光电系统的常用光源.ppt

第一章光电系统的常用光源 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 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 基础知识 为了对光辐射进行定量描述 需引入计量光辐射的物理量 有两套体系 辐射度单位体系和光度单位体系 介绍描述光辐射的一套参量 光辐射 以电磁波形式或粒子 光子 形式传播的能量 可用光学元件反射 成像或色散 这种能量及其传播过程叫光辐射 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 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 光谱辐射出射度 光谱辐射亮度 光谱辐射照度 二 光度的基本物理量 1 光谱光视效率V 详见表1 1 国际照明委员会 CIE 根据对许多人的大量观察结果 确定了人眼对各种光波长的相对灵敏度 称为光谱光视效率 或称视见函数 见图 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 lm s 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 683lm此时 V 1 V 11W 683lm 时 可见 555nm是明视觉曲线中人眼最敏感波长 V 555nm 1 定义 为明视觉最大光谱光视效能 于是 同一波长下 辐射通量与光通量之间的换算关系 对含有多种波长的辐射通量 它对应的光通量为 4 光出射度与光亮度 单位 lm m2 单位 cd m2实用单位 sb 熙提 1sb 104cd m2 5 光照度 单位 lx 勒克斯 1lx 1lm m2 普适关系式 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 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 热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色相同 则黑体的这一温度称为该热辐射光源的色温 如果不相同 就以发光颜色最相近的黑体温度为它的相关色温 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 4 3 m 可见光占6 12 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 25 3 5 m 发光效率可达30lm W 为白炽灯的2 3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2 10倍 4 辐射光谱可以选择 只要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 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 nS pS 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 185 400nm 1 4激光器 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 Laser lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 受激辐射光放大 一 激光器概述 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 谐振腔对辐射光波选频放大 1 光与原子作用的三种跃迁 受激吸收 处于低能态E1 基态 的原子 受光照满足h E2 E1原子可能吸收光子能量跃迁到高能态E2 激发态 自发辐射 处于高能态的原子不稳定 要自发从E2跃迁到E1 并发射一光子 光子能量满足h E2 E1 受激辐射 处于高能态的原子 在自发辐射之前 受外来光子的诱发 在E2跃迁到E1的同时 发射一个与外来光子全同的 同方向 同频 同相位 同偏振 光子 依次不断地得到大量特征相同的光子 就实现了相干光的放大 复利原则 ppt 2 产生激光的条件 粒子数反转 前提条件 故使受激辐射大于受激吸收 必须 N2 N1 即粒子数反转 热平衡下 原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律 Ni Aexp Ei kT 于是 N2 N1 exp E2 E1 kT 设T 300K E2 E1 10eV 则N2 N1 10 40 实现反转的物质叫激活介质 或者叫激光工作物 激活介质需要外界输入能量 外界输入能量的过程叫 泵浦 激活介质本身必需要有适当的能级结构 例如激光的三能级系统 泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3 E3不稳定 平均寿命约10 8s 无辐射跃迁到亚稳态E2 平均寿命约10 3 1s E2有可能积聚大量粒子 从而受激辐射 光学谐振腔 必要条件 工作物两端对称地放置两反射镜 有谐振腔 偏离腔轴线的光子来回几次后最终逸出腔外 而沿轴线的光子来回反射 被增益介质连锁式光放大 无谐振腔的受激辐射方向是随机的 阈值条件 决定性条件 有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光 只有当光在腔内来回一次 增益大于损耗才能产生激光 虽然激活介质能使光得到增益放大 但介质吸收 散射 端面发射 透射等会产生光能损耗 描述工作物对光的放大能力 用I IoeGx G是增益系数 于是 I2 I1eGL I3 r2I2 r2I1eGL r2是镜2反射率 I4 I3eGL r2I1e2GL I5 r1I4 r1r2I1e2GL r1是镜1反射率 必须 I5 I1 即 r1r2e2GL 1 r1r2e2GL 1即为产生激光的阈值条件 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 激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通道 在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹 在高新科学技术记录中创造了许多之最 激光能产生最大的能量密度 激光输出脉冲功率达13 1015W 亿度以上高温 能焊接 加工和切割最难熔的材料 激光能产生最高的压强 光压强达3 1011大气压 可以实现激光聚变点火 激光能产生最短的脉冲 780nm达4fs 相当该光1 5周期进入强场物理领域 用超短激光脉冲研究光合作用 能看到皮秒 1ps 10 12s 或飞秒 1fs 10 15s 内发生的变化 最精密光刻 能制造最小的光机电一体化设备 加工的最小机械零件从几微米到几十微米 制作的大规模集成线路的线宽已达到0 18 m 纳米器件和量子光学器件最终可达50nm 测量精度就更高了 测长的精度达0 005 m 激光能产生最大的信息量 目前已接近3T Tera即1012 目标 即通信传输容量Tbit s 运算速度Tbit s 三维立体存储密度Tbit cm3 激光能产生最保密的通信系统 光量子通信是目前理论证明的最安全的通信系统 目前美国 日本 瑞士等几个国家建立了量子通信系统 激光能产生最低的温度 激光冷却可将原子冷却到20nK 接近绝对零度 量子冷却到基态 为量子光学和量子力学的实验研究准备了条件 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 33 44 m 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Y3Al5O12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 输出波长2 94 m 用于激光医疗 输出波长2 1 m 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 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 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I Ith 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 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 DFBLD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 I Ith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 I Ith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 以稳定输出光功率和峰值波长 P I特性 光谱特性 I Ith I Ith 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30 40 约6 8 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 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 53 1 61 m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 Lightemittingdiodes 用P N结电致发光原理制成的发光二极管是在60年代末得到迅速发展的 LED是注入式电致发光显示器件的典型 最早用半导体P N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初 当时所用的材料是GaAsP 发红光 650nm 在驱动电流为20毫安时 光通量只有千分之几个流明 相应的发光效率约0 1流明 瓦 70年代中期 引入元素In和N 使LED产生绿光 555nm 黄光 590nm 和橙光 610nm 光效也提高到1lm W 90年代初 发红光 黄光的GaAlInP和发绿 蓝光的GaInN两种新材料的开发成功 使LED的光效得到大幅度的提高 在2000年 前者做成的LED在红 橙区 615nm 的光效达到100流明 瓦 而后者制成的LED在绿色区域 530nm 则达到50流明 瓦 到了80年代初 出现了GaAlAs的LED光源 使得红色LED的光效达到10流明 瓦 发光原理 对PN结正向注入电流 P区空穴向有源区扩散 N区电子向有源区扩散 结果电子与空穴在有源区复合 以一定频率的光能释放出来 发光二极管的结构是半导体PN结 结与结之间是产生荧光的复合区 叫有源区 LED的体积小 结构简单 耗电少 寿命长 造价低 是应用广泛 前景诱人的重要光源 LED与LD的根本区别在于 LED发光是基于自发辐射 发出的是荧光 是非相干光 LD是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈 是基于受激辐射 发射的是相干光 激光 一 LED的材料与构型 用于光显示和光电检测 GaP Eg 2 24eV 峰值波长555nm 绿光 GaP N 掺N量不同 可发绿光 568nm 或黄光 590nm 发光二极管的材料主要是 族化合物半导体 GaP ZnO GaP中掺锌 氧 峰值波长700nm 红光 GaN LED的有源层是INGaN多量子阱 随组分的差异可发蓝光 450nm 和发紫光 400nm GaAs Eg 1 43eV 峰值867nm 近红外光 GaAs1 xPx GaAs与GaP按比例 1 x x混合的晶体 GaAs0 6P0 4 发光效率高 响应速度快 记为GaAsP 峰值波长650nm 红光 用得较普遍 InGaAsP 峰值波长1 3 m 1 55 m 用于短距离光纤通信 LED采用双异质结 量子阱结构分为 面发光型 发光功率较大边发光型 易与光纤耦合 面发光型LED的光输出 面发光型LED用于光显示边发光型LED用于短距离光纤通信 二 LED的主要工作特性 谱线宽度 在几十 上百 m 为发光光谱的峰值波长 P I特性 I 10 数十mAP 几百 W mWP I特性曲线的线性区很宽 光谱特性 调制特性可以直接调制 边发光型在几百MHZ面发光型在几十MHZ 调制带宽 三 发光二极管的应用 LED体积小 寿命长 可超过10万小时 耗电少 能与集成电路共电源 使用方便 应用广泛 1 仪器仪表指示灯 数码显示 广告显示屏等 2 GaAsLED 发光波长867nm 与硅光探测器有最佳光谱匹配 成为各种遥控器 光电耦合器 光电检测系统关键器件 3 红 绿 蓝LED在用于交通信号灯中 耗电只是白炽灯 加滤光片 的12 且寿命长 节约大量人力 财力 以12英寸的红色交通信号灯为例 在美国本来是采用长寿命 低光效的140瓦白炽灯作为光源 它产生2000流明的白光 经红色滤光片后 光损失90 只剩下200流明的红光 而在新设计的灯中 Lumileds公司采用了18个红色LED光源 包括电路损失在内 共耗电14瓦 即可产生同样的光效 4 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域 1987年 我国开始在汽车上安装高位刹车灯 由于LED响应速度快 纳秒级 可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况 减少汽车追尾事故的发生 5 超高亮度 法向亮度在1000mcd以上 的红 绿 蓝LED 使得众多的体育场馆 金融证券 机场 车站 码头等全彩色动态显示成为现实 6 氮化物蓝 绿LED可生长成白光LED 将取代白炽灯 日光灯 从而带来照明革命 对于一般照明 或显示器的背照光而言 人们更需要白色的光源 1998年发白光的LED开发成功 这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石 YAG 封装在一起做成 GaN芯片发蓝光 465nm 谱宽 30nm 高温烧结制成的含Ce3 的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射 峰值550nm 蓝光LED基片安装在碗形反射腔中 覆盖以混有YAG的树脂薄层 约200 500nm LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收 另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合 可以得到得白光 现在 对于InGaN YAG白色LED 通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度 可以获得色温3500 10000K的各色白光 将带来21世纪宏伟的照明革命 白色LED照明灯 地砖灯 礼品灯 手电筒 路灯