光电检测技术与应用-2发光器件

1、光电检测技术及应用光电检测技术及应用第二章第二章 发光器件（光源）发光器件（光源）上一章主要内容回顾上一章主要内容回顾1、影响检测测量精度的主要因素有哪些，其中哪些因素又是需要、影响检测测量精度的主要因素有哪些，其中哪些因素又是需要特别注意的？特别注意的？2、试叙述光电检测系统的组成及特点、试叙述光电检测系统的组成及特点一、光源的分类一、光源的分类定义：定义：光源光源一切能产生光辐射的源。一切能产生光辐射的源。人造光源人造光源天然光源天然光源自然界本来存在的，如太阳（核聚变 ）、夜明珠、萤火虫、发光的鱼（深海）。人为地将其他能量转化为光辐射能的器件，如灯。一、光源的分类一、光源的分类相干光源相

2、干光源非相干光源非相干光源低相干光源低相干光源相干光源：相干光源： 频率频率相同、相同、相位差相位差恒定、恒定、振动方向振动方向相同的两列光。相同的两列光。光的干涉：光的干涉： 相干光相干光相遇时，使某些地方振动加强（明亮），使相遇时，使某些地方振动加强（明亮），使某些地某些地方振动方振动减弱（暗淡），形成稳定的强弱分布的现象。减弱（暗淡），形成稳定的强弱分布的现象。按照光波在按照光波在时间、空间时间、空间上的上的相位相位特征：特征：一、光源的分类一、光源的分类非相干光源非相干光源相干光源相干光源激光激光照明光源照明光源显示光源显示光源信息处理用光源信息处理用光源低相干光源低相干光源发光二极管

3、发光二极管超辐射发光二极管超辐射发光二极管气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器半导体激光器半导体激光器染料激光器染料激光器等离子激光器等离子激光器太阳太阳气体放电灯、荧光灯气体放电灯、荧光灯白炽灯白炽灯等离子体管等离子体管荧光显示器荧光显示器液晶显示器液晶显示器场致发光显示器场致发光显示器掺杂光纤超荧光宽带光源掺杂光纤超荧光宽带光源非线性光学器件非线性光学器件阴极射线管阴极射线管一、光源的分类一、光源的分类 按照按照发光机理发光机理 热辐射光源：热辐射光源： 利用利用热辐射热辐射发出可见光的电光源。发出可见光的电光源。 电流电流流经流经导电物体导电物体，使之在，使之在高温高温下辐射光能的光

4、下辐射光能的光源，通常源，通常是是。 包括包括白炽灯白炽灯和和卤钨灯卤钨灯。热辐射光源热辐射光源气体发光光源气体发光光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器一、光源的分类一、光源的分类 按照按照发光机理发光机理 气体发光光源：气体发光光源： 电流流经电流流经气体或金属蒸气气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源，气体放电有，使之产生气体放电而发光的光源，气体放电有弧光弧光放电和辉光放电放电和辉光放电两种。两种。热辐射光源热辐射光源气体发光光源气体发光光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器弧光放电弧光放电如如荧光灯荧光灯，荧光灯是，荧光灯是低压汞蒸气低压汞蒸气放电产生的紫外线，激发涂在放电

5、产生的紫外线，激发涂在灯管内壁的荧光粉层而发光灯管内壁的荧光粉层而发光辉光放电辉光放电如如霓虹灯霓虹灯，霓虹灯是依靠两端电极头在高压电场下将灯管内的，霓虹灯是依靠两端电极头在高压电场下将灯管内的稀稀有气体有气体击燃，不同稀有气体（氖、氙、氩、氦、氪）发出不同的色光击燃，不同稀有气体（氖、氙、氩、氦、氪）发出不同的色光 。发光效率高发光效率高结构牢固紧凑、耐震、抗冲击结构牢固紧凑、耐震、抗冲击寿命长，光色适应性强寿命长，光色适应性强不足：不足： 冷态阻抗大，起动后阻抗急剧变小。冷态阻抗大，起动后阻抗急剧变小。 启动后内阻太小，必须用限流措施启动后内阻太小，必须用限流措施“镇流器镇流器” 。一、光

6、源的分类一、光源的分类 按照按照发光机理发光机理 固体发光光源：固体发光光源：在电场在电场作用下，使作用下，使固体物质发光固体物质发光的光源，电能直接转变为光能，的光源，电能直接转变为光能，包括包括场致发光光源场致发光光源和和发光二极管发光二极管（LED，半导体）两种。，半导体）两种。热辐射光源热辐射光源气体发光光源气体发光光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器LED 发光二极管发光二极管LCD 液晶显示器液晶显示器PDP 等离子显示器等离子显示器 固体化、平板化、安全可靠固体化、平板化、安全可靠面积形状不受限制面积形状不受限制寿命长，功耗低，发光易于控制寿命长，功耗低，发光易于控制一、光源

7、的分类一、光源的分类 按照按照发光机理发光机理 激光器：激光器： 激光是激光是20世纪世纪60年代重大科技成就之一；年代重大科技成就之一； 具有高方向性、高单色性、高亮度和相干性等重要特性。具有高方向性、高单色性、高亮度和相干性等重要特性。热辐射光源热辐射光源气体发光光源气体发光光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器二、发光二极管二、发光二极管(LED)二、发光二极管二、发光二极管(LED) 工作原理工作原理发光二极管是由发光二极管是由P型和型和N型半导体组成的二极管，型半导体组成的二极管，PN结附结附近，近，N型材料中的多数载流子是电子，型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流型材

8、料中的多数载流子是空穴，子是空穴，PN结上结上未加电压时构成一定的势垒未加电压时构成一定的势垒。二、发光二极管二、发光二极管(LED) 工作原理工作原理 当当加上正向电压加上正向电压时，外加电场将削弱内时，外加电场将削弱内建电场，建电场，载流子的扩散运动加强，构成载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入少数载流子的注入。当。当导带中的电子与价带中的空穴复合导带中的电子与价带中的空穴复合时，时，释放出复合能释放出复合能量量，这个能量会以，这个能量会以热能、光能热能、光能的形式辐射出来，即的形式辐射出来，即电电致发光。致发光。 二、发光二极管二、发光二极管(LED) 工作原理工作原理 如果尝试使

9、电流如果尝试使电流向其它方向流动向其它方向流动，P型端就边接到电流负型端就边接到电流负极和极和N型连接到正极，这时电流将不会流动。型连接到正极，这时电流将不会流动。N型物质的负极型物质的负极电子被吸引到正极电子。电子被吸引到正极电子。P型物质的正极电子空穴被吸引到负型物质的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有电流流通过汇合处，电流流通过汇合处，损耗区增加损耗区增加。二、发光二极管二、发光二极管(LED) 普通二极管普通二极管是用是用锗或硅锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度制造的，这两种材料的禁带宽度E

10、 Eg g分别为分别为0.67eV0.67eV和和1.12eV1.12eV。普通二极管不能用作发光二极管普通二极管不能用作发光二极管二、发光二极管二、发光二极管(LED)GaAsPp=670nmp=670nmp=565nmp=565nmGaPp=950nmp=950nmGaAs相对灵敏度相对灵敏度二、发光二极管二、发光二极管(LED)二、发光二极管二、发光二极管(LED)按形状分：字段式、点式、光柱式、点阵式按形状分：字段式、点式、光柱式、点阵式七段式数码管（七段式数码管（8字型）字型）：七个发光二极管、数字：七个发光二极管、数字14画字码管（米字型）：画字码管（米字型）：数字、字母数字、字母

11、矩阵：矩阵：文字、扫描方式工作（每个管点亮文字、扫描方式工作（每个管点亮12ms ） 静态文字（余辉效应、视觉暂留）静态文字（余辉效应、视觉暂留）二、发光二极管二、发光二极管(LED)的分类的分类u /Vi /mAO2工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置工作电流工作电流 : 几几mA 几十几十 mA导通电压导通电压 : ( 1 2) V发光二极管的特性和参数发光二极管的特性和参数二、发光二极管二、发光二极管(LED)发光二极管（发光二极管（LED）是冷光源。）是冷光源。冷光源：冷光源： 发光时，光源发光时，光源温度温度不比环境温度高。不比环境温度高。 工作时不发热，工作时不发热，避免避免与与热

12、量积累热量积累相关的问题。相关的问题。 几乎把几乎把全部全部能量转化为能量转化为可见光可见光，其他波长光很少。，其他波长光很少。热光源：热光源： 除了有可见光，还有除了有可见光，还有大量红外光大量红外光，部分能量部分能量转化为对照明转化为对照明没有贡献的红外光。没有贡献的红外光。 加加红外滤波片红外滤波片滤掉红外光，出来的光和冷光源差不多。滤掉红外光，出来的光和冷光源差不多。 二、发光二极管二、发光二极管(LED)从外观判别极性从外观判别极性用万用表测量极性和好坏用万用表测量极性和好坏发光二极管极性的判别和检测发光二极管极性的判别和检测 将测量挡切换到将测量挡切换到 R 10k，用，用万万用表

13、测量用表测量LED的正、反向电阻，阻的正、反向电阻，阻值偏小的一次，黑表笔所接触的为值偏小的一次，黑表笔所接触的为正极。正极。 若两次测量的阻值均为若两次测量的阻值均为 ，则该，则该LED已坏。已坏。二、发光二极管二、发光二极管(LED) f2 g2 a2 b2 f1 a1 b1 e2 d2 c2 DIP2 e1d2 g1 c1 DIP1 a gd f be cg f a b e d c DIP a b c d e f gDIP共共阳阳极极 a b c d e f gDIP共共阴阴极极发光二极管的连接方式：发光二极管的连接方式：共阴极、共阳极共阴极、共阳极二、发光二极管二、发光二极管(LED)

14、发光二极管的特点发光二极管的特点优点：最高效的人造照明技术优点：最高效的人造照明技术 工作工作电压低电压低(1伏伏2伏伏)，耗电少耗电少(10mA下即可在室内得到下即可在室内得到适当的亮度适当的亮度)； 寿命寿命数十万小时以上，为普通白炽灯的数十万小时以上，为普通白炽灯的100倍以上。倍以上。 可通过调节可通过调节电流电流(或电压或电压)来对来对发光亮度进行调节发光亮度进行调节，且响应，且响应速度快，并可直流驱动；速度快，并可直流驱动； 比普通光源的比普通光源的单色性好单色性好； 发光发光亮度亮度和发光和发光效率效率均较高；均较高； 容易与容易与集成集成电路配合使用；电路配合使用； 体积小、重

15、量轻，抗冲击，耐振动体积小、重量轻，抗冲击，耐振动。二、发光二极管二、发光二极管(LED)缺点缺点 含有毒物质含有毒物质，如锑、砷、铬、铅、镍和铜等，对人体和环，如锑、砷、铬、铅、镍和铜等，对人体和环境的影响严重。境的影响严重。 LED白光主要是靠白光主要是靠蓝光蓝光激发荧光粉，激发荧光粉，“蓝光技术蓝光技术”，人眼，人眼最不能接受的是蓝光和最不能接受的是蓝光和UV光光(即紫外线光即紫外线光) 。二、发光二极管二、发光二极管(LED) 能量量子化假设：能量量子化假设： 是一个划时代的发现，能量子的存在是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过打破了一切自然过程都是连续的经典定论程都是连续

16、的经典定论，第一次向人们揭示了，第一次向人们揭示了自然的非连续自然的非连续本性本性。LED发光光谱发光光谱二、发光二极管二、发光二极管(LED) 发光光谱发光光谱 电子和空穴复合时放出能量的大小，即电子和空穴复合时放出能量的大小，即光子的能量光子的能量。 光子的能光子的能取决于半导体材料的禁带宽度取决于半导体材料的禁带宽度Eg，释放出的能量，释放出的能量越大，发出的光辐射波长就越越大，发出的光辐射波长就越短。短。E g=h c 式中，式中，为辐射光波长；为辐射光波长；h为普朗克常量；为普朗克常量；c为光速；为光速；Eg为材为材料禁带宽度料禁带宽度。普朗克常数普朗克常数h： 用来描述量子大小。用

17、来描述量子大小。 光的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，一光的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，一份能量叫做能量子，等于份能量叫做能量子，等于hv，v为频率，为频率，h为普朗克常数。为普朗克常数。 二、发光二极管二、发光二极管(LED) 单向导电性，反向击穿电压约单向导电性，反向击穿电压约5伏，一般要加限流电阻以限定工作电伏，一般要加限流电阻以限定工作电流。流。发光二极管可工作在发光二极管可工作在直流直流状态、状态、交流交流状态和状态和脉冲脉冲状态。状态。 图图(a)为直流供电，二极管出射为直流供电，二极管出射光强度不变光强度不变。 图图(b)为交流供电，由于二极管的发光特

18、性，它出射的为交流供电，由于二极管的发光特性，它出射的光强如图光强如图(c)，呈半波形呈半波形。R为限流电阻，为限流电阻，D1为普通二极管，对发光二极管为普通二极管，对发光二极管作反向保护。作反向保护。发光二极管的工作状态发光二极管的工作状态二、发光二极管二、发光二极管(LED) 光源：光源：检测用光源、遥控器的光源、扣式微型电筒检测用光源、遥控器的光源、扣式微型电筒 发光二极管应用发光二极管应用二、发光二极管二、发光二极管(LED) 指示和信息显示：指示和信息显示： 数字显示数字显示 大型显示器大型显示器 光耦合器件（光耦合器件（ OC ,optical coupler）亦称光电隔离器：）亦

19、称光电隔离器： 将将发光二极管和光电接收元件发光二极管和光电接收元件组合而构成的一种器件。它组合而构成的一种器件。它是以光子作为传输媒介，将输入端的电信号耦合到输出端。是以光子作为传输媒介，将输入端的电信号耦合到输出端。三、激光器三、激光器泵浦源泵浦源工作物质工作物质三、激光器三、激光器三、激光器三、激光器三、激光器三、激光器三、激光器三、激光器 光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。 效率低，能耗高，寿命较短，体积大。效率低，能耗高，寿命较短，体积大。 原子（氦氖）激光器原子（氦氖）激光器 离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器

20、 分子（分子（CO2，CO，准分子）激光器。，准分子）激光器。近视眼激光手术近视眼激光手术准分子激光手术准分子激光手术 三、激光器三、激光器激光管：激光管： 由由放电管、电极放电管、电极（几千伏电压）（几千伏电压）和光学谐振腔和光学谐振腔组成。组成。1、放电管：、放电管：是氦一氖激光器的是氦一氖激光器的心脏心脏，是，是产生激光产生激光的地方。的地方。 放电管由放电管由毛细管和贮气室毛细管和贮气室构成。构成。 放电管中充入一定比例的氦气（放电管中充入一定比例的氦气（He）、氖气（）、氖气（Ne）。）。三、激光器三、激光器2、电极：阳极、电极：阳极一般用一般用钨棒钨棒制成；制成；阴极阴极多用电子发

21、射率高和溅多用电子发射率高和溅射率小的射率小的铝及其合金铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成溅射，一般都把阴极做成圆筒状圆筒状，然后用，然后用钨棒钨棒引到管外。引到管外。3、谐振腔：、谐振腔： 一般用一般用平凹腔平凹腔，平面镜为输出端，透过率约，平面镜为输出端，透过率约1%2，凹，凹面镜为全反射镜。面镜为全反射镜。三、激光器三、激光器三、激光器三、激光器1、内腔式激光器、内腔式激光器：两块反射镜直接贴在放电管两端。：两块反射镜直接贴在放电管两端。优点优点：使用方便，不用调整。：使用方便，不用调整。缺点缺点：放电发热或外界冲击发

22、生形变导致谐振腔失调时，无法校正。：放电发热或外界冲击发生形变导致谐振腔失调时，无法校正。 适用于短管结构。适用于短管结构。三、激光器三、激光器2、外腔式激光器：、外腔式激光器： 谐振腔的两块反射境与放电管谐振腔的两块反射境与放电管分开分开，放电管的两端用，放电管的两端用布儒斯特窗布儒斯特窗密封密封构成反射最小的光通路。构成反射最小的光通路。 布儒斯特窗布儒斯特窗本质上是一个本质上是一个偏振器偏振器，以布儒斯特角放置，光束的偏振，以布儒斯特角放置，光束的偏振分量将无损耗通过窗口，而偏振分量将被布儒斯特窗口反射。分量将无损耗通过窗口，而偏振分量将被布儒斯特窗口反射。优点优点：可随时调整反射镜的位

23、置，达到最佳振荡条件。：可随时调整反射镜的位置，达到最佳振荡条件。缺点缺点：腔易变动，：腔易变动，需经常调整需经常调整，腔内损耗增大。，腔内损耗增大。 适于作长管结构。适于作长管结构。三、激光器三、激光器3、半内腔式激光器：、半内腔式激光器： 谐振腔的一端采用内腔结构谐振腔的一端采用内腔结构，另一端用布儒斯特窗密封，放电管与反，另一端用布儒斯特窗密封，放电管与反射镜分开。射镜分开。 这种结构兼有前两者的优点，适于这种结构兼有前两者的优点，适于特殊要求的小型激光器特殊要求的小型激光器的结构。的结构。三、激光器三、激光器3 3、内腔式激光器：、内腔式激光器：优点：优点： 将谐振腔的两反射镜调整好后

24、，用胶固定在放电管的两端，使用时将谐振腔的两反射镜调整好后，用胶固定在放电管的两端，使用时不必调整不必调整；阴极与毛细管同轴放置，；阴极与毛细管同轴放置，结构紧凑结构紧凑、不易碎裂，安装方便。、不易碎裂，安装方便。 缺点：缺点： 工作过程中工作过程中放电管受热变形放电管受热变形时时, ,谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成造成器件损耗增加，输出下降器件损耗增加，输出下降。 激光管越长，热稳定性越差，内腔式激光管的长度一般激光管越长，热稳定性越差，内腔式激光管的长度一般不超过一米不超过一米。 谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。谐振腔反射镜

25、损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用寿命低，同时由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，热稳定性不好。由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，热稳定性不好。三、激光器三、激光器工作物质：工作物质： 光学玻璃或光学晶体光学玻璃或光学晶体，掺入具有发射激光能力的，掺入具有发射激光能力的金属离子金属离子。 如红宝石激光器是以掺有如红宝石激光器是以掺有0.05%0.05%铬离子的氧化铝单晶体为工作物质。铬离子的氧化铝单晶体为工作物质。用途：用途： 在在军事、加工、医疗和科研军事、加工、医

26、疗和科研有广泛应用。有广泛应用。 用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科手术、等离子体诊断、脉冲全息照件微加工、大气检测、光谱研究、外科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。 三、激光器三、激光器 小小而坚固、功率高；而坚固、功率高； 运行方式多样：运行方式多样： 连续、脉冲、调、锁模等，可以获得高平均功率，连续、脉冲、调、锁模等，可以获得高平均功率，高

27、重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光； 主要在主要在红外红外波段工作，采用波段工作，采用光学泵浦光学泵浦方式；方式； 结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；三、激光器三、激光器种类：种类： 红宝石激光器、钆（红宝石激光器、钆（gaga）铝）铝石石榴石激光器（简称榴石激光器（简称YAGYAG激光器）和钕激光器）和钕(nv(nv) )玻璃激光器等，其中红宝石激光器发现最早、用途最广。玻璃激光器等，其中红宝石激光器发现最早、用途最广。红宝石激光器：红宝石激光器： 是是19601960年美国年美国梅曼梅曼发明的第一台激光器。发明的第一台激光器。

28、 用用高强闪光灯管高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的来刺激在红宝石水晶里的铬原子铬原子，从而产生一条相当，从而产生一条相当集中的集中的纤细红色光柱纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高比太阳还高的的温度。温度。 三、激光器三、激光器固体激光固体激光晶体棒晶体棒微型固体微型固体激光器激光器1 1太瓦太瓦1010的的1212次方瓦次方瓦1 1万亿瓦万亿瓦 T T：太：太，1010的的1212次方次方1000G1000GGG：吉：吉，1010的的9 9次方次方1000M1000MMM：兆：兆，1010的的6 6次方次方1000k1000kk k：千：千，1010的的3 3次方次方 钕（钕（nvnv）玻璃激光器）玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。已达到几十太瓦。三、激光器三、激光器工作物质：工作物质：半导体材料，如砷化镓（半导体材料，如砷化镓（GaAsGaAs）、硫化镉（）、硫化镉（CdSCdS）、磷化铟）、磷化铟(InP)(InP)、硫化锌、硫化锌(ZnS)(ZnS)等。等。 用途：用途： 光纤通信、光学测量、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器光纤通信、光学测量、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔）。（激光笔）。