第1章光源总结

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1、第第1 1章章 光源光源1.1 1.1 辐射度学与光度学的基础知识辐射度学与光度学的基础知识1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源1.4 1.4 激光器激光器1.5 1.5 发光二极管发光二极管(LED)(LED)光电技术基础光电技术基础光电技术最基本的理论光电技术最基本的理论 是光的波粒二象性。是光的波粒二象性。 即光是以电磁波方式传播的粒子。即光是以电磁波方式传播的粒子。光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子光子具有动量与能量，并分别表示为光子具有动量与能量，并分别表示为p与与e，式中式中h h

2、为普为普朗克常数（朗克常数（6.6266.6261010-34-34J Js s）；）；v为光的振动频率为光的振动频率(s(s-1-1) )；c为光在真空中的传播速度（为光在真空中的传播速度（3 310108 8m ms s-1-1）。）。光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。应，而光电效应又充分证明了光的量子性。一切能产生光辐射的辐射源都称为光源一切能产生光辐射的辐射源都称为光源天然光源天然光源人造光源人造光源电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱按照发光机理，按照发光机理，按照发光机理，按照发光机理，

3、光源的分类：光源的分类：光源的分类：光源的分类：需要了解需要了解需要了解需要了解各类光源各类光源各类光源各类光源的发光机的发光机的发光机的发光机理、重要理、重要理、重要理、重要特性、适特性、适特性、适特性、适用场合，用场合，用场合，用场合，以便正确以便正确以便正确以便正确选用光源。选用光源。选用光源。选用光源。光纤激光器发光二极管1.1 1.1 辐射度学与光度学的辐射度学与光度学的 介绍描述光辐射的一套参量介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量一、辐射度的基本物理量 1.1.辐射能辐射能 单位为单位为J J（焦耳）（焦耳） 2.2.辐射通量辐射通量 又称辐射功率又称辐射功率 单位为单位

4、为W W（瓦、焦耳每秒）（瓦、焦耳每秒） 3.3.辐射强度辐射强度 描述点辐射源的描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。辐射功率在不同方向上的分布。基础知识基础知识单位单位: （瓦每球面度）（瓦每球面度）4.4.辐射出射度辐射出射度 与辐射亮度与辐射亮度单位：单位： （瓦每平方米）（瓦每平方米） 单位：单位： （瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米） 的定义的定义 的定义的定义5.5.辐射照度辐射照度 单位：单位： （瓦每平方米）（瓦每平方米）6.6.光谱辐射量光谱辐射量 辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。光谱辐射通量光谱辐射通量 与波长的与波长的

5、关系关系其它辐射度量都有类似关系其它辐射度量都有类似关系。二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量1.1.光谱光视效率光谱光视效率V(V():): 人眼对各种光波长的人眼对各种光波长的 相对灵敏度相对灵敏度详见表详见表1.11.1 2.2.光度量光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。光度量与辐射度量是一一对应的。 辐射度辐射度量量是客观物理量，是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。光度量体现了人的视觉特性。 光能光能 单位：单位：lmlms（流明（流明秒秒） 光通量光通量 单位：单位：lm lm （流明）（流明） 发光强度发光强度 单位：单位：cdcd（坎德拉）（坎德拉） 发光强度发光强度

6、是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定： 时，时， 即：即：1W = 683 lm 1W = 683 lm 此时，此时，V(V(）=1 =1 V(V(）1 1W 1 1W 683 lm683 lm 时，时，可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：可见，辐射通量与光通量之间的换算关系： 1W = 683 1W = 683 V(V(）lmlm ，定义：定义：Km = 683 lmKm = 683 lm /W/W有关系式：有关系式： 光出射度光出射度 与光亮度与光亮度 单位：单位：lmlm /m/m2 2单位：单位： cd/mcd/m2 2实用单位：实用单位

7、：sbsb( (熙提熙提) ) 1sb = 1sb = 10104 4cd/mcd/m2 2 光照度光照度 单位：单位：lxlx（勒克斯）（勒克斯） 1 lx =1 lm/m1 lx =1 lm/m2 2普适关系式：普适关系式：三、光源的辐射效率与发光效率三、光源的辐射效率与发光效率辐射效率辐射效率发光效率发光效率 单位：单位： lm/Wlm/Wv例例1-31-3 已已知知某某He-NeHe-Ne激激光光器器的的输输出出功功率率为为3mW3mW，试计算其发出的光通量为多少试计算其发出的光通量为多少lmlm？v( (氦氖激光波长632.8nm ) )v解解 He-NeHe-Ne激激光光器器输输出

8、出的的光光为为光光谱谱辐辐射射通通量量，根根据据式（式（1-561-56）可以计算出它发出的光通量为）可以计算出它发出的光通量为vv,v,= =K K,e ee e, ,=K=Km mV()V()e e, ,v = =6836830.240.243 31010-3-3v =0.492(lm) =0.492(lm) 该激光束在远的屏上形成的光斑面积为该光斑是一个漫反射光源： 3 一束波长为635nm、功率为3mW的单色光，其光通量为多少？倘若该光束由一个小的面光源发射出来，发光面的直径为1 mm，发散角为1 mrad，并且人眼只能观看1 cd/cm2的亮度，试求所戴保护眼镜的透过率应为多少？（已

9、知635nm的明视觉光谱光视效率为 ）1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源一、理想的热辐射光源一、理想的热辐射光源 (，T)=1 T)=1 绝对黑体绝对黑体在热平衡条件下在热平衡条件下绝对黑体热辐射能力最强。绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源生辐射的光源辐射光谱是连续光谱辐射光谱是连续光谱1、普朗克公式、普朗克公式2、维恩位移、维恩位移定律定律3、斯蒂芬、斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律随着温度随着温度T的升高，的升高，峰值波长峰值波长 向短波方向移动，向短波方向移动，总出射度总出射度 迅速增加迅速增加。绝对黑体的温度决定了它的绝对黑

10、体的温度决定了它的辐射光谱分布辐射光谱分布灰体：灰体：(，T)T)1 1的热辐射光源，的热辐射光源， 具有与具有与绝对黑体绝对黑体类似的辐射规律。类似的辐射规律。色温；相关色温色温；相关色温T2898=将 对波长求积分，得到黑体发射的总辐射出射度 （1-42）式中，是斯特藩-波尔兹曼常数，它由下式决定 由式（1-42），Me,s与T的四次方成正比 3.斯忒藩斯忒藩-波尔兹曼定律波尔兹曼定律普朗克公式普朗克公式将将 代入普朗克公式，代入普朗克公式，得到黑体的峰值光谱辐出度得到黑体的峰值光谱辐出度 Wcm-2m-1K-5 以上三个定律统称为黑体辐射定律。 例例1-1 若可以将人体作为黑体，正常人体

11、温的为若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少度为多少W/m2？（？（2）正常人体的峰值辐射波长正常人体的峰值辐射波长为多少为多少m？峰值光谱辐射出射度峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？为多少？（3）人体发烧到）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,m又为多少？又为多少？解解 （1 1）人体正常体的绝对温度为）人体正常体的绝对温度为T T=36.5+273=309.5K=36.5+273=309.5K，根据斯特藩根据斯特藩-

12、 -波尔兹曼辐射波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为定律，正常人体所发出的辐射出射度为 l（2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为 (m)=9.36m 峰值光谱辐射出射度为 Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人体发烧到）人体发烧到38时峰值辐射波长为时峰值辐射波长为 发烧时的峰值光谱辐射出射度为 =3.81Wcm-2m-1 例例1-2 1-2 将标标准准钨钨丝丝灯灯为为黑黑体体时时，试试计计算算它它的的峰峰值值辐辐射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。射波长，峰值光谱辐射出射度和它的总辐射出射度。解解 标准钨丝

13、灯的温度为标准钨丝灯的温度为T TW W=2856K=2856K，因此它的峰值辐因此它的峰值辐射波长为射波长为 (m) 峰值光谱辐射出射度为 =1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 总辐射出射度为 1.1.太阳与黑体辐射器太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布太阳的光谱分布非常接近于非常接近于绝对黑体绝对黑体黑体辐射器：黑体辐射器：科学制作的小科学制作的小孔空腔结构，孔空腔结构，可以很好地实可以很好地实现绝对黑体的现绝对黑体的辐射功能。辐射功能。常用作标准光常用作标准光源，最高工作源，最高工作温度是温度是3000K3000K。2.2.白炽

14、灯与卤钨灯白炽灯与卤钨灯 灰体灰体 钨丝做灯丝钨丝做灯丝玻璃泡壳玻璃泡壳; ;色温约色温约2800K,2800K,辐射光谱约辐射光谱约0.40.43 3m m。 可见光占可见光占6 612%12%，用于照明；，用于照明； 加红外滤光片可作为近红外光源。加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳石英泡壳; ;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）（如溴化硼）; ;形成卤钨循环。形成卤钨循环。 色温色温3200K3200K以上以上, ,辐射光谱为辐射光谱为0.250.253.5m3.5m。 发光效率可达发光效率可达30lm/W(30lm/W(为白炽灯的为白炽灯的

15、2 23 3倍倍) )， 作仪器白光源作仪器白光源. .卤钨灯卤钨灯 白炽灯白炽灯1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源发光机理：发光机理：气体放电。气体放电。 泡壳：用玻璃或石英等材料制造；泡壳：用玻璃或石英等材料制造；电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、 金属化合物蒸气、惰性气体金属化合物蒸气、惰性气体基基本本结结构构气体放电光源的特点：气体放电光源的特点： 发光效率高发光效率高, ,节能。节能。 电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。 寿命长，比白炽灯长寿命长，比白炽灯

16、长2 21010倍。倍。 辐射光谱可以选择，只要选用适当辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。的发光材料。一、汞灯一、汞灯 泡壳内充汞蒸泡壳内充汞蒸气气1.1.低压汞灯低压汞灯 作作253.7nm253.7nm紫外光源；紫外光源； 作荧光灯（作荧光灯（日光灯）。日光灯）。2.2.高压汞灯高压汞灯 可见辐射加强，呈带状可见辐射加强，呈带状 光谱，可作光谱，可作高效照明光源。高效照明光源。3.3.球形超高压汞灯球形超高压汞灯 很好的蓝绿光点光源。很好的蓝绿光点光源。二、钠灯二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体泡壳内充的是氖氩混合气体 与金属钠滴。与金属钠滴。低压钠灯：低压钠灯：发出波长发出波长5

17、89nm589nm、589.6nm 589.6nm 两条谱线的单色光源。两条谱线的单色光源。高压钠灯：高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金属卤化物灯三、金属卤化物灯 泡壳内充的是泡壳内充的是 金属卤化物气体。金属卤化物气体。通过通过金属金属 卤化物循环，卤化物循环，提供足够的提供足够的 金属原子气体。金属原子气体。铊灯（碘化铊）：铊灯（碘化铊）：绿光，峰值绿光，峰值535nm535nm。镝灯（碘化镝、碘化铊）：镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温色温6000K6000K。钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）： 近白色光源近白

18、色光源, , 色温色温5500K5500K。四、氙灯四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体泡壳内充的是是惰性气体氙。氙。色温色温6000K6000K，亮度高，被称为，亮度高，被称为“小太阳小太阳”，寿命长。，寿命长。长弧氙灯长弧氙灯: :短弧氙灯短弧氙灯: :脉冲氙灯脉冲氙灯: :日光色点光源日光色点光源大范围照明大范围照明光源光源脉冲脉冲时间极短（时间极短（nSnSpSpS) )，光很强，光很强, ,用于用于光泵、光信号源、光泵、光信号源、照相制版、高速摄影照相制版、高速摄影五、氘灯五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气泡壳内充有高纯度的氘气灯灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，的紫外辐射强度高、稳定

19、性好、寿命长，常用作连续紫外光源（常用作连续紫外光源（185185400nm400nm）。）。1.4 1.4 激光器激光器1.4.1 1.4.1 激光器概述激光器概述 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。崭新的阶段。 激激光光器器的的基基本本结结构构 激激光光形形成成机机理理电泵浦或光泵浦；电泵浦或光泵浦；造成工作物质中粒子数反转分布造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射；自发辐射引发受激辐射；谐振腔对辐射光波选频放大。谐振腔对辐射光波选频放大。激激光光的的优优越越性性高亮度、高方向性、高单

20、色性高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性和高度的时间空间相干性 已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。激光将对激光将对2121世纪的科技腾飞和产业世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！革命产生深远的影响！v时间相干性是指同一点光源时间相干性是指同一点光源,在不同时间发射在不同时间发射光束的相干状态光束的相干状态,v而空间相干性而空间相干性,是指不同空间位置的光源之间是指不同空间位置的光源之间的相干状态的相干状态.1.1.气体激光器气体激光器工工作作物物质质是是气气体体

21、或或金金属属蒸蒸气气，通通过过气气体体放电实现粒子数反转。放电实现粒子数反转。工工作作物物质质（气气体体）均均匀匀性性好好，输输出出光光束束的质量相当高。的质量相当高。2.2.固体激光器固体激光器工工作作物物质质是是掺掺杂杂的的晶晶体体或光学玻璃，光泵浦。或光学玻璃，光泵浦。有有脉脉冲冲输输出出激激光光器器和和连连续输出激光器。续输出激光器。主主要要优优点点：能能量量大大、峰峰值值功功率率高高、结结构构紧紧凑凑、坚固可靠和使用方便。坚固可靠和使用方便。3.3.染料激光器染料激光器工作物质是有机染料溶液，光泵浦。工作物质是有机染料溶液，光泵浦。输输出出激激光光波波长长可可以以在在很很宽宽范范围围

22、内内调调谐谐，有有极极好好的的光束质量。光束质量。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。可产生超短光脉冲，峰值功率达几百可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MWMW。4.4.半导体激光器（半导体激光器（LDLD）工工作作物物质质是是半半导导体体材材料料形形成成的的P-NP-N结。结。与结平面垂直的晶体解与结平面垂直的晶体解理面构成理面构成F-PF-P谐振腔。谐振腔。对对P-NP-N结正向注入电流或结正向注入电流或光泵浦光泵浦，可激发激光。可激发激光。体积小，重量轻，易调制，功耗低；体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（波长覆盖面广（0.330.

23、334444m m）；）；能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。主主要要优优点点5.5.光纤激光器光纤激光器工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐振腔有多种形式。振腔有多种形式。是近年来发展起来的新型激光器，具有一是近年来发展起来的新型激光器，具有一系列独特的优点。在光通信系统、光能源系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。系统中都有重要作用。 1.4.2 1.4.2 固体激光器固体激光器介绍几种代表性的介绍几种代表性的固体激光器固体激光器YAG激光器激光器 基质晶体基质晶体Y3Al5O12

24、热物理性能优良，热物理性能优良， 使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。输出波长输出波长1064nm，加倍频技术可输出，加倍频技术可输出532nm。已经实现了已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。工、激光医疗、科学研究之中。输出波长输出波长2.94m,用于激光医疗。用于激光医疗。 输出波长输出波长2.1m,2.1m,用于激光医疗用于激光医疗 , ,空间光通信。空间光通信。 可调谐的固体激光器可调谐的固体激光器 输出激光有宽的调谐范围（输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm700-1000

25、nm，峰值，峰值波长波长800nm800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。），应用广泛，并实现飞秒脉冲。 可调谐范围可调谐范围700-800nm700-800nm。采用调。采用调Q Q技术，输出技术，输出755nm755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。脉冲激光，在激光医疗中很重要。 激光二极管（激光二极管（LDLD）泵浦的固体激光器）泵浦的固体激光器LDLD泵浦泵浦: :实现高效率的能量转换实现高效率的能量转换, ,有端面泵浦和侧面泵浦。有端面泵浦和侧面泵浦。 获得百瓦级高功率激光输出。获得百瓦级高功率激光输出。下图是纵向、双端面泵浦下图是纵向、双端面泵浦一个横向、侧面泵浦的激光器一个横向、

26、侧面泵浦的激光器市场上高功率的市场上高功率的LDLD泵浦固体激光器都是泵浦固体激光器都是用侧面泵浦方式，输出功率可达用侧面泵浦方式，输出功率可达6000W6000W以上。以上。非线性频率转换得到短波长固体激光器非线性频率转换得到短波长固体激光器 固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料进行波长转换进行波长转换, ,可得到短波长固体激光器。可得到短波长固体激光器。 LDLD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。可调谐激光器。研研究

27、究趋趋势势用LD泵浦 晶体得到1064nm激光，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到532nm绿激光。还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。1.4.3 1.4.3 半导体激光器半导体激光器一、半导体材料的能带一、半导体材料的能带晶体中电子晶体中电子的共有化运动的共有化运动晶体中的能带晶体中的能带关于价带关于价带导带导带禁带禁带导电载流子：导电载流子：电子、空穴电子、空穴I I型、型、N N型、型、P P型半导体型半导体关于施主能级关于施主能级受主能级受主能级费米统计分布费米统计分布式中，式中，Ef为费米能级，是电子占据率大于或小于为费米能级，是电子

28、占据率大于或小于0.50.5的能级分界线。的能级分界线。二、二、PNPN结的能带结的能带PNPN结空间电荷区与自建电场的形成结空间电荷区与自建电场的形成PNPN结的能带弯曲结的能带弯曲重掺杂重掺杂P P型、型、N N型型半导体的能带半导体的能带热平衡时热平衡时PNPN结结的能带弯曲的能带弯曲 加上正向电压后，加上正向电压后， PNPN结势垒降低结势垒降低PNPN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由有一个费米能级。自建电场的方向由N N区区指向指向P P区，区，P P区、区、N N区的电子能级差为：区的电子能级差为：PNPN结加上正

29、向电压时，热平衡被破坏，结加上正向电压时，热平衡被破坏，PNPN结区结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。势垒降低，实现了粒子数反转分布。 电子、空穴复合发光，引发受激辐射。电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。经谐振腔选频，可形成激光输出。PNPN结就是光辐射的有源区。结就是光辐射的有源区。 三、实用中代表性的三、实用中代表性的LDLD的结构的结构阈值电流阈值电流I Ithth注入电流注入电流I II Ith th , ,才能形成激光。才能形成激光。器件结构要着力于降低器件结构要着力于降低I Ith th 。同质结同质结 单异质结（单异质结（SHSH） 双异质结（双异

30、质结（DHDH） 、条形异质结条形异质结LD:LD:增益导引条形增益导引条形DHLD DHLD 掩埋条形掩埋条形DHLDDHLD 量子阱（量子阱（QWQW）LDLD单量子阱（单量子阱（SQWSQW）多量子阱（多量子阱（MQWMQW）超晶格结构超晶格结构 量子阱效应：使载流子能级拉开并使有源区的异质结上出现了导带和价带上的突变。量子阱效应：使载流子能级拉开并使有源区的异质结上出现了导带和价带上的突变。MQWMQW结构的结构的优越性优越性： 阈值电流很低阈值电流很低 改善频率啁啾改善频率啁啾调制速率高调制速率高 温度特性好温度特性好 MQWMQW的的能带能带分布反馈激光器分布反馈激光器 谐振腔是谐

31、振腔是波纹光栅波纹光栅结构结构 分布反馈分布反馈基于基于布拉格衍射布拉格衍射原理原理 DFB DFB 激光器激光器DBR DBR 激光器激光器 每一个栅距每一个栅距 相当于一个微相当于一个微F-PF-P腔腔, ,易形成单易形成单 纵模振荡。波纹光栅相当于许多微纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-PF-P腔多级腔多级 调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。 在高速调制时仍然保持单纵模特性。在高速调制时仍然保持单纵模特性。 温度特性好。温度特性好。波纹光栅波纹光栅分布反馈分布反馈的优点的优点MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能优越，广泛应用于性能优越

32、，广泛应用于高速光纤通信系统中。高速光纤通信系统中。四、四、LDLD的工作特性的工作特性I II Ith th 形成激光输出形成激光输出, 光功率急剧上升，光功率急剧上升， P-IP-I曲线的线性好。曲线的线性好。 斜率效率。斜率效率。 I II Ith th 自发辐射阶段，自发辐射阶段， 光功率较小光功率较小 。LDLD是对温度很敏感的器件，温度升高，是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。光功率和峰值波长。 1. P-I1. P-I特性特性2. 光谱特性光谱特性I II IththI II Ithth单纵模单纵模

33、LDLD是矩形光波导是矩形光波导: :厚度为厚度为d d，条形宽度为，条形宽度为W W 。出光发散角：出光发散角： 约约30304040约约6 68 83.3.调制特性调制特性具有直接调制的能力具有直接调制的能力 调制电流调制电流 模拟调制模拟调制数字调制数字调制LDLD芯片芯片的调制的调制频率达频率达 10GH10GHZ Z 量级。量级。五、五、LDLD的应用及新的发展的应用及新的发展 LDLD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高， 寿命长，有大功率、高集成度器件。寿命长，有大功率、高集成度器件。 已成为最重要的激光器之一。已成为最重要的激光器之一。

34、 光通信光通信 光盘存储、光显示光盘存储、光显示 激光印刷、信息处理、办公自动化设备激光印刷、信息处理、办公自动化设备 激光加工、激光医疗激光加工、激光医疗 各种半导体激光器需求量极大，各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。是光电子产业的重要支柱。 LDLD的发展日新月异的发展日新月异 l垂直腔表面发射垂直腔表面发射LDLD（VCSELVCSEL）利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。 有源区是多有源区是多量子阱结构，量子阱结构，腔长只有几腔长只有几个微米。动个微米。动态单纵模特态单纵模特性好，阈值性好，阈值电流可小于电流可小于1 1A

35、A。l微腔微腔LDLD如应变量子阱（如应变量子阱（SL-QWSL-QW）结构，调制频率）结构，调制频率已达已达30GHZ30GHZ以上。以上。 l高速宽带高速宽带LDLD 普通普通LDLD的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，其中只有一个或几个模式形成激光（其中只有一个或几个模式形成激光（:10:10-4-41010-5-5）。因）。因而带来能量损失、速度限制和噪声。而带来能量损失、速度限制和噪声。微腔微腔LDLD的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大压缩（压缩（11），阈值大大降低，获得超高速

36、响应（大于），阈值大大降低，获得超高速响应（大于100Gb/s100Gb/s）。甚至可实现无阈值激光器。）。甚至可实现无阈值激光器。 微腔微腔LDLD及其二维面阵是一种高效、高密度光及其二维面阵是一种高效、高密度光源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。激光器的重要变革激光器的重要变革l可调谐可调谐LDLD用于用于DWDMDWDM光交换技术光交换技术实现实现5-7nm5-7nm范围范围连续连续调谐调谐实现实现100nm100nm范围范围波长波长调谐调谐l短波长短波长LDLD 光存储、光显示的需要。光存储、光显示的需要。红光、绿光、蓝光、紫光红光、绿光、蓝

37、光、紫光LDLD用有机材料（聚合物）作用有机材料（聚合物）作LDLD的有源层，的有源层，易得到短波长易得到短波长LDLD，是目前的研究热点。，是目前的研究热点。l大功率大功率LDLD作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；光存储、光印刷光源；激光加工、激光医疗激光加工、激光医疗光源光源产生大功率产生大功率LDLD的途径：的途径： 提高单个提高单个LDLD的输出功率；的输出功率； 发展列阵发展列阵LD:LD:一维一维LDLD列阵列阵; ;二维二维LDLD列阵列阵; ;激光棒激光棒 （脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。（脉冲）功率可达几千乃至几万

38、瓦。l高性能高性能LDLD组件组件适于适于10Gb/s10Gb/s以上速率的以上速率的EAM/LDEAM/LD波长可选择的光电集成回路（波长可选择的光电集成回路（OEICOEIC） 1.531.531.61m1.61m范围的多波长光源范围的多波长光源EAMEAM：电吸收光调制器。：电吸收光调制器。EAMEAM与与LDLD集成，集成，实现光调制，实现光调制，-3dB-3dB带宽为带宽为14GH14GHZ Z。含有含有EAMEAM、半导体光放大器（、半导体光放大器（SOASOA）、合波器）、合波器(MMI(MMI）、）、微列阵微列阵DFBDFB激光器，波长选择范围达激光器，波长选择范围达45nm4

39、5nm。4040个个DFBDFB-LDLD波长等间隔、光强大小一致、波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个每个集成一个EAMEAM，适用于，适用于DWDMDWDM全光网络。全光网络。1.4.4 1.4.4 光纤激光器光纤激光器一、光纤、光波导一、光纤、光波导 光纤光纤 光导纤维，光光导纤维，光传输的通路，纤芯折射传输的通路，纤芯折射率大于包层，光基于全率大于包层，光基于全内反射在纤芯中传输。内反射在纤芯中传输。纤芯中掺入稀土离子纤芯中掺入稀土离子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,有源光纤有源光纤, 光泵浦，激光器的工作物质。光泵浦，激光器的工作物质。当光纤中光强超过上限，当光纤

40、中光强超过上限，产生非线性光学效应。产生非线性光学效应。镨(读音pu、符号Pr)、.(读音er、符号Er)、铥(读音diu、符号Tm)、镱(读音yi、符号Yb)、 光波导光波导在光电集成回路中、各种光器件模块里，在光电集成回路中、各种光器件模块里，必有光信号的通路，即光波导。必有光信号的通路，即光波导。光波导类似于光纤的光波导类似于光纤的纤芯，其折射率高于纤芯，其折射率高于周围材料（衬底和包周围材料（衬底和包层）。波导截面是几层）。波导截面是几微米尺度，用光刻技微米尺度，用光刻技术制得各种光波导。术制得各种光波导。Y Y分叉光波导分叉光波导光波导可构成光分路器、光波导可构成光分路器、耦合器、干

41、涉器、阵列耦合器、干涉器、阵列波导光栅等大量波导光栅等大量光无源器件。光无源器件。 向光波导中掺杂，或向光波导中掺杂，或造成非线性光学效应造成非线性光学效应时，又可制备出多种时，又可制备出多种光有源器件。光有源器件。二、光纤激光器的基本结构二、光纤激光器的基本结构激光工作物质的基质是光纤，主要包括稀土掺杂激光工作物质的基质是光纤，主要包括稀土掺杂光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源三部分组成。三部分组成。 1. 1. 增益介质增益介质 光纤基质材料：光纤基质材料：硅玻璃、

42、氟化物玻璃与石英，视掺杂硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂 元素而选择；元素而选择；光纤长度：光纤长度：典型值在典型值在0.50.55m5m之间。之间。光增益由掺杂离子决定：光增益由掺杂离子决定：掺掺NdNd3+3+光纤激光器，可在光纤激光器，可在1060nm1060nm等等3 3个波长获得激光。个波长获得激光。 掺掺 ErEr3+3+光纤激光器光纤激光器， 输出输出1550nm1550nm激光，光纤通信波长。激光，光纤通信波长。掺掺TmTm3+3+光纤激光器，光纤激光器， 可输出可输出143514351500nm1500nm波长激光，光纤波长激光，光纤通信波长。还可输出通信波长。还可输出170

43、017002100nm2100nm波长、波长、810nm810nm波长激光，用于生物医学、光纤传感。波长激光，用于生物医学、光纤传感。掺掺PrPr3+3+光纤激光器，光纤激光器， 可输出可输出129012901315nm1315nm波长激光，光纤波长激光，光纤通信波长。通信波长。 2.2.谐振腔谐振腔有多种结构：有多种结构： F-PF-P腔腔 将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。环形腔环形腔 光栅谐振腔光栅谐振腔 在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（FBGFBG）而构成而构成 。掺掺ErEr3+3+光纤光栅激光器光

44、纤光栅激光器3.3.包层光泵浦包层光泵浦常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功率小。率小。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。内包层直径在百内包层直径在百mm左右，是泵浦光的导管，有左右，是泵浦光的导管，有大的数值孔径（大的数值孔径（NANA），可以接收更多的泵浦光。），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。 内包层截面设计成多种形状：内包层截面设计成多种形状： 矩形

45、和矩形和D D字形截面内包层具有字形截面内包层具有95%95%的耦合效率的耦合效率, ,光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。 三、光纤激光器的优点三、光纤激光器的优点 能量转换效率高，光能量转换效率高，光光转换效率达光转换效率达80%80%以上。以上。 光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮 度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。 光纤激光器波长范围可在光纤激光器波长范围可在3803803900nm3900nm，可以多波长，可以多波长运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单

46、频运运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。转和超短脉冲输出。 光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。凑，小巧灵活。 耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达1010万小时。万小时。四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤放大器放大器1 1掺掺ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纤激光器是光纤通信波段光纤激光器是光纤通信波段12801280

47、1620nm1620nm光源；光源；2.2.光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光加以放大、增强。加以放大、增强。 它使光通信线路上传统的光它使光通信线路上传统的光电电光型中继器光型中继器变革为全光型中继器，变革为全光型中继器，是光纤通信发展史上重要是光纤通信发展史上重要的里程碑。的里程碑。 掺掺ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纤放大器和拉曼光纤放大光纤放大器和拉曼光纤放大器对于光纤通信系统非常重要。器对于光纤通信系统非常重要。3 3光纤激光器

48、和光纤放大器的增益光纤容易与传光纤激光器和光纤放大器的增益光纤容易与传输光纤耦合。输光纤耦合。4 4光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。5 5光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信的理想光源。的理想光源。五、高功率光纤激光器五、高功率光纤激光器光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结构紧凑小巧，对激光加工

49、、激光医疗相当有吸引力。构紧凑小巧，对激光加工、激光医疗相当有吸引力。 实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术：实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术： 1.1.石英光纤中掺石英光纤中掺YbYb3+3+ YbYb3+3+具有很宽的吸收带（具有很宽的吸收带（8008001064nm1064nm）与荧光）与荧光带（带（9709701200nm1200nm），可选的泵浦源很多。），可选的泵浦源很多。 泵浦泵浦发射的转换效率高。发射的转换效率高。 可高浓度掺杂获得高增益。可高浓度掺杂获得高增益。 YbYb3+3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命长，小能级为简单的二能级，亚稳态寿命长，小功率泵浦就可在极窄的纤

50、芯内形成高密度的粒子数功率泵浦就可在极窄的纤芯内形成高密度的粒子数反转，从而可输出稳定的强激光。反转，从而可输出稳定的强激光。2.2.双包层侧面泵浦技术双包层侧面泵浦技术3.3.高可靠性泵浦光源高可靠性泵浦光源 光纤侧面生出许多杈纤，每分杈耦合一个宽面光纤侧面生出许多杈纤，每分杈耦合一个宽面多模大功率多模大功率LDLD（100W100W）。）。高功率掺镱光纤激光器输出可达数万瓦高功率掺镱光纤激光器输出可达数万瓦, ,比大功率的气体、固体激光器优势显著。比大功率的气体、固体激光器优势显著。1.5 1.5 发光二极管（发光二极管（LEDLED）LEDLED是一种极有竞争力的新型节能光源，是一种极有

51、竞争力的新型节能光源，它的优点有：它的优点有： 效率高效率高 光色纯光色纯 能耗小能耗小 寿命长寿命长 可靠耐用可靠耐用 应用灵活应用灵活 绿色环保绿色环保 结构是半导体结构是半导体PNPN结，无谐振腔。对结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合其正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。发光，是非相干光。 1962 1962年第一只红色年第一只红色LEDLED问世，接着是黄色、问世，接着是黄色、绿色、橙色绿色、橙色LEDLED，早期的，早期的LEDLED亮度不高。亮度不高。 1993 1993年日本利亚公司的中村秀二研制成功兰年日本利亚公司的中村秀二研制成功兰光光LEDLED，是，

52、是LEDLED发展史上重要的里程碑。发展史上重要的里程碑。之后，人们发展了超高亮度的红、绿、蓝之后，人们发展了超高亮度的红、绿、蓝LEDLED。 高发光效率的白光高发光效率的白光LEDLED，节能环保的照明工程。，节能环保的照明工程。LEDLED的发展历程的发展历程1.5.1 1.5.1 普通亮度普通亮度LEDLED一、材料与构型一、材料与构型 GaPGaP、GaAsPGaAsP、GaNGaN, ,峰值波长是可见光，峰值波长是可见光，用于光显示。用于光显示。 GaAsGaAs，峰值波长，峰值波长867nm867nm，用于光电检测。，用于光电检测。 InGaAsPInGaAsP，峰值波长，峰值波

53、长1.3m1.3m、1.55m,1.55m,用于短距离光纤通信。用于短距离光纤通信。LEDLED采用双异质结、量子阱结构采用双异质结、量子阱结构分为：分为：面发光型面发光型发光功率较大发光功率较大 边发光型易与光纤耦合边发光型易与光纤耦合面发光型面发光型LEDLED的光输出的光输出面发光型面发光型LEDLED用于光显示用于光显示边发光型边发光型LEDLED用于短距离光纤通信用于短距离光纤通信二、主要工作特性二、主要工作特性谱线宽度谱线宽度在几十上百在几十上百mm。为发光光谱的为发光光谱的峰值波长峰值波长。 l P-I P-I 特性特性I: 10I: 10数十数十mAmAP: P: 几百几百WW

54、mWmWP-IP-I特性曲线的线特性曲线的线性区很宽。性区很宽。l 光谱特光谱特性性l 调制特性调制特性 可以直接调制可以直接调制 边发光型在几百边发光型在几百MHMHZ Z面发光型在几十面发光型在几十MHMHZ Z调制带宽调制带宽: LEDLED体积小，寿命长（可超过体积小，寿命长（可超过1010万小时），耗万小时），耗电少，能与集成电路共电源，使用方便，应电少，能与集成电路共电源，使用方便，应用广泛。用广泛。1.5.2 1.5.2 超高亮度超高亮度LEDLED法向强度在法向强度在1000mcd1000mcd以上的红、绿、蓝以上的红、绿、蓝LEDLED , ,光效达光效达5050100 lm

55、/W100 lm/W。一、实现超高亮度的关键技术一、实现超高亮度的关键技术2 2有源区采用量子阱有源区采用量子阱结构。结构。3 3分布布拉格反射分布布拉格反射 （DBRDBR）结构，克服衬）结构，克服衬底吸收。底吸收。4 4出光窗口的纹理结出光窗口的纹理结构，增加光输出。构，增加光输出。1 1发展新的四元合金材料发展新的四元合金材料AlGaInPAlGaInP、AlGaInNAlGaInN是直接带隙，带隙宽度是直接带隙，带隙宽度覆盖了整个可见光波段，发光效率高。覆盖了整个可见光波段，发光效率高。 二、超高亮度彩色二、超高亮度彩色LEDLED的应用的应用 1.LED1.LED全彩显示屏全彩显示屏

56、用于城市广场、体用于城市广场、体育场馆、调度中心、育场馆、调度中心、交通信息、演出、交通信息、演出、展览等大型显示。展览等大型显示。2.2.交通信号灯交通信号灯充分发挥充分发挥LEDLED色光鲜艳、节能、寿命长、色光鲜艳、节能、寿命长、免维护的优点。免维护的优点。 大屏幕由大屏幕由2 2R R1 1G G1 1B B构成的像素块组成构成的像素块组成3.3.景观照明景观照明美美轮轮美美奂奂广广州州塔塔LEDLED结构轻巧、可控性好、结构轻巧、可控性好、色彩丰富，适应各种装饰色彩丰富，适应各种装饰照明和任意艺术造型的灯照明和任意艺术造型的灯光雕塑。光雕塑。梦幻广场梦幻广场亚运之夜亚运之夜4.4.手

57、机应用手机应用用作手机的按键显示、面板背光源、用作手机的按键显示、面板背光源、照相闪光灯。照相闪光灯。 5.LCD5.LCD显示屏的背光源显示屏的背光源电视机、监视器大量用电视机、监视器大量用LCDLCD（液晶）显示屏，背光源（液晶）显示屏，背光源用用LEDLED，显色质量好，寿命长，对环境无污染。，显色质量好，寿命长，对环境无污染。1.5.3 1.5.3 白光白光LEDLED 现代社会，照明光源用量巨大，耗能极大，对环现代社会，照明光源用量巨大，耗能极大，对环境的污染严重。境的污染严重。19991999年年1010月，美国月，美国HPHP公司公司R R HaizeHaize 等人提出，半导体

58、已在电子学方面完成了一场革等人提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场将在照明领域发生。命，第二场将在照明领域发生。 实现半导体照明光源就是要开发白光实现半导体照明光源就是要开发白光LEDLED。一产业化的白光一产业化的白光LEDLED技术技术1.1.InGaN/YAC-CeInGaN/YAC-Ce 白光白光LEDLED选用发射波长为选用发射波长为460nm460nm的的InGaNInGaN蓝光蓝光LEDLED芯片，安装在芯片，安装在支撑支撑LEDLED的杯中，涂以含有的杯中，涂以含有YAG-YAG-CeCe荧光粉的环氧树脂或荧光粉的环氧树脂或硅橡胶。硅橡胶。LEDLED芯片发出蓝光，

59、蓝光激发荧光粉产生较宽芯片发出蓝光，蓝光激发荧光粉产生较宽谱带黄光，蓝光与黄光混合而成为白光。谱带黄光，蓝光与黄光混合而成为白光。2.RGB LED2.RGB LED采用采用RGBRGB三种基色三种基色LEDLED组成白光照明光源。组成白光照明光源。RGBRGB三种色光比例要求严格，各色三种色光比例要求严格，各色LEDLED发光随时间会发光随时间会有不同的改变，需要有好的反馈机制和调光技术有不同的改变，需要有好的反馈机制和调光技术 。 3.3.紫外光紫外光LED/LED/三基色荧光粉三基色荧光粉 用紫外光用紫外光GaNGaN 或或InGaNInGaN LED LED芯片激发红、绿、蓝三基芯片激

60、发红、绿、蓝三基色荧光粉，产生红、绿、蓝色光混合而成白光。色荧光粉，产生红、绿、蓝色光混合而成白光。 4.4.提高显色指数提高显色指数已研发了多种技术，使白光已研发了多种技术，使白光LEDLED的显色指数的显色指数RaRa可以可以大于大于9090，甚至，甚至9595。5.5.功率型白光功率型白光LEDLED照明，必须是大功率器件。照明，必须是大功率器件。太阳的显色指数为太阳的显色指数为100100二、照明工程二、照明工程 室内照明室内照明 取代白炽灯、日光灯，取代白炽灯、日光灯，LEDLED还可兼任还可兼任 室内无线通信。室内无线通信。 道路照明道路照明 亮度高，显色性好。亮度高，显色性好。

61、白光白光LEDLED可以用在一可以用在一切需要照明的场合切需要照明的场合车用车用LEDLED灯比传统车用灯节电、灯比传统车用灯节电、小型、可平面安装、快速响应、小型、可平面安装、快速响应、耐震动、长寿命。耐震动、长寿命。 矿灯矿灯 大功率大功率LEDLED矿灯工作温度不到矿灯工作温度不到6060，不会引起井下任何可燃气体爆炸，不会引起井下任何可燃气体爆炸，是非常安全的。是非常安全的。 汽车用灯汽车用灯实现白光实现白光LEDLED照明可以减少全球用于照明照明可以减少全球用于照明的电量的的电量的50%50%，减少全球总耗电的，减少全球总耗电的10%10%。全年合计节支全年合计节支25002500亿美元，还可减少二氧亿美元，还可减少二氧化碳、二氧化硫等污染废气化碳、二氧化硫等污染废气3.53.5万亿吨。万亿吨。 白光白光LED:LED: 将带来将带来2121世纪宏伟的照明革命！世纪宏伟的照明革命！