RCLED光谱单色光源

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RCLED单色光源在物理试验中应用的可行性研究

***（2000字）

1．引言

LED（LightEmittingDiode发光二极管）在光源领域的应用越来越广泛，由于LED光源具有体积小、寿命长、价格低和发光效率高等优点，所以它开始逐步取代传统光源。在LED问世不久，就不断有人尝试用单色LED，替代低压纳灯、低压汞灯和氦氖激光器等光谱单色光源在物理试验中应用。但由于LED的光谱宽度较大（FWHM在40nm左右），所以光源色纯度不够好。另外，LED的峰值波长与通过ＰＮ结的电流有关，当电流增加时，ＰＮ结温度升高，则波长向长波漂移。这都会给试验结果带来不必要的误差，从而制约着LED作为光谱单色光源的发展。

RCLED的出现，使半导体光源的单色性和波长稳定性都有了质的变化。由于RCLED光学谐振腔的限制，它的光谱FWHM从普通LED的40nm锐减到3nm以下。RCLED的光谱FWHM还与谐振腔反射镜构造有关，采用两面的多层反射谐振腔，RCLED在波长660nm时的光谱FWHM甚至可以达到0.9nm，其颜色已具有了相当高的纯度。另外，由于温度等因素对RCLED光学谐振腔几乎没有多大影响，所以，RCLED具有了十分好的波长稳定性。这使RCLED作为光谱单色光源在物理试验等领域的应用成为可能。

2．RCLED光源的单色性

单色性决定了光的颜色纯度。物理试验等领域使用的光谱光源，对单色性要求十分高。为了确凿描绘LED和RCLED的光谱曲线，我们采用窄带波长的WDG-Sb1型缜密光栅单色仪对黄色（LnGaN材料）的LED进行测量，波长间隔为1nm。图2-1为测量所得LED的光谱曲线。

任何材料制成的单色LED在发光时，都有一个相对光强最大处，与之相对应的波长称为峰值波长λp。λp由半导体材料的能隙Eg（导电带与价电带间能量差）大小决定

Eg?hvq?hc(?q)

??hc(qEg)?1240Eg(nm)

其中：v—电子速度，h—普朗克常数，q—载流子电荷，c—光速，?—光的波长。在LED谱线的峰值两侧，存在两个光强等于峰值一半的点?1和?2，此两点之间对应的宽度??即为光谱的FWHM，*石家庄市2023科技支撑计划项目(批准号：08113431)资助的课题

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它决定了颜色的纯度，数值越小单色性就越好。测量结果显示，一般状况LED的光谱FWHM小于40nm。红光的FWHM较小，约为17nm，绿光的FWHM较大，约为38nm。所以，LED作为物理试验使用的单色光源仍显光谱太宽。较大的FWHM会给试验结果带来一定的影响，例如在干扰试验中，干扰图样的条纹宽度随着FWHM的增加而变大，因此增加了测量时的误差。

RCLED的出现使LED色纯度不够的问题得以解决。RCLED采用了谐振腔结构，基本原理与垂直腔面激光器很相像，主要部分是两个相互平行，并与轴线垂直的反射镜。光束以高效率在两镜子表面之间反射，只是发射的光是自发辐射，尚未达到激光的状态。测量结果说明，RCLED的FWHM由普通LED的40nm左右锐降到3nm以下，单色光源的色纯度有了明显的提高。

RCLED的光谱FWHM还与DBR（DistributedBraggReflector分布式布拉格反射）反射镜的层数有关，当层数增加时，反射率高也随之提高，光谱FWHM变窄。J.A.Lott等人用AlAs/AlGaAs材料制作的上下两面的多层反射镜，使RCLED光谱的FWHM仅为0.9nm，比普通半导体激光器光谱3～6nm的FWHM还要窄好多。如图2-2所示，比较LED与RCLED在波长660nm时的光谱，可以看出RCLED的光谱FWHM与LED相比明显变窄，作为光源已具有了良好的光谱单色性。3．RCLED光源波长的稳定性

LED的峰值波长与通过ＰＮ结的

电流有关，当电流增加时，ＰＮ结温度升高，材料的能隙Eg将减小，导致LED的峰波长λp向长波方向漂移，颜色发生红移。LED的波长随温度关系可表示为

?p(T2)??p(T1)??T?0.1nm/℃（2-1）

其中：?p(T2)表示结温为T2时的波长；?p(T1)表示结温为T1时的波长；?T?T2?T1是温度的变化差值。由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm。同时，谱线的FWHM也随着温度的上升而加大，即颜色的纯度下降了。在过去几年里，随着LED的工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中，光谱的峰值波长产生了更大的漂移。

*石家庄市2023科技支撑计划项目(批准号：08113431)资助的课题

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对于RCLED，峰值波长则决定于其共振腔腔模的波长，由于温度等因素对RCLED的光学谐振腔几乎没有影响，所以，当注入电流增加，ＰＮ结温度升高时，波长稳定性大大改善。LED和RCLED光谱的峰值波长及FWHM随注入电流的变化关系如图3-1所示。随着注入电流的增加，器件的峰值波长都发生红移，但LED要敏感得多，当器件的注入电流从3mA增加到

30mA时，普通LED的峰值波长从650nm增加到657nm，变化7nm，而RCED的峰值波长仅从650nm变化到651m，只变化了1nm。当器件的注入电流从3mA增加到30mA时，LED光谱的FWHM从12nm增加到18.6nm，变化了6.6nm。而RCLED的FWHM仅从11.7nm增加到13.4nm，只变化了1.7nm。一般RCLED的工作电流应在20-30mA左右，从图3-1看出，在此范围内电流变化对峰值波长几乎没有影响。4．结论

综上所述，由于谐振腔的限制，RCLED光谱的FWHM与LED相比也已发生了很大改变，最好的器件测试说明RCLED的FWHM可以达到0.9nm，具有了十分好的单色性。另外，RCLED的光学谐振腔受温度等外因条件影响微小，所以，其峰值波长也具有了良好的稳定性。可以满足一般物理试验的需要。随着芯片制造技术的进步，RCLED谐振腔反射镜的结构也将随之改进，RCLED光谱的FWHM还有再减小的可能。

RCLED光源体积小、重量轻、寿命长、价格低、发光效率高，还可以根据试验的需要，改变光源的形状。RCLED光源与传统的低压纳灯、低压汞灯相比，没有灯管报废后的纳、汞等物质对环境的