第一章光电系统的常用光源.ppt

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1、第一章 光电系统的常用光源,1.1 辐射度学与光度学的基础知识1.2 热辐射光源1.3 气体放电光源1.4 激光器1.5 光纤激光器1.6 发光二极管(LED),一切能产生光辐射的辐射源都称为光源,天然光源人造光源,电磁波谱,一切能产生光辐射的辐射源都称为光源,人造光源,电磁波谱,按照发光机理，光源的分类：,需要了解各类光源的发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。,1.1 辐射度学与光度学的基础知识,介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量 1.辐射能：以辐射的形式发射、传播或接收的能量，单位为J（焦耳）。2.辐射通量 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

2、，单位为W（瓦、焦耳每秒）。,单位:（瓦每球面度）,3.辐射强度 描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。定义为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。,4.辐射出射度 与辐射亮度,单位：（瓦每平方米）,单位：（瓦每球面度平方米）,的定义 的定义,辐射出射度：通过单位面元辐射出的功率。,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与面元表面积之比。,5.辐射照度是照射在面元上的辐射通量与该元的面积之比。,单位：（瓦每平方米）,6.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

3、都有类似关系。,二、光度的基本物理量,1.光谱光视效率V():人眼对各种光波长的 相对灵敏度,详见表1.1,2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度量是客观物理量，光度量体现了人的视觉特性。,1）光能 单位：lms（流明秒）2）光通量 单位：lm（流明）3）发光强度 单位：cd（坎德拉）发光强度 是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：时，,即：1W=683 lm 此时，V(）=1,V(）1 1W 683 lm,时，,可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：1W=683 V(）lm，定义：Km=683 lm/W,有关系式：,4）光出射度 与光亮度,单位：lm/m2,单位：cd/m2实用

4、单位：sb(熙提)1sb=104cd/m2,5)光照度,单位：lx（勒克斯）1lx=1lm/m2,普适关系式：,三、光源的辐射效率与发光效率,辐射效率,发光效率,单位：lm/W,1.2 热辐射光源,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。,由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源，辐射光谱是连续光谱,一、理想的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。(，T)=1 绝对黑体,辐射出射度 光谱吸收比 入射辐射,普朗克公式：(黑体的单色辐射出射度),维恩位移定律：(最大辐

5、射出射度),斯蒂芬玻尔兹曼定律：(黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，与其他性质无关）,绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布；随着温度T的升高；峰值波长 向短波方向移动；总出射度 迅速增加。,黑体的辐射出射度,灰体：(，T)1的热辐射光源，具有与绝对黑体类似的辐射规律。,色温：规定两波长处热辐射源的辐射比率相同的黑体温度。色温高代表蓝绿光成分多些，色温低则表示橙红光多些。相关色温：,1.太阳与黑体辐射器,二、实际的热辐射光源,太阳的光谱分布,非常接近于绝对黑体,黑体辐射器：科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。常用作标准光源，最高工作温度是3000K。实际应用多在2000K

6、以下。,2.白炽灯与卤钨灯 灰体 钨丝做灯丝,白炽灯玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.43m。可见光只占612%，用于照明；加红外滤光片可作为近红外光源。,卤钨灯 石英泡壳;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。色温3200K以上,辐射光谱为0.253.5m。发光效率可达30lm/W(为白炽灯的23倍)，作仪器白光源.,1.3 气体放电光源,发光机理：气体放电。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，内层电子跃迁到高能及。受激电子返回基态时，就

7、辐射出光子来。气体放电光源的特点：1）发光效率高,节能。2）电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。3）寿命长，比白炽灯长210倍。4）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；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、金属化合物蒸汽、惰性气体,基本结构,一、汞灯 泡壳内充汞蒸汽,1.低压汞灯：作253.7nm紫外光源；作荧光灯（日光灯）。印刷制版、灭菌灯,2.高压汞灯：可见辐射加强，呈带状光谱，可作高效工业照明光源。,3.球形超高压汞灯：很好的蓝绿光点光源。探照灯、投影仪,二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。低压钠灯：发出波长589.0

8、nm、589.6nm 两条谱线的单色光源。高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。,三、金属卤化物灯 泡壳内充的是金属卤化物气体。通过金属卤化物循环，提供足够的金属原子气体。铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。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。钪钠灯和钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：近白色光源,色温5500K。不必涂荧光粉，比汞灯更好 碘化锂：红光,四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体氙。色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。,长弧氙灯:电极间距为15-130cm,工作气压105

9、Pa,大范围照明光源。短弧氙灯:电极间距为毫米级，工作气压1-2MPa,日光色点光源。,脉冲氙灯:工作气压100Pa以下，脉冲时间极短（nSpS)，光很强,用于光泵、光信号源、照相制版、高速摄影,五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气,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（185400nm）。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 激光器,20世纪激光的诞生标志着人类对

10、光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。,激光（laserlight amplification by stimulated emission of radiation)继原子能和半导体之后的又一项重大新技术 突破了非相干光源单色亮度很低、传播时衰减快的缺陷 通过泵浦与谐振腔的作用，出射光强远大于入射光强 相位整齐、亮度高、方向性好、强度高的相干光 为信息处理提供了稳定的载息媒介,一、激光器概述光的自发辐射和受激辐射受激吸收自发辐射受激辐射受激辐射的特点：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态，即具有相同的频率、相位、偏振状态、传播方向。结论：受激辐射所得到的光是相干光。,激光的产生产

11、生激光的必要条件：实现粒子数反转,激光器的基本结构,激光工作物质：晶体、玻璃、气体、半导体、液体及自由电子等数百种之多。激励方式：光激励、电激励、热激励、化学激励、核激励等。,泵浦-激励,激励方式:光激励、电激励、热激励、化学激励、核激励 实现粒子数反转的过程 氦氖632.8nm 红宝石694.3nm,光学谐振腔,方向性好相干性好,激光特性,谐振腔长度谐振腔的作用 a.维持光振荡，起到光放大作用。b.使激光产生极好的方向性。c.使激光的单色性好。,单色性好,能量集中,激光形成机理 电泵浦或光泵浦等；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；谐振腔对辐射光波选频放大。,激光

12、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（具有相同的频率、相位、偏振状态、传播方向）,激光器 种类：已有数百种激光器，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。,二、气体激光器,工作物质是气体或金属蒸汽，通过气体放电实现粒子数反转。所谓气体放电，是指在高电压的作用下，气体分子（或离子）发生电离而导电。放电方式：直流连续放电（辉光放电和弧光放电）、高频放电、脉冲放电。优点：工作物质（气体）均匀性好，谱线宽度窄，输出光束的质量相当高。He-Ne激光器、CO2激光器,He-Ne激光器,工作物质：He-Ne激光器是典型的惰性气体原子激光器。Ne为工作物质，He

13、为辅助气体。特点：He-Ne激光器输出连续光，工作波段从可见光到近红外。常用的工作波长632.8nm,其次1.15um、3.39um等。He-Ne激光器输出光束质量很高，表现为单色性好()和方向性好()。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。应用：He-Ne激光器广泛应用于准直、定位、全息照相、测量、精密计量、光盘录放、信息处理、医疗、照排印刷等领域。,He-Ne激光器,He-Ne激光器,CO2激光器,工作物质：CO2激光器是一种混合气体激光器。CO2为工作物质，辅助气体有N2、He、CO、Xe、H2O、H2、O2。特点：CO2激光器的工作

14、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。CO2激光器连续输出功率可达数十万瓦，是所有激光器中连续输 出功率最高的器件；脉冲输出能量达数万焦；脉冲可压缩到纳秒量级；脉冲功率密度可达太瓦(tw)量级。输出波长分布在9-18um波段，已观察到的激光波长二百多条。其中在9-11um红外波段中最重要的输出波长10.6um处在大气传输窗口，且对人眼无害。应用：应用于激光测距、激光制导、大气通信等领域。,CO2激光器,三、固体激光器,工作物质是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。这种工作物质一般应具有良好的物理化学性质、窄的荧光谱

15、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）有脉冲输出激光器和连续输出激光器。,玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。主要优点：能量大(掺杂离子的浓度比气体工作物质高4-5个数量级）、峰值功率高（Q开关、倍频、锁模等技术）、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。,固体激光器可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出能量可达千焦耳级。经调 Q和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功

16、率达10瓦。钇铝石榴石连续激光器的输出功率达百瓦级，多级串接可达千瓦。固体激光器运用Q开关技术（电光调制）,可以得到纳秒至百纳秒级的短脉冲，采用锁模技术可得到皮秒至百皮秒量级的超短脉冲。固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进行波长转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器。研究趋势：LD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、价格便宜的可调谐激光器。,常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长694.3nm)、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称Nd:YAG,波长1.064m）、氟化钇锂(LiYF4,简称YLF；Nd:YLF,波长1.047或1.053 m；H

17、o:Er:Tm:YLF,波长2.06 m)等。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。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。,代表性的固体激光器,YAG激光器 基质晶体Y3Al 5O12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。,掺钕钇铝石榴石，工作基质晶体：二元复合晶体比例为Y2O3:Al2O3=3:5输出波长1064nm，加倍频技术可输出532nm。已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加工、激光

18、医疗、科学研究之中。,输出波长2.94m,用于激光医疗。,输出波长2.1m,用于激光医疗,空间光通信。,代表性的固体激光器,掺钕铝酸钇激光器工作物质是Nd3+:YAlO3，代号Nd3+:YAP。工作基质晶体：二元复合晶体比例为Y2O3:Al2O3=1:1b轴棒输出波长1079nm；c轴棒适于调Q脉冲激光，输出波长1064nm。YAP晶体的优点：除了物理、化学、机械等性能方面都可以与YAG媲美之外，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，能获得线偏振光。,钕玻璃激光器在光学玻璃中掺入适量的Nd2O3，输出波长1.064m。钕玻璃的优点：光学玻璃制备工艺成熟，

19、所以钕玻璃易获得良好的光学均匀性。玻璃的形状和尺寸有较大的自由度，大的钕玻璃棒可长达1-2m，直径为3-10cm，也可做成厚为5cm，直径为90cm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，用于集成光路中的光放大或震荡。,可调谐的固体激光器,工作物质：掺Ti3+的蓝宝石晶体（Al2O3），输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm，峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒超短脉冲。,可调谐范围700-800nm。采用调Q技术，输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。,五磷酸钕激光器 简写为NPP激光器。输出波长1064nm。优点：激光晶体的组分是Nd5P5O1

20、4，激活离子是Nd3+，但Nd3+不是以掺杂方式加入，而是晶体化合物的成分之一，因此Nd3+密度很高，约为YAG晶体的30倍。能量转换效率高，输出功率高。被称为袖珍激光器。,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。,激光二极管（LD）泵浦的固体激光器,LD泵浦的优点：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；LD输出的光束可以准直和聚焦；LD的体积小功耗低、长寿命。LD泵浦有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（

21、20%）。将泵浦激光聚焦，聚焦光斑直径在50-100um，使之与TEM00模的直径相一致。,激光二极管（LD）泵浦的固体激光器,端面泵浦的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。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

22、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LD列阵泵浦固体激光器实现了高功率激光输出：（940nm）Yd3+:YAG 115W 1030nm；（Yd镱)（805nm）Tm3+:YAG 115W 2um；（Tm铥)（810nm）Nd3+:YAG 750W 1060nm(直径仅6mm)；,四、染料激光器,工作物质是有机染料，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

23、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。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（LD）,工作物质是半导体材料形成的P-N结。与结平面垂直的晶体解理面构成F-P谐振腔。对P-N结正向注入电流或光泵浦，可激发激光。,主要优点体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（0.3344m）；能量转换效率高，有大

24、功率、高集成度器件。应用广泛激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光测距和激光雷达等,LD的结构、性能和应用,1.半导体材料的能带半导体材料：锗、硅、GaAs等是单晶体。晶体中电子的共有化运动：半导体材料中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，又在原子之间作共有化运动。形成共价晶体。导电载流子：电子、空穴。,晶体中的能带：价带：形成共价键的电子所占据的能带。导带：价带上面的邻近能带，自由电子占据。禁带：价带顶到导带底之间是禁带，不允许电子占据。,I型半导体：纯净的半导体(Ge或Si）称为本征半导体。在常温下，本征半导体出现电子-空穴对导电载流子，具有导电性。（电子-空穴对）N

25、型半导体：掺入五价As或P,形成共价键后，还余一个电子。被As释放后成为自由电子。自由电子浓度高于空穴浓度。施主 As束缚电子的能量状态称为施主能级。（正离子与电子）P型半导体：掺入三价B,形成共价键后，还缺一个电子。B从Ge晶体中获取电子成为负离子，在Ge晶体中出现空穴。受主B获取电子的能量状态称为受主能级。（负离子与空穴）,根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中电子的能级分布服从费米统计分布规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为,费米能级：Ef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0.5的能级分界线。随着温度升高，电子占据高能级的几率增大。,2

26、.PN结的能带,PN结空间电荷区内形成高阻区自建电场的形成。动态平衡后，无外加电压时，宏观上PN结无电流流过,当给PN结加上正向电压时：多数载流子形成大电流。当给PN结加上反向电压时：高阻区加强，使得反向电流非常小。,PN结的能带弯曲,重掺杂P型、N型半导体的能带（费米能级进入价带或导带）,热平衡时PN结的能带弯曲：自建电场作用的结果（一个平衡系统只能有一个费米能级）,加上正向电压后，PN结势垒降低，（热平衡被破坏，不再是统一的费米能级）,PN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N区指向P区，P区、N区的电子能级差为：,PN结加上正向电压时，热平衡被破坏，PN结区

27、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。经谐振腔选频，可形成激光输出。,PN结就是光辐射的有源区。,3.代表性的LD的结构,阈值电流Ith 注入电流IIth,才能形成激光。器件结构要着力于降低Ith。条形异质结LD:,同质结 单异质结（SH）双异质结（DH）,、,条形异质结LD:,增益导引条形DHLD:条形区域内载流子浓度大，与高阻区形成微小的折射率差，使光场在横向上也受到一定限制。,掩埋条形DHLD：为了更好地在横向上限制光场，在宽度方向再生长禁带宽、折射率低的材料GaAlAs，宽度上也形成异质结构，有效地限制光波和载流子。阈值电流低、输出光功率高、可靠性高，能得

28、到稳定的基横模（平行性好，发散角小）。,量子阱（QW）LD,单量子阱（SQW）,多量子阱（MQW）超晶格结构,MQW的能带,MQW结构的优越性：,1-10nm(双异质结0.1-0.2um)阈值电流很低：0.55mA 谱线宽度窄，改善频率啁啾调制速率高 温度特性好,分布反馈激光器,结构特点：激光振荡不是由反射镜面来提供的，而是由折射率周期性变化的波纹光栅结构来提供。,分布反馈的实现基于布喇格衍射原理,FP腔激光器,DFB 激光器,DBR 激光器,波纹光栅分布反馈的优点：每一个栅距 相当于一个微F-P腔,易形成单纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-P腔多级调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。在高

29、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。,MQW-DFB LD性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。,4.LD的工作特性,IIth 形成激光输出,光功率急剧上升，P-I曲线的线性好。斜率效率：可直观地比较不同激光器之间的效率差别。,IIth 自发辐射阶段，光功率较小。,LD是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化：阈值电流升高，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。,P-I特性,光谱特性LD的发光光谱主要由激光器的纵模决定。FP腔激光器由于光腔较长，故腔内可有多个纵模振荡。,IIth,IIth,单纵模,LD是矩形光波导，

30、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，是的输出光斑呈椭圆形。厚度为d，条形宽度为W。出光发散角：,约3040,约68,调制特性,半导体激光器的重要特点是具有直接调制的能力，从而使它在光光通信中得到了广泛的应用。给LD加上大于Ith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延迟时间，且利于阻尼掉张弛振荡。,调制电流,模拟调制,数字调制,LD芯片的调制频率很高可达10GHZ 量级。,5.LD的应用,LD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。

31、,光通信 光盘存储、光显示 激光印刷、信息处理、办公自动化设备 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。,6.LD的发展日新月异,垂直腔表面发射LD（VCSEL）,微型F-P激光器：垂直短腔几微米、上下反射镜反射率99%。设计合适的光波导，可得到TEM00模和圆形光束，利于与光纤耦合；有源区直径可小到2um，非常适合大面积二维列阵集成，有望用作光互连和光计算机。有源区是多量子阱结构：动态单纵模特性好，体积小，仅是F-P的千分之一，阈值电流可小于1uA,微腔LD,微腔LD的谐振器长为波长数量级，可获得低阈值高效率稳定的单模输出，甚至可以实现无阈值激射。有效的自发辐

32、射与总的自发辐射之比 变大，接近1甚至达到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，100Gb/s。进入超大规模集成光路的微光子时代。,高速宽带LD,第一代用掩埋异质结构（BH);第二代用分布反馈结构（DFB)或DFB与量子阱结合的结构；第三代用应变量子阱（SL-QW）结构。应变量子阱LD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30GHZ以上。,GaAlAs/GaAs LD:改变Al含量可改变发射波长。波长范围0.75-0.95um。0.85um

33、LD用于短距离光纤通信，0.81um用于激光医疗。InGaAsP/InP LD:1.0-1.7um，改变InGaAsP中各元素充分可改变发光波长。InGaAs/InAsP LD:1.06-1.7um GaAsSb/GaAlAsB LD:0.87-1.68um 可用于1.3、1.55um长波长光纤通信系统。开发短波长LD用于光存储光显示：600nm红光LD，mw级 630nm红光LD，72mw 400nm紫光LD，几十mw,10000h；450nm蓝光，几十mw 有机薄膜材料（聚合物）作LD的有源区，易得到短波长LD，这是目前的研究热点。,用于光通信、光存储、光显示的LD,由于,可调谐LD：可在

34、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。,大功率LD,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 980nm，线性功率输出（CW）490mW。InGaN/InN,蓝光LD,CW 220mW,最大输出功率达385mW。,产生大功率LD的途径：列阵半导体激光器 提高单个LD的输出功率；发展列阵LD:一维LD列阵;40W 二维LD列阵;200W 激光棒（脉冲）功率可达几千乃至几万W。,高性能LD组件,适于10Gb/s以上速率的EAM/LDEAM：电吸收调制器。EAM与LD集成，实现光调制，-3dB带宽为14GHZ。,波长可选

35、择的光电集成回路（OEIC）组件 含有EAM、半导体光放大器（SOA）、合波器(MMI）、8路微列阵DFB激光器，波长选择范围达45nm。,1.531.61m范围的多波长光源采用电子束曝光技术（EB）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（NS-MOVPE),在同一衬底上同时制成40个波长不同的DFB LD，波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个EAM，适用于DWDM全光网络。600km、2.5GB/s,1.5 光纤激光器,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，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来。,光纤激光器是在EDFA（掺饵光纤放大器)技术基础上发展

36、起来的技术。早在1961年美国光学公司的E.Snitzer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。而80年代低损耗掺Er光纤的出现，为光纤激光器带来了新的应用前景。,光纤激光器原理,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。,包层泵浦光纤激光技术,泵源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激光输出。,多模并行包层泵浦技术：双包层光纤的出现是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光

37、纤激光器和高功率的光纤放大器的制作成为现实。自1988年E.Snitzer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。在几乎各种光纤激光器特别是掺杂光纤激光器中，光纤光栅都发挥着十分重要的作用，利用光纤光栅构成其谐振腔的激光器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。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。良好的调谐特性可以使激光器形成连续可调输出。利用多反射峰的光

38、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器。,光纤激光器的优越性,光纤激光器优越性主要体现在：波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高(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率，阈值低(mw)；光纤激光器波长范围在380nm-3900nm，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。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、可靠性高等特性。易于实现和光纤的耦合。耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达10万小

39、时。,光纤激光器的种类,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：石英光纤中掺Yb3+Yb3+具有很宽的吸收带（800-1064nm）与荧光带（970-1200nm)；不存在激发态吸收和浓度猝灭效应；Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命是Nd3+的三倍,小功率泵浦就可获得激发态贮存大量粒子；输出稳定的强激光。多模并行包层泵浦技术 包层直径400um，外包层厚度约150um。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。高可靠性泵浦光源 大功率单个LD比LD列阵散热性好；多模LD比单模LD稳定性高，宽面尺度（100um*250um）使其截面上光

40、功率密度很低，且注入电流密度亦很低，使LD可靠运转寿命超过100000h；泵浦波长范围宽(915nm-980nm)，不需要任何波长稳定装置。,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短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。现在密集波分复用和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术、超连续光纤激光器等的进步。多波长光纤激光器技术和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。就其实现的途径来看，采用EDFA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。,目前光纤激光器的开发研制正向多功能、实用化方向发

41、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Raman光纤激光器；针对WDM系统而开发的基于超连续谱的多波长光纤激光器；能改变波长间隔的多波长光纤激光器。可以预见光纤激光器将成为LD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、锁模光纤激光器、频率上转换光纤激光器。,1.6 发光二极管（LED）,一、LED的材料与构型 GaP、GaAsP、GaN,峰值波长是可见光，用于光显示。GaAs，峰值波长867nm，用于光电检测。InGaAsP，峰值波长1.3m、1.55m

42、,用于短距离光纤通信。,结构是半导体PN结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。,LED采用双异质结、量子阱结构分为：面发光型发光功率较大；边发光型易与光纤耦合面发光型LED用于光显示 边发光型LED用于短距离 光纤通信,面发光型LED的光输出,二、LED的主要工作特性,谱线宽度在几十上百m。,为发光光谱的峰值波长。,P-I 特性,I:10数十mAP:几百WmWP-I特性曲线的线性区很宽，无阈值电流。在电流较大时PN结发热，发光效率较低，出现饱和现象。,光谱特性,调制特性：可以直接调制 调制带宽:边发光型在几百MHZ，面发光型在几十MHZ 应用范围：LED体积小、寿命长

43、（可超过10万小时）、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；短距离光纤通信；GaAs LED发光波长867nm，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。,三、超高亮度发光二极管法向亮度在1000mcd以上的红、绿、蓝LED,光效达50100 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。）LED显示屏、交通信号灯、景观照明、手机应用、LCD显示屏的背光源（46in的用了450只，82in的用了1120只）。,四、白光L

44、ED InGaN/YAG-Ce 白光LED 选用发射波长为460nm的InGaN单量子阱蓝光LED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100lm/W。美国采用SiC衬底，获得131lm/W光效的白光LED。RGB 白光LED 采用RGB三种基色LED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LED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LED的发光亮度虽时间的不同改变。紫外光LED/三基色荧光粉，紫外光LED/二基色荧光粉 提高显色指数 定义太阳的显色指数为100，期望LED的可以大于90，甚至达到95.功率型白光LED 采用

45、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LED，输出可达120lm。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

46、,000 2,000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，下面成六角形黑色面的铝质为散热

47、片。,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。,道路及室内照明由于LED只能在低功率/光度时有高效率，随功率/光度增加效率便会下降，近年LED的效率不断提升，但目前还不及新型的T5荧光灯省电

48、，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 1961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，日本日亚化学工业（Nichia Corporation）工作的中村修二（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

49、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2002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，Cree,Inc.公司展示了其新款的蓝光LED，在20mW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

50、录性效率。2009年2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2010年2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4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 光与