光電子課件和光學(xué)功能材料第四講

2023/3/271光電子學(xué)

2§3-1光源的基本特征參數(shù)§3-2黑體輻射§3-3熱輻射光源§3-4氣體放電光源§3-5電致發(fā)光光源§3-6激光§3-7半導(dǎo)體光源§3-8同步輻射光源熱輻射光源的發(fā)光原理、光譜特征及常見的熱輻射光源？§

3.4氣體放電光源1.定義：利用氣體放電發(fā)光原理制成的光源。

即受激電子的自發(fā)輻射.

泡殼：用玻璃或石英等材料制造的管形或球形燈泡；電極：陰極、陽極泡殼內(nèi)充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸汽、

金屬化合物蒸汽、惰性氣體基本結(jié)構(gòu)P393.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，比白熾燈長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。圖

常用氣體放電燈的外形圖氣體放電燈的基本結(jié)構(gòu)是相似的.一、汞燈(泡殼內(nèi)充汞蒸汽)1.低壓汞燈汞燈在低壓放電時(shí)主要輻射二條共振輻射線：253.7nm和185.0nm。所謂共振輻射線是指從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)出的輻射。當(dāng)汞蒸氣壓為0.8Pa，玻璃殼溫度40℃時(shí)，253.7nm的輻射效率最大，約占輸入電功率的60%，而可見光只占2%。它的光譜分布如圖?所示。常用氣體放電光源(a)低壓汞燈低壓汞燈可作253.7nm紫外光源；作熒光燈，日光燈。P403-14吸收一定波長的光，立刻向外輻射不同波長的光

——光致發(fā)光熒光粉的作用？白熾燈,節(jié)能燈,熒光燈,日光燈的區(qū)別？

白熾燈，靠鎢絲(通電)發(fā)熱到一定溫度(約2600度)才發(fā)光。

熒光燈，靠電子轟擊汞原子發(fā)出紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉而發(fā)光的。

節(jié)能燈，日光燈，都屬熒光燈。其中，節(jié)能燈用的熒光粉是“稀土三基色”，普通日光燈用的熒光粉是“鹵粉”。

2.高壓汞燈當(dāng)汞燈內(nèi)的蒸氣壓達(dá)到1～10大氣壓時(shí)，汞燈電弧的輻射光譜會產(chǎn)生明顯變化，光譜線加寬，出現(xiàn)弱的連續(xù)光譜（帶狀光譜），紫外輻射明顯減弱，而可見輻射增加，紅外區(qū)呈連續(xù)光譜，其光譜分布如圖?所示?？勺鞲咝д彰鞴庠?b)高壓汞燈3.球形超高壓汞燈點(diǎn)燃時(shí)，燈內(nèi)汞蒸氣壓達(dá)到10～20MPa，這樣燈的輻射光譜與高壓汞燈相比有明顯的不同：紫外輻射減少，可見輻射光譜線較寬，連續(xù)部分增加，并且紅外光譜輻射增強(qiáng)，如圖?所示?？勺骱芎玫乃{(lán)綠光點(diǎn)光源，用于光學(xué)儀器、熒光分析等(c)超高壓汞燈三種汞燈光譜的比較：1.低壓汞燈：

2.高壓汞燈：

3.球形超高壓汞燈：

二、鈉燈(泡殼內(nèi)充的是氖氬混合氣體與金屬鈉滴)利用鈉蒸汽放電產(chǎn)生可見光的一種氣體放電光源。的單色光源。，亮度高用于光學(xué)儀器P41三、氙燈氙燈是利用氙氣放電而發(fā)光的氣體放電光源。氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近（如圖2-10），色溫為6000K左右，因此有「小太陽」之稱。長弧氙燈: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),用于激光器光泵、光信號源、照相制版、高速攝影等氙燈分類四、空心陰極燈（原子光譜燈）空心陰極燈的結(jié)構(gòu)原理：在空心陰極燈兩個(gè)電極間加上一定電壓時(shí)，陰極燈開始輝光放電，電子從陰極射向陽極，并與周圍惰性氣體碰撞使之電離。帶正電荷的惰性氣體離子在電場作用下連續(xù)轟擊陰極表面，陰極表面發(fā)射金屬原子，金屬原子在陰極區(qū)受到高速電子及離子流的撞擊而激發(fā)，從而輻射出具有特征譜線的銳線光譜。3.應(yīng)用：它是原子吸收分光光度計(jì)必不可少的光源，用于對微量金屬元素吸收光譜作分析，以及光譜儀器波長定標(biāo)。五、氘燈氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣。氘是氫的同位素，又叫重氫。氘燈的陰極是直熱式氧化物陰極，用0.5毫米厚的鉭皮做成矩形，陰極矩形中心正對著燈的輸出窗口，外殼由紫外透射比較好的石英玻璃制成。工作時(shí)先加熱燈絲，產(chǎn)生電子發(fā)射，當(dāng)陰極加高壓后，氘原子在燈內(nèi)受高速電子的碰撞而激發(fā)，從陰極小圓孔中輻射出連續(xù)的紫外光譜（185～500nm）。紫外輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長，常用作連續(xù)紫外光源。概述霓虹燈的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

2000字小四號2023/3/2722電致發(fā)光光源又稱為場致發(fā)光光源，是利用固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下的發(fā)光現(xiàn)象制成的光源。3.5電致發(fā)光光源電致發(fā)光光源的發(fā)展：1920年，德國學(xué)者古登和波爾發(fā)現(xiàn)，某些物質(zhì)加上電壓后會發(fā)光，人們把這種現(xiàn)像稱為電致發(fā)光或場致發(fā)光。1936年，德斯垂將ZnS熒光粉浸入蓖麻油中，并加上電場，熒光粉便能發(fā)出光。1947年，美國學(xué)者麥克馬斯發(fā)明了導(dǎo)電玻璃，利用這種玻璃做電極制成了平面光源，但由于發(fā)光效率低，不適合作照明光源，只能勉強(qiáng)作顯示器件。1970年代后期，薄膜晶體管（TFT）技術(shù)的發(fā)展使場致發(fā)光在壽命、效率、亮度、存儲上的技術(shù)有了相當(dāng)?shù)奶岣?，使得場致發(fā)光成為顯示技術(shù)中最有前途的發(fā)展方向之一。2023/3/2723電致發(fā)光光源的類型電致發(fā)光按激發(fā)過程的不同分為注入式電致發(fā)光和本征型電致發(fā)光.注入式電致發(fā)光是直接由裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當(dāng)電子與空穴在晶體內(nèi)再復(fù)合時(shí)，以光的形式釋放出多余的能量。它的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型二極管（LED）本征型電致發(fā)光又分為高場電致發(fā)光與低能電致發(fā)光。高場電致發(fā)光光源的大致可分為交流粉末電致發(fā)光，直流粉末電致發(fā)光，交流薄膜電致發(fā)光，直流薄膜電致發(fā)光.3.5電致發(fā)光光源1.交流粉末場致發(fā)光光源發(fā)光亮度與所加電壓的關(guān)系-發(fā)光亮度與時(shí)間的關(guān)系如ZnS：峰值波長0.48~0.52μm,壽命約為3000小時(shí)使用特點(diǎn)：發(fā)散角大，光線柔和，壽命長，功耗小，響應(yīng)快，不發(fā)熱，但亮度低、電壓高，老化快2.直流粉末場致發(fā)光光源100V電壓下，光亮度約為30cd/m2,壽命上千小時(shí)，發(fā)光效率0.2~0.5lm/W。適合于脈沖激發(fā)下工作。主要用于：數(shù)碼、字符、矩陣的顯示3.薄膜場致發(fā)光光源直流：主要有橙黃和綠色，10~30V電壓下，光亮度約為3cd/m2,發(fā)光效率10-4lm/W。壽命大于1000小時(shí)交流：主要有橙黃和綠色，100~300V電壓，頻率幾十~幾千Hz，光亮度幾百cd/m2,發(fā)光效率10-3lm/W。壽命大于5000小時(shí)場致發(fā)光光源的優(yōu)點(diǎn)：場致發(fā)光光源的缺點(diǎn)：固體化、平板化，可靠、安全、占地小，易安裝面積、形狀不受限制屬無紅外輻射的冷光源，隱蔽性好，對環(huán)境沒影響視角大，光線柔和，便于觀察壽命長，發(fā)光不會突然熄滅功耗低，幾毫瓦/m2發(fā)光易于通過電壓控制亮度低（<50cd/m2)驅(qū)動電壓高，上百伏老化快主要用途-----特殊環(huán)境的指示和照明。儀表表盤、飛機(jī)座艙，坑道照明數(shù)字、符號顯示模擬顯示矩陣顯示圖像轉(zhuǎn)換及圖像增強(qiáng)謝謝！20世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類對光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

“Laser”：lightamplificationbystimulatedemissionofradiation“受激輻射光放大”。1917年，愛因斯坦指出通過受激輻射可以實(shí)現(xiàn)光放大;1958年，美國科學(xué)家肖洛和湯斯指出物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發(fā)時(shí)，都會產(chǎn)生這種不發(fā)散的強(qiáng)光，這是激光原理的最初模型；1960年7月7日，梅曼發(fā)明了世界上第一臺激光器；1961年8月，中國第一臺激光器在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。a.自發(fā)輻射原子在沒有外界干預(yù)的情況下，電子會由處于激發(fā)態(tài)的高能級E2

自動躍遷至低能級E1，這種躍遷稱為自發(fā)躍遷。自發(fā)輻射光子頻率1.自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收白熾燈、日光燈等普通光源，它們的發(fā)光過程就是上述的自發(fā)輻射，頻率、振動方向、相位都不相同，不是相干光。自發(fā)輻射一、光與物質(zhì)的相互作用b.受激吸收當(dāng)原子中的電子處于低能級時(shí)，吸收光子的能量后從低能級躍遷到高能級。c.受激輻射當(dāng)原子中的電子處于高能級時(shí)，若外來光子的頻率恰好滿足電子會在外來光子的誘發(fā)下向低能級躍，并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子----受激輻射。實(shí)驗(yàn)表明：受激輻射產(chǎn)生的光子與外來光子具有相同的頻率、相位和偏振方向。受激吸收受激輻射受激輻射和光放大35二.粒子按能級的統(tǒng)計(jì)分布原子體系熱平衡溫度為T，在能級En上的原子數(shù)為Nn,則k為玻耳茲曼常數(shù)，上面的統(tǒng)計(jì)規(guī)律稱為玻耳茲曼分布，

gn為主量子數(shù)為n

的能級(能量為En)簡并度.(簡并度是具有相同能量的原子狀態(tài)數(shù).)N1為處于能級E1的原子數(shù),N2為處于能級E2的原子數(shù),E2>E1,則36或

熱平衡時(shí),處于高能級的原子數(shù)總是低于處于低能級的原子數(shù).即因此，要實(shí)現(xiàn)光的放大作用，必須要將熱平衡狀態(tài)下粒子數(shù)密度的分布反轉(zhuǎn)，即三.激光產(chǎn)生的必要條件---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)只有當(dāng)n2>>n1時(shí)，才能使輻射遠(yuǎn)大于吸收，實(shí)現(xiàn)有效的光放大---粒子數(shù)反轉(zhuǎn)a.自發(fā)輻射b.受激輻射輻射吸收c.受激吸收N1N22）泵浦為維持粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)，需不斷的將原子從低能級狀態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)，這個(gè)過程稱為-----泵浦。有電學(xué)的、化學(xué)的、熱學(xué)的、光學(xué)的。

泵浦與粒子數(shù)密度的反轉(zhuǎn)分布原理

亞穩(wěn)態(tài)能級的存在是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的內(nèi)因（E2上的能級壽命可以達(dá)到10-3秒量級，而大多數(shù)粒子的能級壽命都很短暫，只有10-8秒量級）；外因，即外部能量的激發(fā)。選用原則2023/3/27393）光學(xué)諧振腔

諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。如圖，凡不沿諧振腔軸線運(yùn)動的光子均很快逸出腔外，與工作介質(zhì)不再接觸。沿軸線運(yùn)動的光子將在腔內(nèi)繼續(xù)前進(jìn)，并經(jīng)兩反射鏡的反射不斷往返運(yùn)行產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行時(shí)不斷與受激粒子相遇而產(chǎn)生受激輻射，沿軸線運(yùn)行的光子將不斷增殖，在腔內(nèi)形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強(qiáng)光束，這就是激光。2023/3/2740激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程四、激光的特性

1.方向性極好：普通光源向四面八方發(fā)射能量，其能量分布在全空間4立體角內(nèi)。而激光則是沿一條直線傳播，能量集中在其傳播方向上。其發(fā)散角很小，一般為10-5～10-8Sr。若將激光束射向幾千米以外，光束直徑僅擴(kuò)展為幾個(gè)厘米，而普通探照燈光束直徑則已經(jīng)擴(kuò)展為幾十米。激光的單向性是由受激輻射原理和諧振腔的方向選擇作用所決定的。激光這種良好的單向性可用于定位、測距、導(dǎo)航等。

2.單色性極強(qiáng)

從普通光源（如鈉燈、汞燈、氪燈等）得到的單色光的譜線寬度約為10-2nm

。而氦氖激光器發(fā)射的632.8nm激光的譜線寬度只有10-9nm

。若從多模激光束中提取單模激光，再采取穩(wěn)頻技術(shù)措施，還可以進(jìn)一步提高激光的單色性。利用激光良好的單色特性，可以作為計(jì)量工作的基準(zhǔn)光源。

3.高亮度

光源亮度是指光源單位發(fā)光表面沿單位立體角所發(fā)射的光通量，普通光源的亮度相當(dāng)?shù)?，例如，太陽表面的亮度比蠟燭大30萬倍，比白熾燈大幾百倍。而一臺普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大10億倍。激光器的輸出功率并不一定很高，但由于光束很細(xì)，光脈沖窄，光功率密度卻非常大。

理想鎖?？色@得窄脈沖激光

由于激光光源使光能量在時(shí)間和空間上高度集中，因此，能在直徑極小的區(qū)域內(nèi)（10-3毫米）產(chǎn)生幾百萬度的高溫。從一個(gè)功率為1kw的CO2激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過聚焦以后，在幾秒鐘內(nèi)就可以將5cm厚的鋼板燒穿。工業(yè)上利用激光高亮度的特性，在金屬鉆孔、焊接、切割、表面熱處理、表面氧化等方面的應(yīng)用近年來有很大的發(fā)展。4.相干性好：普通光源（如鈉燈、汞燈等）其相干長度只有幾個(gè)厘米，而激光的相干長度則可以達(dá)到幾十公里，比普通光源大幾個(gè)數(shù)量級。因此也可以說激光具有非常好的相干性。用激光做光源進(jìn)行光的干涉、衍射實(shí)驗(yàn)，可以得到非常好的效果。另外，激光問世以來，推動了全息光學(xué)技術(shù)、激光光譜技術(shù)的發(fā)展。

由于激光具有上述這些良好的特性，從而突破了傳統(tǒng)光源的種種局限性，引起了現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)的革命性發(fā)展。同時(shí)促進(jìn)了包括化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)加工與檢測技術(shù)、軍事等科學(xué)的迅速發(fā)展。46按輸出方式分：脈沖輸出連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分：氣體激光器固體激光器液體激光器自由電子激光器五、激光器的類型（1）固體激光器工作物質(zhì)---摻雜離子的絕緣體

或玻璃

以紅寶石激光器為例：輸出波長為694.3nm的脈沖激光，寬度為幾毫秒，輸出能量可達(dá)1~100J特點(diǎn)：輸出能量大，峰值功率高三能級系統(tǒng)紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線(R1和R2線),分別為E和2A能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的,室溫下對應(yīng)的中心波長分別為0.6943um和0.6929um。通常紅寶石激光器中只有

R1=0.6943mm線才能形成激光輸出。（2）氣體激光器a)氦氖激光器輸出波長有：632.8nm,1.15μm,3.39μm功率可1mW~幾十mW，工作物質(zhì)為氣體，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低及操作簡便He-Ne激光器的輸出特性譜線:He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線：

3S2P0.6328m，

2S2P1.15m，

3S3P3.39m

中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。b)二氧化碳激光器輸出波長有：9~11μm,典型波長：10.6μmC02激光器的主要特點(diǎn)是輸出功率大,能量轉(zhuǎn)換效率高，廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應(yīng)用。二氧化碳激光器的連續(xù)功率已達(dá)10kW，脈沖激光器的瞬時(shí)功率可達(dá)1014W。（3）液體激光器輸出波長：320~1000nm有連續(xù)和脈沖兩種工作方式，輸出穩(wěn)定，功率大于1W采用溶于適當(dāng)溶劑中的有機(jī)染料作為激光工作物質(zhì)2023/3/2753（4）半導(dǎo)體激光器輸出波長：0.33~44μm體積小，重量輕，效率高，壽命超過104h廣泛應(yīng)用于：光通信、測量、自動控制

電子躍遷是發(fā)生在半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴之間，而不像原子、分子、離子激光器那樣發(fā)生在兩個(gè)確定的能級之間。激光打孔※激光打孔中離焦量