光电系统常用光源.ppt

1、第一章 日常生活中的常用光源,1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源 1.3 气体放电光源 1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED),爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量子假说, 提出了光量子理论： 光是一种以光速运动的光子流, 以电磁波方式传播的粒子。 光子和其它基本粒子一样,具有能量、动量和质量。 它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：,光子的基本特性,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,电磁波谱与光辐射,一切能产生光辐射的辐射源都称为光源,天然光源 人造光源,电磁波谱,按照发光机理， 光源的分类：,需要了解各类光源的

2、发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。,1.1 辐射度学与光度学的,介绍描述光辐射的一套参量 一、辐射度的基本物理量 1.辐射能 单位为J（焦耳） 2.辐射通量 又称辐射功率 单位为W（瓦、焦耳每秒） 3.辐射强度 描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。,基础知识,单位: （瓦每球面度）,4.辐射出射度 与辐射亮度,单位： （瓦每平方米）,单位： （瓦每球面度平方米）,的定义 的定义,5.辐射照度,单位： （瓦每平方米）,6.光谱辐射量 辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。,光谱辐射通量 与波长的关系,其它辐射度量都有类似关系。,二、光度的基本物理量,1.光谱光视效率V():

3、 人眼对各种光波长的 相对灵敏度,详见表1.1,2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。 辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。,1）光能 单位：lms（流明秒） 2）光通量 单位：lm （流明） 3）发光强度 单位：cd（坎德拉） 发光强度 是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定： 时，,即：1W = 683 lm 此时，V(）=1,V(）1 1W 683 lm,时，,可见，辐射通量与光通量之间的换算关系： 1W = 683 V(）lm ，定义：Km = 683 lm /W,有关系式：,4）光出射度 与光亮度,单位：lm /m2,单位： cd/m2 实用单位：sb(熙提) 1

4、sb = 104cd/m2,5)光照度,单位：lx（勒克斯） 1lx = 1lm/m2,普适关系式：,三、光源的辐射效率与发光效率,辐射效率,发光效率,单位： lm/W,例如，对于色温为 2856 K的标准钨丝灯其光视效能为17lm/W，当标准钨丝灯发出的辐射通量为e100W时，其光通量为 v = 1710lm。 由此可见，色温越高的辐射体，它的可见光的成分越多，光视效能越高，光度量也越高。白炽钨丝灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度时，照度将显著下降。,1.2 热辐射光源,一、理想的热辐射光源 (，T)=1 绝对黑体,在热平衡条件下,绝

5、对黑体热辐射能力最强。,由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源,辐射光谱是连续光谱,普朗克公式,维恩位移定律,斯蒂芬玻尔兹曼定律,随着温度T的升高， 峰值波长 向短波方向移动， 总出射度 迅速增加。,绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布,灰体：(，T)1的热辐射光源， 具有与绝对黑体类似的辐射规律。,色温；相关色温,1.太阳与黑体辐射器,二、实际的热辐射光源,太阳的光谱分布,非常接近于绝对黑体,黑体辐射器： 科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。 常用作标准光源，最高工作温度是3000K。,2.白炽灯与卤钨灯 灰体 钨丝做灯丝,玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.

6、43m。 可见光占612%，用于照明； 加红外滤光片可作为近红外光源。,石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.253.5m。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的23倍)， 作仪器白光源.,卤钨灯,白炽灯,1.3 气体放电光源,发光机理：气体放电。,泡壳：用玻璃或石英等材料制造； 电极：阴极、阳极或不区分（交流灯） 泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、 金属化合物蒸汽、惰性气体,基本结构,气体放电光源的特点：,1）发光效率高,节能。,2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。,3）寿命长，比白炽灯长210倍。,4）辐射光谱可以选择，只要

7、选用适当的发光材料。,一、汞灯 泡壳内充汞蒸汽,1.低压汞灯： 作253.7nm紫外光源； 作荧光灯（日光灯）。,2.高压汞灯： 可见辐射加强，呈带状 光谱，可作高效照明光源。,3.球形超高压汞灯： 很好的蓝绿光点光源。,二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠滴。,低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm 两条谱线的单色光源。,高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。,三、金属卤化物灯 泡壳内充的是 金属卤化物气体。,通过金属 卤化物循环，提供足够的 金属原子 气体。,铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。,镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。,钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟

8、）： 近白色光源, 色温5500K。,四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体氙。,色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。,长弧氙灯:,短弧氙灯:,脉冲氙灯:,日光色点光源,大范围照明光源,脉冲时间极短（nSpS)，光很强,用于光泵、光信号源、照相制版、高速摄影,五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气,灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（185400nm）。,1.4 激光器,一、激光器概述,20世纪激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。,激光器的基本结构,激光形成机理,电泵浦或光泵浦； 造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射； 谐振腔对

9、辐射光波选频放大。,激光的优越性,高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性,已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。,激光将对21世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！,1.气体激光器,工作物质是气体或金属蒸汽，通过气体放电实现粒子数反转。 工作物质（气体）均匀性好，输出光束的质量相当高。,2.固体激光器,工作物质是掺杂的晶体或光学玻璃，光泵浦。 有脉冲输出激光器和连续输出激光器。,主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。,3.染料激光器,工作物质是有机染料溶液，光泵浦。 输出激光波长可以在很宽范围内调谐，有极好的光束质量。 有

10、连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。 可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MW。,4.半导体激光器（LD）,工作物质是半导体材料形成的P-N结。,与结平面垂直的晶体解理面构成F-P谐振腔。,对P-N结正向注入电流或光泵浦，可激发激光。,体积小，重量轻，易调制，功耗低； 波长覆盖面广（0.3344m）； 能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。,主要优点,二、代表性的固体激光器,YAG激光器 基质晶体Y3Al 5O12热物理性能优良， 使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。,输出波长1064nm，加倍频技术可输出532nm。 已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中

11、。,输出波长2.94m,用于激光医疗。,输出波长2.1m,用于激光医疗 ,空间光通信。,可调谐的固体激光器,输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm，峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。,可调谐范围700-800nm。采用调Q技术，输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。,激光二极管（LD）泵浦的固体激光器,LD泵浦:实现高效率的能量转换,用LD列阵泵浦固体激光器实现了高功率激光输出。,非线性频率转换得到短波长固体激光器,固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进行波长转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器.,LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧

12、、价格便宜的可调谐激光器。,研究趋势,光纤激光器和光纤放大器,LD泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。双包层光纤激光器已经实现了KW级大功率输出。,光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著,信号光输入增益光纤将得以放大。光纤放大器的出现,是光纤通信发展史上的重要里程碑。,一、 光辐射的量子理论基础,1、三种跃迁,受激吸收概率：,为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。,为辐射场能量密度,为E1能级上的原子数密度,（1) 受激吸收,处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。,(2) 自发辐射,光子能量：,自发跃迁概率：,单位时间、单位体积内， 上粒子的减少

13、为：,于是有：,为 自发辐射寿命。,处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的 无关） 。,(3) 受激辐射,受激辐射的概率：,称为爱因斯坦受激发射系数。,处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。,受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。,2、爱因斯坦关系,设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度为 （同一量子态占据的光子数目）, 在温度T下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为：,单位时

14、间内，,的原子数为：,由于系统处于热平衡状态，则应有：,即：,所以有：,热平衡状态下， 按波尔兹曼分布：,即：,热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：,比较两式有：,上述两式即著名的爱因斯坦关系式。,若两能级的简并度相同，则有：,结论： 三个爱因斯坦系数是相互关联的。 对一定的原子体系而言，自发辐射系数 A21 与受激辐射系数 B21 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大， 就越高，A,B的比值就越大，也就是 越高自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。,二、激光的产生,1、普通光源的发光受激吸收和自发辐射 常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等发光）是由于

15、物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为108109秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 h=E2-E1 这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。,2、激光,激光英文单词为：Laser

16、,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。,3、受激辐射和光的放大,受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1 跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激

17、光。,必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式 充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）,4、激光产生的条件,5、粒子数反转,一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。,6、工作物质、亚稳态,前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射，而粒子数反转又是产生激光的一个条件，激光

18、的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。,7、形成粒子数反转的结构-原子能级系统,二能级系统,考虑一个二能级（ ）系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为：,由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt时间后有：,单位体积因吸收减少：,单位体积因发射增加：,能量总的变化为：,由爱因斯坦关系得：,由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类： （1）粒子数正常分布，满足：,当物质处于热平衡时有：,

19、由于,于是粒子数分布总有,工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数，即粒子数正常分布。,正常分布,（2）粒子数反转，满足：,光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。,二能级系统不能充当激光工作物质,因为其不能实现粒子反转。,如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。如果能级统计权重相等，因而W12=W21=W。E2能级上粒子数n2的速率方程为 dn2/dt=W(n1-n2)-A21

20、n2, 当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可见，不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2n1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。,激光物质是三能级或四能级结构。,如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使WW23或WW12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。,三能级系统,在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳

21、态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。,n1,8、泵浦源,必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。 从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式， 化学反应方式，还有热激励、冲击波、电子束、核能等

22、方式。,三、LD的结构、性能和应用,1.半导体材料的能带,晶体中电子的共有化运动,晶体中的能带,关于价带 导带 禁带 导电载流子： 电子、空穴,I型、N型、P型半导体,关于施主能级 受主能级,费米统计分布,式中，Ef为费米能级，是电子占据率大于或小于0.5的能级分界线。,2.PN结的能带,PN结空间电荷区与自建电场的形成,PN结的能带弯曲,重掺杂P型、N型半导体的能带,热平衡时PN结的能带弯曲,加上正向电压后， PN结势垒降低,PN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由N区指向P区，P区、N区的电子能级差为：,PN结加上正向电压时，热平衡被破坏，PN结区势垒降低，实

23、现了粒子数反转分布。,电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。,PN结就是光辐射的有源区。,3.代表性的LD的结构,阈值电流Ith 注入电流IIth ,才能形成激光。器件结构要着力于降低Ith 。,同质结 单异质结（SH） 双异质结（DH）,、,条形异质结LD:,增益导引条形DHLD,掩埋条形DHLD,量子阱（QW）LD,单量子阱（SQW）,多量子阱（MQW） 超晶格结构,MQW结构的优越性：,阈值电流很低 改善频率啁啾 调制速率高 温度特性好,MQW的能带,将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波

24、长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾”。,分布反馈激光器,谐振腔是波纹光栅结构,分布反馈 基于 布喇格衍射 原理,DFB 激光器,DBR 激光器,每一个栅距 相当于一个微F-P腔,易形成单 纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-P腔多级 调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。,在高速调制时仍然保持单纵模特性。 温度特性好。,波纹光栅分布反馈的优点,MQW-DFB LD性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。,4.LD的工作特性,IIth 形成激光输出, 光功率急剧上升， P-I曲线的线性好。 斜率效率。,IIth 自发辐射阶段， 光功率较小 。,LD是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度

25、，以稳定输出光功率和峰值波长。, P-I特性, 光谱特性,IIth,IIth,单纵模,LD是矩形光波导:厚度为d，条形宽度为W 。出光发散角：,约3040,约68, 调制特性,具有直接调制的能力,调制电流,模拟调制,数字调制,LD芯片的调制频率达 10GHZ 量级。,5.LD的应用,LD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高， 寿命长，有大功率、高集成度器件。 已成为最重要的激光器之一。,光通信,光盘存储、光显示,激光印刷、信息处理、办公自动化设备,激光加工、激光医疗,各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。,6.LD的发展日新月异,垂直腔表面发射LD（VCSEL）,利于与光纤耦合

26、；适合大面积二维列阵集成。,高速宽带LD,如应变量子阱（SL-QW）结构，调制频率已达30GHZ以上。,量子点（QD）激光器,是21世纪令人瞩目的器件。,由于电子和空穴的强限制作用，比量子阱（QW）LD性能更优越。,可调谐LD,用于DWDM光交换技术,短波长LD,光存储、光显示的需要。 红光、绿光、蓝光、紫光LD,用有机材料（聚合物）作LD的有源层，易得到短波长LD，是目前的研究热点。,大功率LD,作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源； 激光加工、激光医疗光源,产生大功率LD的途径： 提高单个LD的输出功率； 发展列阵LD:一维LD列阵;二维LD列阵;激光棒 （脉冲）功率可

27、达几千乃至几万W。,高性能LD组件,适于10Gb/s以上速率的EAM/LD,波长可选择的光电集成回路（OEIC）,1.531.61m范围的多波长光源,EAM：电吸收调制器。EAM与LD集成，实现光调制，-3dB带宽为14GHZ。,含有EAM、半导体光放大器（SOA）、合波器(MMI）、微列阵DFB激光器，波长选择范围达45nm。,40个DFBLD波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个EAM，适用于DWDM全光网络。,1.5 发光二极管（LED）,一、LED的材料与构型,结构是半导体PN结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。,GaP、GaAsP、GaN,峰值波长是可见光，用于光显示。,GaAs，峰值波长867nm，用于光电检测。,InGaAsP，峰值波长1.3m、1.55m,用于短距离光纤通信。,直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和价带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半价能带）只需要吸收能量。GaAs、GaN半导体,间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。 电子在k状态时的动量是（h/2pi）k，k不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。Si、Ge、 GaP半导体,波矢(波数矢量)k：表示单位长度内的波数. 大小k