第6章光电式传感器（4）.ppt

1、第6章 光电式传感器,第6章光电式传感器,主要内容： 6.1 光电效应 6.2 光电器件 6.3 光电传感器 6.4 光纤及光纤传感器 6.5 激光传感器,人类对光的认识： 17世纪：牛顿 微粒说；惠更斯-波动说 19世纪：杨氏双缝、菲涅耳双面镜干涉实验 麦克斯韦电磁场理论 20世纪：M.Planck、A.Einstein 提出和发展 了量子理论、光的波粒二象性,第6章光电式传感器,概述,光 源： 普通光源和激光光源 热光源 如白炽灯 冷光源 如辉光、荧光、磷光等 普通光源 属自发辐射，具有随机性和间歇性 特点：多色光、发散、亮度小、相干性差 激光光源 属受激辐射， 特点： 单色光、高定向、高

2、亮度、高相干性,第6章光电式传感器,概述,第6章光电式传感器,概述,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。 光敏器件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。,第7章光电式传感器,概述,6.1 光电效应,第6章光电式传感器,传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为： 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应,第6章光电式传感器,6.1 光电效应 6.1.1 工作原理 (1)外光电效应,在光线作用下

3、，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个 光子具有的能量是：,普朗克常数( ) 光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大,第6章光电式传感器,6.1 光电效应 6.1.1 工作原理,光子能量E大于电子的逸出功A，超出的能量产生光电子发射。 由于不同材料具有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率 限。当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不 能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使 光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率” 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。,由能量守恒定律有：,第6章光电式传感器,

4、在光照的作用下，受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的现象。 光电导效应：光照后电阻率发生变化的现象。 这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子 的能量E0应大于禁带宽度Eg。 基于光电导效应的光电器件 有光敏电阻。,6.1 光电效应6.1.1 工作原理 (2)内光电效应,第6章光电式传感器,6.1 光电效应6.1.1 工作原理 (2)内光电效应,光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。 为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况： 不加偏压的PN结 处于反偏的PN结,第6章 光电传感

5、器,不加偏压的PN结 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（E0 Eg）,可激发出电子空穴对，在 PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区， 使P区和N区之间产生电压， 这个电压就是光生电动势. 基于这种效应的器件有 光电池,6.1 光电效应6.1.1 工作原理 (2)内光电效应,第6章光电式传感器,处于反偏的PN结： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对， 在PN结电场作用下，形成光电流， 电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管.,6.1 光电效应6.1.1 工作原理 (

6、2)内光电效应,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （1）光电管 外光电效应,当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引， 在光电管内形成电子流， 电流在回路电阻R上产生 正比于电流大小的压降。 因此,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （1）光电管,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （1）光电管,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （1）光电管,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速

7、电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （1）光电管,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （2）光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,光敏电阻结构及符号,工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。 光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。,第6章光电式传感器,6.2 光电器（2）光敏电阻,特 点：

8、体积小、灵敏度高、机械强度高，耐冲击振动； 光照特性多为非线性。,第6章光电式传感器,光敏电阻主要参数 暗电阻无光照时的电阻； MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。 亮电阻受光照时的电阻； MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。 亮电流受光照时的电流； 暗电流无光照时的电流； 光电流亮电流与暗电流之差 。,6.2 光电器件 （2）光敏电阻,第6章光电式传感器,伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。,6.2 光电器件 （2）光敏电阻基本特性,光敏电阻伏安特性,光照度大,光照

9、度小,第6章光电式传感器,光谱特性 光敏电阻输出灵敏度与入射波波长的关系; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，,6.2 光电器件 （2）光敏电阻基本特性,光谱特性,灵 敏 度,光波波长,硫化镉,硫化跎,硫化铅,（紫外-紫-红-红外）,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （2）光敏电阻基本特性,温度特性 温度变化影响 光敏电阻的灵敏度、 光谱响应及暗电流等。,（硫化铅）光谱温度特性,温度降低更适合检测波长长的信号,温度高,温度低,（紫外-紫-红-红外）,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 （2）光敏电阻基本特性,频率特性：输出电阻与输 入光调制频率之间的关系,硫化铅,硫化跎,第6章光电式

10、传感器,6.2 光电器件 （2）光敏电阻,光照度,光 电 流,光照特性：光照度与光电流之间的关系。,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 (3) 光敏二极管,原理: 光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高; 应用: 可见光和远红外探测， 以及自动控制、报警和计数等装置。,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 (3) 光敏二极管,光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。,硅光敏二极管结构,第6章光电式传感器,工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照时，反

11、向电阻很大， 反向电流很小； 有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对； 在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。,6.2 光电器件 (3) 光敏晶体管,光敏二极管基本电路,光敏三极管：正常情况下，给PNP型三极管的集电极和发射极之间加正向电压，一个PN结（集电结）不导通，另一个PN结（发射结）导通。 但当集电结被光线照射时，集电结会反向导通，造成三极管中出现放大电流，集电极和发射极之间导通。也可以感测光信号。,无光照无输出 有光照有输出,+,-,第6章光电式传感器,基本特性： 光照特性， 图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。 光电流与照度成线性关系。,

12、光敏二极管光照特性,6.2 光电器件 (3) 光敏晶体管,第6章光电式传感器,光谱特性 当入射波长900nm时，响应下降，因波长长， 光子能量小于禁带宽度，不产生电子空穴对； 当入射波长900nm时，响应也逐渐下降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。,6.2 光电器件 (3) 光敏晶体管,第6章光电式传感器,伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。,6.2 光电器件 (3) 光敏晶体管,光照度小,光照度大,第6章光电式传感器,温度特性 由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对

13、温度变化很敏感。 一定照度下温度-电流关系。对亮电流、暗电流、输出电流影响程度不同。温度对亮电流小，对暗电流影响显著。,6.2 光电器件 (3) 光敏晶体管,光敏二极管暗电流与温度关系,第6章光电式传感器,频率响应: 光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率（?）的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。,光敏二极管频率响应曲线,6.2 光电器件 (3) 光敏晶体管,第6章光电式传感器,光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就

14、是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,光 电 池 符 号,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,第6章光电式传感器,结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压50mA电流。,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,第6章光电式传感器,光照特性 开路电压:光生电动势与

15、照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。 短路电流:短路电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,第6章光电式传感器,光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,第6章光电式传感器,光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度不同， 硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近，波长范围0.41.2m。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。 硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近, 波长范围0.380.75

16、m。,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,第6章光电式传感器,频率特性 频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频 率之间关系。 硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率 响应较好硒光电池较差。 所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为 传感器元件。,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,硅、硒光电池的频率特性,第6章光电式传感器,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,温度特性,第6章光电式传感器,应用电路连接 光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。 光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。 需要高电压时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光

17、电池并联使用。,6.2 光电器件 (4) 光电池（有源器件）,第6章光电式传感器,PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1nS，适用于遥控装置。 雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8m范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。 光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。,6.2 光电器件 (5) 其他光电管,第6章光电式传感器,达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，I=IgI1I2 。 光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用

18、于对微弱信号和紫外光的检测。 半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。,6.2 光电器件 (5) 其他光电管,第6章光电式传感器,又称光电隔离器 “光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电 阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光 管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用 下控制输出电流大小。通过电光、光电， 两次转换进行输入输出耦合。,6.2 光电器件 (5) 其他光电管 光电耦合器件,第6章光电式传感器,“光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能,可避免振动、噪声干扰。 特别适宜做数字电路 开关信号传输、逻辑 电路隔离器、计算机

19、测量、控制系统中做 无触点开关等。,6.2 光电器件 (5) 其他光电管,-,第6章光电式传感器,透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。 反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。,6.2 光电器件 (5) 其他光电管 光电开关,光电开关结构与外形,光电器件测量电路(光电转换电路) 光 敏 电阻: 作基极控制 光敏二极管: 直流测量电桥(带温度补偿) 光敏三极管: 低照度、大功率输出 光 电 池：正向偏压或串联 光敏二极管: 反向偏压和I/V转换,第6章光电式传感器,6.

20、2 光电器件,光敏电阻 测量电路,光敏晶体管 测量电路,使用运算放大器的光敏元件测量电路,光电传感器组成：光源、光学元件与光路、光电探测器。 光源：普通光源和激光光源，典型为半导体发光管。 光学元件：反射镜/透射镜 光路：空气-光电传感器；光纤-光纤传感器。 光电探测器：将光量变为电量的光电元件。,光源 光学元件与光路 光电转换器 测量电路,第6章光电式传感器,6.3 光电传感器,光电传感器为非接触式测量方式。 光电传感器可分为四类： 恒定光源发射光通量，穿过被测物, 透射(或吸收)； 如：液位计、浊度计。 恒定光源发射光通量，投射于被测物，反射； 如：转速计、激光测距。 恒定光源发射光通量，

21、遇到被测物，遮蔽; 如：长度检测，光电开关等。 被测物为光源，光源的某些物理参量变化； 如：辐射温度计、比色温度计。,第6章光电式传感器,6.3 光电传感器,第6章光电式传感器,6.3 光电传感器,电梯平层用光电开关,第6章光电式传感器,6.3 光电传感器,第6章光电式传感器,6.3 光电传感器,第6章光电式传感器,6.3 光电传感器,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理 光纤结构：,基本采用石英玻璃， 有不同掺杂，主要 由三部分组成 中心纤芯； 外层包层； 护套尼龙料。 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1N2）。,

22、全反射定律： 当光线从光密媒质（N1）以 角射入光疏媒质（N2）光线远离法线。 当 时 当 时，产生全反射，即无折射光。,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理,第6章光电式传感器,当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角减小到某一角度c时，光线全部反射。 只要c，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。,6.4 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：光的全反射,第6章光电式传感器,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器（2）光纤的性能 数值孔径（NA）,临界入射角c的正弦函数定义为光纤

23、的数值孔径.,空气中：,第6章光电式传感器,NA意义讨论： NA表示光纤的集光能力：无论光源的发射功率有多大，只有在2c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要适当选择。 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：,第6章光电式传感器,光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：,6.4 光纤传感器（2）光纤的性能 光纤模式（V）,第6章光电式传感器,光纤模式,第

24、6章光电式传感器,模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。 模式值V小，就是值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。,第6章光电式传感器,光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲 处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减 率A表示：,6.4 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数） 传播损耗（A

25、）,I1、I2 分别为输出、输入光强 另有：芯径、曲率半径等参数,第6章光电式传感器,光纤目前可以测量70多种物理量，光纤的类 型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。,6.4 光纤传感器 (3) 光纤传感器,第6章光电式传感器,FF （Function Fibre Optil Sensor） 又称传感型 这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象具有 敏感能力和检测功能，光 纤不仅起到传光作用，而 且在被测对象作用下，如 光强、相位、偏振态等光 学特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。,6.4 光纤传感器 (3) 光纤传感器 功能型,第6章光电式传感器,NFF（Non-Function F

26、ibre Optil Sensor） 称传光型 传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由 其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。,6.4 光纤传感器 (3) 光纤传感器 非功能型,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (3) 光纤传感器 功能型,光纤压力传感器微弯损耗效应,第6章光电式传感器,利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。 敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信 号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透 过薄片的光强受温度的调制温度T升高，材料吸收光 波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。,6.4 光纤传

27、感器 (3) 光纤传感器 光纤温度传感器,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (3) 光纤传感器 反射式光纤位移传感器,第6章光电式传感器,工作原理： 由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴 被测物体时，接收光敏元件无光电信号； 被测物体逐渐远离光纤时 接收光纤照亮的区域B2越 来越大 ； 当整个接收光纤被照亮时， 输出曲线达到光峰值； 被测体继续远离时部分光 线被反射光信号减弱，曲 线下降。,6.4 光纤传感器(3) 光纤传感器 反射式光纤位移传感器,第6章光电式传感器,反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在一起，组合的形式有不同， 如：半分式、 共轴式、 混合式， 混

28、合式灵敏度高， 半分式测量范围大。,6.4 光纤传感器(3) 光纤传感器 反射式光纤位移传感器,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器(3) 光纤传感器 反射式光纤位移传感器,第6章光电式传感器,讨论： 前坡区 输出信号的强度增加快，位移输出曲 线有较好的线性关系，可进行小位移测量； 后坡区 信号随探头和被测体之间的距离增加 而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量； 光峰区 输出信号 有最大值，值的大小 决定被测表面的状态， 可用于表面状态测量， 如工件的光洁度或光 滑度。,6.4 光纤传感器(3) 光纤传感器 反射式光纤位移传感器,电磁式电压互感器（PT）原理图如图所示，它是一种将高电压

29、变换为低电压的电气设备，一次绕组与高压系统的一次回路并联，二次绕组则与二次设备的电压线圈并联。PT的基于电磁感应原理工作，正常运行时其二次负载基本不变，电流很小，接近于空载状态。,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电压互感器,使用注意：电压二次不能短路,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电压互感器,电磁式交流电压互感器 原理：降压变压器，基本原理与电力变压器一致。,区别 变压器 互感器 提供能量； 提供信号； 二次电流大； 二次电流小；,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电压互感器,光学晶体的电光效应：光学特性（n）受到电场作用发生变化。

30、为Pockls系数， 为Kerr系数 较大的晶体如KDP，BGO，BSO，为Pockls晶体。,光纤电压传感器,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电压互感器,基于Pockels电光效应的电压传感器 晶体的电光效应是指晶体在外加电场作用下折射率发生变化的效应。 1893年德国物理学家F.Pockels首次发现，某些透明的光学介质在外电场的作用下，其折射率线性地随外加电场而变，即nE，这就是Pockels效应，又称线性电光效应或一次电光效应。,透射式 反射式 横向调制型传感头,E,PIN,E,LED,PIN PIN,纵向电压传感头,电网电压,偏振器,LED,PIN,PIN,Poc

31、kels型光学电压传感器,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电压互感器,光纤电压传感器的工作原理 一次电光效应： 二次电光效应： L为光程长，d-电极距离，l- 晶体长度， K 常量,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电压互感器,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电流互感器,电磁式电流互感器（CT）是一种将高压电网大电流变换为小电流的电气设备，一次绕组串联在高压系统的一次回路内，二次绕组则与二次设备的电流线圈相串联。CT是基于电磁感应的原理工作，它的二次负载阻抗很小，接近于短路状态。,使用注意： 1.电流互感器二次不能开路 2. 遵守同名端

32、连线规则. 3. 负载在规定范围内.,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电流互感器,Faraday磁光效应 1846年，Faraday首次发现，磁场不能对自然光产生直接作用，但在光学各向同性的透明介质中，外加磁场H可以使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转，这种现象称为磁致旋光效应或Faraday效应,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电流互感器,基于Faraday磁光效应的光学电流传感器,图3.1,第6章光电式传感器,6.4 光纤传感器 (4) 光纤电流互感器,ABB 115kV550kV 组合式光学电压/ 电流互感器,ABB 72kV800

33、kV 光学电流互感器,自发辐射：不受外界影响自发地从E2至E1态 受激吸收：原子在E1态，受激发从E1至E2态 受激辐射：原子在E2态，受激发从E2至E1态 同时释放与激励光子相同的光子叠加到入射波上，此光子与激励光子相位、频率、偏振态、传播方向均相同。 E= h= E2 E1 hPlanck常数， 光频率 特点：同能级间同步跃迁。,第6章光电式传感器,第6章光电式传感器,6.5 激光传感器 (1) 激光的产生,产生激光的两个基本条件： 粒子数反转和建立谐振腔 受激辐射理论提出来之后30年，1951年起美国物理学家汤斯经过3年的多次实验，研究粒子数反转微波受激放大器, 终获成功。 早期的受激放

34、大器是一个金属盒，盒里充进处于激发态的氨分子。当微波射入这个充满了受激态氨分子的盒子时，就发出一束纯而强的高频微波射束。 苏联科学家巴索夫和普罗克哈罗大也独立地进行过类似的工作，并取得成功。 1964年，汤斯、巴索夫、曾罗克哈罗夫同获诺贝尔物理学奖。,E1 E2 原子的激发 E2 E1 原子的辐射 粒子数反转：通过从外界取能，使N2N1 受激辐射: 发射光子在频率、相位、振动方向及发射方向 上与入射光子相同。 光放大： 一个入射光子引起大量原子的受激辐射。,第6章光电式传感器,普朗克常数 光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大,第一台激光器 世界上第一台激光器是1960年由美国的梅曼博士研制

35、成功的。他用红宝石作为工作物质，两个端面磨平并镀银。红宝石的主要成分是氧化铝，其晶格中有一小部分铝原子被铬原子所替代，当作为激励源的氙灯发出强光照射红宝石时，红宝石中的铬原子吸收绿光和蓝光，由基态跃迁到激发态，造成粒子数反转。,第6章光电式传感器,6.5 激光传感器 (1) 激光的产生,激光的特点 单色光: 谱线宽度窄,即波长范围窄. 高定向: 高平行度,即发散角小. 高亮度: 单位面积上集中的能量大. 高相干性: 时间和空间相干,第6章光电式传感器,6.5 激光传感器 (1) 激光的产生,按激光器的工作物质类型可分为： 气体、液体、固体和半导体激光器。 按激光连续性状况可分为： 连续和脉冲激

36、光器。 泵浦方法主要有： 光泵浦和电泵浦激光器。,第6章光电式传感器,6.5 激光传感器 (1) 激光的产生,固体激光器：大功率、高能量 典型：红宝石激光器 气体激光器：单色性和相干性好 典型：CO2激光器、HeNe激光器 液体激光器：高增益、线宽窄、波长可调 典型：染料激光器 半导体激光器：效率高，体积小，重量轻 典型：GaAs激光器,第6章光电式传感器,6.5 激光传感器 (1) 激光的产生,图表示了半导体光源的光功率与正向电流的关系曲线。曲线的转折点为门限电流。工作在自发辐射状态的半导体光源称为半导体发光二极管LED；工作在受激辐射状态的半导体光源称为半导体激光器LD。,第6章光电式传感器,6.5 激光传感器 (1) 激光的产生,LD所用的发光材料和LED一样，LD的谐振腔是利用半导体发光晶体的天然解理面构成的。光子在谐振腔端面每反射一次都将获得一次增益（受激发射，光子数增加），这样就获得了激光。,半导体激光器的特点： 输入能量低，效率高，体积小，重量轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长。 目前总数量已成为全世界激光器市场上的主流，主要用于通讯、测量及光盘驱动等。 半导体激光器的技术指标： 阈值电流、输出模式、输出功率及