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1、发光器件与光控器课件,第五章 发光器件与光控器件,发光器件与光控器课件,一、发光器件 光的发生一般有两种方式，即温度辐射与发光，温度辐射就是指物体在高温加热时的辐射，例如电灯变亮就是钨丝加热的结果。 在温度引起的辐射之外的物体固有的有选择性的辐射现象统称为发光。发光又因激发方式和物质而有所不同，因此又分为光致发光，阴极射线发光，放射线发光，电致发光，注入式电发光等。 一切由辐射体的分子和原子的热运动（振动或转动）而产生的全部辐射叫热辐射，辐射体的温度上升时，其带电粒子的动能增加。 因而其发射的辐通量也增加。同时， 物体的温度增高时，不但它的辐射量也增大，而且它的光谱组成也有变化。当运动的粒子具
2、有很大动能（即辐射体的温度很高）时，就能产生可见的辐射。,发光器件与光控器课件,光致发光材料的主要作用是将一种波长的光转换为另一种波长，即它能吸收一种波长的入射光、而后发射另一种波长的光。（即在发光材料中用能量高的光子激发能量低的光子）。现在已发现有些材料可将长波光转换成短波光（即几个能量小的光子激发出一个能量高的光子）。光致发光的主要应用是照明和一些特殊光源。例如用于日光灯、黑光灯、高压水银荧光灯等。,发光器件与光控器课件,下面主要介绍激光器和半导体发光二极管这两种发光器件。 1、激光器,激光器是一种新型光源，和钨丝灯等常见光源相比，有许多突出的特点：方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等。
3、激光的发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。氦氖激光的谱线宽度，只有 nm，颜色非常纯。激光的产生和一般光不同，它的发光原子彼此间都密切联系着，各发光原子所发出的光，振动方向、频率、相位等都相同，因此具有良好的相干条件。激光的能量十分集中，一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达 ，比太阳表面的亮度还高若干倍。,发光器件与光控器课件,发光器件与光控器课件,下面简要介绍两种激光器的工作过程和特点 1)氦氖激光器 氦氖激光器的工作物质是氦氖混合气，利用气体电离的方法使粒子数反转。主要发光物质是氖气。但是如果只使用氖气，电离电压必须很高，所以要掺入适量的氦，首先使氦气电离，然后利用氦气电离时产生的
4、电子去电离氖气。,氦氖激光器能够发出三种波长的谱线，即0.6328m、1.15m、3.39m；其中最常用的是波长为0.6328m（桔红色）的激光。,发光器件与光控器课件,2)注入式半导体激光器 注入式半导体激光器的基本结构就是一个PN结，为了产生激光。半导体要进行重掺杂，杂质浓度为 。在这样高的杂质浓度下，PN结的能带结构如下图a所示。当给PN结加以正电压（P端接高电位）时，PN结的能带则变为图b的形式。,注入式半导体激光器中PN结的能带,这时，电子要从N区向P区注入，空穴要从P区向N区注入。在结区，导带中电子的数目将超过价带中电子的数目，从而即实现了导带对于价带的粒子数反转。,发光器件与光控
5、器课件,另外，作为激光器还要有谐振腔，它是利用半导体晶体的自然解理面来充当的。例如，砷化镓晶体是立方形的，有三组彼此垂直的晶面，每组晶面严格的彼此平行，而且极光滑，经过适当加工即可成为谐振腔。,砷化镓单晶,半导体激光器,发光器件与光控器课件,注入式半导体激光器的工作过程如下： 加外电源使PN结进行正偏置。正向电流达到一定程度时，PN结区即发生导带对于价带的粒子数反转。 这时，导带中的电子会有一部分发生辐射跃迁，同时产生自发辐射。自发辐射出来的光，是无方向性的。但其中总会有一部分光是沿着谐振腔腔轴方向传播的，往返于半导体之间。 通过这种光子的诱导，即可使导带中的电子产生受激辐射（光放大）。受激辐
6、射出来的光子又会进一步去诱导导带中的其它电子产生受激辐射。如此下去，在谐振腔中即形成了光振荡，从谐振腔两端发射出激光。,半导体激光器发光原理示意图,发光器件与光控器课件,制作半导体激光器的材料多为 ，发光波长为800900nm，(随x而变化），谱线宽度约031nm。有些激光器为了使激光从芯片的一端发出，而在芯片的另一端常涂以金或银的薄作为反射膜。 半导体激光器的优点是，电光转换效率高，体积小，结构稳定，使用方便。因此多用作便携式光源。此外，使用半导体激光泵浦倍频晶体产生蓝绿色激光，拓展了广阔的应用前景。,发光器件与光控器课件,2、半导体发光二极管 半导体发光二极管和注入式半导体激光器类似，也是
7、一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。只是它的结构公差没有激光器那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。由于它的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中应用得也极为普遍。,发光二极管按发光波长来分，有红外发光二极管和可见光发光二极管（LCD）两种。它们的结构原理都是类似的，下面着重以红外发光二极管为例作一介绍,发光器件与光控器课件,1)发光二极管的发光原理 发光二极管的发光原理同样可以用前图PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低
8、的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 ，即 由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。另外，有些材料由于组分和掺杂不同，例如，有的具有很复杂的能带结构，相应的还有间接跃迁辐射等，因此有各种各样的发光二极管。,发光器件与光控器课件,通过发光二极管的电流与加到二极管两端电压之间的关系，称为发光二极管的伏安特
9、性。图中， 为开启电压。U 时，二极管导通发光。U 时，二极管截止不发光。 的大小与材料、工艺等因素有关。一般GaAs管的 约为1.3V；GaP管的 约为2V；GaAsP管的 约为1.6V；GaAlAs管的 约为1.55V。,2)发光二极管的主要特性 （1）伏安特性,发光二极管伏安特性曲线,发光器件与光控器课件,(2)发光亮度 发光二极管的发光亮度，基本上是正比于电流密度的（如图给出的是各种发光二极管的光出射度与电流密度关系），由图可见，一般管的发光亮度都与电流密度成正比例，只有”GaP红”的发光亮度略有随电流密度的增加而趋于饱和的现象。亮度正比于电流密度这种性质，对于采用脉冲驱动的方式是很有
10、利的，它可以在平均电流与直流电流相等的情况下，获得很高的亮度。,各种发光二极管发光出射度与电流密度的关系曲线,发光器件与光控器课件,（3）光谱特性,几种LED的光谱特性曲线,发光二极管所发出的光不是纯单色光，但是，除了激光外，它的谱线宽度都比其它光源所发出光的谱线窄。例如，砷化镓发光二极管的谱线宽度只有25nm。因此，可认为是单色光。其它发光二极管的光谱特性曲线示于图。,发光器件与光控器课件,（4）温度特性 温度对PN结的复合发光是有影响的，在偏置电压不变的情况下，结温升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如上图所示。,发光电流与温度的关系曲线,发光器件与光控器课件,
11、（5）时间响应 这里说的时间响应，是指发光二极管启亮与熄灭时的时间延迟。发光二极管的响应时间很短，一般只有几纳秒至几十纳秒。当利用脉冲电流去驱动发光二极管时，应考虑到脉冲宽度、空度比与响应时间的关系。 （6）寿命 发光二极管的寿命都很长，在电流密度j1A/ 的情况下，可达 h以上。不过，电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短。,发光器件与光控器课件,3)发光二极管的使用要点 (1)开启电压 发光二极管的电特性和温度特性都与普通的硅、锗二极管类似。只是正向开启电压一般都比普通的硅、锗二极管大些，而且因品种而异。 (2)温度特性 利用发光二极管和硅的受光器件进
12、行组合使用时，应注意到二者的温度特性是相反的。温度升高时，发光二极管的电光转换效率变小，亮度减弱。而硅的受光器件，光电转换效率却是增加的。所以使用时，应把二者放到一起考虑，注意其组合后的整体温度特性。 (3)方向特性 发光二极管一般都带有圆顶的玻璃窗，当利用它和受光器件组合时，应注意到这一结构上的特点。发光管与受光管二者对得不准时，效果会变得很差。,发光器件与光控器课件,二、光控器件 光控器件是对光的参量（振幅、频率、相位、偏振状态和传播方向等）进行控制的器件。使光的参量发生变化的过程称为调制。一般应用最多的是对光的振幅调制。因为光强与光的振幅平方成正比例，因此对光的振幅调制也就是对光强的调制
13、。,发光器件与光控器课件,光的调制，有内调制与外调制两种。 内调制是指从发光器的内部采取措施，使光受到的调制。例如，半导体激光器和半导体发光二极管所发的光，都与通过它的电流强度成正比例，改变电流强度，也就改变了它们的发光强度；激光器的发光都与光腔有关，如果把调制措施引入到光腔里面来，使调制器和光腔结成一个整体，也可以使出射光受到调制。一般内调制的特点是，发光机制和调制机制紧密联系，实行起来，有的简单，有的复杂，多数情形不易调整。 外调制是指发光器和调制器是分开设立的，使光在传播过程中受到调制的一种方式。其特点是，发光器与调制器没有内在联系，实行起来比较简单，而且容易调整。所以，现在光电装置中多
14、数都采用外调制方式。 调制器的性能对调制质量影响很大，一般对调制器的要求是，性能稳定，调制度高，损耗小，相位均匀，有一定的带宽等。,发光器件与光控器课件,1、电光调制器件 电光效应指一些光学介质在外电场的作用下，光学特性会发生改变。当其受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，要用张量来描述，在光学性质上变为各向异性；而不受外电场作用时，介电系数和折射率都是标量，与方向无关，在光学性质上是各向同性的。 已发现两种电光效应，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克
15、尔（Kerr）效应。利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种。,发光器件与光控器课件,几种电光调制器的基本结构形式 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒,图中，P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时使它们的光轴方向彼此垂直。,发光器件与光控器课件,1)电光调制器的原理 当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。 通过克尔盒时不改变振动方向。到达Q时，因光
16、的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡，所以Q没有光输出。,给克尔盒加电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。,发光器件与光控器课件,Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的调制。,对前图a而言的几个量的方位关系图,右图示出几个偏振量的方位关系，其中，光的传播方向平行于z轴（垂直于屏幕向里）；M和N分别为起偏器P和检偏器Q的光轴方向，二者彼此垂直；为M与y轴的夹角，为N与y轴的夹角，+/2；外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x轴；o光垂直于xz面，e光在xz面内。,发光器件与光控器课件,设自然光经过P后所产生的平面偏振光为 Esint 由于此光的传播方向垂直于介质光轴，所以，它通过介质时产生双折射。但是，这个光的o光和e光在介质中
