打印 第四章 紅外輻射源課件

1、 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用1第四章 紅 外 輻 射 源 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用2 2用Gouffe公式( )計(jì)算：當(dāng)腔體為球形，材料選用表面發(fā)射率為0.8的不銹鋼，要求直徑為20cm的圓形開(kāi)口時(shí)，若要求有效發(fā)射率達(dá)到0.998，應(yīng)如何設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)？SsSsSs)1 ()(1 (1 0 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用34.1 黑體型輻射源黑體型輻射源 4.1.1 空腔輻射理論 基爾霍夫定律證明密閉空腔內(nèi)的輻射就是黑體的輻射。 腔體輻射理論是制作黑體源所涉及的基礎(chǔ)，主要有哥福（Gouff）理論、德法斯（Devos）理論等。 Gouff在1954年提出了一個(gè)計(jì)算開(kāi)孔空腔有效發(fā)射率的表達(dá)式。 De

2、vos在1954年給出了黑體輻射源腔孔有效發(fā)射率的計(jì)算公式。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用44.1.2 黑體輻射源 黑體型輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，廣泛地用做紅外設(shè)備的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。然而，黑體是一種理想化的概念，在自然界并不存在絕對(duì)的黑體。因此，我們也就不可能制作出一個(gè)絕對(duì)黑體。由前面的討論可知，開(kāi)有小孔的空腔很接近黑體，所以通常就把開(kāi)有小孔的空腔叫做黑體輻射源（或標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源）。它可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校正其他輻射源或紅外系統(tǒng)。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用5 典型的實(shí)用黑體型輻射源的構(gòu)造如圖4-1所示 圖4-1 三種典型的腔體結(jié)構(gòu) 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用6 如按輻射腔口的口徑尺寸來(lái)分類(lèi)，則可把

3、黑體型輻射源分為以下三類(lèi)： 大型：100mm； 中型：30 mm； 小型：10 mm。 如按工作溫度的范圍來(lái)分類(lèi)，則可把黑體型輻射源分為以下三類(lèi)： 高溫：30002000K； 中溫：900500K； 低溫：400200K。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用7在設(shè)計(jì)制造黑體型輻射源時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。 1 1腔形的選擇 2 2對(duì)腔芯材料加熱的要求 3 3腔體的等溫加熱 4 4腔體的溫度控制和測(cè)量 5 5降低黑體前表面的輻射 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用8黑體視場(chǎng)的示意圖 圖4-2 黑體視場(chǎng)的示意圖 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用94.2 其它紅外輻射源其它紅外輻射源 下面主要介紹實(shí)驗(yàn)室和光譜儀器中

4、常用的紅外輻射源，如能斯脫燈、硅碳棒、鎢絲（帶、管）燈、氙燈、汞燈和各種氣體放電燈等等。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用104.2.1 電熱固體輻射源電熱固體輻射源 1能斯脫燈能斯脫燈 能斯脫燈常作為紅外分光光度計(jì)中的紅外輻射源。它有壽命長(zhǎng)，工作溫度高，黑體特性好和不需要水冷等特性。管子兩端繞有鉑絲，以作為電極與電路的連接。 由于能斯脫燈都是細(xì)長(zhǎng)的圓柱形，因而對(duì)分光光度計(jì)狹縫的照明特別有用。能斯脫燈的主要缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低，稍受壓，就會(huì)損壞。 典型能斯脫燈的各項(xiàng)參數(shù)如下：功率消耗為45W、工作電流為0.1A；工作溫度為1980K；尺寸為3.1mm（直徑）12.7mm（長(zhǎng)度）。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技

5、術(shù)及應(yīng)用11 2. 硅碳棒硅碳棒 硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圓棒。一般硅碳棒的直徑為650 mm，長(zhǎng)度為5100cm。在空氣中的工作溫度一般在12001400K，壽命約為250h。 硅碳棒的主要缺點(diǎn)是最高工作溫度較低，需要鎮(zhèn)流的電源設(shè)備。同時(shí)，由于碳化硅材料的升華效應(yīng)，會(huì)使材料粉末沉積在光學(xué)儀器表面上，因此它不能靠近精密光學(xué)儀器附近工作。另外，工作時(shí)需要水冷裝置，耗電量較大等 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用12 3 鎢絲燈、鎢帶燈和鎢管燈鎢絲燈、鎢帶燈和鎢管燈 鎢絲燈是近紅外測(cè)量中常用的輻射源。但由于玻璃泡透過(guò)區(qū)域的限制，這種燈的輻射波長(zhǎng)通常在3m以下。 鎢帶燈是將鎢帶通電加熱而使其發(fā)光的

6、光源。鎢帶常做成狹長(zhǎng)的條形，寬約為2mm，厚度約為0.05mm左右。 鎢管燈是由一根在真空或氬氣中通電加熱的鎢管做成的。真空燈的溫度可達(dá)1100，充氬燈的溫度可達(dá)2700。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用13 4乳白石英加熱管乳白石英加熱管 乳白石英加熱管是一種新型紅外加熱元件。 乳白石英加熱管是以天然水晶為原料，在以石墨電極為坩堝發(fā)熱體的真空電阻爐中熔融（1740）拉制而成的。在熔融過(guò)程中，使氣體在熔體中形成大量的小氣泡，故外觀呈乳白色。乳白石英玻璃材料耐熱性能好（可耐2001300高溫），熱膨脹系數(shù)低，有優(yōu)良的抗熱震性能和電絕緣性能，此外，還具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，但機(jī)械強(qiáng)度和耐沖擊性能較差。

7、 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用144.2.2 氣體放電輻射源氣體放電輻射源 當(dāng)電流通過(guò)氣體媒質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，利用這種放電現(xiàn)象可制作輻射源。 1水銀燈 2氙氣 3碳弧 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用15輝光放電與弧光放電的區(qū)別從現(xiàn)象來(lái)看，弧光放電要比輝光放電劇烈的多，輝光是出現(xiàn)玫瑰色的柔和光，沒(méi)有大量熱產(chǎn)生，而弧光放電卻是是耀眼的白光，有大量熱產(chǎn)生。輝光放電一般發(fā)生在低壓氣體中，當(dāng)外加電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)候，自然存在的電子便會(huì)加速碰撞氣體分子，產(chǎn)生二次電子，同時(shí)伴隨輝光的發(fā)生,一般電流密度不大。而且，這個(gè)過(guò)程是不能持續(xù)進(jìn)行的，如果電壓稍有降低，二次電子數(shù)量減少，輝光就會(huì)熄滅?；」夥烹妱t可以在常壓下發(fā)生

8、，而且此時(shí)氣體中多數(shù)已經(jīng)比電離，由于體系的溫度已經(jīng)相當(dāng)高，電子，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞產(chǎn)生的二次電子速度足以超過(guò)電子與正離子結(jié)合速度，所以，及時(shí)降低電壓弧光也能維持下去。當(dāng)然，此時(shí)外加電壓提供的能量就是供給弧光放電以及熱運(yùn)動(dòng)的,當(dāng)電壓降低到某個(gè)程度時(shí)候，體系溫度下降，弧光也會(huì)消失。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用16日光燈與水銀燈的區(qū)別 日光燈：燈管內(nèi)也充有微量的惰性氣體（如：氬）和稀薄的汞蒸氣，兩個(gè)燈絲之間的氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)出紫外線，激發(fā)涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見(jiàn)光。也可發(fā)出紅外光，取決于熒光粉。 水銀燈：水銀蒸汽直接發(fā)光。1. 水銀燈 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用172. 氙燈 除利用金屬

9、蒸氣放電制作輻射派(如水銀燈)之外，還可利用情性氣體的放電現(xiàn)象制成輻射源。超高壓下的氬、氪、氙等情性氣體在紫外和可見(jiàn)光區(qū)域具有連續(xù)光譜，而在紅外波段則有明顯的線光譜疊加在連續(xù)光譜上。在惰性氣體中，以氙氣放電最為常用，由它制成的輻射源叫做氙燈。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用18氙燈與水銀燈對(duì)比 氙燈與水銀燈不同，后者在啟動(dòng)之前蒸氣壓不高，而前者在啟動(dòng)之前的常溫下就一直存在有很高的氣壓，所以要點(diǎn)燃惰性氣體放電燈需要有輔助裝置觸發(fā)器。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用19短弧氙燈的光譜分布 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用203. 碳弧 前面的各種放電燈均采用密封的泡殼，放電在其中進(jìn)行。碳弧則是開(kāi)放式放電，

10、電弧發(fā)生在大氣中的兩個(gè)碳棒之間。 為使電弧保持穩(wěn)定，陽(yáng)極做成有芯結(jié)構(gòu)，一般它由外殼和燈芯形成，采用純碳素材料，碳黑，石墨，焦炭制作，只是燈芯材料較軟。 放電時(shí)，陽(yáng)極大量放熱，造成碳的蒸發(fā)，而燈芯的蒸發(fā)比外殼厲害得多，因此便在陽(yáng)極中心形成穩(wěn)定的噴火口（弧坎）。碳弧的輻射90是從陽(yáng)極弧坎發(fā)出，其中主要是熱輻射。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用21碳弧的光譜分布 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用224.2.3 紅外激光器紅外激光器 激光器是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型光源。與普通光源相比，激光具有方向性好、亮度高、單色性和相干性好等特性。激光器的出現(xiàn)從根本上突破了以往普通光源的種種局限性（如亮度低、

11、方向性和單色性差等），賦予古老光學(xué)技術(shù)以新的生命力，產(chǎn)生了許多新的分支學(xué)科，如全息照相、光信息處理、非線性光學(xué)等。本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹激光的特性及常用的紅外激光器。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用23 激光與普通光源相比，有如下三個(gè)特點(diǎn)。 1激光的方向性好 2激光光束具有高亮度 3單色性和相干性好 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用24 任何種類(lèi)的激光器，其基本結(jié)構(gòu)必然包括以下三個(gè)主要組成部分： （1）工作物質(zhì)：用來(lái)在特定能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激發(fā)射。 （2）抽運(yùn)（泵浦）裝置：用來(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)，使其產(chǎn)生并維持特定能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和相應(yīng)的受激發(fā)射。 （3）光學(xué)諧振腔：其作用是保證受激發(fā)射光子在腔內(nèi)產(chǎn)生

12、持續(xù)的激光振蕩，此外還對(duì)振蕩光子的特征（頻率、方向等）加以限制，以保證激光輸出的高定向性和高單色性。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用25 激光就是由受激輻射產(chǎn)生的被放大了激光就是由受激輻射產(chǎn)生的被放大了的相干光。的相干光。激光的英文名為激光的英文名為“ight amplification by stimulated emission of radiation”第一個(gè)字母的縮寫(xiě)。第一個(gè)字母的縮寫(xiě)。Laser 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用26梅曼和第一只紅寶石激光器梅曼和第一只紅寶石激光器 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用27一、激光的特性一、激光的特性1. 方向性好方向性好 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)

13、用282. 單色性好單色性好 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用29 在普通光源中，單色性最好的是作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器在普通光源中，單色性最好的是作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器的氪燈（的氪燈（K186）；它的譜線寬度為）；它的譜線寬度為4.710-3納米，納米，而激光譜線寬為而激光譜線寬為10-9納米，為氪燈譜線寬度的納米，為氪燈譜線寬度的5萬(wàn)分萬(wàn)分之一。采用穩(wěn)頻等技術(shù)還可以進(jìn)一步提高激光的單之一。采用穩(wěn)頻等技術(shù)還可以進(jìn)一步提高激光的單色性。色性。 計(jì)量工作的計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。色性好的特點(diǎn)。光纜光纜 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用303. 能量集中能量集中4.

14、相干性好相干性好空間高度集中：空間高度集中：亮度比太陽(yáng)表面高亮度比太陽(yáng)表面高 倍。倍。時(shí)間高度集中：時(shí)間高度集中：功率峰值為功率峰值為 瓦。瓦。 10101210 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用31時(shí)間和空間相干性時(shí)間和空間相干性激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 普通光源的相干長(zhǎng)度約為普通光源的相干長(zhǎng)度約為1毫米至幾十厘米，毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。激光可達(dá)幾十公里。 全息照相、全息全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。性好的特點(diǎn)。全息照相全息照相 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用32（1）時(shí)間相干性：波場(chǎng)中同一點(diǎn)不同時(shí)刻光波場(chǎng)特性的相關(guān)）時(shí)間相干性：波場(chǎng)

15、中同一點(diǎn)不同時(shí)刻光波場(chǎng)特性的相關(guān)性。此相干性來(lái)源于原子發(fā)光的間斷性。性。此相干性來(lái)源于原子發(fā)光的間斷性。描述時(shí)間相干性描述時(shí)間相干性的等效物理量：的等效物理量：相干時(shí)間：相干時(shí)間：c相干長(zhǎng)度：相干長(zhǎng)度：cL譜線寬度：譜線寬度：1ccLcc（2）空間相干性：波場(chǎng)中不同點(diǎn)在同一時(shí)刻光波場(chǎng)特性的）空間相干性：波場(chǎng)中不同點(diǎn)在同一時(shí)刻光波場(chǎng)特性的相關(guān)性。此相干性來(lái)源于光源中不同原子發(fā)光的獨(dú)立性。相關(guān)性。此相干性來(lái)源于光源中不同原子發(fā)光的獨(dú)立性。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用33相干體積相干體積Vc：若在空間體積：若在空間體積Vc內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的內(nèi)各點(diǎn)的光波場(chǎng)都具有明顯的相干性，則相干性，則Vc

16、稱(chēng)為相干體積。稱(chēng)為相干體積。cAcALAVcccccc相干面積相干面積:cAxRPS1S2zPLx事例事例:雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的條紋雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的條紋可見(jiàn)度要高可見(jiàn)度要高,必須要求光波有必須要求光波有明顯的相干性明顯的相干性,即要滿足即要滿足:xLRx物理意義物理意義:光源的線度光源的線度 不能大于不能大于 !xxLR 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用34二、輻射與躍遷二、輻射與躍遷躍遷：躍遷：原子從某一能級(jí)吸收或釋放能量，變成另一能級(jí)。原子從某一能級(jí)吸收或釋放能量，變成另一能級(jí)。吸收躍遷：吸收躍遷： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 輻射躍遷：輻射躍遷：高高輻射能量輻射能量低低（自發(fā)輻射）（自發(fā)

17、輻射） 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用35自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射2E1E發(fā)光前發(fā)光前h發(fā)光后發(fā)光后21hEE 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用36普通光源普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過(guò)程（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過(guò)程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨(dú)立，頻率、為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨(dú)立，頻率、振動(dòng)方向、相位不一定相同振動(dòng)方向、相位不一定相同為為非相干光非相干光。自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)）：自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)）：21A211SA 原子在能級(jí)原子在能級(jí) 的平均壽命的平均壽命2

18、E只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān) 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用372. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收躍遷幾率：受激吸收躍遷幾率：1212WB 12B：受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)：受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān) 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用382E1E發(fā)光前發(fā)光前hh發(fā)光后發(fā)光后h21hEE 3. 受激輻射受激輻射當(dāng)外來(lái)光子的頻率滿足當(dāng)外來(lái)光子的頻率滿足 時(shí)，使原子中處于高時(shí)，使原子中處于高能級(jí)的電子在外來(lái)光子的激發(fā)下

19、向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。能級(jí)的電子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。21hEE 21B：受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)：受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)只與原子本身性質(zhì)有關(guān)受激輻射躍遷幾率：受激輻射躍遷幾率：2121WB 與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān)與原子本身性質(zhì)和輻射場(chǎng)能量密度有關(guān) 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用39 愛(ài)因斯坦三系數(shù)愛(ài)因斯坦三系數(shù) 的相互關(guān)系的相互關(guān)系212112ABB、熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：輻射率輻射率 吸收率吸收率 （輻射場(chǎng)總光子數(shù)保持不變）（輻射場(chǎng)總光子數(shù)保持不變）玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：221221112n An Bn B各能級(jí)上的原子數(shù)密度（

20、集居數(shù)密度）各能級(jí)上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）123nnn、 、21()2211EEKTnfenf 12ff、能級(jí)能級(jí) 和和 的簡(jiǎn)并度，的簡(jiǎn)并度， 或稱(chēng)統(tǒng)計(jì)權(quán)重或稱(chēng)統(tǒng)計(jì)權(quán)重1E2E 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用40常用激光器由三部分組成：常用激光器由三部分組成： 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 泵浦源泵浦源 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔激光激光工作物質(zhì)工作物質(zhì)激勵(lì)能源激勵(lì)能源諧振腔諧振腔1M2M激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖三、激光工作條件三、激光工作條件 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用41受激輻射光放大簡(jiǎn)稱(chēng)為受激輻射光放大簡(jiǎn)稱(chēng)為激光。激光。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在溫度為在溫度為 T 的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高

21、、低的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高、低兩個(gè)能級(jí)上的數(shù)目之比為兩個(gè)能級(jí)上的數(shù)目之比為kTEkTEEeeNN/)(1212/ 討論討論正常分布：正常分布：N1N2。光吸收比光輻射占優(yōu)勢(shì)。光吸收比光輻射占優(yōu)勢(shì)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：N2N1。光通過(guò)物質(zhì)得到光放大。光通過(guò)物質(zhì)得到光放大。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用42粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須具備的條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須具備的條件： 能量的供應(yīng)過(guò)程能量的供應(yīng)過(guò)程激勵(lì)（光泵浦）激勵(lì)（光泵浦）工作物質(zhì)內(nèi)必須存在工作物質(zhì)內(nèi)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有等具有

22、亞穩(wěn)態(tài)，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)亞穩(wěn)態(tài)，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。hhh亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E2基態(tài)基態(tài)E1激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)E3三能級(jí)系統(tǒng)示意圖三能級(jí)系統(tǒng)示意圖hEE12E1與與E2之間產(chǎn)生以之間產(chǎn)生以受受激輻射為主的躍遷激輻射為主的躍遷激勵(lì)激勵(lì)無(wú)輻射躍遷無(wú)輻射躍遷 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用43光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強(qiáng)，其它方向、使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強(qiáng)，其它方向、其它頻率的輻射受到抑制的裝置其它頻率的輻射受到抑制的裝置全反射鏡全反射鏡M1部分反射鏡部分反射鏡M2激光激光工作物質(zhì)工作物質(zhì)作用作用選擇激光的方向選擇激光的方向選擇激光的頻率選擇激光的頻率激勵(lì)能源激勵(lì)能源 紅

23、外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用44He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本構(gòu)成及激光的形成激光器的基本構(gòu)成及激光的形成具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)、激勵(lì)系統(tǒng)和光學(xué)諧振腔 光束在諧振腔內(nèi)來(lái)回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以光束在諧振腔內(nèi)來(lái)回震蕩，在工作物質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。放大，并輸出激光。反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極布儒斯特窗布儒斯特窗毛細(xì)管毛細(xì)管工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：氦氣氦氣輔助物質(zhì)：輔助物質(zhì)：氖氣氖氣激勵(lì)方式：激勵(lì)方式：直流氣體放電直流氣體放電 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用45按輸出方式分：按輸出方式分：

24、單單(連續(xù)連續(xù))脈沖輸出脈沖輸出連續(xù)輸出連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分按工作物質(zhì)分 ：氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器液體激光器液體激光器自由電子激光器自由電子激光器激光器的分類(lèi)激光器的分類(lèi)激光器的組成和常見(jiàn)激光器激光器的組成和常見(jiàn)激光器Q開(kāi)關(guān)輸出開(kāi)關(guān)輸出 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用46紅外發(fā)光二極管 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用47一、一、P-NP-N結(jié)基本原理結(jié)基本原理1 P-N1 P-N結(jié)的形成與少子注入發(fā)光結(jié)的形成與少子注入發(fā)光內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)P PN N空穴空穴電子電子擴(kuò)散擴(kuò)散漂移漂移 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用48 利用正向偏置利用正向

25、偏置PNPN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。干光。 P-AIP-AIx xGaGa1-x1-xAsAsN-AIN-AIy yGaGa1-y1-yAsAsP- GaAsP- GaAs光輸出光輸出雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用492LED的效率的效率半導(dǎo)體中注入電能轉(zhuǎn)換成所希望的輻射能取決于三個(gè)因素：非平衡少子的激發(fā)

26、；這些載流子的輻射復(fù)合；將產(chǎn)生的光從晶體中引出。因此功率轉(zhuǎn)變效率可以寫(xiě)成三部分效率的積 ：xgpint 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用50v 發(fā)光二極管的光發(fā)射來(lái)源于發(fā)光二極管的光發(fā)射來(lái)源于P-NP-N結(jié)少數(shù)載流子注入，若注結(jié)少數(shù)載流子注入，若注入的非平衡載流子復(fù)合后產(chǎn)生光子就出現(xiàn)光發(fā)射。但是入的非平衡載流子復(fù)合后產(chǎn)生光子就出現(xiàn)光發(fā)射。但是非平衡載流子未必一定能復(fù)合，而且復(fù)合后可能成為光非平衡載流子未必一定能復(fù)合，而且復(fù)合后可能成為光輻射也可能產(chǎn)生非輻射形式的能量。所以好的發(fā)光二極輻射也可能產(chǎn)生非輻射形式的能量。所以好的發(fā)光二極管應(yīng)該使注入的非平衡載流子產(chǎn)生盡量多的光子。為了管應(yīng)該使注入的非平衡

27、載流子產(chǎn)生盡量多的光子。為了描述這一特性，引入描述這一特性，引入內(nèi)量子效率內(nèi)量子效率intint為復(fù)合產(chǎn)生的光子為復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)數(shù)N NT T和注入的電子空穴對(duì)數(shù)和注入的電子空穴對(duì)數(shù)G G之比之比, ,在穩(wěn)定態(tài)時(shí)，電子空在穩(wěn)定態(tài)時(shí)，電子空穴對(duì)數(shù)的激發(fā)率應(yīng)等于非平衡載流子的復(fù)合率穴對(duì)數(shù)的激發(fā)率應(yīng)等于非平衡載流子的復(fù)合率 GNTint 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用51v 載流子復(fù)合后產(chǎn)生的光子不一定能射出器件之外，有載流子復(fù)合后產(chǎn)生的光子不一定能射出器件之外，有一部分在半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，或者一部分在表面處被反一部分在半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，或者一部分在表面處被反射回器件等等，所以作為一種發(fā)光器件，我們所關(guān)

28、心射回器件等等，所以作為一種發(fā)光器件，我們所關(guān)心的是射出器件外的光子數(shù)有多少。表征這一特性的參的是射出器件外的光子數(shù)有多少。表征這一特性的參數(shù)叫數(shù)叫外量子效率外量子效率exex，定義為，定義為v 內(nèi)量子效率高的器件不一定外量子效率就高。內(nèi)、外內(nèi)量子效率高的器件不一定外量子效率就高。內(nèi)、外量子效率數(shù)量上的關(guān)系表征了器件結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，量子效率數(shù)量上的關(guān)系表征了器件結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，我們稱(chēng)內(nèi)外量子效率之比為光學(xué)效率。內(nèi)量子效率與我們稱(chēng)內(nèi)外量子效率之比為光學(xué)效率。內(nèi)量子效率與外量子效率之間還有一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式外量子效率之間還有一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式 GNTex)(1intATaVaVex 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外

29、技術(shù)及應(yīng)用52v 功率效率功率效率是指輸出的光功率與輸入的激發(fā)功率之比。與是指輸出的光功率與輸入的激發(fā)功率之比。與量子效率相比，載流子數(shù)和光子數(shù)都是微觀參量，不可量子效率相比，載流子數(shù)和光子數(shù)都是微觀參量，不可能用宏觀測(cè)量手段直接獲得，而功率是可以用宏觀手段能用宏觀測(cè)量手段直接獲得，而功率是可以用宏觀手段測(cè)量的，所以功率效率是從宏觀上描述發(fā)光器件性能的測(cè)量的，所以功率效率是從宏觀上描述發(fā)光器件性能的參數(shù)。參數(shù)。 IVPP0 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用53二、發(fā)光二、發(fā)光LEDLED的外形與結(jié)構(gòu)的外形與結(jié)構(gòu)常見(jiàn)發(fā)光二極管外形常見(jiàn)發(fā)光二極管外形 按功率可分為小按功率可分為小(100mw)、中、中

30、(幾百幾百mw)、大、大(數(shù)數(shù)w)三三種，功率不同，外形也不同。小功率管多采用全塑封裝，種，功率不同，外形也不同。小功率管多采用全塑封裝，也有部分采用金屬或陶瓷底座，頂端用玻璃或樹(shù)脂透鏡封也有部分采用金屬或陶瓷底座，頂端用玻璃或樹(shù)脂透鏡封裝。中大功率管一般采用有螺紋的底座以便于安裝在散熱裝。中大功率管一般采用有螺紋的底座以便于安裝在散熱片或金屬底座上。片或金屬底座上。 LED的的P-N結(jié)采用三結(jié)采用三-五族元五族元素，折射率比空氣大，為防止素，折射率比空氣大，為防止全反射，在表面鍍抗反射膜，全反射，在表面鍍抗反射膜，前端有聚光鏡可提高亮度。前端有聚光鏡可提高亮度。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用

31、54 有源區(qū)有源區(qū) 圓形金屬觸圓形金屬觸點(diǎn)點(diǎn)SiO2SiO2絕緣絕緣層層SiO2SiO2絕緣層絕緣層金屬化層金屬化層熱沉熱沉雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)層層襯襯底底限制限制層層接合材料接合材料金屬化層金屬化層光纖光纖圓形蝕刻圓形蝕刻孔孔L球透鏡球透鏡環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂P P層層有源層有源層N N層層發(fā)光區(qū)發(fā)光區(qū)面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用55 金屬化層金屬化層( (用于電接觸用于電接觸) )SiOSiO2 2絕緣層絕緣層雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)熱沉熱沉襯底襯底導(dǎo)光層導(dǎo)光層金屬化層金屬化層( (用于電接觸用于電接觸) )條形接觸條形接觸( (確定有源區(qū)確定有源區(qū)) )

32、有源區(qū)有源區(qū)邊發(fā)光型邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用561. 1. 發(fā)光光譜發(fā)光光譜三、發(fā)光三、發(fā)光LEDLED的特性參數(shù)的特性參數(shù) 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用572. 2. 溫度特性溫度特性 v LEDLED的光學(xué)參數(shù)與的光學(xué)參數(shù)與PNPN結(jié)溫度有很大的關(guān)系。一般工作在結(jié)溫度有很大的關(guān)系。一般工作在小電流小電流I10mAI10mA，或者，或者101020mA20mA長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LEDLED溫升溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，不明顯。若環(huán)境溫度較高，LEDLED的主波長(zhǎng)的主波長(zhǎng)p p就會(huì)向長(zhǎng)波就會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移，長(zhǎng)漂移，L L也會(huì)下降，大體上是溫

33、度每上升一度，發(fā)光也會(huì)下降，大體上是溫度每上升一度，發(fā)光效率就會(huì)相應(yīng)的減少效率就會(huì)相應(yīng)的減少1 1。 v LEDLED的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系可表示為的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系可表示為 CnmTTTgP/1 . 0)()(00 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用58 通常發(fā)光二極管的外部發(fā)通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。光效率均隨溫度上升而下降。右圖表示右圖表示GaPGaP（綠色）、（綠色）、GaPGaP（紅色）、（紅色）、GaAsPGaAsP三種發(fā)光二三種發(fā)光二極管的相對(duì)光亮度極管的相對(duì)光亮度L Le,re,r與溫與溫度度t t的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用593. 3.

34、 發(fā)光亮度與電流的關(guān)系發(fā)光亮度與電流的關(guān)系 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L L是單位是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)面積發(fā)光強(qiáng)度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在生在P P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L L與電子與電子擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流i idndn之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 ReiLdn式中，式中，是載流子輻射復(fù)合壽命是載流子輻射復(fù)合壽命R R和和非輻射復(fù)合壽命非輻射復(fù)合壽命NRNR的函數(shù)的函數(shù) 如圖所示為如圖所示為GaAsGaAslxlxP Px x、GaGalxlxAlAlx xAsAs和和GaP(GaP(綠色綠色) )發(fā)光二極管的發(fā)光發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系

35、曲線。這些亮度與電流密度的關(guān)系曲線。這些LEDLED的亮度與電流密度近似成線的亮度與電流密度近似成線性關(guān)系，且在很大范圍內(nèi)不易飽和。性關(guān)系，且在很大范圍內(nèi)不易飽和。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用604. 4. 最大工作電流最大工作電流 若工作電流較小，若工作電流較小，LEDLED發(fā)光效率隨發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增大電流的增加而明顯增加，但電流增大到一定值時(shí)，發(fā)光效率不再增加；相到一定值時(shí)，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。右圖所示為發(fā)紅光的右圖所示為發(fā)紅光的GaPGaP發(fā)光二極管內(nèi)發(fā)光二極管內(nèi)量子效率量子效率inin的相對(duì)值與電

36、流密度的相對(duì)值與電流密度J J及及溫度溫度T T的關(guān)系。隨著電流密度的增加，的關(guān)系。隨著電流密度的增加，pnpn結(jié)溫度升高，將導(dǎo)致熱擴(kuò)散，使發(fā)結(jié)溫度升高，將導(dǎo)致熱擴(kuò)散，使發(fā)光效率降低。光效率降低。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用615. 5. 伏安特性伏安特性 LED LED的伏安特性如圖所示，它與的伏安特性如圖所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開(kāi)啟點(diǎn)的電壓值時(shí)無(wú)電流，電壓小于開(kāi)啟點(diǎn)的電壓值時(shí)無(wú)電流，電壓一超過(guò)開(kāi)啟點(diǎn)就顯示出歐姆導(dǎo)通特壓一超過(guò)開(kāi)啟點(diǎn)就顯示出歐姆導(dǎo)通特性。這時(shí)，正向電流與電壓的關(guān)系為性。這時(shí)，正向電流與電壓的關(guān)系為 i ii io oe

37、xp(eV/mkT)exp(eV/mkT)式中，式中，m m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i i0.1mA0.1mA時(shí)，時(shí)，通過(guò)結(jié)內(nèi)深能級(jí)進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時(shí)通過(guò)結(jié)內(nèi)深能級(jí)進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時(shí)m m2 2。電流增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)，電流增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)，m m1 1。因而實(shí)際測(cè)得的。因而實(shí)際測(cè)得的m m值大小值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞?？梢詷?biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用626. 6. 壽命壽命 LEDLED的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。二的壽命定義

38、為亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。二極管的壽命一般都很長(zhǎng)，在電流密度小于極管的壽命一般都很長(zhǎng)，在電流密度小于lA/cmlA/cm2 2時(shí)，一般可達(dá)時(shí)，一般可達(dá)10106 6h h，最長(zhǎng)可達(dá)最長(zhǎng)可達(dá)10109 9h h。隨著工作時(shí)間的加長(zhǎng)，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老。隨著工作時(shí)間的加長(zhǎng)，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。壽命變短。 7. 7. 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 在快速顯示時(shí)，標(biāo)志器件對(duì)信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時(shí)在快速顯示時(shí)，標(biāo)志器件對(duì)信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時(shí)間，即指器件啟

39、亮間，即指器件啟亮( (上升上升) )與熄滅與熄滅( (衰減衰減) )時(shí)間的延遲。實(shí)驗(yàn)證明，二時(shí)間的延遲。實(shí)驗(yàn)證明，二極管的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時(shí)間一極管的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時(shí)間一般是很短的，如般是很短的，如GaAsGaAs1-x1-xP Px x僅為幾個(gè)僅為幾個(gè)nsns，GaPGaP約為約為100ns100ns。在用脈沖電。在用脈沖電流驅(qū)動(dòng)二極管時(shí)，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時(shí)間許可的流驅(qū)動(dòng)二極管時(shí)，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時(shí)間許可的范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 紅外技術(shù)及應(yīng)用紅外技術(shù)及應(yīng)用63LDLD和和LEDLED的一般性能比較的一般性能比較 L