光電檢測技術2

1、 光電檢測中光電檢測中:電光源是最常用的。按光波的時、電光源是最常用的。按光波的時、空相位特征，光源分成空相位特征，光源分成相干光源相干光源和和非相干光源非相干光源：第第2章章 光電檢測中的常用光源光電檢測中的常用光源電子學中：電子學中：電源電源，光電子學中第一個接觸的是，光電子學中第一個接觸的是光源光源。相干光源有：相干光源有：激光、非線性光學器件。激光、非線性光學器件。非相干光源有：顯示光源、照明光源和信息處理光源。非相干光源有：顯示光源、照明光源和信息處理光源。 照明光源：太陽、白熾燈、黑體輻射器、氣體放照明光源：太陽、白熾燈、黑體輻射器、氣體放電燈等。電燈等。顯示光源：顯示光源：CRT

2、、PDP、LCD、ELD。 照明光源照明光源:著重強調電能轉換為光能的效率和顏色著重強調電能轉換為光能的效率和顏色; 相干光源相干光源:其光波能在時間和空間上其光波能在時間和空間上相位同步相位同步。顯示光源顯示光源著重強調圖像的著重強調圖像的清晰度、飽和度和對比度。清晰度、飽和度和對比度。即一種無限連續(xù)光波即一種無限連續(xù)光波PdVKPemvv780380)()(2.1 2.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù) 特性參數(shù)主要有：特性參數(shù)主要有：輻射效率和發(fā)光效率、輻射效率和發(fā)光效率、光譜功光譜功率分布、空間光強分布、率分布、空間光強分布、光源的顏色和光源的色溫。光源的顏色和光源的色溫。1.1.輻射效

3、率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率PdPeee21)( 光源的光通量與光源的光通量與產(chǎn)生光通量所需的產(chǎn)生光通量所需的電功率之比，是光電功率之比，是光源的發(fā)光效率源的發(fā)光效率 在給定在給定1 12 2波長范圍內，某一輻射源發(fā)出的波長范圍內，某一輻射源發(fā)出的輻射通量輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率電功率之比，稱之比，稱為該輻射源在給定光譜范圍內的輻射效率為該輻射源在給定光譜范圍內的輻射效率2.光譜功率分布光譜功率分布 光譜功率分布有四種：光譜功率分布有四種：線狀光譜、帶狀光譜線狀光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜和混合光譜。、連續(xù)光譜和混合光譜。 光源發(fā)出的一般是復色光，而且在不同

4、頻率光源發(fā)出的一般是復色光，而且在不同頻率上輻射出的光功率的大小不同。光功率和頻率的上輻射出的光功率的大小不同。光功率和頻率的這種關系，用光譜功率分布來描述。這種關系，用光譜功率分布來描述。線狀光譜線狀光譜帶狀光譜帶狀光譜經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布稱為相對光譜功率分布 在在紫外分光光度計中紫外分光光度計中，通常使用氘燈、汞氙燈，通常使用氘燈、汞氙燈等紫外輻射較強的光源。等紫外輻射較強的光源。 選擇光源：選擇光源：光譜功率分布光譜功率分布應由測量對象的要求應由測量對象的要求來決定。來決定。 對對目視光學系統(tǒng)目視光學系統(tǒng):一般采用可見區(qū)光譜輻射比較一般

5、采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。豐富的光源。 對對彩色攝影彩色攝影:采用類似于日光色的光源，如鹵鎢采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。燈、氙燈等?；旌瞎庾V混合光譜連續(xù)光譜連續(xù)光譜2.1.3 空間光強分布空間光強分布 在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，在空間某一截面上，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比，稱矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比，稱其為發(fā)其為發(fā)光強度矢量光強度矢量。 把各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面把各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強度分布曲線，也稱配光曲線。上的發(fā)光強度分布曲線，也稱配光曲線。 常用發(fā)光強度常用發(fā)光強度矢量和

6、發(fā)光強度曲矢量和發(fā)光強度曲線來描述光源的線來描述光源的空空間光強分布間光強分布。右圖。右圖為氣體發(fā)光源的光為氣體發(fā)光源的光強分布圖。強分布圖。 為了提高光的利用率為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度大，一般選擇發(fā)光強度大的方向作為照明方向。為了利用背面方向的光輻的方向作為照明方向。為了利用背面方向的光輻射，可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦射，可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的發(fā)光中心上。點位于光源的發(fā)光中心上。 用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的源的色表色表。例：高壓鈉燈色表呈。例：高壓鈉燈色表呈黃色黃色，熒光燈色，熒光燈色表

7、呈白色。表呈白色。 2.1.4 2.1.4 光源的顏色光源的顏色光源的顏色包含兩方面含義：光源的顏色包含兩方面含義：色表和顯色性色表和顯色性。 當光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色與該物體當光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，就是在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，就是該光源的該光源的顯色性。顯色性。 或者說物體反射光在人眼或者說物體反射光在人眼內產(chǎn)生的顏色感覺內產(chǎn)生的顏色感覺2.1.5 2.1.5 光源的色溫光源的色溫 黑體的溫度與它的輻射特性是一一對應的。從光黑體的溫度與它的輻射特性是一一對應的。從光源顏色與其溫度的關系，引出了顏色溫度的概念源顏色

8、與其溫度的關系，引出了顏色溫度的概念( (即色即色溫溫) )。 色溫色溫: :如果輻射源發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下如果輻射源發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射出的光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的輻射出的光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。色溫。 若一個光源的顏色與任何溫度下的黑體輻射的若一個光源的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關色溫表示。顏色都不相同，這時的光源用相關色溫表示。一般光源，經(jīng)常一般光源，經(jīng)常用色溫、相關色溫和分布溫度表示。用色溫、相關色溫和分布溫度表示。 相關色溫相關色溫: :在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某在均勻

9、色度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱一溫度下的黑體輻射的色坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為這個光源的相關色溫。為這個光源的相關色溫。 分布溫度分布溫度: :輻射源在某一波長范圍內輻射的相對光譜輻射源在某一波長范圍內輻射的相對光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為這個輻射源的分布溫度一致，那么該黑體的溫度就稱為這個輻射源的分布溫度。 選擇光源選擇光源: 應綜合考慮應綜合考慮光源的強度、穩(wěn)定性和光源的強度、穩(wěn)定性和光譜特性光譜特性等性能等性能。 根據(jù)根據(jù)斯蒂

10、芬斯蒂芬-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律知，物體只要其溫度知，物體只要其溫度大于絕對零度大于絕對零度，就會向外界輻射能量，其，就會向外界輻射能量，其輻射特性輻射特性與溫度的四次方與溫度的四次方有關。有關。2.2 熱輻射源熱輻射源4( )eBMTT 熱輻射源有熱輻射源有：太陽、白熾燈、黑體輻射器、：太陽、白熾燈、黑體輻射器、氣體放電燈等。氣體放電燈等。 物體由于溫度較高而向周圍溫度較低環(huán)境發(fā)射物體由于溫度較高而向周圍溫度較低環(huán)境發(fā)射能量的形式稱為能量的形式稱為熱輻射熱輻射，這種物體稱為，這種物體稱為熱輻射源熱輻射源 在大氣層外，太陽對地球的輻照度值在不同的光譜在大氣層外，太陽對地球的輻照度值在不同的光

11、譜區(qū)所占的百分比為區(qū)所占的百分比為 紫外區(qū)紫外區(qū)(0.78 ) 47.29%mmm2.2.1 太陽太陽 太陽直徑約為太陽直徑約為1.392109m。它到地球的年平均。它到地球的年平均距離是距離是1.4961011m。從地球上觀看太陽時，太陽的。從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有張角只有0.533o。平均輻亮度平均輻亮度：2.01107Wm-2sr-l 平均亮度平均亮度：1.95109cdm-2。太陽光譜能量分布相當于太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射左右的黑體輻射 輻射到地球上的太陽光，要穿過一層很厚的大輻射到地球上的太陽光，要穿過一層很厚的大氣層，因而氣層，因而太陽光太陽光在在光

12、譜、空間分布、能量大小、光譜、空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)偏振狀態(tài)等方面都發(fā)生了變化。等方面都發(fā)生了變化。標準海平面上太陽的光譜輻射照度曲線標準海平面上太陽的光譜輻射照度曲線 光通過大氣光通過大氣層時層時, ,大氣層大氣層在在不同程度上吸收不同程度上吸收太陽輻射，而且太陽輻射，而且它們都是光譜選它們都是光譜選擇性的吸收介質。擇性的吸收介質。2.2.黑體模擬器黑體模擬器 在許多光電儀器中，往往需要輻射源的溫度特性在許多光電儀器中，往往需要輻射源的溫度特性和光譜特性與理想黑體的特性相似。這種輻射源常稱和光譜特性與理想黑體的特性相似。這種輻射源常稱為為黑體模擬器黑體模擬器，也稱，也稱基準輻射源基準輻

13、射源。 工程黑體的內腔呈簡單的幾何形狀：工程黑體的內腔呈簡單的幾何形狀：球形、錐球形、錐形、圓柱型形、圓柱型，或者是這些形狀的組合。，或者是這些形狀的組合。 幾種工幾種工程黑體程黑體的典型的典型結構結構 目前的黑體模擬器最高工作溫度為目前的黑體模擬器最高工作溫度為30003000K，而實，而實際應用的大多是在際應用的大多是在20002000K以下以下。 黑體模擬器黑體模擬器的的結構結構： 對黑體爐的要求對黑體爐的要求: :保溫：保溫：外壁包一層較厚可以長外壁包一層較厚可以長時間承受高溫的熱絕緣材料時間承受高溫的熱絕緣材料; ; 加熱加熱：用電加熱線圈，：用電加熱線圈，但線圈繞制、排列應保證均勻

14、加熱但線圈繞制、排列應保證均勻加熱; ; 測溫測溫：用高精：用高精度的熱電偶檢測輻射器空腔內的溫度度的熱電偶檢測輻射器空腔內的溫度; ; 尺寸尺寸: :為了使為了使溫度均勻穩(wěn)定，全輻射器空腔的幾何尺寸的溫度均勻穩(wěn)定，全輻射器空腔的幾何尺寸的內腔長內腔長度度和和出口直徑出口直徑比比l/d1.51.5。 實用基準輻射源稱為黑體爐，由石墨制做。實用基準輻射源稱為黑體爐，由石墨制做。 發(fā)光特性穩(wěn)定發(fā)光特性穩(wěn)定, ,壽命長壽命長, ,使用和量值復現(xiàn)方便使用和量值復現(xiàn)方便, ,因而也可用作各種輻射度量和光度量的標準光源。因而也可用作各種輻射度量和光度量的標準光源。3.3.白熾燈白熾燈 白熾燈白熾燈是光電測

15、量中最常用的光源之一。白熾是光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是燈發(fā)射的是連續(xù)光譜連續(xù)光譜，在，在可見光譜段中部可見光譜段中部和黑體輻和黑體輻射曲線相差約射曲線相差約0.50.5，在整個光譜段內和黑體輻射，在整個光譜段內和黑體輻射曲線平均相差曲線平均相差2 2。白熾燈白熾燈有真空鎢絲燈、充氣鎢絲燈和鹵鎢燈等。有真空鎢絲燈、充氣鎢絲燈和鹵鎢燈等。 充氣鎢絲白熾燈充氣鎢絲白熾燈：內部充入和鎢不發(fā)生化學反：內部充入和鎢不發(fā)生化學反應的氬、氮等惰性氣體，使由燈絲蒸發(fā)出來的鎢原應的氬、氮等惰性氣體，使由燈絲蒸發(fā)出來的鎢原子在和惰性氣體原子碰撞時，部分鎢原子能返回燈子在和惰性氣體原子碰撞時，部分鎢原

16、子能返回燈絲。這樣可以抑制鎢蒸發(fā)，使燈的工作溫度可提高絲。這樣可以抑制鎢蒸發(fā)，使燈的工作溫度可提高到到2700K3000K，發(fā)光效率提高到，發(fā)光效率提高到17lm/W。 鎢的再生循環(huán)：鎢的再生循環(huán)：在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán)在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán): :即蒸發(fā)的鎢和玻璃殼附近的鹵素合成即蒸發(fā)的鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物鹵鎢化合物，該，該鹵鎢化合物擴散到溫度較高的燈絲周圍時，又分解成鹵鎢化合物擴散到溫度較高的燈絲周圍時，又分解成鹵素和鎢鹵素和鎢。鎢重新沉積在燈絲上，鹵素被擴散到溫度。鎢重新沉積在燈絲上，鹵素被擴散到溫度較低的燈泡壁區(qū)域再繼續(xù)與鎢化合。較低的燈泡壁區(qū)域再繼續(xù)與鎢化合。

17、氯化碘和溴化硼氯化碘和溴化硼鹵鎢循環(huán)延長了燈鹵鎢循環(huán)延長了燈的壽命。燈的色溫的壽命。燈的色溫可達可達32003200K，發(fā)光效，發(fā)光效率提高到率提高到3030lm/ /W。也可在燈泡內充入也可在燈泡內充入鹵鎢循環(huán)劑鹵鎢循環(huán)劑。2.3 氣體放電光源氣體放電光源 也稱氣體燈。也稱氣體燈。制作時在燈中充入發(fā)光用的氣制作時在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氦、氖、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、體，如氦、氖、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鈉、鉈、鏑等，這些元素的原子在電場作用下電鈉、鉈、鏑等，這些元素的原子在電場作用下電離出電子和離子。離出電子和離子。氣體放電原理氣體放電原理: 當當離子向陰極、電子向陽極離子向陰極

18、、電子向陽極運動時，從電場中運動時，從電場中得到加速，當它們與氣體原子或分子高速碰撞時會得到加速，當它們與氣體原子或分子高速碰撞時會激勵出新的電子和離子。在碰撞過程中有些電子會激勵出新的電子和離子。在碰撞過程中有些電子會躍遷到高能級，引起原子的激發(fā)。受激原子回到低躍遷到高能級，引起原子的激發(fā)。受激原子回到低能級時就會發(fā)射出相應的輻射能級時就會發(fā)射出相應的輻射. 由于這些特點，氣體放電光源具有很強的由于這些特點，氣體放電光源具有很強的競爭力競爭力，在光電測量和照明中得到在光電測量和照明中得到廣泛使用廣泛使用。 4. 光色適應性強，可在較大范圍內選擇光色適應性強，可在較大范圍內選擇。氣體放電光源具

19、有的特點：氣體放電光源具有的特點：發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高210倍。倍。3. 壽命長。一般比白熾燈壽命長壽命長。一般比白熾燈壽命長210倍。倍。2. 由于不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固、緊湊、由于不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固、緊湊、 耐震、抗沖擊。耐震、抗沖擊。 特點特點：在極短的時間內發(fā)出很強的光輻射，其結：在極短的時間內發(fā)出很強的光輻射，其結構和構和工作電路為工作電路為2.3.1 脈沖燈脈沖燈工作原理：工作原理：電源電源U0經(jīng)電阻經(jīng)電阻R，使儲能電容，使儲能電容C充電到工充電到工作電壓作電壓Uc。Uc一般低于脈沖燈的自擊穿電壓一般低于脈

20、沖燈的自擊穿電壓Us，而，而高于燈的著火電壓高于燈的著火電壓Uz。脈沖燈的燈管外繞有觸發(fā)絲。脈沖燈的燈管外繞有觸發(fā)絲。在觸發(fā)絲上施加高的脈沖電壓，使燈管內產(chǎn)生電離在觸發(fā)絲上施加高的脈沖電壓，使燈管內產(chǎn)生電離火花線，火花線大大減小了燈的內阻，使燈火花線，火花線大大減小了燈的內阻，使燈著著火火。產(chǎn)生極強的閃光。產(chǎn)生極強的閃光。 除激光器外，脈沖燈是最亮的光源。除激光器外，脈沖燈是最亮的光源。廣泛用作廣泛用作攝影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源攝影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源 氙燈內充有惰性氣體氙燈內充有惰性氣體-氙，由兩個電極之間的氙，由兩個電極之間的電弧放電而發(fā)出強光電弧放電而發(fā)出強光.

21、氙燈的輻射光譜是氙燈的輻射光譜是連續(xù)的連續(xù)的，與，與日光的光譜能量分布相接近；日光的光譜能量分布相接近； 色溫約色溫約6000K左右，顯色指數(shù)左右，顯色指數(shù)90以上，有以上，有“小小太陽太陽”之稱。之稱。 氙燈分為氙燈分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。三種。長弧氙燈的發(fā)光效率為長弧氙燈的發(fā)光效率為2530lm/W 氘燈的紫外線輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長氘燈的紫外線輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長，常用作各種紫外分光光度計的連續(xù)紫外光源。常用作各種紫外分光光度計的連續(xù)紫外光源。 常見的脈沖燈還有常見的脈沖燈還有氘燈氘燈。氘燈內充有高純度的氘燈內充有高純度的氘氣，是一

22、種熱陰極弧光放電燈氘氣，是一種熱陰極弧光放電燈。氘燈的陰極是直。氘燈的陰極是直熱式氧化物陰極，陽極用熱式氧化物陰極，陽極用0.5毫米厚的鉭皮做成，中毫米厚的鉭皮做成，中心正對口，燈泡由紫外透射性能比較好的石英玻璃心正對口，燈泡由紫外透射性能比較好的石英玻璃制成。制成。 氘燈的氘燈的外形及外形及其紫外其紫外光譜分光譜分布圖。布圖。 原子光譜燈又稱空心陰極燈，其結構如下圖所示。原子光譜燈又稱空心陰極燈，其結構如下圖所示。陽極和圓筒形陰極封在玻殼內，玻殼上部有一陽極和圓筒形陰極封在玻殼內，玻殼上部有一透明石透明石英窗英窗。工作時窗口透射出放電輝光，其中主要是陰極。工作時窗口透射出放電輝光，其中主要是

23、陰極金屬的原子光譜金屬的原子光譜. . 2.3.2原子光譜燈原子光譜燈主要作用主要作用：引出標準：引出標準譜線的光束；確定標譜線的光束；確定標準譜線的分光位置；準譜線的分光位置；確定吸收光譜中的特確定吸收光譜中的特征波長等。征波長等。主要用途主要用途：元素、微：元素、微量元素光譜分析的裝量元素光譜分析的裝置中置中 2.3.3 汞燈汞燈光譜能量分布：光譜能量分布： 低壓汞燈低壓汞燈發(fā)射發(fā)射253.7nm253.7nm的紫外線的紫外線; ;高壓汞燈高壓汞燈可見可見光成分較多，高壓汞燈內的氣壓有光成分較多，高壓汞燈內的氣壓有1 15 5個大氣壓，個大氣壓，超超高壓汞燈高壓汞燈內的氣壓有內的氣壓有10

24、-20010-200個大氣壓。個大氣壓。 分類分類低壓汞燈低壓汞燈高壓汞燈高壓汞燈超高壓汞燈超高壓汞燈2.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源又稱固體發(fā)光光源又稱平板發(fā)光器件或平板顯示器平板發(fā)光器件或平板顯示器。平板顯示器的厚度較薄，看上去就像一塊平板。平板顯示器的厚度較薄，看上去就像一塊平板。平板顯示平板顯示(FPD)主動發(fā)光型主動發(fā)光型被動發(fā)光型被動發(fā)光型主動發(fā)光型：主動發(fā)光型：媒質自己發(fā)光媒質自己發(fā)光被動發(fā)光型：被動發(fā)光型：靠媒質調制外部光源實現(xiàn)信息顯示靠媒質調制外部光源實現(xiàn)信息顯示 按媒質和工作原理分：按媒質和工作原理分：液晶顯示液晶顯示(LCD)、等離、等離子體顯示子體顯示(PD

25、P)、電致發(fā)光顯示、電致發(fā)光顯示(ELD)和場致發(fā)光顯和場致發(fā)光顯示示(FED)2.4.12.4.1場致發(fā)光光源場致發(fā)光光源 場致發(fā)光場致發(fā)光是固體在電場的作用下將電能直接轉是固體在電場的作用下將電能直接轉換為光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱換為光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱電致發(fā)光電致發(fā)光。1交流粉末場致發(fā)光屏交流粉末場致發(fā)光屏1-玻璃板；玻璃板；2-熒光粉層；熒光粉層；3-高介電常數(shù)反射層；高介電常數(shù)反射層；4-4-鋁箔；鋁箔；5-5-玻璃板；玻璃板；6-6-透明導電膜。透明導電膜。 透明導電膜用氧化錫；高介電常數(shù)反射層用搪瓷透明導電膜用氧化錫；高介電常數(shù)反射層用搪瓷或鈦酸鋇；熒光粉層由或鈦酸鋇；熒光粉層由Zn

26、S、樹脂和搪瓷等混合，厚、樹脂和搪瓷等混合，厚度很薄。玻璃板起支撐、保護和透光作用。度很薄。玻璃板起支撐、保護和透光作用。 工作特性工作特性與所加電壓與所加電壓U和和頻率頻率f 有關，有關，當當f 一定時，一定時，發(fā)發(fā)光亮度的經(jīng)驗公式為光亮度的經(jīng)驗公式為 )(exp2/ 100VVLL 工作原理：工作原理：發(fā)光屏兩電極間距離很小，只有幾發(fā)光屏兩電極間距離很小，只有幾十微米，在微小電壓作用下，得到足夠高的電場強十微米，在微小電壓作用下，得到足夠高的電場強度，如度，如E=104V/cm。粉層中自由電子粉層中自由電子在強電場作用在強電場作用下加速獲得很高的能量，撞擊發(fā)光中心，使其受激下加速獲得很高的

27、能量，撞擊發(fā)光中心，使其受激而處于激發(fā)態(tài)。當激發(fā)態(tài)復原為基態(tài)時產(chǎn)生復合發(fā)而處于激發(fā)態(tài)。當激發(fā)態(tài)復原為基態(tài)時產(chǎn)生復合發(fā)光。由于熒光粉與電極間有高介電常數(shù)的絕緣層，光。由于熒光粉與電極間有高介電常數(shù)的絕緣層，自由電子并不導走，而是被束縛在陽極附近。自由電子并不導走，而是被束縛在陽極附近。 交流粉末發(fā)光屏材料交流粉末發(fā)光屏材料:硫化鋅硫化鋅(ZnS)，發(fā)光為綠，發(fā)光為綠色，峰值波長為色，峰值波長為0.480.52m之間，發(fā)光亮度下降之間，發(fā)光亮度下降到初始值的到初始值的1/31/4所對應的壽命約為所對應的壽命約為3000小時。小時。 發(fā)光屏結構與交流發(fā)光屏相似，它依靠傳導電發(fā)光屏結構與交流發(fā)光屏相似

28、，它依靠傳導電流產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。常用的發(fā)光材料是流產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。常用的發(fā)光材料是ZnS:Mn、Cu，發(fā)橙黃色的光。發(fā)橙黃色的光。 直流發(fā)光屏亮度較高直流發(fā)光屏亮度較高，亮度隨傳導電流的增大而，亮度隨傳導電流的增大而迅速上升。迅速上升。優(yōu)點是驅動電路簡單、制造工藝簡單和成優(yōu)點是驅動電路簡單、制造工藝簡單和成本低。本低。 2.4.2直流粉末場致發(fā)光屏直流粉末場致發(fā)光屏 優(yōu)點優(yōu)點:光發(fā)射角大、光線柔和光發(fā)射角大、光線柔和,壽命長、功耗小、壽命長、功耗小、發(fā)光響應速度快、不發(fā)熱。發(fā)光響應速度快、不發(fā)熱。缺點缺點:發(fā)光亮度低，驅發(fā)光亮度低，驅動電壓高和老化快。動電壓高和老化快。 薄膜發(fā)光屏與粉末發(fā)光屏形式

29、上很相似，但是薄膜發(fā)光屏與粉末發(fā)光屏形式上很相似，但是很?。s很薄（約1 1微米左右）微米左右） 薄膜發(fā)光屏薄膜發(fā)光屏特點特點: :均勻致密、分辨力高，對比度均勻致密、分辨力高，對比度好，驅動電壓低好，驅動電壓低。可用于隱蔽照明，固體雷達屏幕顯。可用于隱蔽照明，固體雷達屏幕顯示和數(shù)碼顯示等。示和數(shù)碼顯示等。 2.4.32.4.3薄膜場致發(fā)光屏薄膜場致發(fā)光屏 在薄膜的兩電極間施加適當?shù)碾妷壕涂砂l(fā)光。在薄膜的兩電極間施加適當?shù)碾妷壕涂砂l(fā)光。一般有一般有交流和直流薄膜電致發(fā)光屏兩種形式交流和直流薄膜電致發(fā)光屏兩種形式。交流交流橙和綠橙和綠兩種顏色兩種顏色，直流主要有直流主要有橙黃和綠橙黃和綠兩種顏色

30、。兩種顏色。 1-1-防潮層；防潮層；2-2-第一電極；第一電極；3-3-硫化鋅薄膜；硫化鋅薄膜；4-4-透明導電層；透明導電層；5-5-玻璃基板玻璃基板 場致發(fā)光光源優(yōu)點場致發(fā)光光源優(yōu)點(1)1) 固體化、平板化，因而可靠、安全、占地小，固體化、平板化，因而可靠、安全、占地小， 易于安裝；易于安裝； (2)(2) 面積、形狀幾乎不受限制，因此可以通過光刻、面積、形狀幾乎不受限制，因此可以通過光刻、透明導電膜和金屬電極掩蔽鍍膜的方法，制成任意透明導電膜和金屬電極掩蔽鍍膜的方法，制成任意發(fā)光圖形；發(fā)光圖形； (3)(3) 屬于無紅外輻射的冷光源，因而隱蔽性好，對屬于無紅外輻射的冷光源，因而隱蔽性

31、好，對周圍環(huán)境沒有影響；周圍環(huán)境沒有影響； (4)(4) 視角大，光線柔和，易于觀察；視角大，光線柔和，易于觀察； (5)(5) 壽命長壽命長, ,可連續(xù)使用幾千小時，而發(fā)光不會突然可連續(xù)使用幾千小時，而發(fā)光不會突然全部熄滅；全部熄滅； (6)(6) 功耗低，約幾毫瓦厘米功耗低，約幾毫瓦厘米2 2； (7)(7) 發(fā)光易于通過電壓控制。發(fā)光易于通過電壓控制。(1)(1)特殊照明。特殊照明。(2)(2)數(shù)字、符號顯示。數(shù)字、符號顯示。(3)(3)模擬顯示。模擬顯示。 (4)(4)矩陣顯示，又叫交叉電極場致發(fā)光顯示。矩陣顯示，又叫交叉電極場致發(fā)光顯示。 (5)(5)圖象轉換及圖象增強。圖象轉換及圖

32、象增強。主要是主要是: :亮度較低亮度較低( (一般使用亮度為一般使用亮度為50cd/m2左右左右) )； 驅動電壓高驅動電壓高( (通常需上百伏通常需上百伏) )；老化快。；老化快。 場致發(fā)光光源用途場致發(fā)光光源用途場致發(fā)光光源缺點：場致發(fā)光光源缺點：2.4.2 2.4.2 其他平板顯示器件其他平板顯示器件1.1.液晶顯示（液晶顯示（LCDLCD）什么是液晶（什么是液晶（LCLC）? ?液態(tài)晶體的簡稱液態(tài)晶體的簡稱:在機械上具有液體的流動性在機械上具有液體的流動性,在光學上在光學上具有晶體性質的物質形態(tài)被命名為流動晶體具有晶體性質的物質形態(tài)被命名為流動晶體-液晶液晶.液晶的分類液晶的分類:

33、:熱致液晶和溶致液熱致液晶和溶致液晶晶 液晶是介于完全規(guī)則狀態(tài)液晶是介于完全規(guī)則狀態(tài)(如固態(tài)晶體如固態(tài)晶體)與不與不規(guī)規(guī)則狀態(tài)則狀態(tài)(如各向同性液體如各向同性液體)之間的中間態(tài)物質。之間的中間態(tài)物質。溶致液晶溶致液晶是指將某些有機物放人一定的溶劑中時，是指將某些有機物放人一定的溶劑中時，由于溶液破壞結晶晶格而形成的液晶。由于溶液破壞結晶晶格而形成的液晶。熱致液晶熱致液晶是指某些有機物加熱溶解后，由于加熱是指某些有機物加熱溶解后，由于加熱破壞晶體晶格而形成的液晶破壞晶體晶格而形成的液晶,目前用的較多目前用的較多.液晶顯示的工作原理液晶顯示的工作原理: : 液晶材料雙折射特性液晶材料雙折射特性:

34、:分子是長條結構分子是長條結構, ,沿分子長軸方向沿分子長軸方向光的折射率和沿垂直光的折射率和沿垂直長軸長軸方向的折射率不相等。折射率的各向方向的折射率不相等。折射率的各向異性產(chǎn)生入射光的雙折射，導致入射偏振光的偏振狀態(tài)和偏振異性產(chǎn)生入射光的雙折射，導致入射偏振光的偏振狀態(tài)和偏振方向發(fā)生變化。方向發(fā)生變化。 液晶材料分子的電極性液晶材料分子的電極性: 液晶分子中含有液晶分子中含有極性基團極性基團，使，使分子具有極性，如果分子的偶極矩方向與分子長軸平行，這分子具有極性，如果分子的偶極矩方向與分子長軸平行，這種液晶稱為種液晶稱為正性液晶正性液晶。如果偶極矩方向與分子長軸垂直，稱。如果偶極矩方向與分

35、子長軸垂直，稱為為負性液晶負性液晶。 液晶的電光效應種類液晶的電光效應種類:負性液晶的動態(tài)散射效應負性液晶的動態(tài)散射效應(DS)、電控雙、電控雙折射效應折射效應(ECB)，正性液晶的扭曲效應正性液晶的扭曲效應(TN)、超扭曲效應、超扭曲效應(STN)等。等。 在電場作用下，在電場作用下，偶極距按電場方向取向偶極距按電場方向取向，使分子的原有排，使分子的原有排列方式受到破壞，從而使液晶光學性能變化。列方式受到破壞，從而使液晶光學性能變化。這種因為外加電場的作用導致液晶光學性能發(fā)生變化的現(xiàn)象，這種因為外加電場的作用導致液晶光學性能發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為液晶的稱為液晶的光電效應光電效應。正性液晶的扭曲

36、效應正性液晶的扭曲效應:未加電場時未加電場時液晶的出射平面液晶的出射平面上分子的長軸方向相對入射平面上分子的長軸方上分子的長軸方向相對入射平面上分子的長軸方向旋轉了向旋轉了90. 檢偏片的方向與起偏片平行檢偏片的方向與起偏片平行:無電場時無電場時,旋轉過旋轉過90的偏振光被阻擋，因此無光輸出而呈暗態(tài)的偏振光被阻擋，因此無光輸出而呈暗態(tài);有電有電場時，場時，與內表面接觸的液晶分子仍沿基板表面平行與內表面接觸的液晶分子仍沿基板表面平行排列外，液晶盒內各層的液晶分子都沿與電場取向排列外，液晶盒內各層的液晶分子都沿與電場取向成垂直排列的狀態(tài)，此時通過液晶層的偏振光偏振成垂直排列的狀態(tài)，此時通過液晶層的

37、偏振光偏振方向不變，因而可以通過檢偏片而呈亮態(tài)。這就實方向不變，因而可以通過檢偏片而呈亮態(tài)。這就實現(xiàn)了負顯示現(xiàn)了負顯示,即黑底上白字顯示。即黑底上白字顯示。同樣，如果將起偏片和檢偏片的同樣，如果將起偏片和檢偏片的偏振軸相互正交粘貼，則可實現(xiàn)偏振軸相互正交粘貼，則可實現(xiàn)白底上黑字，稱為正顯示。白底上黑字，稱為正顯示。 等離子體顯示是利用惰性氣體在一定電壓作用等離子體顯示是利用惰性氣體在一定電壓作用下產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體，直接發(fā)射可見光下產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體，直接發(fā)射可見光或紫外線或紫外線（UV）進而激發(fā)熒光粉發(fā)光進而激發(fā)熒光粉發(fā)光, ,是一種主動是一種主動發(fā)光型器件。類似一個小熒光燈

38、發(fā)光型器件。類似一個小熒光燈, ,稱為稱為放電胞放電胞. .2.等離子體顯示等離子體顯示(PDP)Plasma Display Panel 等離子體等離子體是指正負電荷共存是指正負電荷共存,處于電中性的放電氣處于電中性的放電氣體的狀態(tài)。體的狀態(tài)。 等離子體顯示板等離子體顯示板(PDP)可以看成是由大量放電可以看成是由大量放電胞排列構成的一種主動發(fā)光型平板顯示器件。胞排列構成的一種主動發(fā)光型平板顯示器件。PDP特點有哪些特點有哪些? ?放電胞內壁涂覆的熒光體，是發(fā)白光放電胞內壁涂覆的熒光體，是發(fā)白光,而是發(fā)而是發(fā)三基色光三基色光:R-G-B 自然界中的一些物質在熱、光、電的刺激下其顏自然界中的一

39、些物質在熱、光、電的刺激下其顏色會發(fā)生變化。色會發(fā)生變化。電致變色電致變色是指在電的作用下是指在電的作用下, ,物質發(fā)生物質發(fā)生氧化還原反應氧化還原反應, ,使物質的顏色發(fā)生可逆性變化的現(xiàn)象。使物質的顏色發(fā)生可逆性變化的現(xiàn)象。用這一現(xiàn)象制作的顯示器件就叫作電致變色顯示。用這一現(xiàn)象制作的顯示器件就叫作電致變色顯示。 電泳是指懸浮在液體中的帶電粒子在外電場作用電泳是指懸浮在液體中的帶電粒子在外電場作用下定向移動并附著在電極上的現(xiàn)象。如果帶電粒子有下定向移動并附著在電極上的現(xiàn)象。如果帶電粒子有一定顏色，就可利用電泳實現(xiàn)信息顯示，這就是電泳一定顏色，就可利用電泳實現(xiàn)信息顯示，這就是電泳顯示。顯示。 真

40、空熒光顯示是利用氧化鋅系列熒光粉在數(shù)十真空熒光顯示是利用氧化鋅系列熒光粉在數(shù)十伏低能電子轟擊下發(fā)光而制成的顯示器件。伏低能電子轟擊下發(fā)光而制成的顯示器件。3.真空熒光顯示真空熒光顯示(VFD)4.電致變色顯示電致變色顯示(ECD)5. 電泳顯示電泳顯示(EPD)2.4.3 結型發(fā)光光源結型發(fā)光光源:發(fā)光二極管和發(fā)光二極管和激光二極管激光二極管 LED(Light Emitting Diode)，即發(fā)光二極管。是，即發(fā)光二極管。是一種半導體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導體芯一種半導體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導體芯片片作為發(fā)光材料作為發(fā)光材料,當兩端加上正向電壓，半導體中的少當兩端加上正向電壓

41、，半導體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復合，放出過剩的能量數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復合，放出過剩的能量而而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、橙、黃、綠、青、藍引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫、白色的光。紫、白色的光。發(fā)展歷史發(fā)展歷史: 1923年年:蘇聯(lián)蘇聯(lián),羅塞夫發(fā)現(xiàn)羅塞夫發(fā)現(xiàn)SiC中偶然形成的中偶然形成的PN結結中具有光輻射中具有光輻射. 1960年年:用用GaAsP外延技術制成第一只實用化的外延技術制成第一只實用化的紅光紅光LED,其后其后橙色橙色和和黃色黃色LED問世問世,從此從此LED得到得到迅速發(fā)展迅速發(fā)展. 70年代年代:實現(xiàn)實現(xiàn)綠光綠光LED.80年代初高亮度年代初高亮

42、度LED拓展了拓展了LED的應用范圍的應用范圍. 1991年年:利用利用MOCVD外延工藝制作的超高亮外延工藝制作的超高亮紅紅、橙橙、黃黃LED走出室外走出室外. 1994年年:GaN超高亮度超高亮度藍光藍光LED問世問世,其后超高亮其后超高亮度度綠光綠光LED 、紫光紫光LED研制成功研制成功,實現(xiàn)了實現(xiàn)了LED發(fā)光顏發(fā)光顏色在紅色在紅、橙橙、綠綠、藍藍、紫可見光全譜紫可見光全譜,為全色顯示奠為全色顯示奠定了基礎定了基礎. 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在是少數(shù)載流子在PN結區(qū)的注入與復結區(qū)的注入與復合而產(chǎn)生發(fā)光的一種結型發(fā)光器件，也稱作注入式場合而產(chǎn)生發(fā)光的一種結型發(fā)光器件，也稱作注入式

43、場致發(fā)光光源。致發(fā)光光源。1.發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管工作原理以以GaAs發(fā)光二極管為例說明工作原理發(fā)光二極管為例說明工作原理發(fā)光二極管發(fā)光二極管是 一 個 由是 一 個 由 P型 和型 和 N 型 半型 半導體組合成導體組合成的二極管的二極管 PN結正偏時結正偏時：在外電場作用下，：在外電場作用下，擴散與漂移的擴散與漂移的動態(tài)平衡被打破動態(tài)平衡被打破,電子和空穴就會克服內電場作用，電子和空穴就會克服內電場作用，電子從電子從N區(qū)橫越結區(qū)進入?yún)^(qū)橫越結區(qū)進入P區(qū)，空穴從區(qū)，空穴從P區(qū)橫越結區(qū)區(qū)橫越結區(qū)進入進入N區(qū)。在區(qū)。在耗盡層耗盡層里，電子能夠自發(fā)地與空穴復合里，電子能夠自發(fā)地與空穴復合而釋

44、放能量而釋放能量-產(chǎn)生光子，光子朝各個方向運動，產(chǎn)生光子，光子朝各個方向運動，這就這就形成了結型發(fā)光，就是形成了結型發(fā)光，就是LED。 把把受主材料受主材料摻到摻到GaAs中，就形成中，就形成P型半導體。型半導體。把把施主材料施主材料摻到摻到GaAs中中, ,就形成就形成N型半導體。當把型半導體。當把它們結合時，它們結合時，P型和型和N型之間就形成型之間就形成PN結結。 PN結未加偏壓時結未加偏壓時：在：在PN結內形成內電場，內電結內形成內電場，內電場阻礙電子從場阻礙電子從N區(qū)進入?yún)^(qū)進入P區(qū)，空穴從區(qū)，空穴從P區(qū)進入?yún)^(qū)進入N區(qū)。區(qū)。LED中，向各個方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。中，向各個方向發(fā)出的

45、光是自發(fā)發(fā)射的。 光強足夠高時，就開始受激發(fā)射，當光強足夠高時，就開始受激發(fā)射，當能量增益能量增益和和能量損耗能量損耗相匹配時，在復合層內逸出的每個光子都形相匹配時，在復合層內逸出的每個光子都形成一個或更多的光子。因此導致復合率不斷增加和不成一個或更多的光子。因此導致復合率不斷增加和不斷產(chǎn)生光子，最終在復合層里形成比自發(fā)發(fā)射高幾個斷產(chǎn)生光子，最終在復合層里形成比自發(fā)發(fā)射高幾個數(shù)量級的光強。數(shù)量級的光強。這就是激光二極管的簡單原理這就是激光二極管的簡單原理。 發(fā)光二極管發(fā)出的光子朝各個方向運動發(fā)光二極管發(fā)出的光子朝各個方向運動, ,為使其為使其能產(chǎn)生激光，必須限制和引導復合層里的光子，使光能產(chǎn)生

46、激光，必須限制和引導復合層里的光子，使光強增加到產(chǎn)生受激發(fā)射的程度。強增加到產(chǎn)生受激發(fā)射的程度。如在耗盡層里加入一如在耗盡層里加入一些鋁，可使光子的波長得到調節(jié)，復合層（耗盡層）些鋁，可使光子的波長得到調節(jié)，復合層（耗盡層）的折射率增高。在復合層里所形成的光子傾向于來回的折射率增高。在復合層里所形成的光子傾向于來回多次反射，于是光強得到加強。多次反射，于是光強得到加強。激光二極管發(fā)出的光是受激發(fā)射。激光二極管發(fā)出的光是受激發(fā)射。常用的二極管大部分是常用的二極管大部分是GaAs和和GaAlAs器件。器件。 外量子效率用外量子效率用 表示表示 eqGNTqe 2.2.發(fā)光二極管的特性參數(shù)發(fā)光二極管

47、的特性參數(shù) 二極管的量子效率有內量子效率和外量子效率之二極管的量子效率有內量子效率和外量子效率之分。內量子效率用符號分。內量子效率用符號 表示表示GNrqiqi(1)(1)量子效率量子效率Nr r為產(chǎn)生的光為產(chǎn)生的光子數(shù)；子數(shù)；G為注入的電為注入的電子空穴對數(shù)；子空穴對數(shù)；NT T為器件射出為器件射出的光子數(shù)。的光子數(shù)。 幾種發(fā)光二極管的光出射度與電流密度的關系幾種發(fā)光二極管的光出射度與電流密度的關系。 (2)(2)發(fā)光與電流的關系發(fā)光與電流的關系 發(fā)光二極管的光出射度與工作溫度有關。當環(huán)境發(fā)光二極管的光出射度與工作溫度有關。當環(huán)境溫度較高或工作電流過大時，容易出現(xiàn)溫度較高或工作電流過大時，容

48、易出現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象熱飽和現(xiàn)象，使用時必需加以考慮。使用時必需加以考慮。GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs和和GaP(綠色綠色)的發(fā)光二極管的發(fā)光二極管,其光出射度與電流密度其光出射度與電流密度近似地成正比增加近似地成正比增加,不易不易飽和飽和.而而GaP(紅色紅色)發(fā)光發(fā)光二極管則極易達到飽和。二極管則極易達到飽和。 發(fā)光二極管的材料直接決定發(fā)光顏色，目前已發(fā)光二極管的材料直接決定發(fā)光顏色，目前已能制造出能制造出紅紅、綠綠、黃黃、橙橙、藍藍、紅外紅外等各種顏色的等各種顏色的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管。下圖表示下圖表示GaAs0.6P0.4和和GaP紅色發(fā)光紅色發(fā)光的光譜能量分布的光譜能量分布

49、(3)光譜特性光譜特性GaAsP峰值波長峰值波長:620680nm.半寬度半寬度:2030nmGaP(紅紅)峰值波長峰值波長:700nm.半寬度半寬度:100nmGaP(綠綠)峰值波長峰值波長:565nm.半寬度半寬度:25nm注意注意:結溫升高結溫升高,峰值波峰值波長向長波漂移長向長波漂移. 發(fā)光二極管的壽命是很長的，在電流密度小于發(fā)光二極管的壽命是很長的，在電流密度小于1A/cm2時，時，壽命可達壽命可達106小時小時，這是任何光源均無法，這是任何光源均無法與之競爭的。與之競爭的。 (4)響應時間響應時間 響應時間響應時間是指注入電流后發(fā)光二極管是指注入電流后發(fā)光二極管點亮點亮(上上升升)

50、或或熄滅熄滅(衰減衰減)的時間。發(fā)光二極管的上升時間的時間。發(fā)光二極管的上升時間隨著電流的增大近似地成指數(shù)減小。隨著電流的增大近似地成指數(shù)減小。 發(fā)光二極管可用交流供電或脈沖供電獲得調制發(fā)光二極管可用交流供電或脈沖供電獲得調制光或脈沖光，光或脈沖光，調制頻率可達幾十兆赫調制頻率可達幾十兆赫。(5)壽命壽命 直接躍遷的材料直接躍遷的材料( (如如GaAs1-xPx) )的響應時間僅的響應時間僅幾個納秒幾個納秒，而間接躍遷材料，而間接躍遷材料( (如如GaP) )的響應時間的響應時間則則約為約為100100納秒。納秒。 發(fā)光二極管的老化發(fā)光二極管的老化: 發(fā)光二極管的亮度隨工作時間的增加而衰減的發(fā)

51、光二極管的亮度隨工作時間的增加而衰減的現(xiàn)象現(xiàn)象,稱為老化稱為老化.老化的快慢與電流密度和老化時間常數(shù)有關老化的快慢與電流密度和老化時間常數(shù)有關: t )/ j (e0L) t (LL(t): 點燃點燃t時間后的亮度時間后的亮度.L0: 起始亮度起始亮度.:老化時間常數(shù)老化時間常數(shù).發(fā)光二極管優(yōu)點：發(fā)光二極管優(yōu)點：(1) 屬于低電壓、小電流器件，在室溫下即可得到屬于低電壓、小電流器件，在室溫下即可得到足夠的亮度足夠的亮度(3000cd/m2以上以上)；(2) 發(fā)光響應速度快發(fā)光響應速度快(10-7l0-9s)；(3) 性能穩(wěn)定，壽命長性能穩(wěn)定，壽命長(一般一般105小時以上小時以上)；(4) 驅

52、動簡單，易于和集成電路匹配；驅動簡單，易于和集成電路匹配；(5) 與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光脈沖的半寬與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光脈沖的半寬 度一般為幾十納米；度一般為幾十納米；(6)重量輕、體積小、耐沖擊。重量輕、體積小、耐沖擊。 得到重視和應用得到重視和應用1 1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 2.5 激光器激光器2.5.1.激光原理激光原理自發(fā)自發(fā)輻射輻射受激受激吸收吸收受激受激輻射輻射2 2愛因斯坦愛因斯坦A系數(shù)和系數(shù)和B系數(shù)系數(shù) )(1221vBR 單位時間里，處于低能態(tài)單位時間里，處于低能態(tài)E1的每一個原子，躍遷的每一個原子，躍遷至高能態(tài)至高能態(tài)

53、E2之受激吸收概率，記作之受激吸收概率，記作R12，它正比于頻，它正比于頻率為率為=(E2-E1)/h的光譜能量密度的光譜能量密度()。 式中，式中，B1212和和B2121稱為愛因斯坦稱為愛因斯坦B系數(shù)系數(shù)，A2121稱為愛稱為愛因斯坦因斯坦A系數(shù)系數(shù)，它們與原子的能級性質有關。，它們與原子的能級性質有關。 )(212112vBAR 處于高能態(tài)處于高能態(tài)E2 2 原子躍遷至低能態(tài)原子躍遷至低能態(tài)E1 1之受激輻射的之受激輻射的概率概率B2121() ) ，正比于光譜能量密度，正比于光譜能量密度() )，自發(fā)輻，自發(fā)輻射之概率射之概率A2121卻與入射之光譜能量密度卻與入射之光譜能量密度()

54、)無關，于無關，于是總的輻射概率為是總的輻射概率為前式說明：前式說明：受激吸收系數(shù)與受激輻射系數(shù)相等。受激吸收系數(shù)與受激輻射系數(shù)相等。后式說明：后式說明：自發(fā)輻射系數(shù)與受激輻射系數(shù)之比，正比自發(fā)輻射系數(shù)與受激輻射系數(shù)之比，正比于于3 3，這就是說，若原子二能級系統(tǒng)的能級差越大，這就是說，若原子二能級系統(tǒng)的能級差越大，則自發(fā)輻射的概率就越大于受激輻射之概率。則自發(fā)輻射的概率就越大于受激輻射之概率。12112BB3321218chvBA 愛因斯坦于愛因斯坦于19171917年得到了三種可能的躍遷系年得到了三種可能的躍遷系數(shù)之比。數(shù)之比。3 3激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件-粒子數(shù)反轉、光泵、

55、諧粒子數(shù)反轉、光泵、諧振腔振腔1)1)粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉 對于由大量原子組成的物質，在熱平衡狀態(tài)時，對于由大量原子組成的物質，在熱平衡狀態(tài)時，各能級上的原子數(shù)（或稱集居數(shù)）各能級上的原子數(shù)（或稱集居數(shù)）服從服從玻耳茲曼統(tǒng)計玻耳茲曼統(tǒng)計分布：分布：KTEE)(e1212nn 因為因為E2E1，所以所以n2n1, 即即在熱平衡狀態(tài)下，高能級在熱平衡狀態(tài)下，高能級集居數(shù)恒小于低能級集居數(shù)。集居數(shù)恒小于低能級集居數(shù)。nE1E2E3En1n3n2當頻率為：當頻率為：KTEE)12(的光通過物質時，的光通過物質時，受激吸收光子數(shù)恒大于受激輻射光受激吸收光子數(shù)恒大于受激輻射光子數(shù)子數(shù)。因此處于熱平衡狀態(tài)下

56、的物質只能吸收光子因此處于熱平衡狀態(tài)下的物質只能吸收光子。但是，在但是，在一定條件下一定條件下物質的光吸收可以轉化為自己的物質的光吸收可以轉化為自己的對立面對立面-光放大光放大。顯然，。顯然，這個條件是這個條件是n1n2，稱為集居稱為集居數(shù)反轉（或者叫粒子數(shù)反轉）數(shù)反轉（或者叫粒子數(shù)反轉）。 一般來說，當物質處于一般來說，當物質處于熱平衡狀態(tài)（即它與外界處熱平衡狀態(tài)（即它與外界處于能量平衡狀態(tài)）于能量平衡狀態(tài)）時，集居數(shù)反轉是不可能的，只有時，集居數(shù)反轉是不可能的，只有當外界向物質提供能量（當外界向物質提供能量（稱為激勵或泵浦過程稱為激勵或泵浦過程），從），從而使物質處于非平衡狀態(tài)時，集居數(shù)反

57、轉才能實現(xiàn)。而使物質處于非平衡狀態(tài)時，集居數(shù)反轉才能實現(xiàn)。處于粒子數(shù)反轉的物質稱為激活物質（或激光介質）處于粒子數(shù)反轉的物質稱為激活物質（或激光介質）2)2)光泵光泵 為了保持原子系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉狀態(tài)為了保持原子系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉狀態(tài)，需不斷，需不斷地將原子從低能態(tài)抽運至高能態(tài)，并將能量注入原地將原子從低能態(tài)抽運至高能態(tài)，并將能量注入原子系統(tǒng)，以維持激光運轉所必需之能量。子系統(tǒng)，以維持激光運轉所必需之能量。 這種將原子從低能態(tài)抽運至高能態(tài)的過程，稱為這種將原子從低能態(tài)抽運至高能態(tài)的過程，稱為光泵光泵( (optical pumping)。 激光器之兩端面，如同激光器之兩端面，如同F(xiàn)- -P干涉儀

58、的兩端面干涉儀的兩端面，所不同的是，激光腔兩個端面一個是所不同的是，激光腔兩個端面一個是全反射全反射的，而的，而另一個是另一個是部分透射部分透射的。的。 3)諧振腔諧振腔 光泵可以是電學的、化學的、熱學的或者光光泵可以是電學的、化學的、熱學的或者光學的方法。學的方法。 激光器由激光器由工作物質、諧振腔和泵浦源工作物質、諧振腔和泵浦源三部分組三部分組成。要產(chǎn)生激光，激光器的諧振腔要精心設計，反成。要產(chǎn)生激光，激光器的諧振腔要精心設計，反射鏡的鍍層對所激發(fā)波長的光要有很高的反射率、射鏡的鍍層對所激發(fā)波長的光要有很高的反射率、很小的吸收系數(shù)、很高的波長穩(wěn)定性和機械強度。很小的吸收系數(shù)、很高的波長穩(wěn)定

59、性和機械強度。2.5.2.激光器的結構和工作過程激光器的結構和工作過程實用的激光器要實用的激光器要比右圖所示的結比右圖所示的結構復雜得多構復雜得多輸出的主要波長輸出的主要波長有有632.8nm、1.15 m 、3.39 m He-Ne激光器工作物質由激光器工作物質由He和和Ne組成，是一種組成，是一種原子原子氣體氣體激光器。在電極上加幾千伏電壓使氣體放電，在適當?shù)臈l件下激光器。在電極上加幾千伏電壓使氣體放電，在適當?shù)臈l件下氦氖氣體成為激活的介質。如果在激光管的軸線上安裝高反射氦氖氣體成為激活的介質。如果在激光管的軸線上安裝高反射比的多層介質膜反射鏡作為諧振腔，則可獲得激光輸出。比的多層介質膜反

60、射鏡作為諧振腔，則可獲得激光輸出。 1.氣體激光器氣體激光器 主要介紹氦氖激光器、氬離子激光器和主要介紹氦氖激光器、氬離子激光器和CO2激光器激光器(1)氦氦-氖激光器氖激光器激光器的結構有激光器的結構有內腔式、半內腔式和外腔式三種內腔式、半內腔式和外腔式三種。2.5.3.激光器的類型激光器的類型 按工作物質分類，激光器可分為按工作物質分類，激光器可分為氣體激光器、氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導體激光器固體激光器、染料激光器和半導體激光器等。等。(2)氬離子氬離子(Ar+)激光器激光器 氬離子激光器的工作物質是氬離子激光器的工作物質是氬氣氬氣，是，是一種惰性一種惰性氣體離子激光器氣體