光電檢測技術第二章

光電檢測技術第二章第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日第二章主要內(nèi)容§2.1光的產(chǎn)生§2.2光電儀器中的常用光源§2.3發(fā)光二極管§2.4激光光源§2.5其他光源第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日§2.1

光的產(chǎn)生

一、光的輻射l光是從實物中發(fā)射出來的，是以電磁波傳播的物質(zhì)l粒子在不斷地運動：原子內(nèi)有若干電子圍繞原子核不斷運動l

運動有多種可能狀態(tài)l不同運動狀態(tài)的電子具有不同能量l當它們的運動受到騷擾時就可能發(fā)射出電磁波。

第三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

假設E0、E1為電子的兩個運動狀態(tài)，E0為基態(tài)，電子受激獲得一定能量而躍遷到激發(fā)態(tài)E1，當電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，能量從E1變到E0，此時發(fā)射光子的頻率為：

式中：h為普朗克常數(shù)，h=6．62×10-27爾格·秒=4.13×l0-15eV·S第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

應用：由于原子中有很多可能的能級，而原子受激后可發(fā)射出多種頻率的光。因此，利用光的頻率分立特性，用適當?shù)膬x器可以把它們分辯出來。（分立的線光譜稱為原子光譜，其中每一條譜線代表一個頻率的光。）（一）熱輻射l溫度輻射的頻率與強度取決于熱平衡時的溫度l任何高于絕對溫度0K的物體都具有熱輻射。l自然界中的任何物體都是熱輻射體。溫度低的物體發(fā)紅外輻射，500。C左右時物體的溫度輻射開始發(fā)部分暗紅色的可見光。溫度越高，發(fā)出的輻射波長越短；大約在1500。C時的溫度輻射體開始發(fā)白光。熱輻射光譜是連續(xù)光譜。應用：熱輻射是紅外探測技術和溫度非接觸測量的依據(jù)。（二）發(fā)光輻射第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、光的產(chǎn)生方法

激勵可以使發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生光，外界提供激勵能的形式可有多種方式，常用的有以下幾種方法：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學發(fā)光、熱發(fā)光和場致發(fā)光。

1．電致發(fā)光物質(zhì)中的原子或離子受到被電場加速的電子的轟擊，使原子中的電子從被加速的電子那里獲得動能，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當它由受激狀態(tài)回復到正常狀態(tài)時，就會發(fā)出輻射。這一過程稱為電致發(fā)光。例如：發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光就是電致發(fā)光。第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

2．光致發(fā)光

物體被光直接照射或預先被照射而引起自身的輻射稱為光致發(fā)光。例如：l

熒光、示波管、顯象管、日光燈等中熒光物質(zhì)的余輝；鈉光燈被另一鈉光燈照射發(fā)出的黃光(稱為共振輻射)；l短波長的紫外光照射到雜質(zhì)(油污)上發(fā)出波長較長的可見熒光。光致發(fā)光原理

當光投射到物質(zhì)上時，光子直接與物質(zhì)中的電子起作用(吸收、動量傳遞等)，引起電子能態(tài)的改變，電子由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)過程中發(fā)出輻射。第七頁，共七十四頁，2022年，8月28日

3．化學發(fā)光由化學反應提供能量而引起的發(fā)光，稱化學發(fā)光。例如：磷在空氣中緩慢氧化而發(fā)光。

4．熱發(fā)光

物體被加熱到一定溫度而發(fā)光，稱熱發(fā)光。例如：鈉或鈉鹽在火焰中發(fā)出的鈉黃光。熱發(fā)光的原理是特定的材料在特定的溫度下才可能發(fā)光?；鹧嬷械脑?、離子或電子具有足夠的動能去碰撞達到一定溫度的鈉原子，使鈉原子受激而發(fā)光，其光譜為線光譜。第八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

實際上，物質(zhì)受激而發(fā)光是很復雜的，有些同屬幾種受激過程。例如：l

白熾燈中鎢絲通以電流會發(fā)光，本質(zhì)是電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱發(fā)光；l

物質(zhì)加熱后燃燒發(fā)的光通常是氧化化學反應發(fā)光；平衡和非平衡輻射：

l

激發(fā)發(fā)光是一種非平衡輻射，即以一種外加能量轉(zhuǎn)換成光能的過程。其光譜包括線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。l

溫度輻射是一種能達到平衡狀態(tài)的輻射。也稱熱輻射，即熱平衡狀態(tài)的輻射。

第九頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、光源分類定義：

一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。l

天然光源：是自然界中存在的：如太陽、恒星等，在天文光電探測中，常常會遇到這些光輻射的測量。l

人造光源：人為將各種形式的能量(熱能、電能、化學能)轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件。其中利用電能產(chǎn)生光的器件稱為電光源，在一般光電測量系統(tǒng)中，電光源是最常見的光源。第十頁，共七十四頁，2022年，8月28日分類：按照發(fā)光機理，光源可以分成如下幾類：

太陽

熱輻射光源

白熾燈、鹵鎢燈

黑體輻射器

汞燈

熒光燈

鈉燈

氣體放電光源

氙燈光源

金屬鹵化物燈

空心陰極燈

場致發(fā)光固體發(fā)光光源，

發(fā)光二極管

氣體激光器

固體激光器

激光器

染料激光器

半導體激光器

第十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日§2.2光源的基本特性參數(shù)一、輻射效率和發(fā)光效率

定義1：

在給定λ1—λ2波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。

第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

（1）從ηe、ην可以看出，如果光電測量系統(tǒng)的光譜范圍為λ1~λ2，那么應盡可能選用η較高的光源。（2）Km稱為明視覺最大光譜光視效能，它表示人眼對波長為555nm[V（λ=555）=1]光輻射產(chǎn)生光感覺的效能，且λ1=380nm，λ2=780nm。實際上是光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)。（3）V（λ）稱為“標準光度觀察者”光譜光視效率，或稱視見函數(shù)。第十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、光譜功率分布定義：自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為l，將光譜功率分布進行規(guī)一化處理，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分布。第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日

光源的光譜功率分布通?？煞殖伤姆N情況：l

圖a為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細線組成。如低壓汞燈。l

圖b稱為帶狀光譜，由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。l

圖c為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜。l

圖d為混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成。一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。

第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日P（λ）λoP（λ）λoP（λ）λoP（λ）λo圖2—1四種典型的光譜功率分布第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日應用：在選擇光源時，光譜功率分布應由測量對象的要求來決定。l

在目視光學系統(tǒng)中，一般采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。l

彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。l

在紫外分光光度計中，通常使用氘燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源。l

在光學儀器中，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強度高的方向作為照明方向。l

為了進一步利用背面方向的光輻射，還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。第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

三、空間光強分布

對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不相同的。若在空間某一截面上，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。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強度曲線，即配光曲線。第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日四、光源的色溫l

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。（在任何溫度下可以全部吸收任何波長輻射的物體稱為絕對黑體,簡稱黑體）l

對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來近似地表示。l

對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關色溫表示。第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日1．

分布溫度

定義：輻射源在某一波長范圍內(nèi)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一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。

2．

色溫

定義：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同。3．

相關色溫

定義：對于一般光源，它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。在均勻色度圖中，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，則該黑體的溫度稱為該光源的相關色溫。

第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日五、光源的顏色

光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。例如高壓鈉燈的色表呈黃色。熒光燈的色表呈白色。當用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色(也就是物體反射光在人眼內(nèi)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。白熾燈、鹵鎢燈、鏑燈等幾種光源的顯色性較好，適用于辨色要求較高的場合，如彩色電影、彩色電視的拍攝和放映、染料、彩色印刷等行業(yè)。高壓汞燈、高壓鈉燈等光源

第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日§2.3光電檢測常用光源

激光和發(fā)光二極管是檢測技術中應用廣泛的光源。本節(jié)還另外介紹幾種光源：熱輻射光源、氣體放電光源和場致發(fā)光光源。一、熱輻射光源

定義：任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。例如：爐上的一塊鐵，剛開始加熱時，溫度較低呈暗紅色。若繼續(xù)加熱，隨著溫度的升高，鐵塊的顏色會由暗紅色逐漸變?yōu)闊氚?，而且發(fā)光也更明亮。熱輻射源遵循有關黑體的定律。第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日1、太陽

太陽可看成是一個直徑為1.392×109m的光球。它到地球的年平均距離是1.496×1011m。因此從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有0.5330。大氣層外的太陽光譜能量分布相當于5900K左右的黑體輻射。在大氣層外，太陽對地球的輻照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為：

紫外區(qū)(<0.38um)6.46%

可見區(qū)(0.38—0.78um)46.25%

紅外區(qū)(>0.78um)47.29%

射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射的光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復雜，其中氧(02)、水汽(H20)、臭氧(03)、二氧化碳(C02)、一氧化碳(CO)和其它碳氫化合物(如CH4)等，都在不同程度上吸收了太陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)。第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日2、黑體模擬器

在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。黑體總輻射強度和它的溫度的四次方成正比。實際工作溫度的精確測量和控制是黑體輻射能（穩(wěn)定）產(chǎn)生的關鍵。目前的黑體模擬器最高工作溫度為3000K，而實際應用的大多是在2000K以下。第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日3、白熾燈

定義

白熾燈發(fā)射的是可見光連續(xù)光譜，它是在電源供電下，依靠電能加熱金屬絲使它在真空或惰性氣體中達到白熾狀態(tài)而發(fā)光的器件，因此稱為白熾燈。

燈絲要求①熔點高，可適用于較高的工作溫度，從而使光源發(fā)光光譜向短波方向移動；②蒸發(fā)率小，要求在高溫熾熱條件下蒸發(fā)愈小愈好，以提高白熾燈的使用壽命；③對可見光的輻射效率高，從而產(chǎn)生較多的可見光輻射；④其他要求，如加工性能、機械性能等。

第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日分類真空白熾燈

玻殼內(nèi)真空條件的作用是保護鎢絲，使其不被氧化。它的功率不太大，其燈絲溫度常在2300～2800K之間，發(fā)光效率約為10lm/W，進一步增加鎢的工作溫度會導致鎢的蒸發(fā)率急劇上升，從而縮短壽命。充氣白熾燈

在燈泡中充入不和鎢發(fā)生化學反應的惰性氣體氬、氮或氬和氮的混和氣體。當燈絲在高溫下蒸發(fā)的鎢原子與氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞時，部分鎢原子返回燈絲表面，抑制鎢的蒸發(fā)。因此，在與真空型燈泡同樣壽命的條件下，充氣鎢絲白熾燈的工作溫度可以提高到2600～3000K左右，相應的光效提高到17lm/W。鹵鎢白熾燈

在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑（如氯化碘、溴化硼等），在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán)。第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日

圖2－4鹵鎢循環(huán)工作原理圖

第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

鹵鎢燈的特點

鹵鎢燈也是利用電能使燈絲發(fā)熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光的電光源。但它具有較高的發(fā)光效率和較長的使用壽命，得到了方泛應用。與白熾燈相比，它有許多優(yōu)點：

(1)體積小，是同功率白熾燈的0.5%~3%，因而可使光學系統(tǒng)小型化；

(2)光通量穩(wěn)定，最終的光通量為開始的95％~98％，而白熾燈為60％；

(3)紫外線較豐富，因鹵鎢燈的燈絲溫度較高，而且它的泡殼也能通過紫外輻射，所以可作為紫外輻射源用于光譜輻射測量方面；

(4)發(fā)光效率比白熾燈高2—3倍；

(5)壽命長。鹵鎢燈的缺點是價格較貴，另外它的管壁溫度高，應注意安全，以免燒毀其它物質(zhì)。第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日白熾燈的性能

此外，白熾燈的性能與電壓有顯著關系，在額定電壓下工作正常，升高電壓將會縮短燈的使用壽命，甚至燒毀。如欲延長白熾燈的使用壽命，工作電壓應比額定電壓低，但光適量及發(fā)光效能也隨之減少。白熾燈的光參數(shù)(光通量、光效率)、電參數(shù)(燈電壓、電流、功率、電阻)和壽命之間有著密切的關系。圖2-3電壓與燈參數(shù)的變化曲線

第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日二、氣體放電光源定義：利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。l 電流通過氣體媒質(zhì)時的放電現(xiàn)象稱氣體放電。利用氣體放電而發(fā)光的原理制成的燈，稱為氣體放電燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的（白熾燈的光譜是連續(xù)的）l氣體光源發(fā)光顏色由其光輻射譜決定第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日特點：氣體光源發(fā)光效率高，比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2~10倍，因此具有節(jié)能的特點。

l氣體放電燈發(fā)出的熱量小，氣體光對電器和檢測對象的溫度影響小。

l對電壓穩(wěn)定性的要求也比白熾燈低。

l結(jié)構(gòu)緊湊。由于不靠燈絲本身發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊，耐震、抗沖擊。

l壽命長。一般比白熾燈壽命長5~10倍。

l光色適應性強，可在很大范圍內(nèi)變化。第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日原理：l 氣體放電光源制作時，在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氫、氦、氘、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鎘、鈉、銦、鉈、鏑等。l 在電場作用下激勵出電子和離子氣體變成導電體。l 當離子向陰極、電子向陽極運動時，從電場中得到能量。l 當它們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子。部分內(nèi)層電子會躍遷到高能級，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出可見輻射或紫外、紅外輻射。氣體放電光源的種類很多，主要按下列方法分類：l 按氣體放電類型分：有輝光放電燈、弧光放電燈和高頻放電燈等。l 按放電時燈內(nèi)氣體壓強分：有低壓放電燈、高壓放電燈和超高壓放電燈等。按放電發(fā)光物質(zhì)的種類分：有汞燈、鈉燈、各種金屬鹵化物燈和稀有氣體燈(如氙燈、氖燈、氪燈等)。按燈的電極形式分：有冷陰極氣體放電燈、熱陰極氣體放電燈和無極氣體放電燈。第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日氣體光源發(fā)光顏色由其光輻射譜決定。輝光放電的正柱光輝在空氣中略帶紅色，在汞汽中為綠色，在氖氣中為紅紫色，在鈉蒸汽中為黃色等。改變氣體或蒸汽的成份、氣體壓力及放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。根據(jù)充氣壓力的不同，可分為低氣壓放電燈和高氣壓放電燈。低壓汞燈、氫燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。而利用高壓或超高壓氙氣放電發(fā)光而制成的氙燈適合于碼頭、車站等大面積照明，有時也作為布匹的顏色檢驗，塑料、橡膠的老化試驗等的光源。第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

除上述熱輻射光源和氣體放電光源外，根據(jù)特定的用途還可以采用其它輻射能源。例如測量鋼板厚度、管壁差、不透明介質(zhì)的水平面等。一般利用硬射線光

—X射線、丫射線或β射線。另外，直接利用自然照度作為光源，例如照明燈的自動控制。檢測有輻射性質(zhì)的對象，其本身可作為輻射能源，光電高溫計測量發(fā)熱體的溫度都屬于這一類。由于上述特點，氣體放電燈具有很強的競爭力，因而發(fā)展很快，并在光電測量和照明工程中得到廣泛使用。表1列出了常用的氣體放電燈的種類、性能以及它們的主要應用領域。（氣體放電光源種類較多，這里就光學儀器中常用的幾種光源作簡要介紹）第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日表2—2常用氣體放電燈的種類、性能和主要應用領域序號 種類 主要性能 應用1． 汞燈：

(1)低壓汞燈①冷陰極輝光放電燈輻射強的253．7nm遠紫外線殺菌、熒光分析、光譜儀波長基準②熱陰極弧光放電燈 ③熒光燈 253．7nm激發(fā)熒光粉發(fā)光 室內(nèi)照明 (2)高壓汞燈①紫外線高壓汞燈主要輻射波長365.0nm的近紫外線保健理療、塑料和橡膠試驗、熒光分析、紫外探傷 ②儀器高壓汞燈 主要輻射波長365.0nm的近紫外線光刻機、光學儀器 ⑧普通高壓汞燈輻射404.7nm、435.8nm、546.1nm、大面積照明

577nm等光譜④熒光高壓汞燈 汞的可見光譜，365nm激發(fā)的熒光輻射廠礦照明

(3)超高壓汞燈 紫外可見輻射豐富，亮度高 熒光分析、光刻、光學儀器 2 鈉燈（1)低壓鈉燈 輻射589.0nm和589.6nm黃色譜線 偏振儀，旋光儀，波長基準 (2)高壓鈉燈光效高達90-100Im／W，壽命長，光色金白大面積照明 第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日種類主要性能應用3、金屬鹵化物燈(1)鏑燈 光效高達70Im／W，光色好，Ra為80 電影、電視攝影、照相制版、投影儀、植物溫室照明

(2)鉈銦燈 發(fā)蘭綠色光，光效高 燈光誘魚、水下照明 (3)碘化鉈燈 發(fā)綠色光，光效高 水下照明、飛機著落信號燈 4、氙燈(1)長弧氙燈 紫外可見連續(xù)光譜，光色接近日光大面積照明、材料老化試驗 (2)短弧氙燈 高亮度點光源，光色接近日電影放映、光學儀器、攝影制版

(3)脈沖氙燈 連續(xù)光譜，脈沖閃光0.2一1ms 激光器光泵、測速、照相、光信號 5、空心陰極輻射陰極金屬(合金)的原子光譜線原子吸收分光光度計 6、氘燈 輻射190—400nm連續(xù)紫外光譜 紫外分光光度計 7、氫燈 輻射434.1nm、486.1nm和656.3nm譜線干涉儀、分光計、偏振儀 8、氦燈 輻射587.6nm和706.5nm譜線 9、真空紫外燈 HeI和HeI譜線58.4nm、30.4nm 單能光子源、真空紫外波長基準 10、無極放電燈(汞)氣體發(fā)光、熒光；無電極，壽命長長壽命特殊照明、印刷制版 第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日三、場致發(fā)光光源l 場致發(fā)光源是固體發(fā)光源。l 場致發(fā)光是固體在電場的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱為電致發(fā)光。場致發(fā)光最早發(fā)現(xiàn)于1923年，但當時并沒有引起人們的普遍注意。隨著近代技術的發(fā)展，對發(fā)光光源和器件提出了新的要求。例如，電子儀器的固體化和小型化，要求顯示的固體化，新的照明技術和顯象技術的發(fā)展，要求對新的發(fā)光材料作深入的研究。場致發(fā)光不但能使人們得到全固體化的光源，而且為全固體化顯示開辟了途徑。第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日

目前常見的場致發(fā)光有三種形態(tài)，即粉末、薄膜和結(jié)型。有場致發(fā)光本領的固體材料很多，但達到實際應用水平的主要是Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—V族化合物半導體。Ⅱ—Ⅵ族化合物既是發(fā)光效率很高的光致發(fā)光和陰極射線發(fā)光材料，亦是目前用于實際的唯一的粉末和薄膜場致發(fā)光材料。Ⅲ—V族發(fā)光材料則在發(fā)光二極管方面得到廣泛應用。

1、粉末場致發(fā)光光源按激發(fā)方式不同，場致發(fā)光光源有交流電場激發(fā)和直流電場激發(fā)兩種。第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日1－玻璃基板2－透明導電膜（SnO2）3－發(fā)光材料4－Ti2O反射層5－背電極（金屬）6－防潮樹脂7－防潮蓋板圖2－6交流粉末場致發(fā)光光源

1）交流粉末場致發(fā)光光源第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日交流粉末場致發(fā)光光源采用的發(fā)光材料(通常為ZnS：Cu)懸浮在介電系數(shù)很高、透明而又絕緣的膠合介質(zhì)中，并被兩電極所挾持。l 高介電系數(shù)的反射層不僅能有效地反射光，而且還防止擊穿。l 當在兩電極間加上交變電場時，粉末就會產(chǎn)生場致發(fā)光。l 場致發(fā)光光源的亮度L與所加的交流電壓幅度V和頻率f有關。l 場致發(fā)光的顏色隨基質(zhì)和激活劑的不同，可以有蘭、綠、黃、紅等各種顏色。l 外加電壓的頻率對發(fā)光的顏色也有影響第四十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日外加電壓的頻率對亮度的影響：在較低頻率下，亮度隨頻率線性增加。頻率高到一定范圍，亮度就出現(xiàn)飽和趨勢。飽和頻率的高低隨具體發(fā)光材料的種類而變。對同一種發(fā)光材料，電壓越高，飽和頻率也越高。外加電壓的頻率對發(fā)光顏色的影響：常用的場致發(fā)光光源的光譜能量分布通常包含兩個譜帶，一個綠帶，一個蘭帶。隨著頻率的增高，蘭帶相對增強，而發(fā)光顏色由黃綠向蘭改變。如果交流場致發(fā)光的外加激發(fā)電壓是隨時間變化的，相應的發(fā)光亮度也隨時間而變化，這種變化的圖形稱為發(fā)光波形。當用正弦交流電壓激發(fā)時，場致發(fā)光的波形在交流電壓的每半周期中有高低兩個發(fā)光峰。場致發(fā)光的余輝是極短的，電壓一去掉，發(fā)光馬上消失。在脈沖激發(fā)下，場致發(fā)光的反應速度很快，上升時間常數(shù)比衰減時間小得多。第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日場致發(fā)光光源在使用過程中亮度會逐漸下降，這種現(xiàn)象叫老化。老化曲線的主要部分可用下列經(jīng)驗公式表示：

L=L0/（1+t/t0）式中L0為初使亮度，t0為時間常數(shù)，它與頻率有關。場致發(fā)光光源的壽命通常以發(fā)光亮度降到初始值的1／3—1／4的時間為使用壽命。壽命和激發(fā)電壓的頻率有很大的關系，頻率越高，老化越快，壽命越短。老化后發(fā)光亮度下降，但光譜基本保持不變。激發(fā)電壓對老化的影響比頻率小得多。常用的ZnS：Cu場致發(fā)光光源的使用壽命超過3000-5000小時。第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

交流粉末場致發(fā)光光源在近幾年得到多方面的應用和發(fā)展，與其它光源相比，它有獨特的優(yōu)點：(1)固體化、平板化，因而可靠、安全、占地小，易于安裝；(2)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，制成任意發(fā)光圖形；(3)無紅外輻射的冷光源，因而隱蔽性好，對周圍環(huán)境沒有影響；(4)視角大，光線柔和，易于觀察；(5)壽命長?？蛇B續(xù)使用幾千小時，而發(fā)光不會突然全部熄滅；(6)功耗低，約幾毫瓦／厘米’；(7)發(fā)光易于電控第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

場致發(fā)光光源主要應用下述幾個方面：

(1)特殊照明。如儀表表盤、飛機座艙、坑道等照明；

(2)數(shù)字、符號顯示。如可以做成大型的數(shù)字鐘，電子稱等顯示；

(3)模擬顯示。如顯示生產(chǎn)工藝流程和大型設備的工作狀態(tài)，各種應急系統(tǒng)標志顯示等；

(4)矩陣顯示即交叉電極場致發(fā)光顯示。主要用于雷達、航跡顯示及電視等。

(5)場致發(fā)光屏與光導材料聯(lián)合使用，可以做成顯象器件，例如X光象增強與象轉(zhuǎn)換器件。第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日

2）直流粉末場致發(fā)光光源

直流粉末場致發(fā)光光源的結(jié)構(gòu)與交流粉末場致發(fā)光光源類似。但其發(fā)光材料(常用ZnS,Cu＼Mn)的涂層是導電的CuxS，而不是大量分布在中間的絕緣膠合介質(zhì)。它的激發(fā)情況也與交流場致發(fā)光不同，后者是依靠交變電場激發(fā)的，也就是說是從交變電場中吸收能量實現(xiàn)光的轉(zhuǎn)換。而直流場致發(fā)光吸收的能量等于通過發(fā)光體的傳導電流與實際施加在發(fā)光體上電壓的乘積。因此它要求發(fā)光體與電極有良好的接觸，有電流流過發(fā)光體顆粒。正常使用之前，一般需在兩電極上施加短暫的高壓脈沖。當工作時，電壓較低，但由于大部分電壓降落在該高阻層上，因此也能使ZnS發(fā)光。直流粉末場致發(fā)光光光源的亮度較高，且亮度隨電壓上升而迅速上升；制造工藝簡單，成本低，外部驅(qū)動方便。目前的主要缺點是效率低，壽命短(約1000小時)。該直流粉場致發(fā)光器件特別適用于數(shù)碼、字符和矩陣尋址顯示等方面。第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

2、薄膜場致發(fā)光光源將固體發(fā)光材料制成薄膜的形式，在電場作用下出現(xiàn)的發(fā)光現(xiàn)象，稱為薄膜場致發(fā)光。薄膜場致發(fā)光光源與粉末場致發(fā)光光源在形式上極其相似，發(fā)光層夾在兩個平板電極之間，如同一個平板電容器。兩個電極中，至少一個是透明的或半透明的，如導電玻璃等。當在兩電極上加電壓時，薄膜發(fā)光并通過它透射出來。但是，薄膜場致發(fā)光層和粉末場致發(fā)光層在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)的不同。薄膜發(fā)光層的突出特點是沒有介質(zhì)，它僅僅由ZnS多晶摻Mn后彼此聯(lián)接而成，而粉末層通常要用有機介質(zhì)將發(fā)光粉粘結(jié)在一起而形成發(fā)光層。因此薄膜發(fā)光體可與電極直接接觸，加之薄膜很薄(約1um左右)，因而可獲得低壓直流場致發(fā)光，一般工作電壓十幾伏至幾十伏。第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日圖2－8薄膜電致發(fā)光屏結(jié)構(gòu)原理示意圖1－防潮層2－第二電極3－硫化鋅薄膜4－透明導電層5－玻璃基板第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日薄膜場致發(fā)光也有直流和交流兩種。l

直流薄膜場致發(fā)光有橙黃和綠色兩種，工作電壓為0—30V，壽命大于1000h(小時)；交流薄膜場致發(fā)光光源在發(fā)光膜層與電極之間多一層絕緣層，因此只在交流電壓激發(fā)下才發(fā)光，發(fā)光每顏色有橙色和綠色兩種。工作電壓為100—300伏，頻率由數(shù)十到數(shù)千周，壽命在5000小時以上。薄膜場致發(fā)光由于薄膜的厚度很薄，又沒有介質(zhì)，均勻細密，可以有很高的分辨率，成象質(zhì)量高。發(fā)光亮度隨電壓增加迅速上升，因此顯示對比度好。直流薄膜發(fā)光器件的驅(qū)動電壓低，可直接用集成電路驅(qū)動。薄膜光源同樣具有粉末器件的一些優(yōu)點，諸如固體平板化，可制成各種形狀，視角大，光線柔和，制備工藝簡單，造價便宜等等，因此在顯示和顯象方面是很有前途的發(fā)光器件。第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日

3、發(fā)光二極管

LED是一種固態(tài)P-N結(jié)器件，屬冷光源；發(fā)光機理是電致發(fā)光，如圖2－9所示；當P－N結(jié)上有正向電流時即可發(fā)光，它是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱交換過程；由于它發(fā)光面小，故可視為點光源。

圖2－9發(fā)光二極管原理結(jié)構(gòu)第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日（一）LED發(fā)光機理及發(fā)光光譜

在電場的作用下，半導體材料發(fā)光是基于電子能級躍遷的原理：

l

當給發(fā)光二極管的P－N結(jié)加正向電壓時，外加電場將削弱內(nèi)建電場，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴散運動加強。

l

由于電子遷移率總是遠大于空穴的遷移率，因此電子由N區(qū)擴散到P區(qū)是載流子擴散運動的主體。

l

當導帶中的電子與價帶中的空穴復合時，電子由高能級躍遷到低能級；

l

電子將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日

電子和空穴復合時放出能量的大小，即光子的能量，取決于半導體材料的禁帶寬度Eg(Eg=E1-E0)，放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長就越短，即例如：GaAs材料的禁帶寬度Eg=1.43eV,則光輻射波長為：

第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日（二）LED的特性及參數(shù)

LED的性能參數(shù)有兩個方面：電學方面和光學方面。主要性能有：

l

伏安特性

l

發(fā)光效率

l

發(fā)光亮度

l

響應時間

l

光譜特性

l

壽命第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日

1．伏安特性l伏安特性即電流—電壓特性，是發(fā)光二極管的基本特性。l

伏安特性曲線形狀和普通二極管的伏安特性曲線相似。2、發(fā)光亮度與電流密度

（1）發(fā)光亮度基本上與正向電流密度成線性關系。（2）發(fā)光亮度受到環(huán)境溫度的影響。

(a)環(huán)境溫度越高，所允許的耗散功率越小，允許的工作電流也就越小，發(fā)光亮度下降；

(b)環(huán)境溫度越高，結(jié)溫升高，也使發(fā)光效率（亮度）下降。（3）即使環(huán)境溫度不變，由于注入電流加大，引起結(jié)溫升高，發(fā)光亮度－電流密度曲線也會呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日圖2-12光出射度Me與電流密度j的關系第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日3．響應時間

l是表示反應速度的一個重要參數(shù)。應用：可利用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可達幾十兆赫。這種直接調(diào)制技術使發(fā)光二極管在相位測距儀、能見度儀及短距離通訊中獲得應用。

第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日4．光譜特性

發(fā)光二極管一般具有連續(xù)波譜，光譜曲線一般僅有一個峰值。其峰值波長由禁帶寬度決定。描述光譜特性的參數(shù)是峰值波長和半強度寬度（半寬度）。圖2-13發(fā)光二極管的光譜能量分布第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日5．輻射效率

令輻射功率為Фe

，則可近似寫成：Фe=I/Ue

式中：I—注入器件的總電流；Ue—降在P-N結(jié)上的電壓。由于熱功率P=I2R式中：R—材料和接觸區(qū)的總電阻則輻射效率

發(fā)光二極管的輻射效率一般在百分之幾到百分之十幾，同樣也受到環(huán)境溫度的影響，且與工作電流的大小有一定關系。

第五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日6．壽命

發(fā)光二極管的壽命一般是很長的，在電流密度小于1A／cm’的情況下，壽命可達106小時，即可連續(xù)工作一百余年。這是任何光源均無法與之競爭的。但發(fā)光二極管的亮度隨著工作時間的增加而衰減，這就是老化。老化的快慢與電流密度j和老化時間常數(shù)τ有關，其關系式為：

L(t)＝L0exp-(j/τ)t

式中L0為起始亮度；

L(t)為點燃t時間后的亮度；

τ約為106h·A／cm2

第五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日（三）LED的驅(qū)動電路

發(fā)光二極管的驅(qū)動電路與一般二極管的驅(qū)動電路相同。發(fā)光二極管可工作在直流狀態(tài)、交流狀態(tài)和脈沖狀態(tài)。交變頻率可達1MHz。LED的供電電路中一般要加限流電阻以限定其最大工作電流。

第六十頁，共七十四頁，2022年，8月28日（四）特點優(yōu)點：

1、工作電壓低(1.5伏一2伏)，耗電少(10mA下即可在室內(nèi)得到適當?shù)牧炼?；

2、可通過調(diào)節(jié)電流(或電壓)來對發(fā)光亮度進行調(diào)節(jié)，且響應速度快，并可直流驅(qū)動；

3、普通光源相比，單色性好，其發(fā)光的半寬度一般為幾十納米；

4、發(fā)光亮度和發(fā)光效率均較高；

5、容易與集成電路配合使用,且驅(qū)動簡單；

6、體積小、重量輕、抗沖擊、耐振動、壽命長。

7、由于器件在正向偏置下使用，因此性能穩(wěn)定，壽命長(≥106小時)；第六十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日缺點：1、功率較小，只有微瓦級和毫瓦級：2、光色有限，較難獲得短波發(fā)光（如紫外、藍色），且發(fā)光效率低。應用：二極管除用于數(shù)字、字符顯示器件外，還被作為光源