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1、第四章 发光、耦合和成像器件,4.1发光二极管4.2激光器4.3光电耦合器件4.4CCD 4.5 光热辐射检测器件,发光器件,根据光源的频谱宽度情况，可分为相干光源（激光）和非相干光源。相干光源的波长范围极窄，又可称为近单色光源，也就是激光。非相干光源是除激光光源以外的其他光源。,非相干光源大部分是以通电而发光的光源。因而又称为光电源。具体可将光电源分为三种：热辐射光源（白炽灯、卤钨灯等）；气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等）；固体发光光源（发光二极管等）。,4.1 发光二极管,发光二极管（LED）的类型发光二极管的原理发光二极管的特性发光二极管的应用,发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合
2、而产生发光的一种半导体光源，也称注入式场致发光光源。发光二极管属于结型电致发光器件，都是能把电能直接转换为光能的半导体器件。发光二极管（LED）的类型从结构上分有五种类型：表面发光二极管（SLED）侧面发光二极管（ELED）平面LED圆顶型LED超发光LED,发光二极管的图片,发光二极管的原理,实际上发光二极管就是一个由P型和N型半导体组成的二极管。 在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的
3、复合。一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。在LED中，向各个方向发出的光是自发发射的。,发光二极管的特性,光谱特性 发光二极管的发光光谱直接决定着它的发光颜色。 根据半导体材料的不同，目前能制造出红、橙、黄、绿、蓝、红外等各种颜色的发光二极管。响应时间 响应时间是指注入电流后发光二极管启亮（上升）或熄灭（衰减）的时间。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似地成指数减小。 响应时间是表示反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得十分重要。 发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光调
4、制频率可达到几十兆赫。,发光二极管的应用,数字、文字及图像显示指示、照明 单个发光二极管还可做仪器指示灯、示波器标尺、收音机刻度及钟表中的文字照明；目前已有双色、多色甚至变色的单个发光二极管。光源 红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器；LED作为信号光源多用于光电尺寸测量等的光电检测系统中。光电开关、报警、遥控、耦合,发光二极管的优点：,属于低电压，小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度（一般为3000cd/平方米以上）；发光响应速度快；性能稳定，寿命长；驱动简单，易于和集成电路匹配；与普通光源相比，单色性好，其发光脉冲的半宽度一般为几十纳米；重量轻，体积小，耐冲击。,4.2 激光器,激光
5、器的结构与原理激光器的种类激光器的特性参数激光器在光电检测中的应用,激光原理,1、自发辐射、受激吸收和受激辐射 爱因斯坦提出，光与原子二能级系统相互作用，可能有3种跃迁过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。 自发辐射过程中，原子开始处于高能态E2，它自发地从高能态跃迁至低能态E1，并发射频率为（E2-E1)/h的光子。 普通光源的发光为自发辐射，每次辐射之间相互独立，没有一定的相位关系，所以是不相干的。,受激吸收 在受激吸收过程中，原子开始是处于低能态，在一个频率为（E2-E1)/h的入射光子激发下，原子吸收了这个光子，跃迁至高能态。受激辐射 在受激辐射过程中，原子开始处于高能态，在一个频率为（
6、E2-E1)/h的入射光子激发下，原子从高能态跃迁至低能态，并发射2个完全相同的光子，它们的频率、相位、偏振方向、传播方向皆相同，所以是相干的。 一个入射光子被放大为2个光子，若此过程继续，2个光子将被放大为4个光子，4个光子又被放大为8个光子于是，入射光子的强度将成等比级数地被放大。,激光产生的必要条件,1）粒子数反转 在热平衡条件下，原子按能级服从波尔兹曼分布，有n1n2（n1为低能级原子数，n2为高能级原子数）；但在非平衡态，就有可能使原子数按能级分布反转为n1n2，称这种分布为粒子数反转。这时，辐射将超过吸收。 频率为（E2-E1)/h的入射光波，通过与原子系统相互作用，原子从高能态跃
7、迁至低能态，受激辐射同频率的光，出射光强远大于入射光强，光强被放大了。,激光产生的必要条件,2、光泵 上述受激辐射放大过程，显然将减少处于高能态的原子数，直至新的平衡态又重新建立，从而破坏粒子数发转状态。为了保持原子系统的粒子数反转状态，需要不断地将原子从低能态抽运到高能态，并将能量注入原子系统，以维持激光运转所必须的能量。这种将原子从低能态抽运至高能态的过程，称为光泵（optical pumping)。光泵可以是电学的、化学的、热学的或光学的方法。,激光产生的必要条件,3、谐振腔 谐振腔的两个端面一个是全反射的，一个是部分透射的。在两端面之间的为激光物质，光在两端面之间来回反射。那些离轴传播
8、的光子，很快就从腔体的侧面逃逸出去，只有那些沿着轴向来回反射的光子，才可能在腔内来回反射多次，从而不断地产生受激辐射，使光子成等比级数地被放大，从部分反射镜端出射一束极强的、指向性和单色性极好的激光束。,激光器的工作原理,受激辐射：激光是受激辐射的光放大。产生激光的必要条件：1、粒子数反转（高能态的粒子数大于低能态的粒子数）2、增益大于损耗激光具有：单色性，方向性，高亮度，相干性。激光器由三部分组成：激活介质，谐振腔和激发源（泵浦源）。,激光器的工作原理,常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转
9、分布，处于这一状态的原子或分子称为受激原子或分子。 高能态粒子从高能态跃迁到低能态而产生辐射并通过受激原子时会感应出同相位、同频率的辐射。这些辐射在谐振腔的两平面之间来回传播形成震荡时，沿轴线来回反射的次数最多，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大。这样，受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。,激光器的特性参数,功率（平均峰值），能量波长，频率，线宽脉冲宽度，重复频率光斑直径，发散角，平方因子模式，波长可调谐性稳定性（波长频率功率能量方向等），寿命，光电效率,激光器的类型,气体、固体、半导体激光器紫外、可见和红外激光器连续、准连续和脉冲激光器单频、单模激光器可调谐激
10、光器超短脉冲激光器,He-Ne激光器的基本结构形式,气体激光器,光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。效率低，能耗高，寿命较短，体积大。原子（氦氖）激光器，离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器，分子（CO2,CO,准分子)激光器。,氦氖激光器,氦氖激光器是一种原子气体激光器，工作物质由氦气和氖气组成。在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当的条件下氦氖气体成为被激活的介质，如果在激光器的轴线上安装高反射比的多层介质膜反射镜作为谐振腔，则可获得激光输出。氦氖激光器可输出一毫瓦左右至数十毫瓦的连续光。主要用于精密计量、全息技术、准直测量等场合。,固体激光器,运行方式多样：连续，脉冲，调，锁模等，
11、可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；工作物质：具有特殊功能的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。红宝石激光器输出波长为694.3nm脉冲红光。,固体激光晶体棒,红宝石激光器包括类似相机闪光灯的闪光管、红宝石棒和两面反射镜（其中一面为半反射镜面）。红宝石棒是激光介质，闪光管是泵激源。 1、未发射状态的激光器,红宝石激光器工作原理,红宝石激光器工作原理,2. 闪光管闪光并将光线射入红宝石棒。光线激发红宝石内的原子,红宝石激光器工作原理,3. 其中的部分原子释放出光子。,红宝石激光器
12、工作原理,4. 部分光子沿红宝石轴的平行方向运动，因而在两块反光镜之间来回反弹。它们经过红宝石晶体时，还会继续激发其他原子。,红宝石激光器工作原理,5. 单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光！,固体激光实验装置,微型固体激光器（学生研发）,半导体激光器,工作物质是半导体材料，PN结就是激活物质。体积小，质量轻、效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制；可批量生产，单片集成；发散角大，温度特性差，容易产生噪声。半导体激光器的波长为0.3344微米。广泛的应用于光通信、光学测量、自动控制等方面，是最有前途的辐射源之一。,半导体激光器,p-
13、n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样
14、在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。,半导体激光器,半导体激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合，则可激发激光。,半导体激光器（自制）,半导体激光器电
15、源,白 光激光器,激光的特性,1、单色性光的波长范围越窄，单色性越好。2、方向性激光器的方向性一般用光束的发射角表示。3、高亮度激光器由于发光面小，发散角小，因此可获得高的光谱辐射亮度。4、相干性由于激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射较小，因此有很好的空间和时间相干性。,激光器在光电检测中的应用,激光测距，测长，测平面度等激光大气污染检测激光检测激光海洋探测激光制导激光雷达激光干涉测量（探伤）激光全息测量,4.3 光电耦合器件,在工业检测、电信号的传送处理和计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器或复杂的电路来实现输入端、输出端装置于主机之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。 继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压器体积大、频率窄，所以它们都不是理想的部件。随着光电技术的发展，70年代以后出现了一种新的功能器件光电耦合器。,光电耦合器件,定义：发光器件与光接收器件组合的一种器件，这种器件在信息的传输过程中是用光作媒介把输入端的电信号耦合到输出端，制成的具有信号传输功能的器件，也叫光耦合器。类型：光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，以便实现电路间的电气隔离和消除噪声。光传感器：一种固体传感器，用于检测物体的位置或检测物体有无的状态。发光器件：，灯等光接收器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。,
