發(fā)光與耦合器件

1、第六章 發(fā)光與耦合器件本章內(nèi)容本章內(nèi)容 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理激光的產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器氦氖激光器光電耦合器件重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理半導(dǎo)體激光器難點(diǎn)內(nèi)容難點(diǎn)內(nèi)容激光的產(chǎn)生第一節(jié) 常用的普通光源 在光電檢測(cè)系統(tǒng)中，大量采用的是人工光源。按其工作原理不同，人工光源大致可以分為熱光源、氣體放電光源、固體光源和激光光源。其中氣體放電光源又可分為開放式的電弧或電火花光源和封閉式的氣體燈或氣體放電管兩種類型。發(fā)光與耦合器件發(fā)光與耦合器件發(fā)光：物體向外發(fā)射出可見光、不可見光（紅外、紫外等） 熱輻射：物體溫度高于絕對(duì)零度而產(chǎn)生的物 體熱輻射。分類 激發(fā)輻射：物體在待定溫度下受外界能量激 發(fā)

2、的輻射，激發(fā)輻射光源為冷光源。 利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源叫做熱光源。在照明工程、光學(xué)和光電檢測(cè)系統(tǒng)中，這類光源有著廣泛的應(yīng)用。常用熱光源中主要是黑體源和以熾熱鎢發(fā)光為基礎(chǔ)的各種白熾燈。 熱光源發(fā)光或輻射的材料或是黑體，或是灰體，因此它們的發(fā)光特性，如出射度、亮度、發(fā)出通量的光譜分布等，都可以利用普朗克公式進(jìn)行精確的估算。也就是說(shuō)，可以精確掌握和控制它們發(fā)光或輻射的性質(zhì)。這是熱光源的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光與耦合器件 熱光源的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們發(fā)出的通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。但是它們?cè)谕ǔ囟然驘霟釡囟认?，發(fā)光光譜主要在紅外區(qū)域中，少量在可見光區(qū)域中。只有在溫

3、度很高時(shí)，才會(huì)發(fā)出少量的紫外輻射，從這一特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，又限制了這類光源的使用范圍。 熱光源的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這類光源大多屬于電熱型，通過(guò)控制輸入電量，可以按需要在一定范圍內(nèi)改變它們的發(fā)光特性。同時(shí)采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光輸出獲得很高的穩(wěn)定度。這在檢測(cè)中是很重要的。發(fā)光與耦合器件發(fā)光與耦合器件白熾燈： 電流把燈絲加熱到白熾狀態(tài)而用來(lái)發(fā)光的燈。真空白熾燈、充氣鎢絲燈、鹵鎢燈等。節(jié)能燈： 又稱為省電燈泡、電子燈泡、緊湊型熒光燈及一體式熒光燈，是指將熒光燈與鎮(zhèn)流器（安定器）組合成一個(gè)整體的照明設(shè)備。發(fā)光與耦合器件普通白熾燈: 適用于需要調(diào)光、要求顯色性高、迅速點(diǎn)燃、頻繁開關(guān)及需要避免對(duì)測(cè)試

4、設(shè)備產(chǎn)生高頻干擾的地方和屏蔽室等。因體積較小，并可制成各種功率的規(guī)格，同時(shí)易于控光、沒(méi)有附件、光色宜人等，故特別適于藝術(shù)照明和裝飾照明。小功率投光燈還適用于櫥窗展示照明和美術(shù)館陳列照明等。適用于事故照明。因白熾燈光效低，壽命短、電能消耗大、維護(hù)費(fèi)用高，使用時(shí)間長(zhǎng)的工廠車間照明不宜采用。 在現(xiàn)代燈泡里使用了惰性氣體通常是氬氣，這大大減少了鎢的這種損失。當(dāng)一個(gè)鎢原子蒸發(fā)，它就會(huì)和一個(gè)氬原子碰撞并且由于惰性氣體通常都不和其它元素反應(yīng)，所以就沒(méi)有了燃燒反應(yīng)。發(fā)光與耦合器件鹵鎢燈： 填充氣體內(nèi)含有部分鹵族元素或鹵化物的充氣白熾燈。具有普通照明白熾燈的全部特點(diǎn)，光效和壽命比普通照明白熾燈提高一倍以上，且體

5、積小。 用途：會(huì)議室、展覽展示廳、客廳、商業(yè)照明、影視舞臺(tái)、儀器儀表、汽車、飛機(jī)以及其它特殊照明。 光致發(fā)光 化學(xué)發(fā)光冷光源： 摩擦發(fā)光 陰極射線發(fā)光 結(jié)型（注入式） 電致發(fā)光 粉末 薄膜發(fā)光與耦合器件發(fā)光與耦合器件氣體放電光源：電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源，利用置于氣體中的兩個(gè)電極間放電發(fā)光，這類光源又可分為開放式輝光放電和封閉式弧光放電兩種。放電電壓有低氣壓、高氣壓和超高氣壓3種?；」夥烹姽庠窗ǎ簾晒鉄?、低壓鈉燈等低氣壓氣體放電燈，高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強(qiáng)度氣體放電燈，超高壓汞燈等超高壓氣體放電燈，以及碳弧燈、氙燈、某些光譜光源等放電氣壓跨度較大的氣

6、體放電燈。輝光放電光源包括利用負(fù)輝區(qū)輝光放電的輝光指示光源和利用正柱區(qū)輝光放電的霓虹燈，二者均為低氣壓放電燈；此外還包括某些光譜光源。發(fā)光與耦合器件 高壓汞燈的發(fā)光效率可達(dá)2O60 lmW，廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度為一2040 的街道、廣場(chǎng)、高大建筑物、交通運(yùn)輸、倉(cāng)庫(kù)和公共建筑等場(chǎng)所作為室內(nèi)外照明光源。除作普通照明用的高壓汞燈外，還有在外殼內(nèi)涂發(fā)射膜的發(fā)射型燈(HR)；適于300 500 nm重氮感光紙的復(fù)印燈，廣告、顯示殺菌、微生物和法醫(yī)學(xué)研究，以及熒光顏料探測(cè)用的黑光燈；紅斑治療儀用尼龍?jiān)瞎夂匣瘜W(xué)作用和涂料、墨水聚合干燥用的紫外線固化用的汞燈等。 雖然氙燈的成本比鹵素?zé)舾?，但由于性能?yōu)越，亮度

7、、色溫、防眩目和耐用等方面氙燈都比鹵素?zé)艉?，這種光亮的色溫與太陽(yáng)光相似，但含較多的綠色與藍(lán)色成份，因此呈現(xiàn)藍(lán)白色光。這種藍(lán)白色光大幅提高了道路標(biāo)志和指示牌的亮度。一旦發(fā)生故障不會(huì)瞬間熄滅，而是通過(guò)逐漸變暗的方式熄滅，一些轎車的四燈制前照燈采用氙燈與鹵素?zé)艋煊梅绞?，遠(yuǎn)光系統(tǒng)用氙燈，近光系統(tǒng)用鹵素?zé)?，充分發(fā)揮各自的性能。電致發(fā)光技術(shù)：1）無(wú)機(jī)粉末發(fā)光：又分為交流（AC）與直流（DC）發(fā)光。2）無(wú)機(jī)薄膜發(fā)光：于70年代末期開始小規(guī)模使用真空濺射技術(shù)，主要用于終端顯示器件，目前處于緩慢發(fā)展?fàn)顟B(tài)。3）無(wú)機(jī)厚膜發(fā)光：于90年代末開始小規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于大屏幕電視，現(xiàn)處于規(guī)?；芯可a(chǎn)前期狀態(tài)。4）有機(jī)（

8、大、?。┓肿影l(fā)光（OEL或OLED）。于90年代末開始小規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于小屏幕電視顯示，如手機(jī)?，F(xiàn)處于大規(guī)模化生產(chǎn)前期狀態(tài)。5）P-N結(jié)發(fā)光器件（LED，發(fā)光二極管）。已經(jīng)成熟應(yīng)用。發(fā)光與耦合器件現(xiàn)階段主要分為面光源及點(diǎn)光源（LED） 電致發(fā)光是電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)這種發(fā)光的材料很多。利用電致發(fā)光現(xiàn)象制成的電致發(fā)光屏和發(fā)光二極管，將完全脫離真空成為全固體化的發(fā)光器件即固體發(fā)光光源： 電致發(fā)光屏 當(dāng)熒光材料在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)或電流作用下，被激發(fā)而發(fā)光構(gòu)成電致發(fā)光屏。按激發(fā)電源不同，又有交流和直流電致激發(fā)屏兩種。發(fā)光與耦合器件附加：液晶顯示器(LCD)： 是現(xiàn)在非常普遍的顯示器。它具

9、有體積小、重量輕、省電、輻射低、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。液晶顯示器（LCD）的原理與陰極射線管顯示器（CRT）大不相同。LCD是基于液晶電光效應(yīng)的顯示器件。包括段顯示方式的字符段顯示器件；矩陣顯示方式的字符、圖形、圖像顯示器件；矩陣顯示方式的大屏幕液晶投影電視液晶屏等。液晶顯示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通電時(shí)導(dǎo)通，使液晶排列變得有秩序，使光線容易通過(guò)；不通電時(shí)，排列則變得混亂，阻止光線通過(guò)。發(fā)光與耦合器件發(fā)光與耦合器件高效節(jié)能的平面分布式固態(tài)光源OLED 無(wú)需背光燈，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，這些有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光。事實(shí)上這種發(fā)光原理早在1936年就被人們所發(fā)現(xiàn)，但直

10、到1987年柯達(dá)公司推出了OLED雙層器件，OLED才作為一種可商業(yè)化和性能優(yōu)異的平板顯示技術(shù)而引得人們的重視。目前，全球已經(jīng)有100多家的研究單位和企業(yè)投入到OLED的研發(fā)和生產(chǎn)中，包括目前市場(chǎng)上的顯示巨頭，如三星，LG,飛利浦，索尼等公司。整體上講，OLED的產(chǎn)業(yè)化目前已經(jīng)開始，其中單色，多色和彩色器件已經(jīng)達(dá)到批量生產(chǎn)水平，大尺寸全彩色器件目前尚處在研究開發(fā)階段。 在外界電壓的驅(qū)動(dòng)下，由電極注入的電子和空穴在有機(jī)材料中復(fù)合而釋放出能量，并將能量傳遞給有機(jī)發(fā)光物質(zhì)的分子，后者受到激發(fā)，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)受激分子回到基態(tài)時(shí)輻射躍遷而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。 和LCD比較：更輕更薄、主動(dòng)發(fā)光、廣視角、

11、高清晰、響應(yīng)快速、低能耗、低溫、抗震性能優(yōu)異、潛在的低制造成本、柔性和環(huán)保設(shè)計(jì)等等。具備了信息顯示和器件制造所要的所有優(yōu)異特征，是公認(rèn)的下一代顯示器主流。其柔性的特征將使得可折疊電視、電腦成為可能。還存在使用壽命短、大型化難等缺陷。松下2011量產(chǎn)40寸OLED電視發(fā)光與耦合器件光源的基本參數(shù)：1、發(fā)光效率輻射效率：在給定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一輻射源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生該輻射通量所需要的電功率之比。發(fā)光效率：某一光源所發(fā)出的光通量與產(chǎn)生該光通量所需要的功率之比。（單位為lm/W）21( )deeePPP 780380( ) ( )dmevvKVPPP 發(fā)光與耦合器件2、光譜分布 線狀光譜 帶狀光譜

12、 連續(xù)光譜 復(fù)合光譜 選擇光源，應(yīng)選擇光譜功率分布的峰值波長(zhǎng)與光電器件的靈敏波長(zhǎng)一致，當(dāng)然探測(cè)器和光源都要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的要求來(lái)定。發(fā)光與耦合器件3、空間光強(qiáng)分布特性用配光曲線表示，實(shí)際就是一個(gè)燈具或光源發(fā)射出的光在空間的分布情況。反映了燈具在各個(gè)方向的光強(qiáng)，當(dāng)然也可以記錄光通量、光源數(shù)量、功率、燈具尺寸、燈具效率、燈具制造商、型號(hào)等。分為：軸向?qū)ΨQ、對(duì)稱、非對(duì)稱配光。 發(fā)光二極管 交通燈 氣體發(fā)光光源發(fā)光與耦合器件4、光源的溫度和顏色溫度在絕對(duì)零度以上就會(huì)產(chǎn)生，因?yàn)楹隗w是一種完全輻射體，所以輻射光源的某些特性常用黑體輻射特性近似的表示，一般光源的溫度用色溫、相關(guān)色溫、分布溫度表示。色溫：色溫度

13、以絕對(duì)溫度 K 來(lái)表示，是將一標(biāo)準(zhǔn)黑體（例如鉑）加熱，溫度升高至某一程度時(shí)顏色開始由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛（藍(lán)紫）、紫，逐漸改變，利用這種光色變化的特性，其光源的光色與黑體的光色相同時(shí)，我們將黑體當(dāng)時(shí)的溫度稱之為該光源的色溫度。發(fā)光與耦合器件色溫度在 3000K 左右時(shí)，光色偏黃。色溫度在 5000K 以上時(shí)，光色偏藍(lán)。不同色溫度的光，具有不同的照明和視覺(jué)效果。以下是不同色溫的表現(xiàn)： 光色溫光色溫 光效果光效果 3000K黃色光，強(qiáng)穿透力 4200K白中帶黃，原車配氙氣燈 5000K光全白，歐規(guī)最高色溫 6000K光全白，略帶藍(lán)色 6500K陽(yáng)光下的白天 70008000K白中明顯帶藍(lán) 800

14、0K以上藍(lán)光，穿透力極差推薦6000K左右的色溫正好是最白略微開始轉(zhuǎn)藍(lán)的色溫，人眼容易接受，不易疲勞，提高安全性，而鹵素?zé)魟t較差發(fā)光與耦合器件不同的波長(zhǎng)給人眼造成不同的顏色感覺(jué)，從紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛（藍(lán)紫）、紫。眼睛的敏感度隨波長(zhǎng)的變化而強(qiáng)烈變化。例如，在很好的照明條件下，眼睛對(duì) 550nm 波長(zhǎng)的光（黃光）的敏感程度是紅光或藍(lán)光的 20 倍。這也是為什么大部分車的霧燈和馬路的路燈采用黃光的一個(gè)重要原因。色溫是度量顏色溫度的標(biāo)準(zhǔn)，并不是度量燈的亮度。鹵素?zé)舻纳珳乜梢杂?300K到7000K；HID燈的色溫由4200K到超過(guò)8000K；燈的色溫越高，它對(duì)霧和雨的穿透力越差（越不亮）。大廠如飛

15、利浦至今只生產(chǎn)色溫最高6000K的氙氣燈。發(fā)光與耦合器件相關(guān)色溫：除熱輻射光源以外的其它光源具有線狀光譜，其輻射特性與黑體輻射特性差別較大，所以這些光源的光色在色度圖上不一定準(zhǔn)確地落在黑體軌跡上，對(duì)這樣一類光源，通常用相關(guān)色溫來(lái)描述光源的顏色特性。相關(guān)色溫是指與具有相同亮度刺激的顏色最相似的黑體輻射體的溫度，用K氏溫度表示。如標(biāo)準(zhǔn)光源D65的相關(guān)色溫為6500K。2、ELED的工作原理的工作原理當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，P區(qū)的空穴載流子p向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子n向P區(qū)擴(kuò)散，p與n在PN結(jié)區(qū)相遇復(fù)合釋放能量而發(fā)光。3、SLED（正面發(fā)光型）的結(jié)構(gòu)（正面發(fā)光型）的結(jié)構(gòu)（Flash演示）

16、演示）出射光束時(shí)朗伯型，平行于PN結(jié)結(jié)平面的方向光束發(fā)散角為1200，垂直于結(jié)平面的方向，光束發(fā)散角為300。%100iepPP光學(xué)效率：外量子效率與內(nèi)量子效率的比。qiqoo 量子效率：注入載流子復(fù)合而產(chǎn)生的光量子效率，可分為內(nèi)量子效率外量子效率。 內(nèi)量子效率：輻射復(fù)合所產(chǎn)生的光子數(shù)與激發(fā)時(shí)注入的電子空穴對(duì)數(shù)之比。 外量子效率：射出光子數(shù)與注入電子空穴對(duì)數(shù)之比。（2）用于顯示 照明效率：輻射功率轉(zhuǎn)換成光通量的效率。 流明效率：消耗單位功率所得到的光通量。iLPFebPF（2）發(fā)光光譜（發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的分布曲線，它直接決定發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響其流明效率）相對(duì)強(qiáng)度波長(zhǎng)GaAs0

17、.6P0.4GaP描述光譜分布的兩個(gè)主要參量是峰值波長(zhǎng)和半強(qiáng)度寬度。發(fā)光二極管的峰值波長(zhǎng)是由材料的禁帶寬度決定的。當(dāng)GaAs1-xPx的x值不同時(shí)，峰值波長(zhǎng)在620680nm之間變化，譜線半寬度大約為2030nm，GaP發(fā)紅光的峰值波長(zhǎng)在700nm附近，半寬度大約為100nm。（四）伏安特性電壓電流mkTeViiexp0復(fù)合因子GaP(紅色)GaP(綠色)GaAs1-xPxGa1-xAlxAs光強(qiáng)電流強(qiáng)度RdneiB七段式數(shù)碼管文字顯示器的內(nèi)部接線14劃字碼管類型出光面尺寸(um)發(fā)射波長(zhǎng)(nm)光譜寬度(nm)截止頻率(MHz)光纖芯徑(um)數(shù)值孔徑耦合方式進(jìn)纖功率(uw)“平底碗”型正面

18、出光500.904025500.66直接耦合1700無(wú)波導(dǎo)型側(cè)面出光()0.05*650.8230100900.14直接耦合800集成化透鏡型正面出光401.27100501000.25球端光纖耦合310第三節(jié) 白光LED 目前所用的照明燈光源。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為1224流明/瓦；熒光燈和HID燈的光效為50120流明/瓦。 白光LED：在1998年，只有5流明/瓦，1999年達(dá)到15流明/瓦，這一指標(biāo)與一般家用白熾燈相近，而在2000年已達(dá)25流明/瓦，這一指標(biāo)與鹵鎢燈相近。從理論和技術(shù)發(fā)展分析，白光LED的光效可以達(dá)到200流明瓦以上，工作電流可達(dá)安培級(jí)。由此可見開發(fā)白光LED作家用

19、照明光源，將成可能的現(xiàn)實(shí)。 普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價(jià)格便宜，但光效低（燈的熱效應(yīng)白白耗電），壽命短，維護(hù)工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長(zhǎng)（連續(xù)工作時(shí)間100000小時(shí)以上），幾乎無(wú)需維護(hù)。 LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時(shí)間短、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)，雖然價(jià)格較現(xiàn)有照明器材昂貴、光效，仍被認(rèn)為是它將不可避免地替代現(xiàn)有照明器件。 目前人們將白光LED劃分為2005年和2010年兩個(gè)階段目標(biāo)。2005年后開始替代白熾燈，進(jìn)入商業(yè)照明；2010年進(jìn)入家庭照明。若實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目標(biāo)，2005-2007年開始部分取代白熾燈，對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)，可節(jié)

20、約10GW電能；實(shí)現(xiàn)第2個(gè)目標(biāo)進(jìn)入家庭照明，在2010-2015年白光LED的光效達(dá)到150-200lmw，美國(guó)可節(jié)能約25GW電能。第一類為利用熒光粉將藍(lán)光LED或紫外UV-LED所產(chǎn)生的藍(lán)光或紫外光分別轉(zhuǎn)換為雙波長(zhǎng)(Dichromatic) 或三波長(zhǎng)(Trichromatic)白光，此項(xiàng)元件技術(shù)稱之為熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED(Phosphor Converted-LED)；第二類則為多芯片型白光LED，經(jīng)由組合兩種(或以上)不同色光的LED組合以形成白光，目前市場(chǎng)上白光LED商品以藍(lán)光LED芯片搭配黃光熒光粉最為普遍，主要應(yīng)用于汽車照明與手機(jī)面板等領(lǐng)域，以目前白光LED產(chǎn)品市場(chǎng)分析，熒光粉轉(zhuǎn)換

21、白光LED可謂主流。 （紅色和綠色熒光粉多為硫化物體系，這類熒光粉發(fā)光穩(wěn)定性差、光衰較大。）多種白光LED構(gòu)裝原理和優(yōu)劣點(diǎn)：(a)型構(gòu)裝方式、演色性最佳，但成本最高，尚未能普及； (b)則具有技術(shù)最成熟且成本低廉之優(yōu)勢(shì)，但色偏、演色性不佳，須以適當(dāng)紅、黃光熒光粉加以改善，此外，最嚴(yán)重者為日亞化學(xué)專利限制難以規(guī)避；(c)與(d)兩者所制作的白光LED演色性俱佳、色偏小、成本低且專利局限較不嚴(yán)重，因此未來(lái)深具發(fā)展?jié)摿?。一、激光的產(chǎn)生（一）受激輻射1、自發(fā)輻射（Flash演示）演示）2、受激吸收（Flash演示）演示）3、受激輻射（Flash演示）演示）1、產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件：腔長(zhǎng)恰好等于輻射光半波

22、長(zhǎng)的整數(shù)倍。nmL2反射面反射面Lm=1m=2nLmc2（四）產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件需要泵源將處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上；實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗；要有一個(gè)共振腔提供正反饋及增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。KM2M1AT(套管)G（毛細(xì)管）兩個(gè)反射鏡緊貼在放電管的兩端，稱為內(nèi)腔式。輸出不穩(wěn)定，受溫度影響大，但無(wú)需調(diào)整。AD（放電管）B（布儒斯特窗）兩個(gè)反射鏡與放電管完全分開裝架，稱為外腔式。輸出線偏振光，受溫度影響小，但需經(jīng)常調(diào)整，技術(shù)復(fù)雜，使用不便。KGTKABM1M2一個(gè)緊貼放電管的一端，另一個(gè)與放電管分開裝架，稱為半外腔式。集中了上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)。XL激光棒

23、L放在螺旋狀燈X的里面，棒的端面鍍有反射膜。M1M2L激光棒放在橢圓柱面鏡的一條焦線上，作光泵用的氙燈放在另一條焦線上，兩反射鏡與激光棒分離。2、紅寶石激光器工作物質(zhì)為摻有Cr2O3的人造寶石單晶；輻射波長(zhǎng)為694.3nm的激光；特點(diǎn)：較高的泵浦能量閾值；峰值功率可達(dá)1050mw，脈寬為1020ns；三能級(jí)系統(tǒng)五、半導(dǎo)體激光器1、PN結(jié)型半導(dǎo)體激光器的一般結(jié)構(gòu)法布里泊羅共振腔：將工作物質(zhì)制成PN結(jié)并切成長(zhǎng)方塊，為實(shí)現(xiàn)分布反轉(zhuǎn)，結(jié)區(qū)的兩側(cè)都要求是重?fù)诫s半導(dǎo)體材料，使費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶及價(jià)帶內(nèi)。由一對(duì)相互平行的解理面或拋物面構(gòu)成，并與結(jié)平面垂直，這對(duì)平面構(gòu)成了端部反射器。其余的前后兩面是粗糙的，

24、用來(lái)消除主要方向以外的激光作用。這種結(jié)構(gòu)叫法布里泊羅共振腔。2、PN結(jié)型半導(dǎo)體激光器的工作原理3、主要特性（1）激光閾值條件及影響閾值得因素光輸出電流受激輻射自發(fā)輻射Ith剛好抵償吸收與損耗的光子產(chǎn)生率叫閾值。閾值電流：達(dá)到閾值增益時(shí)注入的電流密度。PN結(jié)型LD室溫下閾值電流很高，且不能實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)振蕩。閾值電流閾值電流296k195k77k4.2V1/L影響因素：共振腔長(zhǎng)度大，閾值電流??；溫度大，閾值電流大；單軸向壓力大，閾值電流小；外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大，閾值電流小。（2）頻譜分布光強(qiáng)度波長(zhǎng)100mA82mA10mA123低于閾值時(shí)，自發(fā)輻射，非相干光，譜線寬，如1；高于閾值時(shí)，發(fā)生共振，譜線變

25、窄，對(duì)應(yīng)峰值波長(zhǎng)的頻率為共振頻率（駐波頻率）如圖2，3。相對(duì)強(qiáng)度波長(zhǎng)電流超過(guò)閾值時(shí)碲化鉛二極管的激光發(fā)射光譜光強(qiáng)度波長(zhǎng)59K20K2K磷化銦激光二極管頻譜分布與溫度的關(guān)系4、異質(zhì)結(jié)激光器（1）單異質(zhì)結(jié)激光器在GaAs的PN結(jié)上，用分子束外延和液相外延法得到GaAs-AlxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)。由于GaAsAlxGa1-xAs禁帶寬度不同，因而在界面出形成了較高勢(shì)壘，使從N-GaAs注入到P-GaAs中的電子在繼續(xù)向P-AlxGa1-xAs擴(kuò)散時(shí)受到阻礙，同沒(méi)有這種勢(shì)壘存在時(shí)比較，P-GaAs層內(nèi)的電子濃度增加，輻射復(fù)合的幾率也提高了。再者，P型鋁鎵砷對(duì)來(lái)自P型GaAs的發(fā)光吸收系數(shù)小，損耗也較

26、小。由于鋁鎵砷的折射率較砷化鎵低，因而限制了管座進(jìn)入鋁鎵砷區(qū)，使光受到反射面局限在P-GaAs區(qū)內(nèi)，從而少了周圍非受激區(qū)對(duì)光的吸收。由于電子光子在異質(zhì)結(jié)面上都受到了限制，減小了損耗，因而降低了閾值。其結(jié)構(gòu)圖能帶圖如下：P-AlxGa1-xAsP-GaAsN-GaAs異質(zhì)結(jié)PN結(jié)結(jié)構(gòu)圖電子空穴N-GaAsP-GaAsP-AlxGa1-xAs2ev1.5ev能帶圖單異質(zhì)結(jié)激光器分布反轉(zhuǎn)區(qū)低溫下閾值電流密度與同質(zhì)結(jié)差不多，大約為8000A/cm2，但在溫度變化下，閾值隨溫度變化小，在室溫下實(shí)現(xiàn)脈沖振蕩。（2）雙異質(zhì)結(jié)激光器在GaAs的一側(cè)為N型AlxGa1-xAs，另一側(cè)為P型AlxGa1-xAs，

27、加正向偏壓時(shí)，電子注入作用區(qū)到達(dá)P-GaAsP-AlxGa1-xAs界面，受到勢(shì)壘的阻擋而返回，不能進(jìn)入P型AlxGa1-xAs層中去，從而增加了P型GaAs層中的電子濃度，提高了增益。又由于N型AlxGa1-xAs與P型GaAs之間的勢(shì)壘避免了單異質(zhì)結(jié)激光器存在地空穴注入現(xiàn)象，使工作區(qū)電子，空穴濃度加大，復(fù)合幾率增加。另外，由于兩個(gè)界面處折射率都發(fā)生較大突變，所以光子被更有效地限制在作用區(qū)內(nèi)。因此，雙異質(zhì)結(jié)激光器的閾值電流進(jìn)一步降低到10003000A/cm2，實(shí)現(xiàn)了室溫下的連續(xù)振蕩，且隨溫度變化也較小。其結(jié)構(gòu)圖能帶圖如下：P-AlxGa1-xAsN-AlxGa1-xAsGaAs異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)

28、NGaAsP空穴電子結(jié)構(gòu)圖能帶圖雙異質(zhì)結(jié)激光器5、分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器（1）結(jié)構(gòu)（動(dòng)態(tài)單縱模激光器）（2）光柵結(jié)構(gòu)（3）DFB與一般半導(dǎo)體激光器（多縱模振蕩）的比較nm /26、量子阱（QW）激光器生長(zhǎng)方向GaAsGaAlAs襯底有源層是由兩種不同材料交替生長(zhǎng)組成超薄層一維周期結(jié)構(gòu)，稱為量子阱激光器。當(dāng)薄層的周期厚度等特征尺寸減小到電子平均自由程（50nm）時(shí)，整個(gè)材料的電子系統(tǒng)進(jìn)入量子領(lǐng)域，并產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)。（1）結(jié)構(gòu)（2）超晶格結(jié)構(gòu)組分超晶格：將兩種不同的半導(dǎo)體材料薄層做成重復(fù)相間的多層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)在一塊晶體上，量子阱激光器就屬于該種；摻雜超晶格：由材料相同但摻雜類型不同的大量重復(fù)相

29、間薄層長(zhǎng)在同一塊單晶上形成。（3）優(yōu)點(diǎn)極低的閾值電流（0.55mA）且隨溫度變化極小，甚至預(yù)言量子點(diǎn)（量子線，量子箱，量子阱）激光器不隨溫度變化；高功率輸出，可達(dá)10w；高調(diào)制頻率，窄的線寬。國(guó)外半導(dǎo)體激光器的典型參數(shù)激光器的類型閾值電流發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)散角輸出功率轉(zhuǎn)換效率截止頻率溫度系數(shù)AlGaAs/GaAs1001500.85(1020)*(3050)521100150InGaAsP/InP201.330*40510265把發(fā)光器件與光敏元件封裝在儀器構(gòu)成光電耦合器件。這種器件在信息的傳輸過(guò)程中用光作為媒介把輸入邊輸出邊的電信號(hào)耦合在一起的，具有線性變化關(guān)系，且在電性能上是完全隔離的。所以，我們

30、把利用光耦合做成的電信號(hào)傳輸器件，一般稱為光電耦合器件。特點(diǎn)：特點(diǎn)：具有電隔離功能；絕緣電阻高達(dá)10101012歐姆，擊穿電壓高達(dá)10025千伏，耦合電容小到零點(diǎn)幾個(gè)皮法；信號(hào)傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以，模擬，數(shù)字信號(hào)都適用；具有抗干擾噪聲的能力，可作為繼電器變壓器等使用；響應(yīng)速度快，一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，甚至納秒數(shù)量級(jí)；使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，重量輕，抗震，密封防水，性價(jià)比高，工作溫度范圍在55到100攝氏度之間。二、特性參數(shù)1、傳輸特性IFIFIFQ3Q2QQ1IF1IF2IF3IFVcIcIc1Ic2Ic3在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流IC與發(fā)光二極管的注入電流IF之比，稱為光電耦合器件的電流傳輸比，用表示，若