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1、第一章第一章 光电系统的常用光源光电系统的常用光源1.1 1.1 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 1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源热辐射光源热辐射光源1.3 1.3 1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源气体放电光源气体放电光源1.4 1.4 1.4 1.4 激光器激光器激光器激光器1.5 1.5 1.5 1.5 光纤激光器光纤激光器光纤激光器光纤激光器1.6 1.6 1.6 1.6 发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管(LED)(LED)(LED)(LED)一切能产生光辐射的辐射
2、源都称为光源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天然光源天然光源人造光源人造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人造光源人造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，光源的分类：光源的分类：光源的分类：光源的分类：需要了解各类需要了解各类需要了解各类需要了解各类光源的发光机光源的发光机光源的发光机光
3、源的发光机理、重要特性、理、重要特性、理、重要特性、理、重要特性、适用场合，以适用场合，以适用场合，以适用场合，以便正确选用光便正确选用光便正确选用光便正确选用光源。源。源。源。1.1 1.1 辐射度学与光度学辐射度学与光度学的的基础知识基础知识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 ：以辐射的形式发射、传播或接收的能量，单以辐射的形式发射、传播或接收的能量，单位为位为J J（焦耳）。（焦耳）。2.2.辐射通量辐射通量又称辐射功率：单位时间内通过某截面的又称辐射功率：单位时间内通过某截面的所有波长的总电磁辐射能，单位为所
4、有波长的总电磁辐射能，单位为W W（瓦、焦耳每秒）。（瓦、焦耳每秒）。单位单位:（瓦每球面度）（瓦每球面度）3.3.辐射强度辐射强度 描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。定义为定义为在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐在给定方向上的立体角元内，辐射源发出的辐射通量与立体角元之比。射通量与立体角元之比。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 辐射出射度：辐射出射度：通过单位面元辐射出的功率。通过单位面元辐射出的
5、功率。辐射亮度：辐射亮度：是面元位置和辐射方向的函数，等于该方向面元辐射强度是面元位置和辐射方向的函数，等于该方向面元辐射强度与面元表面积之比。与面元表面积之比。 5.5.辐射照度辐射照度是照射在面元上的辐射通量与该元的面积之比。是照射在面元上的辐射通量与该元的面积之比。 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或单色辐射度量、辐射量的光谱密度：是该辐射量在或单色辐射度量、辐射量的光谱密度：是该辐射量在某波长处的单位波长间隔内的大小，是辐射量随波长的变化率某波长处的单位波长间隔内的大小，是辐射量随波长的变化率。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、
6、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1.11.12.2.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是客观物理量客观物理量，光度量体现了光度量体现了人的视觉特性人的视觉特性。1 1）光能）光能 单位：单位：lmlms（流明（流明秒秒）2 2）光通量）光通量 单位：单位：lm lm （流明）（流明）3 3）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 是光度量中最基本的单位。是光度量中最基本的单位。在
7、明视觉时，规定：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 V(1W = 683 V(）lmlm，定义：定义：Km = 683 lmKm = 683 lm/W/W有关系式：有关系式：4 4）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：sb(sb(熙提熙提) ) 1sb = 1sb
8、= 10104 4cd/mcd/m2 25)5)光照度光照度 单位：单位：lxlx（勒克斯）（勒克斯） 1lx = 1lm/m1lx = 1lm/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/W1.2 1.2 热辐射光源热辐射光源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，是一种理想的热辐射源。绝对黑体热辐射能力最强，是一种理想的热辐射源。由于内部原子、分子的热运动由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源，而产生辐射的光源，辐射光谱是连续光谱辐射光谱是连续光谱一、理想的热辐射光源一、
9、理想的热辐射光源热辐射光源：热辐射光源：物体温度升高到足够高即可发光。需要外界提物体温度升高到足够高即可发光。需要外界提供能量，维持辐射。在辐射过程中不改变自身的原子、分子供能量，维持辐射。在辐射过程中不改变自身的原子、分子的内部状态，辐射光谱是连续光谱。的内部状态，辐射光谱是连续光谱。(，T)=1 T)=1 绝对黑体绝对黑体辐射出射度辐射出射度光谱吸收比光谱吸收比入射辐射入射辐射普朗克公式：普朗克公式：(黑体的单色辐射黑体的单色辐射出射度出射度)维恩位移定律：维恩位移定律：(最大辐射出射度最大辐射出射度)斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定律：玻尔兹曼定律：(黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，黑体的辐射
10、出射度只与黑体的温度有关，与其他性质无关）与其他性质无关）绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分分布；布；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。黑体的辐射出射度黑体的辐射出射度灰体：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：色温：规定两波长处热辐射源规定两波长处热辐射源的辐射比率相同的黑体温度。的辐射比率相同的黑体温度。色温高代表蓝绿光成分多些，色温高代表蓝绿光成分多些，色温低则表示橙红光多些。色温低则表示橙红
11、光多些。相关色温：相关色温：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：科学制作的小孔空科学制作的小孔空腔结构，可以很好腔结构，可以很好地实现绝对黑体的地实现绝对黑体的辐射功能。辐射功能。常用作标准光源，常用作标准光源，最高工作温度是最高工作温度是3000K3000K。实际应用多在实际应用多在2000K2000K以下。以下。2.2.白炽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白炽灯白炽灯玻璃泡壳玻璃泡壳; ;色温约色温约2800K2800K, ,辐射光谱约辐
12、射光谱约0.40.43 3m m。 可见光只占可见光只占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。卤钨灯卤钨灯 石英泡壳石英泡壳; ;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物（如溴化硼）泡壳内充入微量卤族元素或其化合物（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2 23 3倍倍) )， 作仪器白光源作仪器白光源. .1.3 1.3 气体放电光源气体放电光源发光机理：发光
13、机理：气体放电。气体放电。气体在电场作用下激励出电子和气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。离子向阴极、电子向阳极运动，从离子，成为导电体。离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃出新的电子和离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能及。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。迁到高能及。受激电子返回基态时，就辐射出光子来。气体放电光源的特点：气体放电光源的特点：1 1）发光效率高）发光效率高, ,节能。节能。2 2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。）电极牢固
14、紧凑，耐震，抗冲击。3 3）寿命长，比白炽灯长）寿命长，比白炽灯长2 21010倍。倍。4 4）辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。）辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。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：金属蒸汽、泡壳内充入发光用的气体：金属蒸汽、金属化合物蒸汽、惰性气体金属化合物蒸汽、惰性气体基基本本结结构构一、汞灯一、汞灯泡壳内充汞蒸汽泡壳内充汞蒸汽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（日光灯）。作荧光灯（
15、日光灯）。 印刷制版、灭菌灯印刷制版、灭菌灯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，可作高效工业照明高效工业照明光源。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。探照灯、投影仪探照灯、投影仪二、钠灯二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。低压钠灯：低压钠灯：发出波长发出波长589.0nm589.0nm、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
16、化物灯三、金属卤化物灯 泡壳内充的是金属卤化物气体。泡壳内充的是金属卤化物气体。通过通过金属卤化物循环，金属卤化物循环，提供足够的金属原子气体。提供足够的金属原子气体。 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。镝灯的发光波长范围为380780毫微米，为各种波长光组成的密集型光源，主峰波长为530毫微米。钪钠灯和钪钠灯和钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）： 近白色光源近白色光源, , 色温色温5500K5500K。不必涂荧光粉，比汞灯更好。不必涂荧
17、光粉，比汞灯更好 碘化锂：红光碘化锂：红光四、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: :电极间距为电极间距为15-130cm,工作气压工作气压105Pa,大范围照明光源。大范围照明光源。短弧氙灯短弧氙灯: :电极间距为毫米级，电极间距为毫米级，工作气压工作气压1-2MPa,日日光色点光源。光色点光源。脉冲氙灯脉冲氙灯: :工作气压工作气压100Pa以下，以下，脉冲脉冲时间极短（时间极短（nSnSpS)pS)，光很强，光很强, ,用于光泵、用于光泵、光信号
18、源、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，常用作连续紫外光源（的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（185185400nm400nm）。）。主要是依靠等离子体放电，就是指始终让氘灯处于一个稳定的氘元素（D2或者重氢）电弧状态下，使得氘灯成为高精度的分析测量仪器光源。 氘灯广泛应用于液相色谱仪的UV检测器、UVVIS分光光度计、电泳、SOx/NOx分析仪、血液检查等多种分析测试仪器中。1.4 1.4 激光器激光器 2020世纪世纪激光的诞生标志着人类对光子的掌激光的诞生标
19、志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。握和利用进入了一个崭新的阶段。激光激光（laserlightamplificationbystimulatedemissionofradiation)继继原子能和半导体原子能和半导体之后的又一项重大新技术之后的又一项重大新技术突破了非相干光源突破了非相干光源单色亮度很低单色亮度很低、传播时、传播时衰减快衰减快的缺陷的缺陷通过通过泵浦与谐振腔泵浦与谐振腔的作用，出射光强的作用，出射光强远大于远大于入射光强入射光强相位整齐、亮度高、方向性好、强度高的相干光相位整齐、亮度高、方向性好、强度高的相干光为信息处理提供了为信息处理提供了稳定的载息媒介稳定的载
20、息媒介一、激光器概述一、激光器概述n光的自发辐射和受激辐射光的自发辐射和受激辐射受激吸收受激吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射受激辐射的特点：受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态，受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态，即具有相同的即具有相同的频率、相位、偏振状态、传播方向频率、相位、偏振状态、传播方向。结论：结论：受激辐射所得到的光是受激辐射所得到的光是相干光相干光。n激光的产生激光的产生产生激光的必要条件：实现粒子数反转产生激光的必要条件：实现粒子数反转n激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质：激光工作物质：晶体、玻璃、气体、半导体、液体及自由
21、电子晶体、玻璃、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。等数百种之多。激励方式：激励方式：光激励、电激励、热激励、化学激励、核激励等。光激励、电激励、热激励、化学激励、核激励等。n泵浦泵浦-激励激励激励方式激励方式:光激励、光激励、电激励、电激励、热激励、热激励、化学激励、化学激励、核激励核激励实现粒子数实现粒子数反转的过程反转的过程氦氖氦氖632.8nm红宝石红宝石694.3nmn光学谐振腔光学谐振腔方向性好方向性好相干性好相干性好n激光特性激光特性谐振腔长度谐振腔长度谐振腔的作用谐振腔的作用a.维持光振荡，起到光放大作用。维持光振荡，起到光放大作用。b.使激光产生极好的方向性。使激光产生
22、极好的方向性。c.使激光的单色性好。使激光的单色性好。单色性好单色性好能量集中能量集中n激光形成机理激光形成机理电泵浦或光泵浦等；电泵浦或光泵浦等；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，形成光放大；自发辐射引发受激辐射，形成光放大；谐振腔对辐射光波选频放大。谐振腔对辐射光波选频放大。n激光的优越性激光的优越性高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性（具有相同的（具有相同的频率、相位、偏振状态、传播方向）频率、相位、偏振状态、传播方向）n激光器激光器种类：已有数百种激光器，种类：已有数百种激光器，波
23、长：输出波长从近紫外到远红外，波长：输出波长从近紫外到远红外，功率：辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级功率：辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。二、气体激光器二、气体激光器工工作作物物质质是是气气体体或或金金属属蒸蒸汽汽，通通过过气气体体放放电电实实现现粒粒子子数反转。数反转。所所谓谓气气体体放放电电，是是指指在在高高电电压压的的作作用用下下，气气体体分分子子（或离子）发生电离而导电。（或离子）发生电离而导电。放放电电方方式式：直直流流连连续续放放电电（辉辉光光放放电电和和弧弧光光放放电电）、高频放电、脉冲放电。高频放电、脉冲放电。优优点点：工工作作物物质质（气气体体）均均匀匀性性好好，谱谱线线宽宽度度窄
24、窄，输输出光束的质量相当高。出光束的质量相当高。He-Ne激光器、激光器、 CO CO2 2激光器激光器nHe-NeHe-Ne激光器激光器工工作作物物质质：He-Ne激激光光器器是是典典型型的的惰惰性性气气体体原原子子激激光光器器。Ne为为工工作作物质，物质，He为辅助气体。为辅助气体。特点：特点：He-Ne激激光光器器输输出出连连续续光光，工工作作波波段段从从可可见见光光到到近近红红外外。常常用用的的工工作作波长波长632.8nm,其次其次1.15um、3.39um等。等。He-Ne激激光光器器输输出出光光束束质质量量很很高高，表表现现为为单单色色性性好好()和和方向性好方向性好()。由于增
25、益低，所以输出功率较小，一般为毫瓦量级由于增益低，所以输出功率较小，一般为毫瓦量级(0.5-100mw)。器件结构简单，造价低廉。器件结构简单，造价低廉。应用：应用：He-Ne激激光光器器广广泛泛应应用用于于准准直直、定定位位、全全息息照照相相、测测量量、精精密密计计量量、光盘录放、信息处理、医疗、照排印刷等领域。光盘录放、信息处理、医疗、照排印刷等领域。nHe-NeHe-Ne激光器激光器nHe-NeHe-Ne激光器激光器nCOCO2 2激光器激光器工工作作物物质质： COCO2 2激激光光器器是是一一种种混混合合气气体体激激光光器器。COCO2 2为为工工作作物物质质，辅辅助助气体有气体有N
26、2、He、COCO、Xe、H2O、H2、O2。特点：特点：COCO2 2激光器的工作方式为连续或脉冲，工作状态可以是稳频或调谐。激光器的工作方式为连续或脉冲，工作状态可以是稳频或调谐。输出功率相当大，能量转换效率高。输出功率相当大，能量转换效率高。 COCO2 2激激光光器器连连续续输输出出功功率率可可达达数数十十万万瓦瓦，是是所所有有激激光光器器中中连连续续输输出出功功率率最最高高的的器器件件；脉脉冲冲输输出出能能量量达达数数万万焦焦；脉脉冲冲可可压压缩缩到到纳纳秒秒量量级级；脉冲功率密度可达脉冲功率密度可达太瓦太瓦(tw)量级。量级。输出波长分布在输出波长分布在9-18um波段波段，已观察
27、到的激光波长，已观察到的激光波长二百多二百多条。条。其其中中在在9-11um红红外外波波段段中中最最重重要要的的输输出出波波长长10.6um处处在在大大气气传传输输窗窗口，且对人眼无害。口，且对人眼无害。应用：应用：应用于激光测距、激光制导、大气通信等领域。应用于激光测距、激光制导、大气通信等领域。nCOCO2 2激光器激光器三、固体激光器三、固体激光器工作物质是工作物质是由光学透明的晶体或玻璃作为固体激光由光学透明的晶体或玻璃作为固体激光器基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这器基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理化学性质、窄的种工作物质一般应具有
28、良好的物理化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。光泵浦（气体放电灯和半导体激光器）光泵浦（气体放电灯和半导体激光器）有有脉冲脉冲输出激光器和输出激光器和连续连续输出激光器。输出激光器。玻玻璃璃激激光光工工作作物物质质容容易易制制成成均均匀匀的的大大尺尺寸寸材材料料，可可用用于于高高能能量量或或高高峰峰值值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。晶晶体体激激光光工工作作物物质质一一般般具具有有良良好好的的热热性性能能和和机机械械性性能能，窄窄
29、的的荧荧光光谱谱线线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。主要优点：主要优点：能量大能量大(掺杂离子的浓度比气体工作物质高掺杂离子的浓度比气体工作物质高4-5个数量级）、个数量级）、峰值功率高峰值功率高（Q开关、倍频、锁模等技术）、开关、倍频、锁模等技术）、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。结构紧凑、坚固可靠和使用方便。固体激光器固体激光器可作可作大能量和高功率相干光源大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出。红宝石脉冲激光器的输出能量可达千焦耳级。经调能量可达千焦耳级。经调Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉
30、冲功率达率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。达千瓦。固体激光器固体激光器运用运用Q开关开关技术（技术（电光调制电光调制）,可以得到可以得到纳秒至百纳秒级纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用的短脉冲，采用锁模锁模技术可得到技术可得到皮秒至百皮秒皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。量级的超短脉冲。 固体激光器固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进行的波长在红外波段。用非线性材料进行波长转换波长转换,得到绿得到绿光、蓝光、紫外固体激光器。光、蓝光、紫外固体激光器。 研究趋势：研究趋势：LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结
31、合，以期制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。常用的激光晶体常用的激光晶体有红宝石有红宝石(Cr:Al2O3,波长波长694.3nm)、掺钕钇铝石榴石（掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称简称Nd:YAG,波长波长1.064m）、）、氟化钇锂氟化钇锂(LiYF4,简称简称YLF；Nd:YLF,波长波长1.047或或1.053m；Ho:Er:Tm:YLF,波长波长2.06m)等。等。固体激光器固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常
32、用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作可调谐染料激光器的激励源。可调谐染料激光器的激励源。n代表性的固体激光器代表性的固体激光器YAG激光器激光器 基质晶体基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，热物理性能优良，使激光器既可使激光器既可连续连续工作又可高效率工作又可高效率脉冲脉冲工作。工作
33、。掺钕钇铝石榴石，掺钕钇铝石榴石，工作基质晶体：二元复合晶体比例为工作基质晶体：二元复合晶体比例为Y Y2 2O O3 3:Al:Al2 2O O3 3=3:5=3:5输出波长输出波长1064nm1064nm，加倍频技术可输出，加倍频技术可输出532nm532nm。已经实现了已经实现了KWKW级级大功率输出，大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。 输出波长输出波长2.94m2.94m, ,用于激光医疗。用于激光医疗。输出波长输出波长2.1m2.1m, ,用于激光医疗用于激光医疗 , ,空间光通信。空间光通信。 n代表性的固体激光器代表性
34、的固体激光器 掺钕铝酸钇激光器工作物质是掺钕铝酸钇激光器工作物质是NdNd3+3+:YAlO:YAlO3 3，代号，代号NdNd3+3+:YAP:YAP。工作基质晶体：二元复合晶体比例为工作基质晶体：二元复合晶体比例为Y Y2 2O O3 3:Al:Al2 2O O3 3=1:1=1:1b b轴棒输出波长轴棒输出波长1079nm1079nm；c c轴棒适于调轴棒适于调Q Q脉冲激光，输出波长脉冲激光，输出波长1064nm1064nm。YAPYAP晶体的优点：晶体的优点：除了物理、化学、机械等性能方面都可以与除了物理、化学、机械等性能方面都可以与YAG媲美之媲美之外，且能掺入较高浓度的钕或其他稀
35、土离子，储能较大，转换效率高，外，且能掺入较高浓度的钕或其他稀土离子，储能较大，转换效率高，且为光学负双轴晶体，能获得且为光学负双轴晶体，能获得线偏振光线偏振光。 钕玻璃激光器钕玻璃激光器在光学玻璃中掺入适量的在光学玻璃中掺入适量的NdNd2 2O O3 3，输出波长输出波长1.064m1.064m。钕玻璃的优点：钕玻璃的优点：光学玻璃制备工艺成熟，所以钕玻璃易获得良好的光学光学玻璃制备工艺成熟，所以钕玻璃易获得良好的光学均匀性均匀性。玻璃的形状和尺寸有较大的自由度，大的钕玻璃棒可长达。玻璃的形状和尺寸有较大的自由度，大的钕玻璃棒可长达1-2m，直径为，直径为3-10cm，也可做成厚为，也可做
36、成厚为5cm，直径为，直径为90cm的盘片；大的可制的盘片；大的可制成特大功率激光器，小的可做成直径仅几微米的玻璃纤维，用于集成光成特大功率激光器，小的可做成直径仅几微米的玻璃纤维，用于集成光路中的光放大或震荡。路中的光放大或震荡。n 可调谐的固体激光器可调谐的固体激光器 工作物质：掺工作物质：掺TiTi3+3+的蓝宝石晶体（的蓝宝石晶体（AlAl2 2O O3 3），输出激光有宽的调谐范围（），输出激光有宽的调谐范围（700-700-1000nm1000nm，峰值波长，峰值波长800nm800nm），应用广泛，并实现），应用广泛，并实现飞秒飞秒超短脉冲。超短脉冲。 可调谐范围可调谐范围700
37、-800nm700-800nm。采用调。采用调Q Q技术，输出技术，输出755nm755nm脉冲激光，在激光医疗中脉冲激光，在激光医疗中很重要。很重要。 五磷酸钕激光器五磷酸钕激光器 简写为简写为NPPNPP激光器。输出波长激光器。输出波长1064nm1064nm。优点：优点：激光晶体的组分是激光晶体的组分是NdNd5 5P P5 5O O1414，激活离子是，激活离子是NdNd3+3+，但，但NdNd3+3+不是以掺杂方不是以掺杂方式加入，而是晶体化合物的成分之一，因此式加入，而是晶体化合物的成分之一，因此NdNd3+3+密度很高，约为密度很高，约为YAGYAG晶体晶体的的3030倍。能量转
38、换效率高，输出功率高。被称为倍。能量转换效率高，输出功率高。被称为袖珍激光器袖珍激光器。宽波段连续可调谐晶体特点：晶体中的激活杂质具有特殊的能级结构，它能宽波段连续可调谐晶体特点：晶体中的激活杂质具有特殊的能级结构，它能在很宽的范围内产生受激辐射。适当设计谐振腔，并在其中插入一个可调谐在很宽的范围内产生受激辐射。适当设计谐振腔，并在其中插入一个可调谐元件（光栅或棱镜），就能获得可调谐激光输出。元件（光栅或棱镜），就能获得可调谐激光输出。n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泵浦的泵浦的优点优点：1.1.光谱匹配，激光二极管的窄光谱输出可与激光能级吻合，实
39、光谱匹配，激光二极管的窄光谱输出可与激光能级吻合，实现高效率的能量转换；现高效率的能量转换；2.2.LDLD输出的光束可以准直和聚焦；输出的光束可以准直和聚焦；3.3.LDLD的体积小功耗低、长寿命。的体积小功耗低、长寿命。LDLD泵浦有泵浦有端面泵浦和侧面泵浦端面泵浦和侧面泵浦。采用端面泵浦，实现高效率的能量转换（采用端面泵浦，实现高效率的能量转换（20%20%）。将泵浦激光聚焦，）。将泵浦激光聚焦，聚焦光斑直径在聚焦光斑直径在50-100um50-100um，使之与，使之与TEMTEM0000模的直径相一致。模的直径相一致。 n激光二极管（激光二极管（LDLD）泵浦的固体激光器）泵浦的固体
40、激光器端面泵浦的端面泵浦的最大的优点最大的优点就是容易获得好的光束质量，可以实现高亮度的固体激光器。结构简单结构简单。端面泵浦的效率较高。这是因为,在泵浦激光模式不太差的情况下，泵浦光都能由会聚光学系统耦合到工作物质中，耦合损失较少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而产生的振荡光的模式与泵浦光模式有密切关系，匹配的效果好，因此，工作物质对泵浦光的利用率也相对高一些。正是由于端面泵浦方式效率高、模式匹配好、波长匹配的优点近年来在国际上发展极为迅速，已成为激光学科的重点发展方向之一。它在激光打标、激光微加工、激光印刷、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的用途，具有很大的市场潜力缺点：但输出
41、功率受到限制。缺点：但输出功率受到限制。侧面泵浦也称为横向泵浦，由于棒长度可延伸，侧面面积大，可以有充分的侧面泵浦也称为横向泵浦，由于棒长度可延伸，侧面面积大，可以有充分的泵浦光传输至工作物质中，因此激光输出功率可由数瓦至数千瓦。泵浦光传输至工作物质中，因此激光输出功率可由数瓦至数千瓦。用用LDLD列阵泵浦固体激光器实现了高功率激光输出：列阵泵浦固体激光器实现了高功率激光输出：（940nm940nm） Yd Yd3+3+:YAG 115W 1030nm :YAG 115W 1030nm ； （YdYd镱镱) )（805nm805nm） Tm Tm3+3+:YAG 115W 2um :YAG 1
42、15W 2um ；（；（TmTm铥铥) )（810nm810nm） Nd Nd3+3+:YAG 750W 1060nm (:YAG 750W 1060nm (直径仅直径仅6mm)6mm)；四、染料激光器四、染料激光器 工作物质是有机染料，光泵浦。光泵浦。其能级由单重态(S)和三重态(T)组成。S和T又分裂成许多振动转动能态，在溶液中这些能态还要明显加宽，因此能发出很宽的荧光。 一般染料激光器的结构简单、价廉，输出功率和转换效率都比较高。 环形染料激光器的结构比较复杂，但性能优越，可以输出稳定的单纵模激光。 染料激光的调谐范围为0.31.2微米，有极好的光束质量，是应用最多的一种可调谐激光器。
43、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（ps-fs)，峰值功率达几百MW。五、半导体激光器（五、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。 与与结结平平面面垂垂直直的的晶晶体体解解理理面面构成构成F-PF-P谐振腔。谐振腔。 对对P-NP-N结结正正向向注注入入电电流流或或光光泵浦，可激发激光。泵浦，可激发激光。主要优点主要优点体积小，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（0.330.334444m 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
44、率、高集成度器件。应用广泛应用广泛激激光光通通信信、光光存存储储、光光陀陀螺螺、激激光光打打印印、激激光光测测距距和和激激光雷达等光雷达等n LDLD的结构、性能和应用的结构、性能和应用1.1.半导体材料的能带半导体材料的能带半导体材料：半导体材料：锗、硅、锗、硅、GaAsGaAs等是单晶体。等是单晶体。晶体中电子的共有化运动：晶体中电子的共有化运动：半导体材料中半导体材料中有规则周期性排列的原子周围的外层电子有规则周期性排列的原子周围的外层电子即围绕每个原子运动，又在原子之间作共即围绕每个原子运动，又在原子之间作共有化运动。形成共价晶体。有化运动。形成共价晶体。导电载流子：导电载流子：电子、
45、空穴。电子、空穴。晶体中的能带：晶体中的能带：价带：价带：形成形成共价键共价键的电子所占据的能带。的电子所占据的能带。导带：导带：价带上面的邻近能带，自由电子占据。价带上面的邻近能带，自由电子占据。禁带：禁带：价带顶到导带底之间是禁带，不允许电子占据。价带顶到导带底之间是禁带，不允许电子占据。I I型半导体：型半导体：纯净的半导体纯净的半导体(Ge(Ge或或SiSi）称为）称为本征半导体本征半导体。在常。在常温下，本征半导体出现电子温下，本征半导体出现电子- -空穴对导电载流子，具有导电空穴对导电载流子，具有导电性。（性。（电子电子- -空穴对空穴对）N N型半导体：型半导体：掺入五价掺入五价
46、AsAs或或P,P,形成共价键后，还余一个电子。形成共价键后，还余一个电子。被被AsAs释放后成为自由电子。自由电子浓度高于空穴浓度。施释放后成为自由电子。自由电子浓度高于空穴浓度。施主主 As As束缚电子的能量状态称为束缚电子的能量状态称为施主能级施主能级。（。（正离子与电子正离子与电子）P P型半导体：型半导体：掺入三价掺入三价B,B,形成共价键后，还缺一个电子。形成共价键后，还缺一个电子。B B从从GeGe晶体中获取电子成为负离子，在晶体中获取电子成为负离子，在GeGe晶体中出现空穴。受主晶体中出现空穴。受主B B获取电子的能量状态称为获取电子的能量状态称为受主能级受主能级。（。（负离
47、子与空穴负离子与空穴）根据量子理论和泡利不相容根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中电子的能级原理，半导体中电子的能级分布服从分布服从费米统计分布规律：费米统计分布规律：在热平衡条件下，能量为在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为的能级被电子占据的概率为费米能级：费米能级：Ef为费米能级，并不是一个可被电子占据的实在为费米能级，并不是一个可被电子占据的实在能级。是电子占据率大于或小于能级。是电子占据率大于或小于0.50.5的能级分界线。随着温的能级分界线。随着温度升高，电子占据高能级的几率增大。度升高，电子占据高能级的几率增大。2.PN2.PN结的能带结的能带 PN PN结空间电荷区
48、内形成高阻区结空间电荷区内形成高阻区自自建建电电场场的的形形成成。动动态态平平衡衡后后，无无外外加加电电压压时时，宏宏观观上上PNPN结结无无电电流流过流流过当给当给PNPN结加上正向电压时：多数载流子形成大电流。结加上正向电压时：多数载流子形成大电流。当给当给PNPN结加上反向电压时：高阻区加强，使得反向电流非常小。结加上反向电压时：高阻区加强，使得反向电流非常小。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型半型半导体的能带导体的能带（费米能级进入价带或导带）热平衡时热平衡时PNPN结的能带结的能带弯曲：自建电场作用弯曲：自建电场作用的结果的结果 （一个平衡系统只能有一
49、个费米能级）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，（热平衡被破坏，不再是统一的费米能级）PNPN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由级。自建电场的方向由N N区指向区指向P P区，区，P P区、区、N N区的电子能级区的电子能级差为：差为：PNPN结加上正向电压时，热平衡被破坏，结加上正向电压时，热平衡被破坏，PNPN结区势垒降低，实结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。现了粒子数反转分布。 电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形
50、成激光输出。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。 3.3.代表性的代表性的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 。条形异质结条形异质结LD:LD:同质结同质结 单异质结（单异质结（SHSH） 双异质结（双异质结（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:条形区域内载流子浓度条形区域内载流子浓度大，与高阻区形成微小大，与高阻区形成微小的折射率差，使光场在的折射率差，使光场
51、在横向上也受到一定限制。横向上也受到一定限制。 掩埋条形掩埋条形DHLDDHLD：为了更好地为了更好地在横向上限制光场，在宽度在横向上限制光场，在宽度方向再生长禁带宽、折射率方向再生长禁带宽、折射率低的材料低的材料GaAlAsGaAlAs，宽度上也，宽度上也形成异质结构，有效地限制形成异质结构，有效地限制光波和载流子。阈值电流低、光波和载流子。阈值电流低、输出光功率高、可靠性高，输出光功率高、可靠性高，能得到稳定的基横模（能得到稳定的基横模（平行性好，发散角小）。）。 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 M
52、QWMQW的能带的能带MQWMQW结构的结构的优越性优越性： 1-10nm1-10nm( (双异质结双异质结0.1-0.2um)0.1-0.2um)阈值电流很低：阈值电流很低：0.55mA0.55mA 谱线宽度窄，谱线宽度窄， 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 分布反馈激光器分布反馈激光器 结构特点：结构特点：激光振激光振荡不是由反射镜面荡不是由反射镜面来提供的，而是由来提供的，而是由折射率周期性变化折射率周期性变化的波纹光栅结构来的波纹光栅结构来提供。提供。 分布反馈的实现分布反馈的实现基于布喇格衍射原理基于布喇格衍射原理 F FP P腔激光器腔激光器DFB
53、 DFB 激光器激光器DBR DBR 激光器激光器 波纹光栅分布反馈的优点：波纹光栅分布反馈的优点：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, ,易形成单纵模振荡。波纹光栅相当易形成单纵模振荡。波纹光栅相当于许多微于许多微F-PF-P腔多级调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。腔多级调谐，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：由温度变化引起但波长漂移很小。温度特性好：由温度变化引起但波长漂移很小。 MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。性能优越，广泛应用于
54、高速光纤通信系统中。4.LD4.LD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, 光功率光功率急剧上升，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：可直观地比较不同激：可直观地比较不同激光器之间的效率差别。光器之间的效率差别。 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，性能劣化：是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化：阈值电流升阈值电流升高，输出功率下降，输出波长向长波方向漂移。高，输出功率下降，输出波长向长波方向漂移。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。需要控制
55、温度，以稳定输出光功率和峰值波长。 P-I P-I特性特性光谱特性光谱特性LD的发光光谱主要由激光器的纵模决定。的发光光谱主要由激光器的纵模决定。FP腔激光器由于腔激光器由于光腔较长，故腔内可有多个纵模振荡。光腔较长，故腔内可有多个纵模振荡。I II IththI II Ithth单纵模单纵模LDLD是矩形光波导，输出激光可控制在基横模状态（有源区很薄、是矩形光波导，输出激光可控制在基横模状态（有源区很薄、掩埋条形结构）；但光束发散角大，且各向异性，是的输出光斑掩埋条形结构）；但光束发散角大，且各向异性，是的输出光斑呈椭圆形。厚度为呈椭圆形。厚度为d d，条形宽度为，条形宽度为W W 。出光发
56、散角：出光发散角： 约约30304040约约6 68 8 调制特性调制特性 半导体激光器的重要特点是具有半导体激光器的重要特点是具有直接调制的能力直接调制的能力，从而使它在光，从而使它在光光通信中得到了广泛的应用光通信中得到了广泛的应用 。 给给LDLD加上大于加上大于I Ithth的阶跃电流脉冲时，输出光的瞬态过程表现出的阶跃电流脉冲时，输出光的瞬态过程表现出电光延迟和张弛振荡。加上合适的偏置电流可以有效地减少电光电光延迟和张弛振荡。加上合适的偏置电流可以有效地减少电光延迟时间，且利于阻尼掉张弛振荡。延迟时间，且利于阻尼掉张弛振荡。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
57、片的芯片的调制频率调制频率很高可达很高可达10GH10GHZ Z 量级。量级。5.LD5.LD的应用的应用 LDLD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，寿命长，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。已成为最重要的激光器之一。有大功率、高集成度器件。已成为最重要的激光器之一。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，是光电子产业的重要支柱。各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。 6.LD6.LD的发展日新月异
58、的发展日新月异 l垂直腔表面发射垂直腔表面发射LDLD（VCSELVCSEL）微型微型F-P激光器：垂直短腔几激光器：垂直短腔几微米、上下反射镜反射率微米、上下反射镜反射率99%。设计合适的光波导，可得到设计合适的光波导，可得到TEM00模和圆形光束，利于与模和圆形光束，利于与光纤耦合；有源区直径可小光纤耦合；有源区直径可小到到2um，非常适合大面积二，非常适合大面积二维列阵集成，有望用作光互维列阵集成，有望用作光互连和光计算机。连和光计算机。有源区是多量子阱结构：动有源区是多量子阱结构：动态单纵模特性好，体积小，态单纵模特性好，体积小，仅是仅是F-P的千分之一，阈值电的千分之一，阈值电流可小
59、于流可小于1uA l 微腔微腔LDLD微腔微腔LDLD的谐振器长为的谐振器长为波长数量级波长数量级，可获得低阈值高效率稳定的单模，可获得低阈值高效率稳定的单模输出，甚至可以实现输出，甚至可以实现无阈值激射无阈值激射。有效的自发辐射与总的自发辐射之比有效的自发辐射与总的自发辐射之比 变大，接近变大，接近1 1甚至达到甚至达到1 1。微腔还会缩短自发辐射光子的寿命，可获得超高响应速度，微腔还会缩短自发辐射光子的寿命，可获得超高响应速度，100Gb/s100Gb/s。进入超大规模集成光路的微光子时代。进入超大规模集成光路的微光子时代。l高速宽带高速宽带LDLD第一代用掩埋异质结构（第一代用掩埋异质结
60、构（BH);BH);第二代用分布反馈结构（第二代用分布反馈结构（DFB)DFB)或或DFBDFB与量子阱结合的结构；与量子阱结合的结构；第三代用应变量子阱（第三代用应变量子阱（SL-QWSL-QW）结构。）结构。应变量子阱应变量子阱LDLD是在晶格常数明显不同于外延的衬底上生长的量子阱。这是在晶格常数明显不同于外延的衬底上生长的量子阱。这种晶格失配将产生内在应变，内在应变决定了材料的能带结构，导致一种晶格失配将产生内在应变，内在应变决定了材料的能带结构，导致一系列参数的改善，如微分增益的提高、频率啾啾的抑制以及调制频率已系列参数的改善，如微分增益的提高、频率啾啾的抑制以及调制频率已达达30GH
61、30GHZ Z以上。以上。 GaAlAs/GaAs LD: GaAlAs/GaAs LD: 改变改变AlAl含量可改变发射波长。波长范围含量可改变发射波长。波长范围0.75-0.75-0.95um0.95um。0.85umLD0.85umLD用于短距离光纤通信，用于短距离光纤通信，0.81um0.81um用于激光医疗。用于激光医疗。I InGaAsP/InP LD: 1.0-1.7umGaAsP/InP LD: 1.0-1.7um，改变，改变I InGaAsPGaAsP中各元素充分可改变中各元素充分可改变发光波长。发光波长。I InGaAs/InAsP LD: 1.06-1.7umGaAs/I
62、nAsP LD: 1.06-1.7umGaAsSb/GaAlAsB LD:0.87-1.68umGaAsSb/GaAlAsB LD:0.87-1.68um可可用于用于1.31.3、1.55um1.55um长波长光纤通信系统。长波长光纤通信系统。开发短波长开发短波长LD用于光存储光显示：用于光存储光显示：600nm红光红光LD，mw级级630nm红光红光LD，72mw400nm紫光紫光LD，几十，几十mw,10000h；450nm蓝光，几十蓝光，几十mw有机薄膜材料（聚合物）作有机薄膜材料（聚合物）作LD的有源区，易得到短波长的有源区，易得到短波长LD，这，这是目前的研究热点。是目前的研究热点。
63、l 用于光通信、光存储、光显示的用于光通信、光存储、光显示的LDLD由于由于l 可调谐可调谐LDLD：可在较宽的波长范围内连续调谐，在波分复用光交换技术中很重要。可在较宽的波长范围内连续调谐，在波分复用光交换技术中很重要。有电调谐和热调谐方式。有电调谐和热调谐方式。l 大功率大功率LDLD用作固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷用作固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；激光加工、激光医疗光源光源；激光加工、激光医疗光源 980nm980nm，线性功率输出（，线性功率输出（CWCW）490mW490mW。 InGaN/InN,InGaN/InN,蓝光蓝光LD,CW 2
64、20mW,LD,CW 220mW,最大输出功率达最大输出功率达385mW385mW。产生大功率产生大功率LDLD的途径：列阵半导体激光器的途径：列阵半导体激光器 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; 40W; 40W 二维二维LDLD列阵列阵; 200W; 200W 激光棒（脉冲）功率可达几千乃至几万激光棒（脉冲）功率可达几千乃至几万W W。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/LDEAMEAM：电吸收调制器。：电吸收调制器。EAMEAM与与LDLD集成，实现光调
65、制，集成，实现光调制，-3dB-3dB带宽带宽为为14GH14GHZ Z。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）组件）组件 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）、）、8 8路微路微列阵列阵DFBDFB激光器，波长选择范围达激光器，波长选择范围达45nm45nm。 1.531.531.61m1.61m范围的多波长光源范围的多波长光源采用电子束曝光技术（采用电子束曝光技术（EBEB）和生长有源区和吸收层的窄条形选择）和生长有源区和吸收层的窄条形选择的金属有机物气相外延技术（的金属有机物气相外延技术
66、（NS-MOVPE),NS-MOVPE),在同一衬底上同时制成在同一衬底上同时制成4040个波长不同的个波长不同的DFB LDDFB LD，波长等间隔、光强大小一致、每个集成，波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个一个EAMEAM，适用于，适用于DWDMDWDM全光网络。全光网络。600km600km、2.5GB/s2.5GB/s1.5 1.5 光纤激光器光纤激光器光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来。器可在光纤放大器的基础上开发出来。 光纤激光器是在光纤激光器是在EDF
67、AEDFA（掺饵光纤放大器)技术基技术基础上发展起来的技术。早在础上发展起来的技术。早在19611961年美国光学公司的年美国光学公司的E.SnitzerE.Snitzer等就在光纤激光器利用进行了开创性的工等就在光纤激光器利用进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。而而8080年代低损耗掺年代低损耗掺ErEr光纤的出现，为光纤激光器带光纤的出现，为光纤激光器带来了新的应用前景。来了新的应用前景。n光纤激光器原理光纤激光器原理 光纤激光器光纤激光器 主要由泵源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成。主要由泵源、耦合器、掺稀
68、土元素光纤、谐振腔等部件构成。n包层泵浦光纤激光技术包层泵浦光纤激光技术 泵源泵源由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合到作为增益介质的掺稀土元素浦光经特殊的泵浦结构耦合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒光纤内，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和震荡形成子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和震荡形成激光输出。激光输出。 多模并行包层泵浦技术：多模并行包层泵浦技术：双包层光纤的出现是光纤领域双包层光纤的出现是光纤领域的一大突破，
69、它使得高功率的光纤激光器和高功率的光纤的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光纤放大器的制作成为现实。放大器的制作成为现实。 自自19881988年年E.SnitzerE.Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。 光纤光栅构成谐振腔。光纤光栅构成谐振腔。 在几乎各种光纤激光器特别是掺杂光纤激光器中，光纤光栅都在几乎各种光纤激光器特别是掺杂光纤激光器中，光纤光栅都发挥着
70、十分重要的作用，发挥着十分重要的作用，利用光纤光栅构成其谐振腔利用光纤光栅构成其谐振腔的激光器的激光器结构得到了越来越多的关注。结构得到了越来越多的关注。 光纤光栅起着激光选频、反馈或兼有放大的功能，解决了光路光纤光栅起着激光选频、反馈或兼有放大的功能，解决了光路需要调节的问题。需要调节的问题。 与稀土光纤的结合使得光纤激光器真正实现了全光纤结构。与稀土光纤的结合使得光纤激光器真正实现了全光纤结构。精密的频率选择性可以获得单纵模窄线宽的激光输出，还可以精密的频率选择性可以获得单纵模窄线宽的激光输出，还可以降低噪声。降低噪声。 良好的调谐特性可以使激光器形成连续可调输出。良好的调谐特性可以使激光
71、器形成连续可调输出。 利用多反射峰的光纤光栅可以实现光纤激光器的多波长输出。利用多反射峰的光纤光栅可以实现光纤激光器的多波长输出。 如果将多反射峰与调谐性能结合起来还可以实现可选波长激光如果将多反射峰与调谐性能结合起来还可以实现可选波长激光器。器。n光纤激光器的优越性光纤激光器的优越性 光纤激光器光纤激光器优越性优越性主要体现在：主要体现在： 波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高(80%)(80%)； 光纤损耗小，激光场约束在线芯内，能产生甚高亮度和甚高峰值功光纤损耗小，激光场约束在线芯内，能产生甚高亮度和甚高峰值功率，阈值低率，阈值低(
72、mw)(mw)； 光纤激光器波长范围在光纤激光器波长范围在380nm-3900nm380nm-3900nm，可以多波长运行，易调谐；，可以多波长运行，易调谐；输出光束质量好、线宽窄、易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。输出光束质量好、线宽窄、易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。 光纤细且长，表面积大易散热，无需专门的制冷系统；光纤可卷成光纤细且长，表面积大易散热，无需专门的制冷系统；光纤可卷成小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。结构简单、可靠性高等特小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。结构简单、可靠性高等特性。易于实现和光纤的耦合。性。易于实现和光纤的耦合。 耐高振动、高冲击；工作寿命
73、长，可达耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达1010万小时。万小时。n光纤激光器的种类光纤激光器的种类n高功率光纤激光器高功率光纤激光器 为了得到千瓦级激光输出，陆续发展了一系列关键技术：为了得到千瓦级激光输出，陆续发展了一系列关键技术： 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（800-1064nm800-1064nm）与荧光带（）与荧光带（970-1200nm)970-1200nm)；不；不存在激发态吸收和浓度猝灭效应；存在激发态吸收和浓度猝灭效应；YbYb3+3+能级为简单的二能级，亚稳态寿能级为简单的二能级，亚稳态寿命是命是NdNd3
74、+3+的三倍的三倍, ,小功率泵浦就可获得激发态贮存大量粒子；输出稳定小功率泵浦就可获得激发态贮存大量粒子；输出稳定的强激光。的强激光。 多模并行包层泵浦技术多模并行包层泵浦技术 包层直径包层直径400um400um，外包层厚度约，外包层厚度约150um150um。多分杈侧面泵浦，避免集中。多分杈侧面泵浦，避免集中泵浦造成热损伤。光纤激光器输出功率可达数万瓦。泵浦造成热损伤。光纤激光器输出功率可达数万瓦。 高可靠性泵浦光源高可靠性泵浦光源 大功率单个大功率单个LDLD比比LDLD列阵散热性好；多模列阵散热性好；多模LDLD比单模比单模LDLD稳定性高，宽面稳定性高，宽面尺度（尺度（100um1
75、00um* *250um250um）使其截面上光功率密度很低，且注入电流密度亦）使其截面上光功率密度很低，且注入电流密度亦很低，使很低，使LDLD可靠运转寿命超过可靠运转寿命超过100000h100000h；泵浦波长范围宽；泵浦波长范围宽(915nm-980nm)(915nm-980nm)，不需要任何波长稳定装置。，不需要任何波长稳定装置。n新型光纤激光器技术新型光纤激光器技术 早期对激光器的研制主要集中在研究早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲短脉冲的输出的输出和和可调谐波长可调谐波长范围的扩展方面。范围的扩展方面。 现在现在密集波分复用密集波分复用和和光时分复用光时分复用技术的飞速发展及
76、技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着日益进步加速和刺激着多波长光纤多波长光纤激光器技术、激光器技术、超连超连续光纤续光纤激光器等的进步。激光器等的进步。 多波长光纤激光器技术和超连续光纤激光器的出现，多波长光纤激光器技术和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现则为低成本地实现Tb/sTb/s的的DWDMDWDM或或OTDMOTDM传输传输提供理想的提供理想的解决方案。解决方案。 就其实现的途径来看，采用就其实现的途径来看，采用EDFAEDFA放大的自发辐射、放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。 目前光纤激光器的开发研制正向目前光
77、纤激光器的开发研制正向多功能、实用化多功能、实用化方向发方向发展。其中比较突出的光纤激光器类型有：能根据客户需要展。其中比较突出的光纤激光器类型有：能根据客户需要波长而输出特定波长的波长而输出特定波长的RamanRaman光纤光纤激光器；针对激光器；针对WDMWDM系统而系统而开发的基于超连续谱的多波长光纤激光器；能开发的基于超连续谱的多波长光纤激光器；能改变波长间改变波长间隔隔的多波长光纤激光器。的多波长光纤激光器。可以预见光纤激光器将成为可以预见光纤激光器将成为LDLD的有力竞争对手，必将在未的有力竞争对手，必将在未来光通信、军事工业加工、医疗、光信息处理、全色显示来光通信、军事工业加工、
78、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。和激光印刷等领域中发挥重要作用。 多波长光纤激光器、基于光纤的超连接光纤激光器、锁多波长光纤激光器、基于光纤的超连接光纤激光器、锁模光纤激光器、频率上转换光纤激光器。模光纤激光器、频率上转换光纤激光器。1.6 1.6 发光二极管（发光二极管（LEDLED）一、一、LEDLED的材料与构型的材料与构型 GaP GaP、GaAsPGaAsP、GaN,GaN,峰值波长是峰值波长是可见光，用于光显示。可见光，用于光显示。 GaAs GaAs，峰值波长，峰值波长867nm867nm，用于光电检测。，用于光电检测。 InGaAsP InGaAsP，
79、峰值波长，峰值波长1.3m1.3m、1.55m,1.55m,用于短距离用于短距离光纤通信。光纤通信。结构是半导体结构是半导体PNPN结，无谐振腔。对其结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合发光，正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。是非相干光。LEDLED采用双异质结、量子阱结构分为：采用双异质结、量子阱结构分为：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用于光显示用于光显示 边发光型边发光型LEDLED用于短距离用于短距离 光纤通信光纤通信面发光型面发光型LEDLED的光输出的光输出二、二、LEDLED的
80、主要工作特性的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。为发光光谱为发光光谱的峰值波长。的峰值波长。 l P-I P-I 特性特性I: 10I: 10数十数十mAmAP: P: 几百几百WWmWmWP-IP-I特性曲线的线性区很宽，无特性曲线的线性区很宽，无阈值电流。阈值电流。在电流较大时在电流较大时PNPN结发热，发光效结发热，发光效率较低，出现饱和现象。率较低，出现饱和现象。l光谱特性光谱特性l 调制特性调制特性 ：可以直接调制可以直接调制l调制带宽调制带宽: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 Zl 应用范围：应用范围：LEDL
81、ED体积小、寿命长（可超过体积小、寿命长（可超过1010万小时）、耗电少，能万小时）、耗电少，能与集成电路共电源、使用方便。仪器仪表指示灯广告显示屏；短距离与集成电路共电源、使用方便。仪器仪表指示灯广告显示屏；短距离光纤通信；光纤通信；GaAs LEDGaAs LED发光波长发光波长867nm867nm，与硅光电探测器有最佳光谱匹，与硅光电探测器有最佳光谱匹配，成为遥控器、光电耦合器、光电检测系统的关键器件。配，成为遥控器、光电耦合器、光电检测系统的关键器件。三、超高亮度发光二极管三、超高亮度发光二极管法向亮度在法向亮度在1000mcd1000mcd以上的红、绿、蓝以上的红、绿、蓝LEDLED
82、 , ,光效达光效达5050100 lm/W100 lm/W。（室内用单只LED的光强一般为500ucd-50 mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd以上。）LEDLED显示屏、交通信号灯、景观照明、手机应用、显示屏、交通信号灯、景观照明、手机应用、LCDLCD显示屏的背光显示屏的背光源（源（46in46in的用了的用了450450只，只，82in82in的用了的用了11201120只）。只）。四、白光四、白光LED InGaN/YAG-Ce InGaN/YAG-Ce 白光白光LEDLED 选用发射波长为选用发射波长为460nm460nm
83、的的InGaNInGaN单量子阱蓝光单量子阱蓝光LEDLED芯片，涂以含有荧光粉（掺铈芯片，涂以含有荧光粉（掺铈钇铝石榴石）的环氧树脂或硅胶，光效已达到钇铝石榴石）的环氧树脂或硅胶，光效已达到100lm/W100lm/W。美国采用。美国采用SiCSiC衬底，获得衬底，获得131lm/W131lm/W光效的白光光效的白光LEDLED。 RGB RGB 白光白光LEDLED 采用采用RGBRGB三种基色三种基色LEDLED组成白光照明光源，理论上可提供最高效率的白光。难点组成白光照明光源，理论上可提供最高效率的白光。难点在于控制三色在于控制三色LEDLED发光比例以显色正的白光，需要有反馈机制和调
84、光技术来补偿各发光比例以显色正的白光，需要有反馈机制和调光技术来补偿各个个LEDLED的发光亮度虽时间的不同改变。的发光亮度虽时间的不同改变。 紫外光紫外光LED/LED/三基色荧光粉，紫外光三基色荧光粉，紫外光LED/LED/二基色荧光粉二基色荧光粉 提高显色指数提高显色指数 定义太阳的显色指数为定义太阳的显色指数为100100，期望，期望LEDLED的可以大于的可以大于9090，甚至达到，甚至达到95.95. 功率型白光功率型白光LEDLED采用大面积芯片、多芯片组合、高取光设计、散热好的热学设计，可实现采用大面积芯片、多芯片组合、高取光设计、散热好的热学设计，可实现1W、3W、5W功率型
85、功率型LED，输出可达，输出可达120lm。照明工程：室内、道路、汽车用灯、矿灯照明工程：室内、道路、汽车用灯、矿灯优点： 在低光度下能量转换效率高（电能转换成光能的效率） - 也即较省电，非常适合在低光度（如手提电话的背光、夜灯）需求中使用。但当提高光度至如台头灯般或更高时，LED的效率比钨丝灯泡高，但比荧光灯（俗称光管或日光灯管）差。 反应（开关）时间短 - 可以达到很高的闪烁频率。 使用寿命长 - 不因连续闪烁而影响其寿命。在安全的操作环境下可达到10万小时的寿命，但是在50度以上的高温，使用寿命约只剩下4万小时。（荧光灯T8为8000小时，T5为20000小时，白炽灯为1,000 2,
86、000小时）。 优点： 耐震荡等机械冲击 - 由于是固态元件，没有灯丝、玻璃罩等，相对萤光灯、白炽灯等能承受更大震荡。 体积小 - 其本身体积可以造得非常细小（小于2mm）。 便于聚焦 - 因发光体积很小，而易于以透镜等方式达致所需集散程度，即可改变其封装外形，其发光角度由大角度散射至小角度聚焦都可以达成。 单色性强 - 由于是单一能级光出的光子，波长比较单一（相对大部份人工光源而言），能在不加滤光器下提供多种单纯的颜色。 色域略为广阔 - 部份白色LED覆盖色域较其他白色光源广。 高功率高功率LED高功率LED元件，中央极细正方形黄色小片为LED，其封在透明胶及黑色基座造成的封装内，下面成六
87、角形黑色面的铝质为散热片。 有机发光二极管，有机发光二极管，OLED OLED具有自发光性、广视角、高对比、低耗电、高反应速率等优点，OLED显示器因为不需背光源，所以可以比LCD显示器造得更薄，但OLED显示器的寿命只有LCD显示器的1/4，日本Toshiba跟 Panasonic近年有新技术使OLED的寿命加倍。OLED的工作效率比起一般的LED低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生产成本低得多，例如可以用简单的印制方法将特大的OLED数组安放在屏幕上，用以制造彩色显示屏。 道路及室内照明道路及室内照明由于由于LED只能在低功率只能在低功率/光度光度时有高效率，随功率有高效率，随
88、功率/光度增加光度增加效率便会下降，近年效率便会下降，近年LED的效率不断提升，但目前的效率不断提升，但目前还不及不及新新型的型的T5荧光灯光灯省电，现在用作照明的LED灯主要是取代白炽灯及卤素灯，较普遍的是用作台灯。 发展历史发展历史1961年年，美国德州仪器（Texas Intruments）的Robert Biard与Gary Pittman首次发现了砷化镓（GaAs）及其他半导体合金的红外放射作用。1962年，通用电气公司的尼克何伦亚克（Nick Holonyak Jr.）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。1993年年，日本日亚化学工业（Nichia Corporation）工作
89、的中村修二（Shuji Nakamura）成功把氮渗入，造出了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化镓（InGaN）、具有商业应用价值的蓝光LED。 有了蓝光LED后，白光LED也导随即面世，之后LED便朝增加光度的方向发展，当时一般的LED工作功率都小于30至60mW。1999年年输入功率达1W的LED商品化。这些LED都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题，而半导体芯片都是被固定在金属片上，以助散热。 发展历史发展历史2002年年，在市场上开始有5W的LED的出现 ，而其效率大约是每W18至22lm。2003年九月年九月，Cree, Inc.公司展示了其新款的蓝光LED，在20m
90、W下效率达35%。他们亦制造了一款达65 lm/W的白光LED商品，这是当时市场上最亮的白光LED。2005年他们展示了一款白光LED原型，在350mW下，创下了每瓦70 lm 的记录性效率。 2009年年2月月，日本LED厂商日亚化工（Nichia）发表了效率高达249 lm/W的LED，此仍实验室数据。 发展历史发展历史2010年年2月月、Philips Lumileds 造一白色LED在受控的实验室环境内，以标准测试条件及以350mA电流推动下得出208lm/W，但由于该公司无透露当时的偏压电压，所未能得知其功率。2012年年4月月，美国LED大厂科锐(Cree)推出254 lm/W光效再度刷新功率。OLED的工作效率比起一般的LED低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生产成本低得多，例如可以用简单的印制方法将特大的OLED阵列安放在屏幕上，用以制造彩色显示幕。 本章要点本章要点光与物光与物质相互作用理相互作用理论与受激与受激辐射射激光激光产生的条件生的条件激光器的基本激光器的基本结构及各部分的功用构及各部分的功用典型激光器典型激光器半半导体激光器、光体激光器、光纤激光器、激光器、发光二极管光二极管
