《光源光电检测》PPT课件.ppt

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1、,第二章 光电检测系统的发光光源,要内容2.1 光源的分类以光源的特性参数2.2 非相光源2.3 相光源2.4 宽带相光源,2.1.1光源的分类,随2.1光源的分类以光源的特性参数,按照光波在时间空间的相特征一般将光源分成相光源非 相光源有相光源如2-1所示,非相光源,光 源,相光源,激光,非线性光学器,照明光源,显示光源,信息处理用光源,相光源,发光二极管LED 超辐射发光二极管 掺杂光纤超荧光宽带光源,气体激光器 固体激光器 料激光器 半导体激光器 等离子激光器,太 气体放电灯荧光灯 炽灯 全辐射体黑体极射线管 等离子体管 荧光显示器 液晶显示器 场致发光显示器,2-1 光源的分类,随2.

2、1 光源的分类以光源的特性参数,按照发光机理光源以分成热辐射光源气体发光光源固体,发光光源和激光器四种1热辐射光源电流流经导电物体使之在高温辐射光能的光源包括炽灯和卤钨灯种2气体发光光源电流流经气体或金属蒸气使之产生气体放电而发光的光源气体放电有光放电和辉光放电种3固体发光光源电场作用使固体物质发光的光源电能直 接转光能包括场致发光光源和发光二极管LED种4激光器按作物质分类分气体激光器固体激光器燃料激光器和半导体激光器,光源的特性参数,随2.1 光源的分类以光源的特性参数,1.辐射效率和发光效率 在定还1还2波长范围内某一辐射发的辐射通量产生辐射通量所需的电功率之比该辐射源在规定光谱范围内的

3、辐射,效率即,PP,e()d,K,m,e,e,2,1,2-1,式中光通量K光谱光视效能K(还)的大值一常数em683 lm/W在定还1还2波长范围内某一辐射体光源所发射的光通 量产生光通量所需的电功率之比就是该光源的发射效率 即,随2.1 光源的分类以光源的特性参数,表2-1中所列的一常用光源的发光效率表2-1 常用光源的发光效率,2,1,e()V()d,m,v,v,K,PP,2-2,单Im/W流明每瓦式中,光谱光视效率,V()K()/Km,随2.1 光源的分类以光源的特性参数,2.光谱功率分,光源发的大都是单色光组成的复色光而且在同频率辐 射的光功率大小同常用光谱功率分来述光功率和频率 的种

4、关系经过一化后的光功率分相对光谱功率分 如果被考虑的光源是一个黑体它的光谱功率分以用普朗克 公式计算来光源光谱功率分有4种情况如2-2所示2-2a 线状光谱由若条明显分隔的细线组成2-2b带状光谱它由一分开的谱带组成每一谱带中包含许多连续的 细谱线2-2c连续谱线光源发的谱线连成一片2-2d是混合谱线它由连续光谱线带光谱混合而成,随2.1 光源的分类以光源的特性参数,2-2 型的光谱功率分形式在选择光源时它的光谱功率分由测量对象的要求来定 在目视光学系统中一般采用光谱辐射比较丰富的光源对于彩 色摄影用光源了获得较好的色彩原采用类似于日光色的光 源如卤钨灯灯等在紫外光光计中通常使用灯汞灯 等紫外

5、辐射较强的光源,3.空间光强分,随2.1 光源的分类以光源的特性参数,常用发光强矢量和发光强曲线来述光源的种特性在空 间某一截面自原点向各向矢量矢量的长该方向的发光强 成比发光强矢量将各矢量的端点连起来就得到光 源在该截面的发光强分曲线也配光曲线2-3是气体发光 光源光强分,2-3 气体发光光源光强分,随2.1 光源的分类以光源的特性参数,4.光源的颜色,光源的颜色包含方面的含即色表和显色性用眼睛直接察光源时所看到的颜色光源的色表例如高压 灯的色表呈黄色荧光灯的色表呈色光源照射物体时物体呈的颜色也就是物体射光在人眼 内产生的颜色感觉该物体在完全辐射体照射所呈的颜色的一 致性该光源的显色性炽灯卤

6、钨灯等几种光源的显色性较 好使用于辨色要求较高的场合如彩色电影彩色电视的拍摄和放 映燃料彩色印刷等业,随2.1 光源的分类以光源的特性参数,5.光源的色温,光源的颜色温的种关系引了颜色温的概念简色 温一般光源经常用色温相关色温和分温来表示1色温如果辐射源发的光的颜色黑体在某一温辐射 的光的颜色相同则黑体的一温该辐射源的色温由于一种颜 色以由多种光谱分产生所以色温相同的光源它们的相对光谱功 率分一定相同2相关色温若一个光源的颜色任何温的黑体辐射的颜色 都相同时的光源用相关色温表示在均匀色中如果光源的 色标点某一温的黑体辐射的色标点接则该黑体的温个光源的相关色温3分温辐射源在某一波长范围内辐射的相

7、对光谱功率分 黑体在某一温辐射的相对光谱功率分一致那该黑体的 温就个辐射源的分温选择光源时综合考虑光源的强稳定性光谱特性等性能,气体放电光源,随 2.2 非相光源,利用气体放电原理制成的光源气体放电光源离子向极 电子向极动时电场中得到加它们气体原子或分子高 碰撞时会激励的电子和离子在碰撞过程中有电子会跃迁到高能 引起原子的激发激原子回到能时会发射相的辐射 的发光机制被气体放电原理气体放电光源有以共同的特点 1发光效率高比同瓦数的炽灯发光效率高210倍因有节 能的特点2由于靠灯丝本身发光电极以做得牢固紧凑耐震3寿命长一般比炽灯寿命长210倍 4光色适性强在很大范围内化,随 2.2 非相光源,1.

8、灯,特点在极短的时间内发很强的光辐射结构和作电路原理如2-4所示直流电源电压Uo经充电电阻R使 储能电容C充电到作电压UcUc一般于灯的穿电压Us而 高于灯的着火电压Uz灯的灯管外绕有触发丝作时在触发丝 施加高的电压使灯管内产生电离火花线火花线大大减小了 灯的内阻使灯“着火”电容C中储着大量能量在极短的时间内通 过灯产生极强的闪光,2-4 灯作电路原理,随 2.2 非相光源,照相用的万次闪光灯就是一种灯 灯的辐射光谱是连续,的日光的光谱能量分相接2-5色温6000K右显 色指数90以因有“小太”之,2-5 短灯光谱能量分灯分长灯短灯和灯长灯的发光效率 2530 Im/W发光时能量达几千焦耳闪光

9、时间有几毫秒有 很大的瞬时功率,随 2.2 非相光源,常的灯有灯2-6是灯的外形紫外光谱分,灯的紫外线辐射强高稳定性好寿命长常用作各种紫外 分光光计的连续紫外光源中计量院用灯作200250nm的 标准辐射光源,2-6灯,随 2.2 非相光源,2.原子光谱灯,原子光谱灯空心极灯结构如2-7所示极和圆筒极封在玻璃壳内玻壳部有一透明石英窗作时窗口透射 放电辉光中要是极金属的原子光 谱空心极放电的电流密比常辉光 高100倍以电流虽大但温高因 发光的谱线仅强大而且波长宽小,2-7 原子光谱灯结构原理,原子光谱灯的要作用引标准谱线 光束确定标准谱线的分光置以确定 吸收光谱中的特征波长 等要用于元,素特别是

10、微量元素光谱分析的装置中,随 2.2 非相光源,3.汞灯,汞灯分压汞灯高压汞灯和超高压汞灯类它们的光谱能量 分如2-8所示,2-8 汞灯光谱能量分,随 2.2 非相光源,气体放电灯足之处冷态阻大起动后阻急剧小的特 点特性类似于电特性启动后内阻太小得采用限流 施即所谓用镇流器来限制电流使得灯的接线较炽灯麻烦得多,荧光灯要是由汞放电产生的紫外线辐射激发荧光粉层而发光 的气压放电灯电源输入后电流会流过电极钨丝的温 升同时电子放射物质的温也升大量的热电子被释放个 热电子在极间加压由负极流向极成管内电流的流动在 管内撞水银原子因而产生能量激发紫外线再由紫外线照射玻 璃管壁的荧光物质产生光有灯光和发光效率

11、高显色性能优良寿命长等优点,场致发光光源,随 2.2 非相光源,场致发光光源是固体在电场的作用将电能直接转换光能的发 光象也电致发光也是一种常的非相光源面介绍几 种固体场致发光器1.交流粉场致发光屏该发光屏的结构如2-9所示中铝箔和透明导电膜作个 电极透明导电膜通常用化锡制成高介电常数的射层常用陶瓷 或钛酸等制成用以射光束将光集中到方输玻璃板起支 撑保护和透光作用使发光屏发光均匀每层的厚都十分均 匀,随 2.2 非相光源,2-9 交流粉场致发光屏1-玻璃板 2-荧光粉层 3-高介电常数射层 4-铝箔 5-玻璃板 6-透明导电层交流粉场致发光屏的作原理是由于发光屏电极间距离很 小所以在微小电压的

12、作用就得到足够高的电场强粉层中自 由电子在强电场作用加而获得很高的能量它们撞发光中心使激发而处于激发态激发态复原基态时产生复合发光由于荧 光粉电极之间有高介电常数的缘层自由电子并导走而是被束 缚在极在交流电的负半周时电极极性换自由电子在高电 场作用向极的方向也就是向半周时相的方向加 复述过程使之断发光,交流发光屏的作特性所加电,压U和频率f有关如2-10所示 f一定时发光亮的经验公式,随 2.2 非相光源,0)1/2,L L exp(,0,U,U,2-3,式中L0和U0是发光屏初的发光 亮所加电压,1 t/t0,L0,L,2-4,式中t0是作频率有关的时间常数交流粉场致发光屏优点光发射角大光线

13、和寿命长功耗小 发光响快发热缺点发光亮驱动电压高和化快,2-10 发光亮频率和电压的关系曲线,发光屏作时间t增加而化使光亮降化过程表示,随 2.2 非相光源,2.直流粉场致发光屏,种发光屏结构交流发光屏相似它依靠传导电流产生激光 发光常用的发光材料是ZnSMnCu发橙黄色的光优点是驱动电路简单制艺简单和成本 它适宜在激发作要用于数码符和矩的显示,随 2.2 非相光源,3.薄膜场致发光屏,薄膜场致发光屏结构原理如2-11所示在薄膜的电极间施加 适的电压就发光一般有交流和直流薄膜场致发光屏种形式,2-11 薄膜发光屏1-潮层 2-第 一电极 3-硫化锌薄膜 4-透明导电层 5-玻璃基层直流薄膜发光

14、屏要有橙黄和绿种颜色作电压1030V电流 密0.1mA/mm2发光亮3 cd/m2发光效率10-4 lm/W 寿命大于1000小时直接用集成电路驱动 交流薄膜发光屏有橙和绿种颜色作电压100300V频率由 几十到几千赫发光亮达几cd/m2发光效率10-3 lm/W 寿命5000小时以,随 2.2 非相光源,薄膜发光屏的要特点均匀致密分辨力高对比好驱动,电压用于蔽照明固体雷达屏幕显示和数码显示灯 场致发光光源发光屏优点1固体化板化因而靠安全占地小易于安装2面形状几乎限制因以通过光刻透明导电膜和金属 电极蔽镀膜的方法制成任意发光形3属于无红外辐射的冷光源因而蔽性好对周围境没有影响4视角大光线和易于

15、察5寿命长连续使用几千小时而发光会突然全部熄灭6功耗几毫瓦/厘米27发光易于通过电压控制 场致发光光源缺点亮较一般使用亮50 cd/m2 右驱动电压高通常需伏化快等,随 2.2 非相光源,场致发光光源要用于述几个方面,1特殊照明如仪表表盘飞机舱道等照明2数符显示如以做成大型的数电子秤等显示3模拟显示如显示生产艺流程和大型设备的作状态各种 急系统标志显示等 4矩显示交电极场致发光显示要用于雷达航迹显示电视等 5像转换像增强把场致发光屏光导材料联合使用 以做成象器例如x光像增强像转换器,2.3.1-氖激光器,随 2.3 相光源,1.-氖激光器的结构-氖激光器的基本组成包括放电管电极和谐振腔部分 放

16、电管由放电毛细管贮气管组成放电毛细管是发生气体放电和产生激光的区域管内直1.21.3mm氖气管放电毛细管同轴并相通电极有极和冷极冷极常用镍铅钼制成极用一 钨杆以减少对地的电容量降张弛振荡的几率使输 稳定共振腔由块镜或球面镜组成中一块射镜的射率接 100而另一块输镜的射率视激光器的增益大小而定一 般98.599.5,随 2.3 相光源,按谐振腔放电管的连接否He-Ne激光器的共振腔分内,腔式外腔式和半外腔式种2-12,2-12 He-Ne激光器的种结构a内腔式b外腔式c半内腔式,随 2.3 相光源,内腔式激光器的块射镜直接贴在放电管端优点使用方便,用调整缺点放电发热或外界发生形导致谐振腔失调时无

17、法 校适用于作短管的结构外腔式的谐振腔的块射境放电管分开放电管的端用儒 特窗密封构成射小的光通路作过程中用外腔式时调整 射镜的置到佳振荡条缺点腔易动需经常调整腔内损 耗增大适于作长管结构半内腔式激光器端采用内腔结构另端用儒特窗密封放 电管射镜分开种结构兼有前者的优点适于有特殊要求的小 型激光器的结构,随 2.3 相光源,2.-氖激光器的作原理,He-Ne激光器是在 放电管内充有一定比例He:Ne1:10和一 定压力的HeNe混合气体的器中Ne产生激光的物质而 He是高泵浦效率 的辅助气体He-Ne激 光器属型的四能 作系统He原子和Ne 原子的简化能如 2-13所示 2-13氖能激光发射,随

18、2.3 相光源,放电管端加电源后电子在电场的作用极向极加,动时将原子激发到21s023s121s023s1是稳态累大量He原子激发态21s0和23s1的 He原子把能量全部传递Ne原子将Ne原子激发到激发态2s和3s 而He原子回到基态11s0.在Ne原子的3s和2p之间2s和2p之间以3s和3p之间很容易实 粒子数转产生激辐射.到达2p和3p的Ne原子则通过自发辐射很快 达到1s能再通过管壁碰撞将能量传管壁而返回到基态11s0.在Ne原子的3s2p2s2p和3s3p之间的许多能间获得 100多条谱线中强的条谱线632.8nm1.15m 和3.39 m哪 一条谱线起振于谐振腔介质膜射境的波长选

19、择通常的He-Ne 激光器要求输的波长632.8nm,随 2.3 相光源,3-氖激光器的输谱线输功率,激光常用的几个波长和它们相的能跃迁列于表2-2,随 2.3 相光源-氖激光器是综合加宽激光器输功率的计算公式有种,1单纵模基横模情况PW ATI式中 A 光束的有效面通常 投射率I 沿轴方向传播的光强 2多纵模基横模情况,(2-6),T 输镜,式中K比例系数,饱和光强,小信增益系数T,腔镜的透射率 除T以外各种光学损耗的总和包括射 氏窗片射吸收散射以腔射镜表面的吸收散射损失l有效放电长,A 1/5(D/2)2,P ATKI(2G0l 1),WS,T,(2-7),ISG0,面列场几种氖激光器的激

20、光波长功率范围等,随 2.3 相光源,表2-3 几种激光器的输波长以功率范围,随 2.3 相光源4-氖激光器激光束的空间分-氖激光器的作物质光学均匀性很好而且在激光器作过程 中由热效引起的光学畸也很小所以激光发散角由公式,(2-8),定的值一致式中 是光波波长0 是激光束腰半-氖激光器输的光束的方向性很强对632.8nm的谱线光束 发散角l mrad,/0,半导体激光器,随 2.3 相光源,半导体激光器的优点体小寿命长转换效率高而且 制艺和半导体电子器和集成电路的生产艺兼容便于 他器实单片光电子集成并且以用频率高达GHz的电流直接调制而获得高调制的激光输 半导体激光器的用在光学测量激光通信光储

21、光陀螺激光打印激光测距以激光雷达等方面获得了广泛,半导体激光器的分类方法按结构分类按波导机制分类按性,能参数分类和按波长分类按结构分类法珀罗F-P)型激光器分馈式DFB 激光器分拉格射式DBR激光器量子QW激光器 和垂直腔面发射激光器VCSEL按波导机制分类增益导引激光器和射率导引激光器 按激光器性能参数分类阈值激光器高特征温激光器超高激光器动态单模激光器大功率激光器等 按波长分类光激光器短波长激光器长波长激光器和超长波长激光器包括中红外波段 在诸多分类法中基本的是结构分类,随 2.3 相光源,一.Fabry-Perot 半导体激光器,随 2.3 相光源,F-P型半导体激光器的基本结构如2-1

22、4所示个射面 通常自然解理面每个射面另外一个发射面而有源 层垂直的结构形成了F-P型激光谐振腔种激光器就 F-P激光器,2-14 F-P半导体激光器的基本结构,随 2.3 相光源,异质结半导体激光器的基本结构如2-15所示,2-15 异质结半导体激光器的基本结构,随 2.3 相光源,对于激辐射来说需要一个很高密的载流子注射(超过10-,18cm-3)来形成粒子转分条使有源层厚小于150nm以实如高的载流子密如果想在注入功率和高密的载流子 利用激辐射发射高效率的激光注入的载流子和光子需要被限制 在有源层载流子和光子的限制以通过设置有源层和邻层 覆盖层的射率系数实如2-15所示发射光在高射率的区

23、域中传播就像在光纤中一中心射率高于边缘射率由 GaAs(或AlGaAs)或InGaAs(P)构成的有源层的射率比由AlGaAs或 InP构成的覆盖层的射率高一因发射光被限制在有源层中光 场如2-15e所示分在有源层中,随 2.3 相光源,二单纵模半导体激光器,1.分馈式DFB半导体激光器的作原理DFB激光器原理是靠刻蚀在激光器有源层或相邻波导层 的周期光栅形成的射率微扰通过后向拉格散射供馈 种馈作用使有源层前向和后向的波发生耦合在束向波 之间有满足了Bragg条=m还/2的波长才会相 耦合中光栅周期还有源介质中光波长m是整数,随 2.3 相光源,1DFB半导体激光器的基本结构,2-16所示的是

24、波长1.55这m InGaAsP沟道面埋异质 结构分馈激光器示意扫电镜照片显微照片获得 了极好的纵模选择性边模抑制比SMSR达到30dB以,2-16 InGaAsP DC-PBH-DFB 激光器示意,随 2.3 相光源,2-17的是波长1.55这m InGaAsPRWG-DFB激光器示 意类激光器也显示边模抑制比优于30 dB但它们的阈 值电流比DC-PBH-DFB的高类激光器有极高的频率调制性能,2-17 InGaASP RWG-DFB 激光器示意器中光栅制作在面的P型包层,2DFB半导体激光器的输特性,随 2.3 相光源,1连续作特性2-18了发射波长 1.55这m 的InGaAsP沟道

25、面埋异质结构DC-PBH DFB激光器的P-I曲线2-18室温时的阈值电流 30mA端面输的光功率 注入电流呈线性关系注 入电流的增加输光功率 达10mW以端面的微分 量子效率3040%P-I特 性看种激光器的性能以,DC-PBH-FP激光器相比拟,2-18 1.55这m InGaASP DC-PBH-DFB,激光器的P-I特性温的化关系,2-19 DC-PBH-DFB激光器在同温的纵横谱,随 2.3 相光源,2-19以看DC-PBH-DFB激光器的光谱纯比普通F-P,腔激光器好中在同温DFB激光器的纵模谱相 的注入电流I是阈值电流Ith的1.5倍示表明在20108 0C的温 范围内都保持单一

26、纵模相在F-P腔激光器中由于温化导 致增益值的移在温化的范围内将同模式的跳动 DFB激光器纵模的良好稳定性是引入光栅的结果光栅周期定着 激射波长激射波长温以d还00.09nm/0C的率微 小化化是由式2-9中模射率温的化成的比 F-P腔激光器的d还00.5nm/0C小得多即使计入载流子浓引起的 射率部分温的化DFB激光器d还0/dT的值也有0.1nm/0C 右,随 2.3 相光源,0 G0,随 2.3 相光源激光器的光谱纯用边模抑制比MSR表征实验知激 光器在数毫瓦输功率MSR的实测值100030dB若设激光器的模和强边模的功率分别是P0和P1则边模抑制 比写成,1 G1,MSR P0/P1,

27、(2-10),i vg(int gmi)是光子衰弱率而Gi vg g(n,wi),i=0.1,(2-11),(2-12),是角频率激射模的净激发射率中,v群 限制,因子F-P腔激光器同DFB激光器中由于光栅供的频率馈 有选择性因同模式有着同的光子衰减若用 1 0 和 G G0 G1 表示则2-10表示的MSR写成,i,w,g,0,G,MSR 1,(2-13),式中 1 G0/0 是一个无量的参数值10-4并 模功率增大而减小对于F-P腔激光器=0有G 即 有增益起伏供模的分辨但是相邻纵模的 G/G0 值甚 小一般小于0.5%股MSR50.然而对于DFB激光器通过 适设计使光子衰减率的相对化/0

28、 10%MSR值就达1000以所需的损耗裕由值定=5应10-5时损耗裕45cm-1,随 2.3 相光源,2调制特性,F-P腔激光器的致命弱点是直接 调制会成多模振荡DFB激光 器以克服种限制2-20是一有二光栅和 一个倾斜端面非射面的BH-DFB激光器模功率和强边模功 率的测试曲线在75mA 以电流范围内DFB激光器的边 模抑制比SMSR都在30dB以的SMSR16dB在67mA,处相于 100%的调制深,2-20 DFB激光器有调制实线示和无调制虚线示种情况模和强边模,功率偏流关系的实测曲线,随 2.3 相光源,直接高频调制会频率啁啾型值0.1nm频率啁,啾的起因载流子引起的射率使增益发生化

29、相关DFB激光器另一要特性是 调制带宽 vB 理想条 vB 由弛,豫振荡频率 v定实电,的寄生振荡有能使调制响降 3dB以而减小调制带宽2-21了种激光器的调 制响曲线90mA处3dB调制带 宽 vB 的减小是因 vR的增大成 的表明器中在固有寄生振 荡且外加的高偏置而得更加,R,2-21 DFB激光器在1.1倍1.5倍和2.2倍阈,值电流和小信调制的功率响曲线,随 2.3 相光源,2.分拉格发射式DBR半导体激光器,DBR激光器的基本原理是基于拉格射如2-22所示拉 格射是指在种同介质的交界面有周期性的射点光 入射时将产生周期性的射种射即拉格射交界面 本身以同的形状波形或非如方波角波等,2-22 拉格射式激光器的原理结构,随 2.3 相光源,