。n激光棒中激活离子（或）吸收泵浦光子能量，跃迁到高能级，无辐射快速弛豫到激光上能级，即亚稳态能级，如果泵浦强度足够大，激光上下能级形成粒子数反转分布。n自发发射光子使反转粒子受激发射，轴向光子不断增强，谐振腔形成反馈，受激增强，当腔内增益等于粒子数减少引起衰减时，输出稳定激光。红宝石的化学表达式为Cr3+:Al2O3 ,激活离子是Cr3+，它属于三能级系统，在常温下，其吸收带

16、为0.41微米的紫光以及0.55微米的绿光，吸收带宽约0.1微米左右，发射光谱为0.6943微米红光。特点：机械强度大，能承受高功率密度，能生长成大尺寸晶体、亚稳态寿命长、可获得大能量输出，尤其是大能量单模输出。红宝石脉冲器件单脉冲能量已达数千焦耳，其荧光谱线较窄，易为材料吸收。n掺钕钇铝石榴石这种晶体简记为Nd3+:YAG，激活离子为Nd3+。常温下辐射1.06微米激光，属于四级能系统。 特点：1.量子效率高，受激辐射截面大，阈值远低于红宝石和钕玻璃；2.具有良好的热稳定性能，热导率高，热膨胀系数小，适用于脉冲、连续、高重复率等多种器件，是能在室温下连续工作的、实用的固体工作物质。3.YAG

17、晶体各向同性，硬度大，化学性质稳定，易于制成高稳定度要求的器件，是当前应用最为广泛的主要固体工作物质。 Nd YAG激光器应用：n各种材料的加工，如打孔、点焊、激光标刻及集成电路中厚膜、薄膜电路的加工制造等；n在医疗上可用于多种外科手术；n军事上，广泛应用于激光测距机、目标指示器和激光雷达。 激光目标指示器： ，是激光对抗的主要对象，如在“海湾战争”中使用的激光制导武器“铜斑蛇”、“海尔法”以及AS.305空地导弹（它们利用激光目标指示器成功地实施了对伊目标的攻击）；激光有源对抗中、的重要部分：如美国研制的鱼工鱼系统中就采用了平均功率1千瓦的CO2激光器和输出能量约100毫焦的板条状掺钕钇铝石

18、榴石激光器和钇铝石榴石倍频激光器，有效干扰距离1.6千米和5英里。 n倍频后的绿光和紫外辐射是可调谐染料激光器的理想泵浦源。n固体激光器具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑、便于光纤耦合、使用寿命长和单元技术成熟等优点，而且它的体积也较气体激光器要小，价格也比较适中。n固体激光器在光纤传感领域有一定的应用，可以用于测量吸收光谱，如测量由污染物产生的瑞利、喇曼散射光谱；可用于超长距离的测量，如月球到地球的距离。n固体激光器的主要缺陷在于常用惰性气体放电灯泵浦效率低，热效应严重，限制了输出功率的进一步提高和光束质量的改善。气体激光器n气体激光器是以气体或金属蒸气作为主要工作物质的激光器。n与固

19、体激光介质相比，气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光器的体积一般都比较大。但是，气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用光泵作激励，更多的是采用电作激励。n气体激光器最大的特点就是可以产生很高的连续功率，适合在光纤传感器中使用。n在光电传感器中比较常见的气体激光器主要有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。n紫外区域气体激光器比较典型的氮气分子激光器输出波长为

20、337nm，在脉冲工作方式下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。n一些准分子激光器，目前能够提供从353nm到193nm的激光输出。n由于许多物质包括污染物在内, 在紫外区域有独特的吸收特征，随着激光器小型化技术的发展，这类激光器在化学分析、环境保护等方面有很好的应用前景。一、 CO2激光器n利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出。 n具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。n二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6m, 连续输出方式功率可达几瓦，脉冲方式达到几千瓦，是远红外的重要光源。n

21、许多气体和有机物在红外区域有吸收谱线，二氧化碳激光器可用作化学物质分析的光源。n应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、激光诱发化学反应，外科手术等方面。 放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。 n工作原理放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的N2分子由于受到电子的撞击而被激发起来。激发的N2分子和CO2分子发生碰撞，把能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上，形成粒子数反转，发出激光。 n用于传输波长为1

22、-12波段的红外光信息。红外光纤材料为硫系玻璃用于CO和CO2激光传输、温度监测、化学传感等领域。n红外单模光纤采用As-S材料，As-S有大的非线性折射率系数，和大的色散特性。As-S单模光纤可用于色散补偿，在As-S单模光纤中写入光栅，可开发出超高速度和低门槛功率的全光开关，应用于光纤通讯和光纤传感器。n红外光纤传像束与红外成像探测器连接，用于探测强电磁场、危险环境、狭窄空间或小孔内物体的热分布，在红外仿真、热气流风洞试验等方面有重要的作用。 激光手术由于准确度高、创伤小而深受欢迎。但在激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通过石英光纤来实现

23、拐弯，因此激光手术刀又叫光纤手术刀。 CO2激光的波长为10.6m，属人眼不可见到中红外光，人体的细胞组织对其有强烈的吸收，而与细胞的颜色和水份无关，所以CO2激光在临床应用中具有人体吸收激光效率高、创伤面积小、伤口深度浅、能封闭细小血管及减少出血等显著优点，深受广大激光外科医生的青睐，在激光外科手术中得到了广泛应用，是目前国内激光外科临床使用量最多的激光器。 但石英光纤不能传输10.6m的CO2激光，卤化银多晶光纤AgClxBr(1-x), 0 x1是一种性能优良的中红外传能光纤，光纤在416微米波段内有良好的透过率，它有无毒、不潮解、柔软性好等特点，其弯曲半径达12厘米，能够满足激光医疗的

24、需要，是理想的传输CO2激光的柔性光纤材料。 受激的原子与基态的原子相碰撞时，把它的能量交给氖原子，而使原子激发到亚稳态，建立粒子数反转。波长波长：6328A、1.15m、3.39m 氦-氖激光器具有连续输出激光的能力。输出从红外到可见光等一系列谱线，其中632.8nm谱线相干性和方向性都很好，输出功率通常小于1mw，可以满足很多光电传感器的要求。三、氩离子、氪离子激光器氩离子、氪离子激光器n氩离子发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和514.5nm等；n氪离子发出的是红光（647.1752.5nm）；n功率比氦氖激光器大，连续输出的功率可以达到几瓦的数量级；n适用于对光源的功率要

25、求比较大的场合。例如：光纤分布式温度传感器等。半导体光源分类n发光二极管n半导体激光器。 半导体激光应用：n光纤通信n高清晰度闭路电视网n激光唱机n高速打印n自由空间光通信n固体激光泵浦源n激光指示n各种医疗应用一、发光二极管一、发光二极管（LED）发光二极管是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。n发光机理 当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。n优点： 可靠性较高，室温下连续工作时间长、P-I线性度好、技术成熟，价格便宜。适用于简易的光纤传感器的设计中，可降低成本。n缺点： 输出功率小、发射角大、谱线宽

26、、响应速度低等。不适用于一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器。发光二极管常分为三种类型n面发光二极管；n边发光二极管；n超辐射发光二极管。1. 1. 面发光二极管面发光二极管（Surface Emitting） 由双异质结构成。发射面积限定在一个小区域内，该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源层的地方腐蚀出一个凹陷的区域，使光纤与光发射面靠近，同时，在凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透镜，以提高光纤的接收效率。面发光二极管输出的功率较大，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角都可达到120，与光纤的耦

27、合效率低。2. 2. 边发光二极管边发光二极管（Edge Emitting） 采用了双异质结结构，利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极(约4050m)，从而限定了有源层的宽度；同时，增加光波导层，进一步提高光的限定能力，把有源区产生的光辐射导向发光面，提高与光纤的耦合效率。有源层一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约为30，具有比面发光二极管高的输出耦合效率。3. 3. 超辐射发光二极管超辐射发光二极管（Superluminescent Diodes） SLD是一种是一种宽光谱、弱时间相干性、大功率、高效率的半导体光发射器件，介于激光二极

28、管LD和发光二极管LED之间的半导体光源，具有比LD更宽的发光光谱和更短的相干长度，具有比LED更高的输出功率，集宽光谱和大功率的优点于一身，具有广泛的应用。 SLD的出现和发展是受到光纤陀螺的驱动，对它的要求是有高的功率输出并有宽的光谱宽度。nSLD结构与激光器相似，都是受激放大过程，既有很高的输出功率而又不产生激射振荡，仅有前向光波被放大。 SLD有源区结构n量子阱(quantum well简称QW) 光谱宽度可达百纳米，输出功率达到上百毫瓦以上(两参数非同一器件).n量子点(quantum dot简称QD) 光谱宽度可达150 nm以上, 输出功率可达200 mW， (以上两参数非同一器

29、件)。nSLD和激光根本区别在于器件是否存在振荡及选模作用，所以减小腔面的反射及F-P振荡是实现超辐射发光的关键技术。n采用波导吸收区、倾斜结构、腔面镀膜等更好地抑制激射，提高超辐射功率。应用n光纤陀螺n光学相干层析成像技术n光时域反射仪(OTDR)n局域网(LAN)n波分复用光纤通信n光处理技术n干涉式光纤陀螺仪(IFOG)是1976年以后发展起来的一种全新的全固态惯性测量设备，是具有跨时代特征的新型主流惯性仪表，在航空航天、航海和国防工业中得到广泛应用。n早期光源：He-Ne激光器和半导体激光器 光纤陀螺中的噪声主要由于光纤结构的不均匀性引起的瑞利背向散射的瞬时波动所造成的。当采用激光器作

30、为光源时，由于激光的相干性，会使瑞利散射光与信号光产生干涉，引起输出的瑞利噪声。为减少这种噪声，一般可采用短相干或非相干光为减少这种噪声，一般可采用短相干或非相干光作为光纤陀螺系统的光源。作为光纤陀螺系统的光源。nLED是一种较好的非相干光源，但功率小、输出光发散角大，因而耦合效率低，无法提高系统信噪比。nBurns等在1983年指出: 当光源的光谱宽度大于15nm时可显著减小IFOG的背向散射。nSLD的光谱宽度达到几十纳米，可有效减小背向散射。n随着外延生长技术和器件制备工艺的发展，SLD逐渐成为了IFOG的标准光源。n采用SLD作为光源，提升IFOG的精度 抑制或消除菲涅尔背向反射噪声、

31、瑞利背向散射噪声、克尔效应和双折射效应带来的噪声和漂移。 采用中心波长840nm、谱宽14.7nm的SLD背向散射噪声比采用半导体激光器时的数值小了34个数量级。商用SLDn光谱波段方面覆盖了光纤的4个窗口(850nm、1060nm、1310nm和1550nm)n光谱宽度和输出功率方面，单管输出光谱宽度达100nm，输出功率达100mW (以上两参数非同一器件)。多管模块输出光谱宽度可达300 nm，对应的输出功率达4 mW。n输出形式有自由空间输出，单模光纤输出、保偏光纤输出方式。n为了获得稳定的输出波长和发射功率，商用SLD可集成半导体制冷器和温控装置，可满足高精度应用的需求。LED特性特

32、性1. 光谱特性光谱特性由于LED没有光学谐振腔以选择波长，所以它的光谱是以自发发射为主的光谱，发光谱线较宽。图为一典型1.3m LED的光谱曲线。光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长称为发光峰值波长P，光谱曲线上两个半光强点对应的波长差称之为LED谱线宽度(简称谱宽)，它是一个与温度T和波长有关的量 谱宽随辐射波长的增加按2增加。一般短波长GaAIAs/GaAs发光二极管的谱线宽度约为1050 nm，长波长InGaAsP/InP发光二极管的谱线宽度约为50120nm。hckT28 . 1p1波长（m）相对功率121.201.350.52. P-I特性特性 LD比较起来，发光二极管的温度特性相

33、对较好，在实际应用中，一般可以不加温度控制。100边发光二极管P (mW)I (mA)LD面发光二极管超辐射发光二极管200123二、半导体激光二极管二、半导体激光二极管 半导体激光二极管在光纤传感系统中应用非常广泛。n优点： 效率高、体积小，波长范围较宽，价格低，在光纤传感中使用非常方便。n缺点： 1. 工作一定时间后其性能将逐渐退化，最终导致激光管不能使用。影响其在一些必须长期使用、不便更换的光纤传感器中的使用。 2. 普通半导体激光的单色性和方向性要比气体激光器的差，改进：利用分布反馈或量子阱结构等技术。1. 发光机理发光机理能带概念制作LD的材料是半导体晶体。晶体中，原子核外的电子运动

34、轨道因相邻原子的共有化运动要发生不同程度的重叠，电子已不属于某个原子所有，它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动，原来的能级已经转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带，次外层的能带称为价带，它们之间的间隔内没有电子存在，这个区间称为禁带。原子轨道导带禁带价带原子能级共有化态能带(a)P - N结内载流子运动；结内载流子运动；(b) 零偏压时零偏压时P - N结的能带图；结的能带图； (c) 正向偏压下正向偏压下P - N结能带图结能带图 PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布nLD是基于受激发射的原理工作的n实际上，半导体激光器所发射出的光波长不是单一值。造成这种现象的原因有两个：一

35、是半导体导带和价带都是由许多能级组成的，它们所具备的能量有微小差别；二是半导体的能带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大，使得禁带宽度有微小的变化，所以用下式计算出的波长是有一定的范围的量。)(24. 1eVEEhcgg直接带隙和间接带隙： 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的，依照禁带的形状，可将半导体分成直接带隙和间接带隙两种。直接带隙材料中，导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁的，发光效率高；间接带隙材料中，要完成电子的跃迁，必须有其它粒子的参与以保持动量守恒。 只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件，这类材料有GaAs、AlGaAs、InP和I

36、nGaAsP等。电子跃迁导带禁带价带动量（a） 直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量（b） 间接带隙Ep2. LD结构结构通常是一个多层条形的结构，有源层、限制层和端镜面构成了基通常是一个多层条形的结构，有源层、限制层和端镜面构成了基本部分。本部分。电极出光面N-GaAs前端镜面电极N-AlGaAsGaAsP-AlGaAsN-GaAs结构中间有一层厚结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙的窄带隙P型半导体，型半导体，称为有源层；两侧分别为称为有源层；两侧分别为宽带隙的宽带隙的P型和型和N型半导体，型半导体， 称为限制层。三层半导体称为限制层。三层半导体置于基片置于基片(衬底衬底)上，前后上，

37、前后两个晶体解理面作为反射两个晶体解理面作为反射镜构成法布里镜构成法布里 - 珀罗珀罗(FP)谐振腔。谐振腔。（1）有源层和限制层）有源层和限制层有源层的材料是P型砷化镓GaAs材料，限制层分别是P型和N型砷化镓铝AlGaAs材料，在它们的界面上分别形成两个PN结，我们把这类由异种半导体相接的结构称为双异质结，图（a）画出了双异质结的结构示意图，图（b）是它的能带。(a)能量电子空穴EgpP-(AlGaAs)N-(AlGaAs)P-(GaAs)(b)(c)(d)折射率光场分布EgnEg（2）端镜面激光器两端是端镜面，两者是平行的，同时又是非常平坦光亮的，它可以使有源层产生的光部分逸出，因此端镜

38、面和有源层构成了光的容器。另外，有源层里产生的光不断从两端反射，形成光的振荡。随着电流不断注入，光逐渐被放大并趋于稳定的输出状态。3. LD阈值条件阈值条件在激光器工作过程中，光在谐振腔内传播，除了增益介质的光放大作用外，还存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗情况，只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，激光器才能建立起稳定的激光输出。增益介质反射镜面有源区 PN注入电流 F-P光学谐振腔设增益介质的增益和损耗分别为G和，谐振腔内光功率随距离z的变化可表示为 （1）式中，P(0)为z0处的光功率。光束在腔内一个来回时，两次通过增益

39、介质，这时的光增益为 （2）式中，L为腔长。设两个镜面的反射系数为rl和r2，建立光振荡的条件为 （3）将（2）式代入（3）式，可得 （4）这就是产生激光的阈值条件。式中第一项是增益介质的损耗，第二项表示通过反射镜的损耗。只有当注入电流满足阈值条件时，才迅速出现激光输出。zGPzP)(exp)0()(LGPLP)(2exp)0()2()0()2(21PLPrr1)(2exp21LGrr4. LD纵模纵模在两平面反射镜之间形成了一稳定的振荡，振荡频率可由谐振条件或称驻波条件得到。在谐振腔中，光波是在两平面反射镜之间往复传输的，只有平面镜间距离是半波长的整数倍时，光波才能得到彼此加强，即 (9)式

40、中，为光波的波长，n为增益介质的折射率，m=1，2，。利用，可将上式重写成 （10）式中，f为光波的频率，c为光速。显然，激光器中振荡的光频率只能取某些分立值，m的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。腔内的纵模很多，只有那些有增益且增益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激光器，否则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差 (11)nmL2nLcmf2nLcf2激光器的横模激光器的横模激光振荡也可以出现在垂直于腔轴线的方向上，这时在激光器出光的端面上出现稳定的光斑，将这种横向的光场分布称为横模。激光器的横模决定了

41、激光光束的空间分布，它直接影响到器件和光纤的耦合效率。、 LD的性质的性质1. P-I特性特性当注入电流小于阈值电流Ith时，器件发出微弱的自发辐射光，是非相干的荧光；当注入电流超过阈值时，器件进入受激发射状态，发出的光是相干激光，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。 阈值电流Ith是激光器的重要参数，该值越小、越稳定，说明激光器的设计和制造工艺越好。短波长激光器，Ith一般在50mA100mA之间；长波长激光器的Ith一般在20mA50mA之间，目前较好的激光器阈值电流小于10mA。 激光器的PI特性对温度很敏感，随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。 )()exp

42、()0()(0thDexththIIehfPTTITI激光器PI曲线 激光器PI曲线随温度的变化n为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定n通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。. 光谱特性光谱特性激光器的光谱特性主要由其纵模决定。图（a）和(b)分别为多纵模、单纵模激光器的典型光谱曲线，峰值波长典型值是850nm、1310nm和1550nm。多纵模激光器光谱特性包络内一般含有35个纵模，值约为35nm；较好的单纵模激光器的值约为0.1nm，甚至更

43、小。对于单纵模激光器，定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比，它是半导体激光器频谱纯度的一种度量。 （a）多纵模激光器的典型光谱曲线 （b）单纵模激光器的典型光谱曲线边主PPMSRlg10波长0相对功率 纵模变化： 半导体激光器的发光谱线会随着工作条件的变化而发生变化，当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模。、LD的类型的类型1. 分布反馈激光器分布反馈激光器分布反馈激光器是单纵模激光器，边模抑制比MSR达到了30dB

44、，谱宽达到了50MHz以下，具有非常好的单色性和方向性，由于它没有使用晶体解理面作为反射镜，所以更容易集成化，应用前景十分诱人。目前商用的DFBLD和DBRLD在光纤有线电视传输系统中得到了广泛的应用。分布反馈DFB(Distributed Feedback)激光器分布布拉格反射DBR(Distributed Bragg Reflector)激光器（1）DBR激光器DBR激光器在有源层的附近增加了一段分布式布拉格光栅，它起着衍射光栅的作用。反射光经光栅相长干涉，相长干涉的条件是反射光波长等于两倍光栅间距， 式中，是介质折射率，整数m代表布拉格衍射阶数，m1时相长干涉最强。2nmBP有 源区布拉

45、格光栅N光 输出DBR激光器的结构（2）DFB激光器 没有集总反射的谐振腔反射镜，靠有源层上的布拉格光栅使有源层的光波产生部分反射，满足布拉格反射条件的特定波长的光会相长干涉， 式中， n是有效折射率，L是衍射光栅有效长度，m是整数，B是布拉格波长。由上式可见，完全对称的器件应该具有两个与B等距离的模式，实际上，由于制造过程或者有意使其不对称，只能产生一个模式。由于上式的第二项比第一项小很多，光的波长非常靠近B。 分布反馈激光器可以通过改变光栅的周期来调整发射波长。DFB激光器的结构) 1(22mnLBBmP有源区布拉格反射器N光输出L2. 量子阱激光器量子阱激光器 一般双异质结构激光器的有源

46、层的最佳厚度约为0.15m，电子的辐射跃迁发生在两个能量之间，但当其有源层厚度减至可以和波尔半径(150 nm)相比拟时，半导体的性质将发生根本变化，此时，半导体的能带结构、载流子有效质量、载流子运动性质会出现新的效应量子效应，相应的势阱称为量子阱，这种结构的激光器称为量子阱激光器。量子阱结构可以通过改变有源层的厚度来改变发射波长，它大大地降低了阈值电流。 量子阱激光器具有低阈值电流、可高温工作、谱线宽度窄和调制速度高等优点。3. 垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 一种电流和发射光束方向都与芯片表面垂直的激光器。对于二维应用具有很好的灵活性，与光纤耦合时具有最高的耦合效率。 有源层位