光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用-2發(fā)光器件

光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

第二章發(fā)光器件（光源）上一章主要內(nèi)容回顧1、影響檢測(cè)測(cè)量精度的主要因素有哪些，其中哪些因素又是需要特別注意的？2、試敘述光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)一、光源的分類(lèi)定義：光源——一切能產(chǎn)生光輻射的源。人造光源天然光源自然界本來(lái)存在的，如太陽(yáng)（核聚變）、夜明珠、螢火蟲(chóng)、發(fā)光的魚(yú)（深海）。人為地將其他能量轉(zhuǎn)化為光輻射能的器件，如燈。一、光源的分類(lèi)相干光源非相干光源低相干光源相干光源：

頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同的兩列光。光的干涉：相干光相遇時(shí)，使某些地方振動(dòng)加強(qiáng)（明亮），使某些地方振動(dòng)減弱（暗淡），形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。按照光波在時(shí)間、空間上的相位特征：一、光源的分類(lèi)非相干光源相干光源激光照明光源顯示光源信息處理用光源低相干光源發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管

氣體激光器固體激光器 半導(dǎo)體激光器染料激光器等離子激光器太陽(yáng)氣體放電燈、熒光燈白熾燈等離子體管熒光顯示器液晶顯示器場(chǎng)致發(fā)光顯示器摻雜光纖超熒光寬帶光源非線(xiàn)性光學(xué)器件陰極射線(xiàn)管一、光源的分類(lèi)

按照發(fā)光機(jī)理★

熱輻射光源：

利用熱輻射發(fā)出可見(jiàn)光的電光源。

電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源，通常是鎢絲通電。包括白熾燈和鹵鎢燈。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器特點(diǎn)：光譜連續(xù)壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差一、光源的分類(lèi)

按照發(fā)光機(jī)理★

氣體發(fā)光光源：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，氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器弧光放電——如熒光燈，熒光燈是低壓汞蒸氣放電產(chǎn)生的紫外線(xiàn)，激發(fā)涂在燈管內(nèi)壁的熒光粉層而發(fā)光輝光放電——如霓虹燈，霓虹燈是依靠?jī)啥穗姌O頭在高壓電場(chǎng)下將燈管內(nèi)的稀有氣體擊燃，不同稀有氣體（氖、氙、氬、氦、氪）發(fā)出不同的色光。特點(diǎn)：發(fā)光效率高結(jié)構(gòu)牢固緊湊、耐震、抗沖擊壽命長(zhǎng)，光色適應(yīng)性強(qiáng)不足：冷態(tài)阻抗大，起動(dòng)后阻抗急劇變小。啟動(dòng)后內(nèi)阻太小，必須用限流措施“鎮(zhèn)流器”。一、光源的分類(lèi)

按照發(fā)光機(jī)理★

固體發(fā)光光源：在電場(chǎng)作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源，電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽▓?chǎng)致發(fā)光光源和發(fā)光二極管（LED，半導(dǎo)體）兩種。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器LED發(fā)光二極管LCD液晶顯示器PDP等離子顯示器……特點(diǎn)：固體化、平板化、安全可靠面積形狀不受限制壽命長(zhǎng)，功耗低，發(fā)光易于控制一、光源的分類(lèi)

按照發(fā)光機(jī)理★

激光器：激光是20世紀(jì)60年代重大科技成就之一；具有高方向性、高單色性、高亮度和相干性等重要特性。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器特點(diǎn)：

波長(zhǎng)從近紫外光到遠(yuǎn)紅外光；輻射功率從幾毫瓦到上萬(wàn)瓦；

He-Ne激光器是當(dāng)今使用最多的激光器。二、發(fā)光二極管(LED)

LED（

Light-EmittingDiode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED）是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源。結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體PN結(jié)色彩：根據(jù)所用半導(dǎo)體材料不同，可制成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫等顏色。使用：施加正向電壓，使管內(nèi)流過(guò)一定量的電流，就發(fā)光。二、發(fā)光二極管(LED)特點(diǎn)：

工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、光效高、無(wú)輻射與低功耗

。理論上未來(lái)的LED壽命將無(wú)窮大，但目前大功率LED照明受到散熱問(wèn)題的制約。

★工作原理 發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管，PN結(jié)附近，N型材料中的多數(shù)載流子是電子，P型材料中的多數(shù)載流子是空穴，PN結(jié)上未加電壓時(shí)構(gòu)成一定的勢(shì)壘。

二、發(fā)光二極管(LED)★工作原理

當(dāng)加上正向電壓時(shí)，外加電場(chǎng)將削弱內(nèi)建電場(chǎng)，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入。當(dāng)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，釋放出復(fù)合能量，這個(gè)能量會(huì)以熱能、光能的形式輻射出來(lái)，即電致發(fā)光。

二、發(fā)光二極管(LED)★工作原理如果嘗試使電流向其它方向流動(dòng)，P型端就邊接到電流負(fù)極和N型連接到正極，這時(shí)電流將不會(huì)流動(dòng)。N型物質(zhì)的負(fù)極電子被吸引到正極電子。P型物質(zhì)的正極電子空穴被吸引到負(fù)極電子。因?yàn)殡娮涌昭ê碗娮佣枷蝈e(cuò)誤的方向移動(dòng)所以就沒(méi)有電流流通過(guò)匯合處，損耗區(qū)增加。 二、發(fā)光二極管(LED)

普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV。發(fā)光二極管材料：

通常用的砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等材料固溶體，寫(xiě)作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例。當(dāng)x＞0.35時(shí)，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長(zhǎng)，使λ在550～900nm間變化。普通二極管不能用作發(fā)光二極管二、發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管的光譜特性0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對(duì)靈敏度砷磷化鎵的曲線(xiàn)有兩根：材質(zhì)成分稍有差異峰值波長(zhǎng)λp：決定發(fā)光顏色二、發(fā)光二極管(LED)U/V

I/mA-10-5012GaAsP(粉)GaAsP(紫)圖上的橫坐標(biāo)正負(fù)值刻度比例不同，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，使用時(shí)反向電壓應(yīng)在5V以下。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安特性綠色約為1.7V開(kāi)啟、紫色約為2.2V二、發(fā)光二極管(LED)按形狀分：字段式、點(diǎn)式、光柱式、點(diǎn)陣式七段式數(shù)碼管（8字型）：七個(gè)發(fā)光二極管、數(shù)字14畫(huà)字碼管（米字型）：數(shù)字、字母矩陣：文字、掃描方式工作（每個(gè)管點(diǎn)亮1～2ms

）靜態(tài)文字（余輝效應(yīng)、視覺(jué)暫留）二、發(fā)光二極管(LED)的分類(lèi)u/Vi

/mAO2工作條件：正向偏置工作電流:

幾mA~幾十mA導(dǎo)通電壓:(12)V發(fā)光二極管的特性和參數(shù)二、發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管（LED）是冷光源。冷光源：發(fā)光時(shí)，光源溫度不比環(huán)境溫度高。工作時(shí)不發(fā)熱，避免與熱量積累相關(guān)的問(wèn)題。幾乎把全部能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，其他波長(zhǎng)光很少。熱光源：除了有可見(jiàn)光，還有大量紅外光，部分能量轉(zhuǎn)化為對(duì)照明沒(méi)有貢獻(xiàn)的紅外光。加紅外濾波片濾掉紅外光，出來(lái)的光和冷光源差不多。二、發(fā)光二極管(LED)從外觀判別極性用萬(wàn)用表測(cè)量極性和好壞發(fā)光二極管極性的判別和檢測(cè)

將測(cè)量擋切換到R10k，用萬(wàn)用表測(cè)量LED的正、反向電阻，阻值偏小的一次，黑表筆所接觸的為正極。

若兩次測(cè)量的阻值均為，則該LED已壞。二、發(fā)光二極管(LED)

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abcdefgDIP共陽(yáng)極??

abcdefgDIP共陰極發(fā)光二極管的連接方式：共陰極、共陽(yáng)極二、發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：最高效的人造照明技術(shù)★

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

壽命數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上，為普通白熾燈的100倍以上?！?/p>

可通過(guò)調(diào)節(jié)電流(或電壓)來(lái)對(duì)發(fā)光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且響應(yīng)速度快，并可直流驅(qū)動(dòng)；★

比普通光源的單色性好；★

發(fā)光亮度和發(fā)光效率均較高；★

容易與集成電路配合使用；★

體積小、重量輕，抗沖擊，耐振動(dòng)。二、發(fā)光二極管(LED)缺點(diǎn)★

含有毒物質(zhì)，如銻、砷、鉻、鉛、鎳和銅等，對(duì)人體和環(huán)境的影響嚴(yán)重。★

LED白光主要是靠藍(lán)光激發(fā)熒光粉，“藍(lán)光技術(shù)”，人眼最不能接受的是藍(lán)光和UV光(即紫外線(xiàn)光)

。二、發(fā)光二極管(LED)★能量量子化假設(shè)：

是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，能量子的存在打破了一切自然過(guò)程都是連續(xù)的經(jīng)典定論，第一次向人們揭示了自然的非連續(xù)本性。LED發(fā)光光譜二、發(fā)光二極管(LED)★發(fā)光光譜 電子和空穴復(fù)合時(shí)放出能量的大小，即光子的能量。光子的能取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，釋放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長(zhǎng)就越短。Egλ=hc

式中，λ為輻射光波長(zhǎng)；h為普朗克常量；c為光速；Eg為材料禁帶寬度。普朗克常數(shù)h：用來(lái)描述量子大小。光的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，一份能量叫做能量子，等于hv，v為頻率，h為普朗克常數(shù)。

二、發(fā)光二極管(LED)

單向?qū)щ娦裕聪驌舸╇妷杭s5伏，一般要加限流電阻以限定工作電流。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)。

圖(a)為直流供電，二極管出射光強(qiáng)度不變。

圖(b)為交流供電，由于二極管的發(fā)光特性，它出射的光強(qiáng)如圖(c)，呈半波形。R為限流電阻，D1為普通二極管，對(duì)發(fā)光二極管作反向保護(hù)。發(fā)光二極管的工作狀態(tài)二、發(fā)光二極管(LED)★光源：檢測(cè)用光源、遙控器的光源、扣式微型電筒發(fā)光二極管應(yīng)用二、發(fā)光二極管(LED)★指示和信息顯示：數(shù)字顯示大型顯示器★光耦合器件（OC,opticalcoupler）亦稱(chēng)光電隔離器：將發(fā)光二極管和光電接收元件組合而構(gòu)成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端。

激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件。激光（Laser，Lightamplificationbythestimulatedemissionofradiation）激光是20世紀(jì)60年代重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和相干性等重要特性。激光器的種類(lèi)非常多：波長(zhǎng)從近紫外光到遠(yuǎn)紅外光；輻射功率從幾毫瓦到上萬(wàn)瓦；

He-Ne激光器是當(dāng)今使用最多的激光器。三、激光器激光器的特點(diǎn)激光器的工作原理組成:工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源泵浦源工作物質(zhì)諧振腔全反鏡半反鏡三、激光器泵浦源：

輻射源、電源，如脈沖燈激發(fā)工作粒子從低能態(tài)到高能態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔：

輻射波在諧振腔來(lái)回多次傳播，激發(fā)更多輻射，輻射能量放大，通過(guò)投射平面鏡輸出激光。激光器的工作原理諧振腔是激光器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)：

高反射率很小吸收高波長(zhǎng)穩(wěn)定性高機(jī)械強(qiáng)度三、激光器激光的特性單色性：

譜線(xiàn)寬度：?jiǎn)紊獾牟ㄩL(zhǎng)范圍譜線(xiàn)寬度越窄，單色性越好。激光9*10-2Hz、普通光1.52*109Hz方向性：

光束的發(fā)射角普通光源均勻四射高亮度：

比太陽(yáng)高幾個(gè)~十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。相干性：

空間、時(shí)間相干性好三、激光器按工作物質(zhì)分類(lèi)：氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）固體激光器（如紅寶石激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器（染料激光器、燃料激光器）激光器的分類(lèi)三、激光器氣體激光器特點(diǎn)：光束質(zhì)量好，線(xiàn)寬窄，相干性好，譜線(xiàn)豐富。效率低，能耗高，壽命較短，體積大。分類(lèi)：原子（氦－氖）激光器離子（氬，氪，金屬蒸汽）激光器分子（CO2，CO，準(zhǔn)分子）激光器。近視眼激光手術(shù)——準(zhǔn)分子激光手術(shù)

三、激光器氣體激光器激光管：由放電管、電極（幾千伏電壓）和光學(xué)諧振腔組成。1、放電管：是氦一氖激光器的心臟，是產(chǎn)生激光的地方。放電管由毛細(xì)管和貯氣室構(gòu)成。放電管中充入一定比例的氦氣（He）、氖氣（Ne）。三、激光器氣體激光器2、電極：陽(yáng)極一般用鎢棒制成；陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。3、諧振腔：一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過(guò)率約1%～2％，凹面鏡為全反射鏡。三、激光器氣體激光器

按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。

三、激光器1、內(nèi)腔式激光器：兩塊反射鏡直接貼在放電管兩端。優(yōu)點(diǎn)：使用方便，不用調(diào)整。缺點(diǎn)：放電發(fā)熱或外界沖擊發(fā)生形變導(dǎo)致諧振腔失調(diào)時(shí)，無(wú)法校正。

適用于短管結(jié)構(gòu)。氣體激光器三、激光器2、外腔式激光器：諧振腔的兩塊反射境與放電管分開(kāi)，放電管的兩端用布儒斯特窗密封構(gòu)成反射最小的光通路。布儒斯特窗本質(zhì)上是一個(gè)偏振器，以布儒斯特角放置，光束的ｐ偏振分量將無(wú)損耗通過(guò)窗口，而ｓ偏振分量將被布儒斯特窗口反射。優(yōu)點(diǎn)：可隨時(shí)調(diào)整反射鏡的位置，達(dá)到最佳振蕩條件。缺點(diǎn)：腔易變動(dòng)，需經(jīng)常調(diào)整，腔內(nèi)損耗增大。氣體激光器

適于作長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)。三、激光器3、半內(nèi)腔式激光器：諧振腔的一端采用內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，另一端用布儒斯特窗密封，放電管與反射鏡分開(kāi)。這種結(jié)構(gòu)兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，適于特殊要求的小型激光器的結(jié)構(gòu)。氣體激光器三、激光器氣體激光器3、內(nèi)腔式激光器：優(yōu)點(diǎn)：

將諧振腔的兩反射鏡調(diào)整好后，用膠固定在放電管的兩端，使用時(shí)不必調(diào)整；陰極與毛細(xì)管同軸放置，結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。缺點(diǎn)：

工作過(guò)程中放電管受熱變形時(shí),諧振腔反射鏡會(huì)偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長(zhǎng)，熱穩(wěn)定性越差，內(nèi)腔式激光管的長(zhǎng)度一般不超過(guò)一米。諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面污染后也無(wú)法清除。由于陰極放在放電管內(nèi)，陰極濺射物質(zhì)易污染窗片，使用壽命低，同時(shí)由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，熱穩(wěn)定性不好。三、激光器工作物質(zhì)：

光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。如紅寶石激光器是以摻有0.05%鉻離子的氧化鋁單晶體為工作物質(zhì)。固體激光器用途：

在軍事、加工、醫(yī)療和科研有廣泛應(yīng)用。用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測(cè)、光譜研究、外科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調(diào)諧染料激光器的激勵(lì)源。三、激光器固體激光器特點(diǎn)：小而堅(jiān)固、功率高；運(yùn)行方式多樣：

連續(xù)、脈沖、調(diào)Ｑ、鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)率，高脈沖能量，高峰值功率激光；主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式；結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠；三、激光器種類(lèi)：

紅寶石激光器、釓（ga′）鋁石榴石激光器（簡(jiǎn)稱(chēng)YAG激光器）和釹(nvˇ)玻璃激光器等，其中紅寶石激光器發(fā)現(xiàn)最早、用途最廣。紅寶石激光器：

是1960年美國(guó)梅曼發(fā)明的第一臺(tái)激光器。用高強(qiáng)閃光燈管來(lái)刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時(shí)，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽(yáng)還高的溫度。

固體激光器三、激光器固體激光器固體激光晶體棒微型固體激光器1太瓦＝10的12次方瓦＝1萬(wàn)億瓦T：太，＝10的12次方＝1000GG：吉，＝10的9次