光電子技術(shù)第1章光源

第1章光源1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)1.2熱輻射光源1.3氣體放電光源1.4激光器1.5發(fā)光二極管(LED)一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源

天然光源人造光源電磁波譜按照發(fā)光機(jī)理，光源的分類：需要了解各類光源的發(fā)光機(jī)理、重要特性、適用場(chǎng)合，以便正確選用光源。光纖激光器發(fā)光二極管1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的

介紹描述光輻射的一套參量一、輻射度的基本物理量

1.輻射能單位為J（焦耳）

2.輻射通量又稱輻射功率單位為W（瓦、焦耳每秒）

3.輻射強(qiáng)度描述點(diǎn)輻射源的輻射功率在不同方向上的分布?；A(chǔ)知識(shí)單位:（瓦每球面度）4.輻射出射度與輻射亮度單位：（瓦每平方米）

單位：

（瓦每球面度平方米）

的定義的定義5.輻射照度

單位：（瓦每平方米）6.光譜輻射量

輻射量的光譜密度，輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。光譜輻射通量與波長(zhǎng)的關(guān)系其它輻射度量都有類似關(guān)系。二、光度的基本物理量1.光譜光視效率V(λ):

人眼對(duì)各種光波長(zhǎng)的相對(duì)靈敏度詳見表1.1

2.光度量

光度量與輻射度量是一一對(duì)應(yīng)的。

輻射度量是客觀物理量，

光度量體現(xiàn)了人的視覺特性。⑴光能單位：lm·s（流明·秒）⑵光通量單位：lm（流明）⑶發(fā)光強(qiáng)度單位：cd（坎德拉）

發(fā)光強(qiáng)度是光度量中最基本的單位。在明視覺時(shí)，規(guī)定：

時(shí)，

即：1W=683lm此時(shí)，V(λ）=1V(λ）＜11W＜683lm

時(shí)，可見，輻射通量與光通量之間的換算關(guān)系：

1W=683V(λ）lm，定義：Km=683lm

/W有關(guān)系式：⑷光出射度與光亮度

單位：lm

/m2單位：

cd/m2實(shí)用單位：sb(熙提)1sb=

104cd/m2⑸光照度

單位：lx（勒克斯）

1lx=1lm/m2普適關(guān)系式：三、光源的輻射效率與發(fā)光效率輻射效率發(fā)光效率

單位：

lm/W1.2熱輻射光源一、理想的熱輻射光源α(λ，T)=1—絕對(duì)黑體在熱平衡條件下絕對(duì)黑體熱輻射能力最強(qiáng)。由于內(nèi)部原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生輻射的光源輻射光譜是連續(xù)光譜普朗克公式維恩位移定律斯蒂芬—玻爾茲曼定律隨著溫度T的升高，峰值波長(zhǎng)

向短波方向移動(dòng)，總出射度

迅速增加。絕對(duì)黑體的溫度決定了它的輻射光譜分布灰體：α(λ，T)＜1的熱輻射光源，

具有與絕對(duì)黑體類似的輻射規(guī)律。色溫；相關(guān)色溫1.太陽與黑體輻射器二、實(shí)際的熱輻射光源太陽的光譜分布非常接近于絕對(duì)黑體黑體輻射器：科學(xué)制作的小孔空腔結(jié)構(gòu)，可以很好地實(shí)現(xiàn)絕對(duì)黑體的輻射功能。常用作標(biāo)準(zhǔn)光源，最高工作溫度是3000K。2.白熾燈與鹵鎢燈灰體鎢絲做燈絲玻璃泡殼;色溫約2800K,輻射光譜約0.4～3μm?？梢姽庹?～12%，用于照明；加紅外濾光片可作為近紅外光源。石英泡殼;泡殼內(nèi)充入微量鹵族元素或其化合物（如溴化硼）;形成鹵鎢循環(huán)。

色溫3200K以上,輻射光譜為0.25～3.5μm。發(fā)光效率可達(dá)30lm/W(為白熾燈的2～3倍)，作儀器白光源.鹵鎢燈

白熾燈1.3氣體放電光源發(fā)光機(jī)理：氣體放電。

泡殼：用玻璃或石英等材料制造；電極：陰極、陽極或不區(qū)分（交流燈）泡殼內(nèi)充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸氣、金屬化合物蒸氣、惰性氣體基本結(jié)構(gòu)氣體放電光源的特點(diǎn)：①發(fā)光效率高,節(jié)能。②電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。③壽命長(zhǎng)，比白熾燈長(zhǎng)2～10倍。④輻射光譜可以選擇，只要選用適當(dāng)?shù)陌l(fā)光材料。一、汞燈

泡殼內(nèi)充汞蒸氣1.低壓汞燈

作253.7nm紫外光源；作熒光燈（…日光燈）。2.高壓汞燈

可見輻射加強(qiáng)，呈帶狀光譜，可作高效照明光源。3.球形超高壓汞燈

很好的藍(lán)綠光點(diǎn)光源。二、鈉燈

泡殼內(nèi)充的是氖氬混合氣體與金屬鈉滴。低壓鈉燈：發(fā)出波長(zhǎng)589nm、589.6nm

兩條譜線的單色光源。高壓鈉燈：接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金屬鹵化物燈

泡殼內(nèi)充的是金屬鹵化物氣體。通過金屬鹵化物循環(huán)，提供足夠的金屬原子氣體。鉈燈（碘化鉈）：綠光，峰值535nm。鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：色溫6000K。鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）：

近白色光源,色溫5500K。四、氙燈

泡殼內(nèi)充的是是惰性氣體—氙。色溫6000K，亮度高，被稱為“小太陽”，壽命長(zhǎng)。長(zhǎng)弧氙燈:短弧氙燈:脈沖氙燈:日光色點(diǎn)光源大范圍照明光源脈沖時(shí)間極短（nS～pS)，光很強(qiáng),用于光泵、光信號(hào)源、照相制版、高速攝影五、氘燈

泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣燈的紫外輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，常用作連續(xù)紫外光源（185～400nm）。1.4激光器1.4.1激光器概述

20世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類對(duì)光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

激光器的基本結(jié)構(gòu)

激光形成機(jī)理（1）光與原子作用的三種躍遷受激吸收處于低能態(tài)E1（基態(tài)）的原子，受光照滿足hν=E2—E1原子可能吸收光子能量躍遷到高能態(tài)E2（激發(fā)態(tài)）。E2E1自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子不穩(wěn)定，要自發(fā)從E2躍遷到E1，并發(fā)射一光子，光子能量滿足hν=E2—E1。E2E1E2E1受激輻射處于高能態(tài)的原子，在自發(fā)輻射之前，受外來光子的誘發(fā)，在E2躍遷到E1的同時(shí)，發(fā)射一個(gè)與外來光子全同的（同方向、同頻、同相位、同偏振）光子。依次不斷地得到大量特征相同的光子，就實(shí)現(xiàn)了相干光的放大。（2）產(chǎn)生激光的條件①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（前提條件）故使受激輻射大于受激吸收,必須:N2>N1，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。熱平衡下，原子的各能級(jí)分布服從玻爾茲曼分布定律：Ni=Aexp（-Ei/kT）于是：N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT]設(shè)T=300K，E2-E1=10eV，則N2/N1=10-40。實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫激活介質(zhì)（或者叫激光工作物）。激活介質(zhì)需要外界輸入能量。外界輸入能量的過程叫“泵浦”。激活介質(zhì)本身必需要有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)。例如激光的三能級(jí)系統(tǒng):泵浦使原子吸收能量躍遷到高能態(tài)E3。E3不穩(wěn)定(平均壽命約10-8s)，無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2（平均壽命約10~3~1s）。E2有可能積聚大量粒子，從而受激輻射。E1E2E3泵浦②光學(xué)諧振腔（必要條件）工作物兩端對(duì)稱地放置兩反射鏡。有諧振腔，偏離腔軸線的光子來回幾次后最終逸出腔外。而沿軸線的光子來回反射，被增益介質(zhì)連鎖式光放大。無諧振腔的受激輻射方向是隨機(jī)的。③閾值條件（決定性條件）有了激活介質(zhì)和諧振腔還不一定輸出激光。只有當(dāng)光在腔內(nèi)來回一次，增益大于損耗才能產(chǎn)生激光。雖然激活介質(zhì)能使光得到增益放大；但介質(zhì)吸收、散射；端面發(fā)射、透射等會(huì)產(chǎn)生光能損耗。描述工作物對(duì)光的放大能力,用I=IoeGx(G是增益系數(shù))。于是,I2=I1eGL

I1I2I3I4I5I3=r2I2=r2I1eGL(r2是鏡2反射率)I4=I3eGL=r2I1e2GL

I5=r1I4=r1r2I1e2GL

(r1是鏡1反射率)必須，I5>I1，即:r1r2e2GL＞1r1r2e2GL

＞1即為產(chǎn)生激光的閾值條件。

機(jī)理激光形成電泵浦或光泵浦；造成工作物質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射；諧振腔對(duì)輻射光波選頻放大。特性激光的高亮度、方向性好、單色性好和相干性好激光將對(duì)21世紀(jì)的科技騰飛和產(chǎn)業(yè)革命產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響！激光技術(shù)為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展打開了寬闊而又嶄新的通道，在科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造了許多驚人的奇跡，在高新科學(xué)技術(shù)記錄中創(chuàng)造了許多之最：

１、激光能產(chǎn)生最大的能量密度。激光輸出脈沖功率達(dá)13×1015W，億度以上高溫，能焊接、加工和切割最難熔的材料；２、激光能產(chǎn)生最高的壓強(qiáng)。光壓強(qiáng)達(dá)3×1011大氣壓，可以實(shí)現(xiàn)激光聚變點(diǎn)火；３、激光能產(chǎn)生最短的脈沖。780nm達(dá)4fs，相當(dāng)該光1.5周期進(jìn)入強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域，用超短激光脈沖研究光合作用，能看到皮秒（1ps=10-12s）或飛秒（1fs=10-15s）內(nèi)發(fā)生的變化；４、最精密光刻。能制造最小的光機(jī)電一體化設(shè)備，加工的最小機(jī)械零件從幾微米到幾十微米，制作的大規(guī)模集成線路的線寬可達(dá)到50nm，測(cè)量精度已達(dá)0.005μm；

５、激光能產(chǎn)生最大的信息量。目前已接近3T（Tera即1012）目標(biāo)，即通信傳輸容量Tbit/s，運(yùn)算速度Tbit/s，三維立體存儲(chǔ)密度Tbit/cm3；６、激光能產(chǎn)生最保密的通信系統(tǒng)。光量子通信是目前理論證明的最安全的通信系統(tǒng)，目前美國(guó)、日本、瑞士等幾個(gè)國(guó)家建立了量子通信系統(tǒng)；７、激光能產(chǎn)生最低的溫度。激光冷卻可將原子冷卻到20nK，接近絕對(duì)零度，量子冷卻到基態(tài)，為量子光學(xué)和量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究準(zhǔn)備了條件。

已有數(shù)百種激光器，輸出波長(zhǎng)從近紫外直到遠(yuǎn)紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級(jí)。1.氣體激光器工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣，通過氣體放電實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。工作物質(zhì)（氣體）均勻性好，輸出光束的質(zhì)量相當(dāng)高。2.固體激光器工作物質(zhì)是摻雜的晶體或光學(xué)玻璃，光泵浦。有脈沖輸出激光器和連續(xù)輸出激光器。主要優(yōu)點(diǎn)：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠和使用方便。3.染料激光器工作物質(zhì)是有機(jī)染料溶液，光泵浦。輸出激光波長(zhǎng)可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧，有極好的光束質(zhì)量。有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的激光器。可產(chǎn)生超短光脈沖，峰值功率達(dá)幾百M(fèi)W。4.半導(dǎo)體激光器（LD）工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料形成的P-N結(jié)。與結(jié)平面垂直的晶體解理面構(gòu)成F-P諧振腔。對(duì)P-N結(jié)正向注入電流或光泵浦，可激發(fā)激光。體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；波長(zhǎng)覆蓋面廣（0.33～44μm）；能量轉(zhuǎn)換效率高，有大功率、高集成度器件。主要優(yōu)點(diǎn)5.光纖激光器工作物質(zhì)主要是稀土摻雜的光纖，用光泵浦，諧振腔有多種形式。是近年來發(fā)展起來的新型激光器，具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在光通信系統(tǒng)、光能源系統(tǒng)中都有重要作用。

1.4.2固體激光器介紹幾種代表性的固體激光器YAG激光器

基質(zhì)晶體Y3Al5O12熱物理性能優(yōu)良，使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。輸出波長(zhǎng)1064nm，加倍頻技術(shù)可輸出532nm。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了KW級(jí)大功率輸出，廣泛用于激光加工、激光醫(yī)療、科學(xué)研究之中。輸出波長(zhǎng)2.94μm,用于激光醫(yī)療。

輸出波長(zhǎng)2.1μm,用于激光醫(yī)療,空間光通信?？烧{(diào)諧的固體激光器

輸出激光有寬的調(diào)諧范圍（700-1000nm，峰值波長(zhǎng)800nm），應(yīng)用廣泛，并實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖。

可調(diào)諧范圍700-800nm。采用調(diào)Q技術(shù)，輸出755nm脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重要。

激光二極管（LD）泵浦的固體激光器LD泵浦:實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換,有端面泵浦和側(cè)面泵浦。

獲得百瓦級(jí)高功率激光輸出。下圖是縱向、雙端面泵浦一個(gè)橫向、側(cè)面泵浦的激光器市場(chǎng)上高功率的LD泵浦固體激光器都是用側(cè)面泵浦方式，輸出功率可達(dá)6000W以上。非線性頻率轉(zhuǎn)換得到短波長(zhǎng)固體激光器

固體激光器的波長(zhǎng)多在紅外波段。用非線性材料進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,可得到短波長(zhǎng)固體激光器。

LD泵浦固體激光器與準(zhǔn)相位匹配頻率轉(zhuǎn)換結(jié)合，以期制造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、價(jià)格便宜的可調(diào)諧激光器。研究趨勢(shì)用LD泵浦晶體得到1064nm激光，再用KTP晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，得到532nm綠激光。還用非線性頻率轉(zhuǎn)換得到藍(lán)光、紫外固體激光器。1.4.3半導(dǎo)體激光器一、半導(dǎo)體材料的能帶晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)晶體中的能帶關(guān)于價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶導(dǎo)電載流子：電子、空穴I型、N型、P型半導(dǎo)體關(guān)于施主能級(jí)受主能級(jí)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布式中，Ef為費(fèi)米能級(jí)，是電子占據(jù)率大于或小于0.5的能級(jí)分界線。二、PN結(jié)的能帶PN結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)的形成PN結(jié)的能帶彎曲重?fù)诫sP型、N型半導(dǎo)體的能帶熱平衡時(shí)PN結(jié)的能帶彎曲

加上正向電壓后，

PN結(jié)勢(shì)壘降低PN結(jié)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)。自建電場(chǎng)的方向由N區(qū)指向P區(qū)，P區(qū)、N區(qū)的電子能級(jí)差為：PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，熱平衡被破壞，PN結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

電子、空穴復(fù)合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。經(jīng)諧振腔選頻，可形成激光輸出。PN結(jié)就是光輻射的有源區(qū)。

三、實(shí)用中代表性的LD的結(jié)構(gòu)閾值電流Ith注入電流I＞Ith,才能形成激光。器件結(jié)構(gòu)要著力于降低Ith。同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)（SH）雙異質(zhì)結(jié)（DH）、條形異質(zhì)結(jié)LD:增益導(dǎo)引條形DHLD掩埋條形DHLD

量子阱（QW）LD單量子阱（SQW）多量子阱（MQW）超晶格結(jié)構(gòu)

MQW結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性：

閾值電流很低改善頻率啁啾調(diào)制速率高溫度特性好MQW的能帶分布反饋激光器

諧振腔是波紋光柵結(jié)構(gòu)分布反饋基于布拉格衍射原理DFB激光器DBR激光器每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)微F-P腔,易形成單縱模振蕩。波紋光柵相當(dāng)于許多微F-P腔多級(jí)調(diào)諧，使波長(zhǎng)選擇性大大提高，譜線寬度窄。在高速調(diào)制時(shí)仍然保持單縱模特性。

溫度特性好。波紋光柵分布反饋的優(yōu)點(diǎn)MQW-DFBLD性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)中。四、LD的工作特性I＞Ith形成激光輸出,光功率急劇上升，

P-I曲線的線性好。

斜率效率。

I＜Ith自發(fā)輻射階段，光功率較小

。LD是對(duì)溫度很敏感的器件，溫度升高，性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸出光功率和峰值波長(zhǎng)。

1.P-I特性2.光譜特性I＜IthI＞Ith單縱模LD是矩形光波導(dǎo):厚度為d，條形寬度為W

。出光發(fā)散角：

約30°～40°約6°～8°3.調(diào)制特性具有直接調(diào)制的能力

調(diào)制電流模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制LD芯片的調(diào)制頻率達(dá)10GHZ

量級(jí)。五、LD的應(yīng)用及新的發(fā)展

LD體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；效率高，壽命長(zhǎng)，有大功率、高集成度器件。已成為最重要的激光器之一。

光通信

光盤存儲(chǔ)、光顯示

激光印刷、信息處理、辦公自動(dòng)化設(shè)備

激光加工、激光醫(yī)療

各種半導(dǎo)體激光器需求量極大，是光電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。

LD的發(fā)展日新月異

垂直腔表面發(fā)射LD（VCSEL）利于與光纖耦合；適合大面積二維列陣集成。

有源區(qū)是多量子阱結(jié)構(gòu)，腔長(zhǎng)只有幾個(gè)微米。動(dòng)態(tài)單縱模特性好，閾值電流可小于1μA。微腔LD如應(yīng)變量子阱（SL-QW）結(jié)構(gòu)，調(diào)制頻率已達(dá)30GHZ以上。

高速寬帶LD普通LD的諧振腔長(zhǎng)為幾百微米，造成自發(fā)輻射模式很多，其中只有一個(gè)或幾個(gè)模式形成激光（β:10-4～10-5）。因而帶來能量損失、速度限制和噪聲。微腔LD的諧振腔長(zhǎng)為光波長(zhǎng)量級(jí)，使得自發(fā)輻射模式極大壓縮（β≤1），閾值大大降低，獲得超高速響應(yīng)（大于100Gb/s）。甚至可實(shí)現(xiàn)無閾值激光器。微腔LD及其二維面陣是一種高效、高密度光源，總功耗極低，是超大規(guī)模集成光路器件。激光器的重要變革可調(diào)諧LD用于DWDM光交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)5-7nm范圍連續(xù)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)100nm范圍波長(zhǎng)調(diào)諧短波長(zhǎng)LD

光存儲(chǔ)、光顯示的需要。紅光、綠光、藍(lán)光、紫光LD用有機(jī)材料（聚合物）作LD的有源層，易得到短波長(zhǎng)LD，是目前的研究熱點(diǎn)。大功率LD作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源；光存儲(chǔ)、光印刷光源；激光加工、激光醫(yī)療光源產(chǎn)生大功率LD的途徑：

﹡提高單個(gè)LD的輸出功率；

﹡發(fā)展列陣LD:一維LD列陣;二維LD列陣;激光棒

（脈沖）功率可達(dá)幾千乃至幾萬瓦。高性能LD組件適于10Gb/s以上速率的EAM/LD波長(zhǎng)可選擇的光電集成回路（OEIC）

1.53～1.61μm范圍的多波長(zhǎng)光源EAM：電吸收光調(diào)制器。EAM與LD集成，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，-3dB帶寬為14GHZ。含有EAM、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、合波器(MMI）、微列陣DFB激光器，波長(zhǎng)選擇范圍達(dá)45nm。40個(gè)DFB-LD波長(zhǎng)等間隔、光強(qiáng)大小一致、每個(gè)集成一個(gè)EAM，適用于DWDM全光網(wǎng)絡(luò)。1.4.4光纖激光器一、光纖、光波導(dǎo)光纖光導(dǎo)纖維，光傳輸?shù)耐?，纖芯折射率大于包層，光基于全內(nèi)反射在纖芯中傳輸。纖芯中摻入稀土離子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,→有源光纖,

光泵浦，激光器的工作物質(zhì)。當(dāng)光纖中光強(qiáng)超過上限，產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)。光波導(dǎo)在光電集成回路中、各種光器件模塊里，必有光信號(hào)的通路，即光波導(dǎo)。光波導(dǎo)類似于光纖的纖芯，其折射率高于周圍材料（襯底和包層）。波導(dǎo)截面是幾微米尺度，用光刻技術(shù)制得各種光波導(dǎo)。Y分叉光波導(dǎo)光波導(dǎo)可構(gòu)成光分路器、耦合器、干涉器、陣列波導(dǎo)光柵等大量光無源器件。

向光波導(dǎo)中摻雜，或造成非線性光學(xué)效應(yīng)時(shí)，又可制備出多種光有源器件。二、光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)的基質(zhì)是光纖，主要包括稀土摻雜光纖激光器、受激拉曼散射光纖激光器等。摻雜光纖激光器由增益介質(zhì)、諧振腔和光泵浦源三部分組成。

1.增益介質(zhì)

光纖基質(zhì)材料：硅玻璃、氟化物玻璃與石英，視摻雜元素而選擇；光纖長(zhǎng)度：典型值在0.5～5m之間。光增益由摻雜離子決定：摻Nd3+光纖激光器，可在1060nm等3個(gè)波長(zhǎng)獲得激光。

摻Er3+光纖激光器，

輸出1550nm激光，光纖通信波長(zhǎng)。摻Tm3+光纖激光器，可輸出1435～1500nm波長(zhǎng)激光，光纖通信波長(zhǎng)。還可輸出1700～2100nm波長(zhǎng)、810nm波長(zhǎng)激光，用于生物醫(yī)學(xué)、光纖傳感。摻Pr3+光纖激光器，可輸出1290～1315nm波長(zhǎng)激光，光纖通信波長(zhǎng)。

2.諧振腔有多種結(jié)構(gòu)：

F-P腔將光纖端面拋光，對(duì)端面直接鍍膜成為腔鏡。環(huán)形腔

光柵諧振腔

在增益光纖的兩端熔接光纖布拉格光柵（FBG）而構(gòu)成。摻Er3+光纖光柵激光器3.包層光泵浦常規(guī)光纖很細(xì)，泵浦光進(jìn)入纖芯不足，激光輸出功率小。雙包層光纖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)重要的突破。內(nèi)包層直徑在百μm左右，是泵浦光的導(dǎo)管，有大的數(shù)值孔徑（NA），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在內(nèi)外包層界面上全反射，反復(fù)穿過纖芯不斷激勵(lì)工作物質(zhì)。泵浦效率大大提高。

內(nèi)包層截面設(shè)計(jì)成多種形狀：

矩形和D字形截面內(nèi)包層具有95%的耦合效率,光纖激光器已有千瓦、萬瓦級(jí)激光輸出。

三、光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)①能量轉(zhuǎn)換效率高，光—光轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%以上。②光纖損耗??；激光場(chǎng)約束在纖芯內(nèi)，能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率，閾值低、僅數(shù)毫瓦。③光纖激光器波長(zhǎng)范圍可在380～3900nm，可以多波長(zhǎng)運(yùn)行，易調(diào)諧。激光束質(zhì)量高，易實(shí)現(xiàn)單模、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖輸出。④光纖細(xì)、長(zhǎng)，因而表面積大，易散熱，無須專門制冷系統(tǒng)；光纖可卷繞成小體積，使光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊，小巧靈活。⑤耐高振動(dòng)、高沖擊；工作壽命長(zhǎng)，可達(dá)10萬小時(shí)。四、應(yīng)用于通信系統(tǒng)的光纖激光器和光纖放大器1．摻Er3+、Tm3+、Pr3+光纖激光器是光纖通信波段1280～1620nm光源；2.光纖放大器主要由增益光纖和光泵浦源兩部分組成。在光泵浦的作用下對(duì)輸入增益光纖的信號(hào)光加以放大、增強(qiáng)。

它使光通信線路上傳統(tǒng)的光—電—光型中繼器變革為全光型中繼器，是光纖通信發(fā)展史上重要的里程碑。

摻Er3+、Tm3+、Pr3+光纖放大器和拉曼光纖放大器對(duì)于光纖通信系統(tǒng)非常重要。3．光纖激光器和光纖放大器的增益光纖容易與傳輸光纖耦合。4．光纖激光器和光纖放大器與現(xiàn)有的光纖器件（如耦合器、偏振器和調(diào)制器）完全相容，可以組成完全由光纖器件構(gòu)成的全光纖傳輸系統(tǒng)。5．光纖激光器可以作為光孤子源，是光孤子通信的理想光源。五、高功率光纖激光器光纖激光器光束質(zhì)量高，可大功率，無需水冷，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，對(duì)激光加工、激光醫(yī)療相當(dāng)有吸引力。

實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)以上大功率激光器的關(guān)鍵技術(shù)：

1.石英光纖中摻Y(jié)b3+

Yb3+具有很寬的吸收帶（800～1064nm）與熒光帶（970～1200nm），可選的泵浦源很多。泵浦—發(fā)射的轉(zhuǎn)換效率高。可高濃度摻雜獲得高增益。

Yb3+能級(jí)為簡(jiǎn)單的二能級(jí)，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，小功率泵浦就可在極窄的纖芯內(nèi)形成高密度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而可輸出穩(wěn)定的強(qiáng)激光。2.雙包層側(cè)面泵浦技術(shù)3.高可靠性泵浦光源

光纖側(cè)面生出許多杈纖，每分杈耦合一個(gè)寬面多模大功率LD（＞100W）。高功率摻鐿光纖激光器輸出可達(dá)數(shù)萬瓦,比大功率的氣體、固體激光器優(yōu)勢(shì)顯著。1.5發(fā)光二極管（LED）Lightemittingdiodes發(fā)光原理對(duì)PN結(jié)正向注入電流，P區(qū)空穴向有源區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)電子向有源區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果電子與空穴在有源區(qū)復(fù)合，以一定頻率的光能釋放出來。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)。結(jié)與結(jié)之間是產(chǎn)生熒光的復(fù)合區(qū)，叫有源區(qū)。LED與LD的根本區(qū)別在于：LED發(fā)光是基于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光；LD是靠?jī)啥私饫砻鏋橹C振腔起反射作用來提供光的反饋，是基于受激輻射，發(fā)射的是相干光——激光。

LED是一種極有競(jìng)爭(zhēng)力的新型節(jié)能光源，它的優(yōu)點(diǎn)有：?效率高?光色純?能耗小?壽命長(zhǎng)?可靠耐用?應(yīng)用靈活?綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，無諧振腔。對(duì)其正向注入電流，電子與空穴復(fù)合發(fā)光，是非相干光。1962年第一只紅色LED問世，接著是黃色、綠色、橙色LED，早期的LED亮度不高。1993年日本利亞公司的中村秀二研制成功蘭光LED，是LED發(fā)展史上重要的里程碑。之后，人們發(fā)展了超高亮度的紅、綠、藍(lán)LED。

高發(fā)光效率的白光LED，節(jié)能環(huán)保的照明工程。LED的發(fā)展歷程1.5.1普通亮度LED一、材料與構(gòu)型

GaP、GaAsP、GaN,峰值波長(zhǎng)是可見光，用于光顯示。

GaAs，峰值波長(zhǎng)867nm，用于光電檢測(cè)。

InGaAsP，峰值波長(zhǎng)1.3μm、1.55μm,用于短距離光纖通信。LED采用雙異質(zhì)結(jié)、量子阱結(jié)構(gòu)分為：面發(fā)光型－發(fā)光功率較大

邊發(fā)光型－易與光纖耦合面發(fā)光型LED的光輸出面發(fā)光型LED用于光顯示邊發(fā)光型LED用于短距離光纖通信二、主要工作特性譜線寬度Δλ在幾十～上百μm。為發(fā)光光譜的峰值波長(zhǎng)。

P-I特性I:10～數(shù)十mAP:幾百μW～mWP-I特性曲線的線性區(qū)很寬。

光譜特性

調(diào)制特性

可以直接調(diào)制

邊發(fā)光型在幾百M(fèi)HZ面發(fā)光型在幾十MHZ調(diào)制帶寬:

LED體積小，壽命長(zhǎng)（可超過10萬小時(shí)），耗電少，能與集成電路共電源，使用方便，應(yīng)用廣泛。1.5.2超高亮度LED法向強(qiáng)度在1000mcd以上的紅、綠、藍(lán)LED

,光效達(dá)50～100lm/W。一、實(shí)現(xiàn)超高亮度的關(guān)鍵技術(shù)2．有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu)。3．分布布拉格反射（DBR）結(jié)構(gòu)，克服襯底吸收。