RCLED光谱单色光源

RCLED 单色光源在物理实验中应用的可行性研究* * *（2000字）1引言LED （Light Emitting Diode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实验中应用。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。这都会给实验结果 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具有了非常好的波长稳定性。这使RCLED作为光谱单色光源在物理实验等领域的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入p。入p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E 二 hv q 二 hc （九 q）g九二 hc （qE ）二 1240 E （nm）g g其中：v电子速度，h 普朗克常数，q 载流子电荷，c 光速，九一光的波长。在LED谱线的峰值两侧，存在两个光强等于峰值一半的点九和九，此两点之间对应的宽度AX即为光谱的FWHM，12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，一般情况LED的光谱FWHM小于40nm。红光的FWHM较小，约为17 nm,绿光的FWHM较大，约为38 nm。所以，LED作为物理实验 使用的单色光源仍显光谱太宽。较大的FWHM会给实验结果带来一定的影响，例如在干涉实验中，干 涉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 腔面激光器很相似，主要部分是两个互相平行，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。测量结果表明， RCLED 的 FWHM 由普通LED的40 nm左右锐降到3 nm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(Distributed Bragg Reflector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36nm的 FWHM 还要窄很多。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的峰波长久p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九(T )二九(T) + AT x O.lnm/ C(2-1)p 2 p 1其中：九(T )表示结温为T时的波长；九(T)表示结温为T时的波长；AT二T -T是温度的变p 2 2 p 1 1 2 1化差值。由式可知，每当结温升高10C，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。658656654652650171513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648 1111 110612182430生红移，但LED要敏感得多，当器电流/朋图峰值波长与注入电涼的关系件的注入电流从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 lnm。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20-30 mA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 器件测试表明RCLED的FWHM可以达到0.9nm,具有了非常好的单色性。另夕卜，RCLED的光学谐振 腔受温度等外因条件影响极小，所以，其峰值波长也具有了良好的稳定性。可以满足一般物理实验的 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，还可以根据实验的需要，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、汞等物质对环境的污 染，既节能又环保。希望在不久的将来，RCLED半导体单色光源将取代传统的低压钠灯、低压汞灯和 氦氖激光器等气体光源，在物理实验等领域获得应用。