第二章第2節(jié)光源學(xué)

1、第二節(jié) 光纖傳感用光源物體的熱輻射一、物體發(fā)光的基本形式 熱輻射 發(fā)光輻射（1）熱輻射： 任何物質(zhì)溫度只要高于熱力學(xué)溫度0K，它就一定要不斷地發(fā)射電磁輻射，稱之為熱輻射。因?yàn)榕c溫度有關(guān)，又被稱作溫度輻射。 在這種發(fā)射過程中，只要通過加熱維持物體的溫度不變，物體就可以不改變內(nèi)能持續(xù)不斷地發(fā)射電磁波。 特點(diǎn)： 在任何溫度下都向外輻射能量，輻射光譜連續(xù)，輻射的能量大小及按波長的分布都與溫度有關(guān)。一般情況下，它不僅與物體溫度有關(guān)，還與物體的表面特征有關(guān)。（2）發(fā)光輻射 主要借助于其他一些外來激發(fā)過程而獲得能量產(chǎn)生輻射發(fā)射的。 電致發(fā)光：物體中的原子在由電場加速的電子作用下，被激發(fā)到激發(fā)狀態(tài)，當(dāng)它返回到

2、正常狀態(tài)時將產(chǎn)生輻射； 光致發(fā)光：物體被光照射而引起的自身發(fā)射，如熒光，磷光； 化學(xué)發(fā)光：由于化學(xué)反應(yīng)引起發(fā)光； 熱發(fā)光：物體被加熱到一定溫度后引起發(fā)光。它與熱輻射不同，只有達(dá)到一定溫度后才開始發(fā)光，而熱輻射在任何溫度下都產(chǎn)生發(fā)射。 陰極發(fā)光：通過電子轟擊而使固體發(fā)光，如某些礦物。 發(fā)光輻射是是非平衡發(fā)射，不能用溫度描述，光譜不是連續(xù)譜，是帶光譜和線光譜。輻射定律1、基爾霍夫定律 任何物體在熱平衡狀態(tài)時，從周圍吸收輻射的能量恰好等于本身因輻射而減少的能量。此時，物體的狀態(tài)可用一個確定的溫度值來表征。 基爾霍夫定律指出，在一定溫度下，物體對某波長光的吸收率 與該物體發(fā)射該波長光的輻出度 成正比，

3、而且比例系數(shù)對任何物體都一樣。 在真空絕熱的密閉腔中，熱平衡下，物體發(fā)射的功率等于它所吸收的功率，而且對任意波長成分都一樣。 其中 為投射到物體表面的輻照度。T,),(TM TETTM,TE,.,2211TTMTTM1、基爾霍夫定律 顯然， 該式對任何物體都成立，表明一個好的吸收體，一定也是一個好的發(fā)射體。任何物體的光譜輻出度與光譜吸收率的比例系數(shù)與物體性質(zhì)無關(guān)，等于真空容器的光譜輻照度 。 TETTM,TE, 絕對黑體 對任何物體都一樣，設(shè)想有這樣一個物體，其光譜吸收率 ，它對任何波長的入射輻射都能完全吸收。稱為絕對黑體，簡稱黑體。TE,1,T1,),(TMTEb 對任何物體，只要能測量出其

4、吸收率，就可計算出其光譜輻出度),(,TMTTMb 人工黑體模型：光線要在容器壁上多次反射后才能從小孔射出，小孔的吸收率對于所有波長幾乎都等于?？瓷先ナ且粋€很黑的洞。根據(jù)基爾霍夫定律，小孔的輻出度將接近面積等于孔面積的黑體的輻出度。2、維恩定律 用鎢、鉭、銅分別做成三個空腔黑體輻射源，并且把每個空腔都加熱到相同的溫度，保持溫度不變，用分光光譜儀測量空腔的熱輻射可得到光譜輻出度曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 小孔是黑體，外壁不是黑體，所以這與基爾霍夫定律一致。 在一定溫度下，三小孔外表面發(fā)射的功率密度各不相同，但三小孔內(nèi)發(fā)射功率密度相等，說明黑體輻出曲線只決定于黑體的熱力學(xué)溫度，與構(gòu)成黑體的物質(zhì)性質(zhì)無

5、關(guān)。 黑體光譜輻出度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個極大值，對應(yīng)峰值輻射波長。 黑體光譜輻出度曲線隨溫度整體升高下降，各曲線不相干。 黑體光譜輻出度曲線下面積代表黑體總輻出度，用表示 黑體輻射的峰值輻射波長 與黑體溫度之間關(guān)系),(TMbm TMb dTMTMbb,0)(2898KmTmm 普朗克公式 黑體輻出度公式， 可簡寫成KmkhcCmmWhcCTCCTMBb4224831251104388. 1)(107415. 321exp1),(1exp12,53TkhchcTMBbC1、C2分別為黑體第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù) 實(shí)際上描述了實(shí)際物體的輻射特性與黑體輻射特性的差別，引入一個物體的發(fā)

6、射率 代替吸收率更符合邏輯。 所以我們進(jìn)行高溫測量時用到的近似黑體的譜功率密度輻出度公式為),(,TMTTMbT,T,1exp),(251TCCTM光纖傳感器的光源 為了保證光纖傳感器的性能，對光源的結(jié)構(gòu)與特性有一定要求。一般要求光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發(fā)出的光波長應(yīng)合適，以便減少光在光纖中傳輸?shù)膿p失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號，另外還要求光源穩(wěn)定性好、噪聲小、安裝方便和壽命長。 光源與光纖耦合時，總是希望在光纖的另一端得到盡可能大的光功率，它與光源的光強(qiáng)、波長及光源發(fā)光面積等有關(guān)，也與光纖的粗細(xì)、數(shù)值孔徑有關(guān)。它們之間耦合的好壞，取決于它們之間匹配程度，在光

7、纖傳感器設(shè)計與實(shí)際使用中，要對諸因素綜合考慮。熱光源 熱光源的主要原理是由電流加熱合適的材料使其產(chǎn)生熱輻射。典型的熱光源是鎢燈，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便且具有連續(xù)光譜。 這種熱光源用在光纖傳感器中時有兩個非常重要的問題值得考慮：一個是光源的穩(wěn)定性問題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鎢絲產(chǎn)生的光電流正比于燈絲電壓的34次冪，因此為了保證提供較穩(wěn)定的光功率就必須應(yīng)用具有非常高穩(wěn)定性的電源和電路；另一個問題是調(diào)制速率的限制，對這種光源的調(diào)制一般采用機(jī)械斬波器，但其頻率通常低于1kHz，這在很多光纖傳感器的應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的。一般適用于光纖束或粗芯光纖在實(shí)際光纖傳感器的設(shè)計中一般不提倡選用此種光源。 一、白熾燈工

8、作原理： 熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。 電流通過燈絲（鎢絲，熔點(diǎn)達(dá)3000多攝氏度）時產(chǎn)生熱量，螺旋狀的燈絲不斷將熱量聚集，使得燈絲的溫度達(dá)2000攝氏度以上，燈絲在處于白熾狀態(tài)時發(fā)出光。燈絲的溫度越高，發(fā)出的光就越亮。故稱之為白熾燈。白熾燈發(fā)光時，大量的電能將轉(zhuǎn)化為熱能，只有極少一部分可以轉(zhuǎn)化為有用的光能。 白熾燈發(fā)出的光是全色光，但各種色光的成份比例是由發(fā)光物質(zhì)（鎢）以及溫度決定的。透過玻璃泡的光譜部分大約在 。 白熾燈的壽命跟燈絲的溫度有關(guān)，因?yàn)闇囟仍礁?，燈絲就

9、越容易升華。日光燈兩端發(fā)黑過程是：鎢絲的升華直接變成鎢氣，這些鎢氣體遇到溫度較低的燈管壁又凝華在燈管壁上而發(fā)黑的，當(dāng)鎢絲升華到比較細(xì)瘦時，通電后就很容易燒斷，從而結(jié)束了燈的壽命。白熾燈的壽命取決于很多因素，包括供電電壓等，在經(jīng)濟(jì)成本下壽命可以達(dá)到幾千小時。 抽出空氣的燈泡內(nèi)充進(jìn)惰性氣體，目的在于抑制燈絲蒸發(fā)。因?yàn)闊艚z在高溫下工作時，蒸發(fā)出來的鎢原子與惰性氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞，從而使鎢原子可以反射回鎢絲表面。在同樣壽命下，充氣燈可提高燈絲工作溫度，從而提高光效。m4 . 03 . 0二、鹵鎢燈原理： 鹵鎢燈也是一種白熾燈，為了進(jìn)一步延長燈的壽命，提高光效，在充氣鎢燈的基礎(chǔ)上又制成了鹵鎢燈（如碘

10、鎢燈，溴鎢燈等）。 主要原理是鹵鎢循環(huán)：高溫下（17001800）從燈絲蒸發(fā)出來的鎢在泡壁附近與鹵素反應(yīng)，生成揮發(fā)性的鹵鎢化合物。當(dāng)鹵鎢化合物擴(kuò)散到燈絲附近時，又分解為鹵素與鎢，釋放出來的鎢沉積在燈絲上，而鹵素則又?jǐn)U散到低溫（2501200 ）的泡壁附近與蒸發(fā)出來的鎢化合。這一過程叫做鹵鎢循環(huán)，或鎢的再生循環(huán)。這樣，不僅可以大大提高燈絲的工作溫度和燈的光效，而且泡殼在燃燒過程中并不發(fā)黑。 鹵鎢燈比白熾燈體積小，是同功率白熾燈體積的0.53%，光通量穩(wěn)定，發(fā)光效率為白熾燈的23倍，壽命長，但價格貴，管壁溫度高。激光器組成激光器的三要素 激光物質(zhì)：激光器核心，反轉(zhuǎn)狀態(tài)，自發(fā)發(fā)射誘發(fā)受激發(fā)射。分為固

11、體（晶體、非晶體、半導(dǎo)體等）； 光諧振：放置于激光物質(zhì)兩端的嚴(yán)格平行或凹面反射鏡（腔），提供光反饋建立和維持自激振蕩，同時控制光束特性； 激發(fā)裝置：光泵，氣體放電、化學(xué)反應(yīng)、熱激勵。激光特性激光特性:單色性、相干性、方向性、高亮度愛因斯坦關(guān)系 假設(shè)原子二能級系統(tǒng)中，處在高能級 E2的原子數(shù)為N2，處在低能級 E1的原子數(shù)為N1，作用于此原子系統(tǒng)的光子的能量密度為 。 f 要想受激輻射占主導(dǎo)地位，必須創(chuàng)造兩個基本條件第一，只有 N2 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N1 時，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，才能實(shí)現(xiàn)光放大。第二，足夠高的輻射譜密度 ，用光學(xué)諧振腔提供光反饋達(dá)到。f 最為廣泛采用的固體激光工作物質(zhì)有紅寶石、摻釹釔鋁石榴石和

12、釹玻璃三種，此外還包括可調(diào)諧固體激光器。 固體激光器由工作物質(zhì)、泵浦燈、聚光腔、光學(xué)諧振腔、冷卻濾光裝置以及激光電源等部分組成。 工作物質(zhì)是激光器的核心，它將泵浦燈中部分光能轉(zhuǎn)換為相干光； 泵浦燈為工作物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供光能； 聚光腔使泵浦燈輻射的光能最大限度地、均勻地會聚工作物質(zhì)； 諧振腔的作用是使工作物質(zhì)受激輻射形成振蕩與放大，它由全反射鏡與部分反射鏡（或輸出鏡）組成，激光由部分反射鏡輸出； 冷卻、濾光系統(tǒng)用于防止聚光腔及內(nèi)部元件溫升過高，減少泵浦燈紫外輻射對工作物質(zhì)的有害影響。一、固體激光器結(jié)構(gòu)和工作過程啟動激光電源，點(diǎn)燃泵燈。因?yàn)榧す獍艉捅脽舴謩e置于橢圓柱聚光腔的兩個焦軸線上，所以

13、點(diǎn)亮的泵燈通過聚光腔在激光棒上成像，形成均勻照射。激光棒中激活離子（或）吸收泵浦光子能量，躍遷到高能級，無輻射快速弛豫到激光上能級，即亞穩(wěn)態(tài)能級，如果泵浦強(qiáng)度足夠大，激光上下能級形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。自發(fā)發(fā)射光子使反轉(zhuǎn)粒子受激發(fā)射，軸向光子不斷增強(qiáng)，諧振腔形成反饋，受激增強(qiáng)，當(dāng)腔內(nèi)增益等于粒子數(shù)減少引起衰減時，輸出穩(wěn)定激光。 紅寶石的化學(xué)表達(dá)式為Cr3+:Al2O3 ,激活離子是Cr3+，它屬于三能級系統(tǒng)，在常溫下，其吸收帶為0.41微米的紫光以及0.55微米的綠光，吸收帶寬約0.1微米左右，發(fā)射光譜為0.6943微米紅光。 特點(diǎn)： 機(jī)械強(qiáng)度大，能承受高功率密度，能生長成大尺寸晶體、亞穩(wěn)態(tài)壽命長

14、、可獲得大能量輸出，尤其是大能量單模輸出。紅寶石脈沖器件單脈沖能量已達(dá)數(shù)千焦耳，其熒光譜線較窄，易為材料吸收。 摻釹釔鋁石榴石這種晶體簡記為Nd3+:YAG，激活離子為Nd3+。常溫下輻射1.06微米激光。 特點(diǎn)：量子效率高，受激輻射截面大，閾值遠(yuǎn)低于紅寶石和釹玻璃；具有良好的熱穩(wěn)定性能，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)小，適用于脈沖、連續(xù)、高重復(fù)率等多種器件，是目前能在室溫下連續(xù)工作的、唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì)。YAG晶體各向同性，硬度大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于制成高穩(wěn)定度要求的器件，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的主要固體工作物質(zhì)。 主要用于各種材料的加工，如打孔、點(diǎn)焊、激光標(biāo)刻及集成電路中厚膜、薄膜電路的加工制造等；

15、在醫(yī)療上則可用于多種外科手術(shù)；軍事上，Nd YAG激光器被廣泛應(yīng)用于激光測距機(jī)、目標(biāo)指示器和激光雷達(dá)；倍頻后的綠光和紫外輻射則是可調(diào)諧染料激光器的理想泵浦源。 綜上所述，固體激光器具有輸出能量大、峰值功率高、器件結(jié)構(gòu)緊湊、便于光纖耦合、使用壽命長和單元技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，而且它的體積也較氣體激光器要小，價格也比較適中。 固體激光器在光纖傳感領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，可以用于測量吸收光譜，如測量由污染物產(chǎn)生的瑞利、喇曼散射光譜；可用于超長距離的測量，如月球到地球的距離。另外紅寶石本身在光纖傳感器領(lǐng)域也應(yīng)用。 固體激光器的主要缺陷在于常用惰性氣體放電燈泵浦效率低，熱效應(yīng)嚴(yán)重，限制了輸出功率的進(jìn)一步提高和光束質(zhì)

16、量的改善。氣體激光器 氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質(zhì)的激光器。與固體激光介質(zhì)相比，氣體介質(zhì)的密度低得多，因而單位體積能夠?qū)崿F(xiàn)的離子反轉(zhuǎn)數(shù)目也低得多，為了彌補(bǔ)氣體密度低的不足，氣體激光器的體積一般都比較大。但是，氣體介質(zhì)均勻，激光穩(wěn)定性好，另外氣體可在腔內(nèi)循環(huán)，有利于散熱，這是固體激光器所不具備的。由于氣體吸收線寬比較窄，氣體激光器一般不宜采用光泵作激勵，更多的是采用電作激勵。 氣體激光器最大的特點(diǎn)就是可以產(chǎn)生很高的連續(xù)功率，非常適合在光纖傳感器中使用。 在光電傳感器中比較常見的氣體激光器主要有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，它們的波長覆

17、蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。 氦-氖激光器具有連續(xù)輸出激光的能力。它能夠輸出從紅外的3.3m m到可見光等一系列譜線，其中632.8nm譜線在光電傳感器中應(yīng)用最廣，該譜線的相干性和方向性都很好，輸出功率通常小于1mW，可以滿足很多光電傳感器的要求。 氬離子、氪離子激光器功率比氦氖激光器大，氬離子發(fā)出可見的藍(lán)光和綠光，比較典型的譜線有488nm和514.5nm等,氪離子發(fā)出的是紅光（647.1752.5nm），它們連續(xù)輸出的功率可以達(dá)到幾瓦的數(shù)量級，適用于對光源的功率要求比較大的場合。例如：光纖分布式溫度傳感器等。 二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的輸出波長為10.6m, 連續(xù)輸出方式

18、功率可達(dá)幾瓦，脈沖方式達(dá)到幾千瓦，是遠(yuǎn)紅外的重要光源。許多氣體和有機(jī)物在紅外區(qū)域有吸收譜線，二氧化碳激光器可用作物質(zhì)分析的光源。 在紫外區(qū)域氣體激光器更是一枝獨(dú)秀，其它類型激光器還不能工作于這一區(qū)域，比較典型的氮?dú)夥肿蛹す馄鬏敵霾ㄩL為337nm，在脈沖工作方式下功率可達(dá)到兆瓦量級，脈沖寬度可達(dá)到納秒量級。 能夠工作在紫外的還有一些準(zhǔn)分子激光器，目前能夠提供從353nm到193nm的激光輸出。由于包括污染物在內(nèi)的許多物質(zhì)在紫外區(qū)域有獨(dú)特的吸收特征，隨著激光器小型化技術(shù)的發(fā)展，這類激光器在化學(xué)分析、環(huán)境保護(hù)等方面有很好的應(yīng)用前景。一、 CO2激光器利用CO2分子的振動-轉(zhuǎn)動能級間的躍遷的，有比較豐

19、富的譜線，在10微米附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發(fā)現(xiàn)的高氣壓CO2激光器，甚至可做到從910微米間連續(xù)可調(diào)諧的輸出。它的輸出波段正好是大氣窗口（即大氣對這個波長的透明度較高）。 除此之外，它也具有輸出光束的光學(xué)質(zhì)量高，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此它在國民經(jīng)濟(jì)和國防上都有許多應(yīng)用，如應(yīng)用于加工（焊接、切割、打孔等），通訊、雷達(dá)、化學(xué)分析，激光誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，外科手術(shù)等方面。 工作原理放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內(nèi)的N2分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到激發(fā)的N2分子便和CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，

20、CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。 受激的氦原子與基態(tài)的氖原子相碰撞時，把它的能量交給氖原子，而使氖原子激發(fā)到它的亞穩(wěn)態(tài)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波長波長：6328A、1.15m、3.39m 缺點(diǎn)：效率低，輸出功率 23 毫瓦。半導(dǎo)體光源 半導(dǎo)體光源主要分為發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。 半導(dǎo)體激光器體積非常小，最小的只有米粒那樣大。工作波長依賴于激光材料，一般為0.61.55微米，由于多種應(yīng)用的需要，更短波長的器件在發(fā)展中。 一、發(fā)光二極管一、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管（LED）是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。其發(fā)光機(jī)理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電

21、子空穴對）在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)射過程主要對應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程。 發(fā)光二極管具有可靠性較高，室溫下連續(xù)工作時間長、光功率電流線性度好等顯著優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟，價格便宜。因此在一些簡易的光纖傳感器的設(shè)計中，如果LED能夠勝任，選用它作為光源即可大大降低整個傳感器的成本。然而LED也存在著很多不足：輸出功率小、發(fā)射角大、譜線寬、響應(yīng)速度低等。因此，在一些需要功率高、調(diào)制速率快、單色性好的光源的傳感器設(shè)計中，就選用其它更高性能的光源。發(fā)光二極管常分為三種類型 面發(fā)光二極管； 邊發(fā)光二極管； 超輻射發(fā)光二極管。1. 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管（Surface Emitting） 由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。發(fā)射面

22、積限定在一個小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。利用腐蝕的方法在襯底材料正對有源層的地方腐蝕出一個凹陷的區(qū)域，使光纖與光發(fā)射面靠近，同時，在凹陷的區(qū)域注入環(huán)氧樹脂，并在光纖末端放置透鏡或形成球透鏡，以提高光纖的接收效率。面發(fā)光二極管輸出的功率較大，一般注入100mA電流時，就可達(dá)幾個毫瓦，但光發(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達(dá)到120，與光纖的耦合效率低。2. 邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管（Edge Emitting） 采用了雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用SiO2掩模技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極(約4050m)，從而限定了有源層的寬度；同時，增加光波導(dǎo)層，進(jìn)一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的

23、光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，提高與光纖的耦合效率。有源層一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，實(shí)現(xiàn)單向出光。在垂直于結(jié)平面方向，發(fā)散角約為30，具有比面發(fā)光二極管高的輸出耦合效率。3. 超輻射發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管（Superluminescent Diodes） SLD是一種介于激光二極管LD和發(fā)光二極管LED之間的半導(dǎo)體光源，它的出現(xiàn)和發(fā)展是受到光纖陀螺的驅(qū)動，對它的要求是有高的功率輸出并有寬的光譜寬度。它的結(jié)構(gòu)大體上與激光器的結(jié)構(gòu)相似。除了條形金屬接觸部分沒有擴(kuò)展到二極管芯片整個長度外，其他部分的長度與條形激光器相同。結(jié)構(gòu)目的是既有很高的輸出功率而又不產(chǎn)生激射振蕩，因?yàn)橐馆敵龉β试黾?，最簡單辦法是

24、增大注入電流，但是，過高的注入電流可能會導(dǎo)致激射振蕩。非泵浦的后尾部區(qū)域是后向光波的吸收體，僅有前向光波被放大。LED特性特性1. 光譜特性光譜特性由于LED沒有光學(xué)諧振腔以選擇波長，所以它的光譜是以自發(fā)發(fā)射為主的光譜，發(fā)光譜線較寬。p1波長（m）相對功率121.201.350.52. P-I特性特性100邊發(fā)光二極管P (mW) I (mA)LD面發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管200123LED與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。直接耦合是將光纖端面直接對準(zhǔn)光源發(fā)光面進(jìn)行耦合的方法。當(dāng)光源發(fā)光面積大于纖芯面積時，這是一種唯一有效的方法這種直接耦合的方法結(jié)構(gòu)簡單，但耦合效率低。 當(dāng)

25、光源發(fā)光面積小于纖芯面積時，可在光源與光纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光線會聚進(jìn)入光纖來提高耦合效率。下圖為面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合，其中 (a)中光纖端部做成球透鏡， (b)中采用截頭透鏡， (c)采用集成微透鏡。采用這種透鏡耦合后，其耦合效率可以達(dá)到10%左右。二、半導(dǎo)體激光二極管二、半導(dǎo)體激光二極管 半導(dǎo)體激光二極管是在光纖傳感系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的一種光源，輸出光由非相干光變?yōu)榱讼喔晒?。半?dǎo)體激光二極管作為激光器的一種，同樣也必須滿足有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光反饋兩個要求。 半導(dǎo)體激光二極管效率高、體積小，波長范圍較寬，價格低，在光纖傳感中使用非常方便，特別是在光纖混合傳感器中，經(jīng)常采用較大功率

26、的激光二極管作為光源，通過光電轉(zhuǎn)換后給傳感器探頭提供電功率。目前，用這種方式實(shí)現(xiàn)的光推動溫度、壓力等傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用化了。 LD是基于受激發(fā)射的原理工作的，實(shí)際上，半導(dǎo)體激光器所發(fā)射出的光波長不是單一值。造成這種現(xiàn)象的原因有兩個：一是半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價帶都是由許多能級組成的，它們所具備的能量有微小差別；二是半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)受摻雜和晶體缺陷影響較大，使得禁帶寬度有微小的變化，所以用下式計算出的波長是有一定的范圍的量。ggEEhc24. 1在光的受激發(fā)射過程中必須保持能量和動量的守恒。禁帶形狀是與動量有關(guān)的，依照禁帶的形狀，可將半導(dǎo)體分成直接帶隙和間接帶隙兩種。只有直接帶隙半導(dǎo)體材料才能制作發(fā)光器件，

27、這類材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。電子躍遷導(dǎo)帶禁帶價帶動量（a） 直接帶隙kp電子躍遷導(dǎo)帶禁帶價帶動量（b） 間接帶隙Ep2. LD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)通常是一個多層條形的結(jié)構(gòu)，有源層、限制層和端鏡面構(gòu)通常是一個多層條形的結(jié)構(gòu)，有源層、限制層和端鏡面構(gòu)成了基本部分。成了基本部分。電極出光面N-GaAs前端鏡面電極N-AlGaAsGaAsP-AlGaAsN-GaAs（1）有源層和限制層）有源層和限制層有源層的材料是P型砷化鎵GaAs材料，限制層分別是P型和N型砷化鎵鋁AlGaAs材料，在它們的界面上分別形成兩個PN結(jié)，我們把這類由異種半導(dǎo)體相接的結(jié)構(gòu)稱為雙異質(zhì)結(jié)，圖（a）畫出了雙異

28、質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖（b）是它的能帶。(a)能量電子空穴EgpP-(AlGaAs)N-(AlGaAs)P-(GaAs)(b)(c)(d)折射率光場分布EgnEg因?yàn)橄拗茖拥慕麕挾菶gn、Egp比有源層的Eg要寬，其導(dǎo)帶所處的能量要比有源層的導(dǎo)帶高，所以就形成了異質(zhì)勢壘，使注入到有源層的電子、空穴被封閉在有源區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了載流子的限制作用。只要外加很小的電流，注入電子和空穴的濃度就增大，從而提高了增益。 另一方面，由于限制層的折射率比有源層低，見圖（c），所以形成了一個光波導(dǎo)折射率分布，在有源層內(nèi)電子和空穴復(fù)合而輻射的激光，被封閉在有源層內(nèi)，見圖（d）。 （2）端鏡面激光器兩端是端鏡面，兩者是平

29、行的，同時又是非常平坦光亮的，它可以使有源層產(chǎn)生的光部分逸出，因此端鏡面和有源層構(gòu)成了光的容器。另外，有源層里產(chǎn)生的光不斷從兩端反射，形成光的振蕩。隨著電流不斷注入，光逐漸被放大并趨于穩(wěn)定的輸出狀態(tài)。3. LD閾值條件閾值條件在激光器工作過程中，光在諧振腔內(nèi)傳播，除了增益介質(zhì)的光放大作用外，還存在工作物質(zhì)的吸收、介質(zhì)不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗情況，只有光波在諧振腔內(nèi)往復(fù)一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減，激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出。增益介質(zhì)反射鏡面有源區(qū) PN注入電流 F-P光學(xué)諧振腔設(shè)增益介質(zhì)的增益和損耗分別為G和，諧振腔內(nèi)光功率隨距離z的變化可表示為 （

30、1）式中，P(0)為z0處的光功率。光束在腔內(nèi)一個來回時，兩次通過增益介質(zhì)，這時的光增益為 （2）式中，L為腔長。設(shè)兩個鏡面的反射系數(shù)為rl和r2，建立光振蕩的條件為 （3）將（2）式代入（3）式，可得 （4）這就是產(chǎn)生激光的閾值條件。式中第一項(xiàng)是增益介質(zhì)的損耗，第二項(xiàng)表示通過反射鏡的損耗。只有當(dāng)注入電流滿足閾值條件時，才迅速出現(xiàn)激光輸出。zGPzP)(exp)0()(LGPLP)(2exp)0()2()0()2(21PLPrr1)(2exp21LGrr4. LD縱?？v模在兩平面反射鏡之間形成了一穩(wěn)定的振蕩，振蕩頻率可由諧振條件或稱駐波條件得到。在諧振腔中，光波是在兩平面反射鏡之間往復(fù)傳輸?shù)模?/p>

31、只有平面鏡間距離是半波長的整數(shù)倍時，光波才能得到彼此加強(qiáng)，即 (9)式中，為光波的波長，n為增益介質(zhì)的折射率，m=1，2，。利用，可將上式重寫成 （10）式中，f為光波的頻率，c為光速。顯然，激光器中振蕩的光頻率只能取某些分立值，m的一系列取值對應(yīng)于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分布就是一個激光器的縱模。腔內(nèi)的縱模很多，只有那些有增益且增益大于損耗的模式才能在激光的輸出光譜中存在。若只剩下一個模稱為單縱模激光器，否則稱為多縱模激光器。相鄰兩縱模之間的頻率之差 (11)nmL2nLcmf2nLcf2、 LD的性質(zhì)的性質(zhì)1. P-I特性特性當(dāng)注入電流小于閾值電流Ith時，器件發(fā)出微弱

32、的自發(fā)輻射光，是非相干的熒光；當(dāng)注入電流超過閾值時，器件進(jìn)入受激發(fā)射狀態(tài)，發(fā)出的光是相干激光，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線性關(guān)系。 閾值電流Ith是激光器的重要參數(shù)，該值越小、越穩(wěn)定，說明激光器的設(shè)計和制造工藝越好。 激光器的PI特性對溫度很敏感，隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。閾值電流與溫度的關(guān)系可以表示為為 )exp()(00TTITIth、LD的類型的類型1. 分布反饋激光器分布反饋激光器FP激光器存在著多個縱模。因?yàn)樽V寬較寬，它與光纖的色散作用后，會導(dǎo)致光脈沖產(chǎn)生較大的展寬，從而限制了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速率。而分布反饋激光器是單縱模激光器，其邊模抑制比MSR

33、達(dá)到了30dB，譜寬達(dá)到了50MHz以下，具有非常好的單色性和方向性，由于它沒有使用晶體解理面作為反射鏡，所以更容易集成化，應(yīng)用前景十分誘人。利用分布反饋原理制成的激光器分成兩類：一類是分布反饋激光器，另一類是分布布拉格反射激光器。（1）DBR激光器DBR激光器在有源層的附近增加了一段分布式布拉格光柵，它起著衍射光柵的作用。反射光經(jīng)光柵相長干涉，相長干涉的條件是反射光波長等于兩倍光柵間距， 式中，是介質(zhì)折射率，整數(shù)m代表布拉格衍射階數(shù)，m1時相長干涉最強(qiáng)。2nmBP有 源區(qū)布拉格光柵N光 輸出DBR激光器的結(jié)構(gòu)（2）DFB激光器它沒有集總反射的諧振腔反射鏡，靠有源層上的布拉格光柵使有源層的光波

34、產(chǎn)生部分反射，滿足布拉格反射條件的特定波長的光會相長干涉， 式中， n是有效折射率，L是衍射光柵有效長度，m是整數(shù)，B是布拉格波長。由于制造過程或者有意使其不對稱，只能產(chǎn)生一個模式。光的波長非?？拷麭。分布反饋激光器可以通過改變光柵的周期來調(diào)整發(fā)射波長。DFB激光器的結(jié)構(gòu)) 1(22mnLBBmP有源區(qū)布拉格反射器N光輸出L2. 量子阱激光器量子阱激光器 一般雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器的有源層的最佳厚度約為0.15m，電子的輻射躍遷發(fā)生在兩個能量之間，但當(dāng)其有源層厚度減至可以和波爾半徑(150 nm)相比擬時，半導(dǎo)體的性質(zhì)將發(fā)生根本變化，此時，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量、載流子運(yùn)動性質(zhì)會出現(xiàn)新的效應(yīng)量子效應(yīng)，相應(yīng)的勢阱稱為量子阱，這種結(jié)構(gòu)的激光器稱為量子阱激光器。 量子阱激光器具有低閾