光電檢測技術與應用2發(fā)光器件

上一章主要內容回顧1、影響檢測測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、試敘述光電檢測系統(tǒng)的組成及特點當前1頁，總共45頁。一、光源的分類定義：光源——一切能產生光輻射的源。人造光源天然光源自然界本來存在的，如太陽（核聚變）、夜明珠、螢火蟲、發(fā)光的魚（深海）。人為地將其他能量轉化為光輻射能的器件，如燈。當前2頁，總共45頁。一、光源的分類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、振動方向相同的兩列光。光的干涉：相干光相遇時，使某些地方振動加強（明亮），使某些地方振動減弱（暗淡），形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。按照光波在時間、空間上的相位特征：當前3頁，總共45頁。一、光源的分類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 半導體激光器染料激光器等離子激光器太陽氣體放電燈、熒光燈白熾燈等離子體管熒光顯示器液晶顯示器場致發(fā)光顯示器摻雜光纖超熒光寬帶光源非線性光學器件陰極射線管當前4頁，總共45頁。一、光源的分類

按照發(fā)光機理★

熱輻射光源：

利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。

電流流經導電物體，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：光譜連續(xù)壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差當前5頁，總共45頁。一、光源的分類

按照發(fā)光機理★

氣體發(fā)光光源：電流流經氣體或金屬蒸氣，使之產生氣體放電而發(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生的紫外線，激發(fā)涂在燈管內壁的熒光粉層而發(fā)光輝光放電——如霓虹燈，霓虹燈是依靠兩端電極頭在高壓電場下將燈管內的稀有氣體擊燃，不同稀有氣體（氖、氙、氬、氦、氪）發(fā)出不同的色光。特點：發(fā)光效率高結構牢固緊湊、耐震、抗沖擊壽命長，光色適應性強不足：冷態(tài)阻抗大，起動后阻抗急劇變小。啟動后內阻太小，必須用限流措施“鎮(zhèn)流器”。當前6頁，總共45頁。一、光源的分類

按照發(fā)光機理★

固體發(fā)光光源：在電場作用下，使固體物質發(fā)光的光源，電能直接轉變?yōu)楣饽?，包括場致發(fā)光光源和發(fā)光二極管（LED，半導體）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：固體化、平板化、安全可靠面積形狀不受限制壽命長，功耗低，發(fā)光易于控制當前7頁，總共45頁。一、光源的分類

按照發(fā)光機理★

激光器：激光是20世紀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：

波長從近紫外光到遠紅外光；輻射功率從幾毫瓦到上萬瓦；

He-Ne激光器是當今使用最多的激光器。當前8頁，總共45頁。二、發(fā)光二極管(LED)

LED（

Light-EmittingDiode，簡稱LED）是少數(shù)載流子在PN結區(qū)的注入與復合而產生發(fā)光的一種半導體光源。結構：半導體PN結色彩：根據(jù)所用半導體材料不同，可制成紅、橙、黃、綠、藍、紫等顏色。使用：施加正向電壓，使管內流過一定量的電流，就發(fā)光。當前9頁，總共45頁。二、發(fā)光二極管(LED)特點：

工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕、光效高、無輻射與低功耗

。理論上未來的LED壽命將無窮大，但目前大功率LED照明受到散熱問題的制約。

當前10頁，總共45頁。★工作原理 發(fā)光二極管是由P型和N型半導體組成的二極管，PN結附近，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結上未加電壓時構成一定的勢壘。

二、發(fā)光二極管(LED)當前11頁，總共45頁?！锕ぷ髟?/p>

當加上正向電壓時，外加電場將削弱內建電場，載流子的擴散運動加強，構成少數(shù)載流子的注入。當導帶中的電子與價帶中的空穴復合時，釋放出復合能量，這個能量會以熱能、光能的形式輻射出來，即電致發(fā)光。

二、發(fā)光二極管(LED)當前12頁，總共45頁?！锕ぷ髟砣绻麌L試使電流向其它方向流動，P型端就邊接到電流負極和N型連接到正極，這時電流將不會流動。N型物質的負極電子被吸引到正極電子。P型物質的正極電子空穴被吸引到負極電子。因為電子空穴和電子都向錯誤的方向移動所以就沒有電流流通過匯合處，損耗區(qū)增加。 二、發(fā)光二極管(LED)當前13頁，總共45頁。

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，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例。當x＞0.35時，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，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)當前14頁，總共45頁。發(fā)光二極管的光譜特性0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度砷磷化鎵的曲線有兩根：材質成分稍有差異峰值波長λp：決定發(fā)光顏色二、發(fā)光二極管(LED)當前15頁，總共45頁。U/V

I/mA-10-5012GaAsP(粉)GaAsP(紫)圖上的橫坐標正負值刻度比例不同，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，使用時反向電壓應在5V以下。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安特性綠色約為1.7V開啟、紫色約為2.2V二、發(fā)光二極管(LED)當前16頁，總共45頁。按形狀分：字段式、點式、光柱式、點陣式七段式數(shù)碼管（8字型）：七個發(fā)光二極管、數(shù)字14畫字碼管（米字型）：數(shù)字、字母矩陣：文字、掃描方式工作（每個管點亮1～2ms

）靜態(tài)文字（余輝效應、視覺暫留）二、發(fā)光二極管(LED)的分類當前17頁，總共45頁。u/Vi

/mAO2工作條件：正向偏置工作電流:

幾mA~幾十mA導通電壓:(12)V發(fā)光二極管的特性和參數(shù)二、發(fā)光二極管(LED)當前18頁，總共45頁。發(fā)光二極管（LED）是冷光源。冷光源：發(fā)光時，光源溫度不比環(huán)境溫度高。工作時不發(fā)熱，避免與熱量積累相關的問題。幾乎把全部能量轉化為可見光，其他波長光很少。熱光源：除了有可見光，還有大量紅外光，部分能量轉化為對照明沒有貢獻的紅外光。加紅外濾波片濾掉紅外光，出來的光和冷光源差不多。二、發(fā)光二極管(LED)當前19頁，總共45頁。從外觀判別極性用萬用表測量極性和好壞發(fā)光二極管極性的判別和檢測

將測量擋切換到R10k，用萬用表測量LED的正、反向電阻，阻值偏小的一次，黑表筆所接觸的為正極。

若兩次測量的阻值均為，則該LED已壞。二、發(fā)光二極管(LED)當前20頁，總共45頁。

f2g2

a2

b2

f1

a1

b1

e2

d2

c2

DIP2e1d2

g1

c1DIP1agdfbecgf

ab

ed

cDIP??

abcdefgDIP共陽極??

abcdefgDIP共陰極發(fā)光二極管的連接方式：共陰極、共陽極二、發(fā)光二極管(LED)當前21頁，總共45頁。發(fā)光二極管的特點優(yōu)點：最高效的人造照明技術★

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

壽命數(shù)十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍以上。★

可通過調節(jié)電流(或電壓)來對發(fā)光亮度進行調節(jié)，且響應速度快，并可直流驅動；★

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。二、發(fā)光二極管(LED)當前22頁，總共45頁。缺點★

含有毒物質，如銻、砷、鉻、鉛、鎳和銅等，對人體和環(huán)境的影響嚴重?！?/p>

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

。二、發(fā)光二極管(LED)當前23頁，總共45頁?！锬芰苛孔踊僭O：

是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，能量子的存在打破了一切自然過程都是連續(xù)的經典定論，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)當前24頁，總共45頁。★發(fā)光光譜 電子和空穴復合時放出能量的大小，即光子的能量。光子的能取決于半導體材料的禁帶寬度Eg，釋放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長就越短。Egλ=hc

式中，λ為輻射光波長；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)當前25頁，總共45頁。

單向導電性，反向擊穿電壓約5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，它出射的光強如圖(c)，呈半波形。R為限流電阻，D1為普通二極管，對發(fā)光二極管作反向保護。發(fā)光二極管的工作狀態(tài)二、發(fā)光二極管(LED)當前26頁，總共45頁?！锕庠矗簷z測用光源、遙控器的光源、扣式微型電筒發(fā)光二極管應用二、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）亦稱光電隔離器：將發(fā)光二極管和光電接收元件組合而構成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號耦合到輸出端。當前27頁，總共45頁。

激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質中放大或振蕩發(fā)射的器件。激光（Laser，Lightamplificationbythestimulatedemissionofradiation）激光是20世紀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。激光器的種類非常多：波長從近紫外光到遠紅外光；輻射功率從幾毫瓦到上萬瓦；

He-Ne激光器是當今使用最多的激光器。三、激光器激光器的特點當前28頁，總共45頁。激光器的工作原理組成:工作物質、諧振腔、泵浦源泵浦源工作物質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)反轉諧振腔：

輻射波在諧振腔來回多次傳播，激發(fā)更多輻射，輻射能量放大，通過投射平面鏡輸出激光。當前29頁，總共45頁。激光器的工作原理諧振腔是激光器設計的重點：

高反射率很小吸收高波長穩(wěn)定性高機械強度三、激光器當前30頁，總共45頁。激光的特性單色性：

譜線寬度：單色光的波長范圍譜線寬度越窄，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：

比太陽高幾個~十幾個數(shù)量級。相干性：

空間、時間相干性好三、激光器當前31頁，總共45頁。按工作物質分類：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）激光器的分類三、激光器當前32頁，總共45頁。氣體激光器特點：光束質量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。效率低，能耗高，壽命較短，體積大。分類：原子（氦－氖）激光器離子（氬，氪，金屬蒸汽）激光器分子（CO2，CO，準分子）激光器。近視眼激光手術——準分子激光手術

三、激光器當前33頁，總共45頁。氣體激光器激光管：由放電管、電極（幾千伏電壓）和光學諧振腔組成。1、放電管：是氦一氖激光器的心臟，是產生激光的地方。放電管由毛細管和貯氣室構成。放電管中充入一定比例的氦氣（He）、氖氣（Ne）。三、激光器當前34頁，總共45頁。氣體激光器2、電極：陽極一般用鎢棒制成；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，透過率約1%～2％，凹面鏡為全反射鏡。三、激光器當前35頁，總共45頁。氣體激光器

按諧振腔與放電管的放置方式不同可分內腔式、外腔式和半內腔式。

三、激光器當前36頁，總共45頁。1、內腔式激光器：兩塊反射鏡直接貼在放電管兩端。優(yōu)點：使用方便，不用調整。缺點：放電發(fā)熱或外界沖擊發(fā)生形變導致諧振腔失調時，無法校正。

適用于短管結構。氣體激光器三、激光器當前37頁，總共45頁。2、外腔式激光器：諧振腔的兩塊反射境與放電管分開，放電管的兩端用布儒斯特窗密封構成反射最小的光通路。布儒斯特窗本質上是一個偏振器，以布儒斯特角放置，光束的ｐ偏振分量將無損耗通過窗口，而ｓ偏振分量將被布儒斯特窗口反射。優(yōu)點：可隨時調整反射鏡的位置，達到最佳振蕩條件。缺點：腔易變動，需經常調整，腔內損耗增大。氣體激光器

適于作長管結構。三、激光器當前38頁，總共45頁。3、半內腔式激光器：諧振腔的一端采用內腔結構，另一端用布儒斯特窗密封，放電管與反射鏡分開。這種結構兼有前兩者的優(yōu)點，適于特殊要求的小型激光器的結構。氣體激光器三、激光器當前39頁，總共45頁。氣體激光器3、內腔式激光器：優(yōu)點：

將諧振腔的兩反射鏡調整好后，用膠固定在放電管的兩端，使用時不必調整；陰極與毛細管同軸放置，結構緊湊、不易碎裂，安裝方便。缺點：

工作過程中放電管受熱變形時,諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。激光管越長，熱穩(wěn)定性越差，內腔式激光管的長度一般不超過一米。諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內表面污染后也無法清除。由于陰極放在放電管內，陰極濺射物質易污染窗片，使用壽命低，同時由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，熱穩(wěn)定性不好。三、激光器當前40頁，總共45頁。工作物質：

光學玻璃或光學晶體，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。固體激光器用途：

在軍事、加工、醫(yī)療和科研有廣泛應用。用于測距、跟蹤、制導、打孔、切割和焊接、半導體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科手術、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諧染料激光器的激勵源。三、激光器當前