6第六章發(fā)光與耦合器件

1、1第6章 發(fā)光與耦合器件6.1光電檢測系統(tǒng)中常用的普通光源6.2發(fā)光二極管LED6.3固體環(huán)保照明光源白光LED6.4高效節(jié)能的平面分布式固態(tài)光源一 OLED6.5激光器 6.6半導體激光器 6.7光纖激光器6.8光電耦合器件26.1光電檢測系統(tǒng)中常用的普通光源 6.1.1光源的基本參數(shù)發(fā)光效率 在給定的波長范圍內(nèi)，某一光輻射源所發(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 譜功率譜分布 光源輸出的功率與光譜（光的波長）有關，稱為光譜的功率分布。線狀光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜、復合光譜。36.1光電檢測系統(tǒng)中常用的普通光源空間光強分布特性 許多光源的發(fā)光強度在各個方向是不同的。 光源的溫度和

2、顏色 任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射，稱為溫度輻射，光源的溫度常用色溫、相關色溫、分布溫度表示。 光源的顏色通常包含色表和顯色性兩方面。一般用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。當用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色（人眼產(chǎn)生的顏色感覺）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。46.1光電檢測系統(tǒng)中常用的普通光源 6.1.2常用的普通光源熱輻射光源 太陽光 白熾燈：真空鎢絲燈、充氣鎢絲燈和鹵鎢燈等氣體放電光源 利用氣體放電原理來發(fā)光的光源，稱為氣體放電光源。如汞燈56.2發(fā)光二極管LED 6.2.1發(fā)光二極管的結構與工作原理結構 PN

3、結 原理 當PN結加上正向電壓時，結區(qū)勢壘降低，P區(qū)的空穴載流子p向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子n向P區(qū)擴散，p與n在PN結區(qū)相遇復從而釋放能量而發(fā)光。66.2發(fā)光二極管LED 6.2.2LED的特性參數(shù)LED的效率 LED用于非顯示時的效率、LED用于顯示時的效率發(fā)光光譜 伏安特性發(fā)光亮度與電流的關系響應時間76.2發(fā)光二極管LED 6.2.3發(fā)光二極管的分類按LED的發(fā)光顏色分 紅色、橙色、綠色（還可細分黃綠、標準綠和純綠）、藍色等按LED出光面特征分 圓形燈、方形燈、矩形燈、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等按LED的結構分 全環(huán)氧包封，金屬底座環(huán)氧封裝，陶瓷底座環(huán)氧封裝，玻璃封裝。按LED的

4、發(fā)光強度和工作電流分 普通亮度的、超高亮度的、高亮度；十幾毫安至幾十毫安。86.2發(fā)光二極管LED 6.2.4發(fā)光二極管的特點及檢測發(fā)光二極管的主要特點 工作電壓低，有的僅需1. 5-1.7V；電流小，典型值約10mA；單向導電特性，只是死區(qū)電壓略高些；具有和硅穩(wěn)壓二極管相似的穩(wěn)壓特性；響應時間快，大多小于1ms；壽命長，一般可達1 0萬小時以上。通發(fā)光二極管的檢測 用萬用表檢測、用外接電源檢測光電特性。紅外發(fā)光二極管的檢測 硅光電池作接收器。96.2發(fā)光二極管LED 6.2.5發(fā)光二極管的應用數(shù)字、文字及圖像顯示 七段數(shù)碼顯示器米字管、符號管顯示器LED點陣式顯示器。指示、照明光源光電開關、

5、報警、遙控、耦合 106.3固體環(huán)保照明光源白光LED 6.3.1白光LED的技術原理二波長光，即藍色光與黃色光混合三波長光，即紅色光、綠色光與藍色光混合116.3固體環(huán)保照明光源白光LED 6.3.2白光LED的特點及與現(xiàn)行照明設備的比較白光LED的特點 全固體、結構簡單、體積小 、省電。、壽命長、響應快、真正的綠色環(huán)保光源、理論光效率高、可平面封裝，易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品。白光LED與現(xiàn)行照明設備的比較 表6-2 126.4高效節(jié)能的平面分布式固態(tài)光源OLED燈 6.4.1OLED燈的結構組成 OLED燈的結構組成如圖6 12所示。它是由多層薄膜器件組成，即由箔、膜、剛性或柔性的板作基底，由

6、電極層、活性材料層以及保護阻擋層等組成，要求其中至少一個電極光透明。136.4高效節(jié)能的平面分布式固態(tài)光源OLED燈 6.4.2 OLED燈的照明原理 工作時520V的電壓加到電極，因活性層很薄(1100nm)，其場強高達105107 V/cm，幾乎接近擊穿場強，它促使電荷通過電極和活性層的界面注入。空穴從透明的陽極注入，電子從陰極注人。注入電荷以彼此相反的方向遷移，最終相遇而結合。在結合時，釋放能量并使再結合的分子或聚合物分段達到激發(fā)態(tài)。受激電子可以一個分子遷移到另一分子，最后某些分子或聚合物分段以光子或熱的形式釋放，顯然希有超額的激發(fā)能作為光的方式釋放。146.4高效節(jié)能的平面分布式固態(tài)光

7、源OLED燈 6.4.3 OLED的特點及與現(xiàn)有光源的比較OLED的特點 是分布式平面固體光源，重量輕、超薄、柔軟、明亮、少陰影； 能耗低、工作電壓低(3-5V)，使用與維護安全； 能效高、壽命長，沒有燈絲斷裂而耐用； 環(huán)環(huán)保，無污染，不發(fā)熱，僅有少量紫外與紅外輻射； 可沉積到任何襯底，能制成意形狀和式樣，能調節(jié)顏色，以及色的深淺和156.4高效節(jié)能的平面分布式固態(tài)光源OLED燈 6.4.3 OLED的特點及與現(xiàn)有光源的比較 具有良好的色坐標、實現(xiàn)接近100的高彩色重現(xiàn)指數(shù)(CRI)，能調節(jié)白光從冷色到暖色 電流驅動型器件，亮度可在大于10000cd/m2的動態(tài)范圍內(nèi)變化，均勻發(fā)光、不閃爍；

8、較少插入元器件，能大規(guī)模、大面積、低成本制造。166.4高效節(jié)能的平面分布式固態(tài)光源OLED燈 6.4.3 OLED的特點及與現(xiàn)有光源的比較OLED燈與現(xiàn)有光源的比較 表6-3176.5激光器 6.5.1 激光的概述激光的含義激光的基本特征激光出現(xiàn)的意義186.5激光器 6.5.2 激光的產(chǎn)生受激輻射分布反轉（粒子數(shù)反轉）共振腔196.5激光器 6.5.3 激光器的類型按工作物質分 固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、光纖激光器按輸出波長分 遠紅外激光器、紅外激光器、可見光激光器、紫外光激光器、真空紫外激光器、X射線激光器。按泵浦機理分 光泵激光器、氣體放電激光器、化學激光器等。

9、206.5激光器 6.5.3 激光器的類型按激光器運轉方式分 連續(xù)激光器（包括準連續(xù)激光器）與脈沖激光器（分為單次脈沖激光器、重復率脈沖激光器及高重復率脈沖激光器）。按輸出激光的脈沖時間寬度分 長脈沖激光器、短脈沖激光器、超短脈沖激光器（進進一步可細分為皮秒激光器、飛秒激光器）等。216.5激光器 6.5.3 激光器的類型按工作物質分 固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、光纖激光器按輸出波長分 遠紅外激光器、紅外激光器、可見光激光器、紫外光激光器、真空紫外激光器、X射線激光器。按泵浦機理分 光泵激光器、氣體放電激光器、化學激光器等。226.5激光器 6.5.4 氦氖激光器氦氖激光

10、器的優(yōu)點 單色性好方向性強結構簡單、緊湊，穩(wěn)定性好；造價低廉，使用方便。氧氖激光器的類型 全外腔激光器全內(nèi)腔激光器半內(nèi)腔激光器。236.6半導體激光器 6.6.1半導體激光器的特點與分類半導體激光器的特點 (1)體積最小， ( 2)質量最輕，(3)直接電注入，(4)工作壽命最長， (5)覆蓋的波長范圍最廣。(6)結構最簡單，(7)價格最便宜，(8 ) 能方便地與光纖高效率耦合。(9)具有直接調制的能力，(10)有與其他半導體光子器件或電子器件單片集成的能力。 半導體激光器的分類 246.6半導體激光器 6.6.2半導體激光器的主要特性閾值 效率半導體激光器直接調制帶寬半導體激光模式 256.6

11、半導體激光器 6.6.3PN結型二極管注入式激光器結構與原理 激光器一般由激發(fā)裝置（泵源）、工作物質及共振腔組成。結型結型激光器的結構如圖6 21。圖(a)為常用的法布里泊羅共振腔。主要特性 (1)激光閾值條件及影響閾值的因素 (2)頻譜分布266.6半導體激光器 6.6.4異質結半導體激光器單異質結激光器 如圖6 29。 雙異質結激光器 圖6 30。 276.6半導體激光器 6.6.5量子阱半導體激光器量子阱的含義 異質結的激活區(qū)進一步變窄到與電子的量子波長相當，甚至還要小，這時的激活區(qū)就更像陷阱一樣。電子的運動受到強烈約束，電子和空穴在導帶底和價帶頂?shù)哪芰顟B(tài)出現(xiàn)不連續(xù)分布，稱為量子阱(Q

12、W)。用這樣的量子阱結構制成的半導體激光器就稱為量子阱半導體激。量子阱半導體激光器的結構及原理 圖6 31286.6半導體激光器量子阱半導體激光器的類型及應用 類型：有兩類高性能的GaAL/GaALAs QW激光器： 一類是具有梯度折射率隔離限制異質結構(GRIN SCH) SQW激光器，其閾值電流可小于5mA，特征溫度達160K，微分量子效率為81%; 另一類是掩埋式MQW激光器。 應用：光纖通信、光傳感、光盤、激光打印以及光計算技術。296.6半導體激光器 6.6.6垂直腔面發(fā)射半導體激光器邊發(fā)射半導體激光器的缺點 法布里泊羅(F P)腔半導體激光器的結構和制作工藝最簡單，成本最低低，但難

13、于實現(xiàn)單縱模工作，適用于調制速率小于622Mb/s的光纖通信系統(tǒng)分布反饋式(DFB)半導體激光器易于獲得單模、單步頻輸出，在高速調制下保持單縱模工作，容易與光纜、光纖調制器耦合，但其波長調諧范圍比毛較小，適用于高速調制(2. 5-1OGb/s)的短距離光纖通信系統(tǒng) 分布布拉格反射(DBR)半導體激光器較大的譜線展寬，波長的調諧范圍可擴大到103nm，但其縱模的模式穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象。306.6半導體激光器垂直腔表面發(fā)射半導體激光器的優(yōu)點 (1)良好的動態(tài)單縱模。 ( 2)光束質量好，發(fā)散角小，易于與光纖耦合。(3)閾值電流很，(4)易于生產(chǎn)和降低成本。 (5)易于制作二維的激光器陣列

14、垂直腔表面發(fā)射半導體激光器的結構及原理316.7光纖激光器6.7.1光纖激光器的結構、原理、特性及類型光纖激光器的基本結構和特點 光纖激光器是指以摻雜光纖為介質的激光器。 (1)耦合效率高；( 2)能量轉換效率高；(3)激光閾值低；(4)波段調諧范圍；(5)結構緊湊簡單、小巧靈活，可集成化；6)激光亮度高 (7)激光束質量及調諧性能好，易實現(xiàn)單模、單頻運轉和超短脈沖輸出。(8)能在不施加強制冷的情況下連續(xù)工作；(9)器件壽命長。(10)工作條件不嚴格，可自然冷卻或簡單風冷，且耐高振動、高沖擊，可在高溫與大煙塵下運行。326.7光纖激光器光纖激光器的基本原理圖6 33摻雜光纖激光器的一般特性表6

15、-5特殊光纖諧振腔 環(huán)形光纖諧振腔，圖6 34；光纖形鏡及其諧振腔，圖6-35；Fox Smith光纖諧振腔光纖激光器的類型 336.8光電耦合器件6.8.1光電耦合器件的含義和特點光電耦合器件的含義 在信息的傳輸過程中是用光作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號耦合在一起的，在它的線性工作范圍內(nèi)，這種耦合具有線性變化關系。光電耦合器件的特點 具有電隔離的功能。信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。具有抗干擾和噪聲的能力。響應速度快。使用方便，可靠性高，體積小，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在-55一+100之間。346.8光電耦合器件6.8.2光電耦合器件的特性參數(shù)傳輸特性 (1)電流傳輸比；(2)間絕緣耐壓；(3)絕緣電阻；(4)寄生電容；( 5)最高工作頻率；(6)脈沖上升時間，和下降時間。光電耦合器件的抗干擾特性 (1)光電耦合器件抗干擾強的原因 (2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算356.8光電耦合器件6.8.3光