光電系統(tǒng)的常用光源

1、 愛因斯坦根據(jù)光電效應實驗并結合普朗克愛因斯坦根據(jù)光電效應實驗并結合普朗克 能量子假說能量子假說, 提出了光量子理論：提出了光量子理論： 光是一種以光速運動的光子流光是一種以光速運動的光子流, 以電磁波方以電磁波方 式傳播的粒子。式傳播的粒子。 光子和其它基本粒子一樣光子和其它基本粒子一樣,具有能量、動量具有能量、動量 和質量。和質量。 它的粒子屬性（能量、動量、質量等）和波它的粒子屬性（能量、動量、質量等）和波 動屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關系滿動屬性（頻率、波矢、偏振等）之間的關系滿 足：足： 光子的基本特性光子的基本特性 ；、 2 ) 1 ( h hE , 2 )2( 2 c h

2、c E m 、 靜止質量為零；光子具有運動質量，但 h P 、)3( 0 i s q Sd E dt d ld E m L 0 Sd B s dt d l d B e L 00 變化的電場產生磁場變化的電場產生磁場 變化的磁場產生電變化的磁場產生電 場場 電磁波譜與光輻射電磁波譜與光輻射 發(fā)光二極管 半導體激光器 染料激光器 固體激光器 氣體激光器 激光器 氘燈 氙燈 金屬鹵化物燈 鈉燈 汞燈 氣體放電光源 白熾燈、鹵鎢燈 太陽、黑體輻射器 熱輻射光源 光源 1.1 1.1 輻射度學與光度學的輻射度學與光度學的 介紹描述光輻射的一套參量介紹描述光輻射的一套參量 一、輻射度的基本物理量一、輻射度

3、的基本物理量 1.1.輻射能輻射能 單位為單位為J J（焦耳）（焦耳） 2.2.輻射通量輻射通量 又稱輻射功率又稱輻射功率 單位為單位為W W（瓦、焦耳每秒）（瓦、焦耳每秒） 3.3.輻射強度輻射強度 描述點輻射源描述點輻射源 的輻射功率在不同方向上的分布。的輻射功率在不同方向上的分布。 e Q e , e I 基礎知識基礎知識 ( , ) e e d I d 單位單位: （瓦每球面度）（瓦每球面度） W sr 4.4.輻射出射度輻射出射度 與輻射亮度與輻射亮度 e M, e B e e d M dS 單位：單位： （瓦每平方米）（瓦每平方米） 2 W m 2 ( , ) ( , coscos

4、 ee e ddI B dSddS ） 單位：單位： （瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米） 2 W sr m 的定義的定義 的定義的定義 e M , e B 5.5.輻射照度輻射照度 eL e e d L dS 單位：單位： （瓦每平方米）（瓦每平方米）2 W m 6.6.光譜輻射量光譜輻射量 輻射量的光譜密度，輻射量隨波長的變化率輻射量的光譜密度，輻射量隨波長的變化率。 光譜輻射通量光譜輻射通量 與波長的關系與波長的關系 ( ) e () e e d d 0 ( ) ee d 其它輻射度量都有類似關系其它輻射度量都有類似關系。 二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量 1.1.光譜光視效率

5、光譜光視效率V():V(): 人眼對各種光波長的人眼對各種光波長的 相對靈敏度相對靈敏度 詳見表詳見表1.11.1 2.2.光度量光度量 光度量與輻射度量是一一對應的。光度量與輻射度量是一一對應的。 輻射度輻射度量量是客觀物理量，是客觀物理量， 光度量體現(xiàn)了人的視覺特性。光度量體現(xiàn)了人的視覺特性。 1 1）光能）光能 單位：單位：lmlms（流明（流明秒秒） 2 2）光通量）光通量 單位：單位：lm lm （流明）（流明） 3 3）發(fā)光強度）發(fā)光強度 單位：單位：cdcd（坎德拉）（坎德拉） 發(fā)光強度發(fā)光強度 是光度量中最基本的單位。在明視覺時，規(guī)定：是光度量中最基本的單位。在明視覺時，規(guī)定：

6、 時，時， v v d I d v Q v v I v I 555nm 11 1 683 lm W cd sr sr 即：即：1W = 683 lm 1W = 683 lm 此時，此時，V(V(）=1 =1 555nmV(V(）1 1W 1 1W 683 lm683 lm 時，時， 可見，輻射通量與光通量之間的換算關系：可見，輻射通量與光通量之間的換算關系： 1W = 683 V(1W = 683 V(）lmlm ，定義：定義：Km = 683 lmKm = 683 lm /W/W ( )( )( ) vme K V 0 ( )( ) vme KVd 有關系式：有關系式： 4 4）光出射度）光

7、出射度 與光亮度與光亮度 v M v B v v d M dS 單位：單位：lmlm /m/m2 2 2 coscos vv v ddI B dSddS 單位：單位： cd/mcd/m2 2 實用單位：實用單位：sb(sb(熙提熙提) ) 1sb = 1sb = 10104 4cd/mcd/m2 2 5)5)光照度光照度 v L v v d L dS 單位：單位：lxlx（勒克斯）（勒克斯） 1lx = 1lm/m1lx = 1lm/m2 2 普適關系式：普適關系式： 0 ( )( ) Vme XKVXd 三、光源的輻射效率與發(fā)光效率三、光源的輻射效率與發(fā)光效率 2 1 ( ) e e e d

8、 PP 0 ( ) ( ) me v v KVd PP 輻射效率輻射效率 發(fā)光效率發(fā)光效率 單位：單位： lm/Wlm/W l例如，對于色溫為例如，對于色溫為 2856 K2856 K的標準鎢絲燈其光視效的標準鎢絲燈其光視效 能為能為17lm/W17lm/W，當標準鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為，當標準鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為e e 100W100W時，其光通量為時，其光通量為 v v = 1710lm = 1710lm。 l 由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光的由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光的 成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢 絲燈的

9、供電電壓降低時，燈絲溫度降低，燈的可見絲燈的供電電壓降低時，燈絲溫度降低，燈的可見 光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計檢測光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計檢測 光照度時，照度將顯著下降光照度時，照度將顯著下降。 1.2 1.2 熱輻射光源熱輻射光源 一、理想的熱輻射光源一、理想的熱輻射光源 (，T)=1 T)=1 絕對黑體絕對黑體 在熱平衡條件下在熱平衡條件下 , ebeb MTT LT 絕對黑體熱輻射能力最強。絕對黑體熱輻射能力最強。 由于內部原子、分子的熱運動而產由于內部原子、分子的熱運動而產 生輻射的光源生輻射的光源 輻射光譜是連續(xù)光譜輻射光譜是連續(xù)光譜 2 1 5 ( ,

10、 (1) eb cT c MT e ）普朗克公式普朗克公式 5 m hc kT 4 0 , ebeb MTMT dT 維恩位移維恩位移 定律定律 斯蒂芬斯蒂芬玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 隨著溫度隨著溫度T的升高，的升高， 峰值波長峰值波長 向短波方向移動，向短波方向移動， 總出射度總出射度 迅速增加迅速增加。 m eb MT 絕對黑體的溫度決定了它的絕對黑體的溫度決定了它的 輻射光譜輻射光譜分分布布 灰體：灰體：(，T)T)1 1的熱輻射光源，的熱輻射光源， 具有與具有與絕對黑體絕對黑體類似的輻射規(guī)律。類似的輻射規(guī)律。 色溫；相關色溫色溫；相關色溫 1.1.太陽與黑體輻射器太陽與黑體輻射器 二、

11、實際的熱輻射光源二、實際的熱輻射光源 太陽的光譜分布太陽的光譜分布 非常接近于非常接近于絕對黑體絕對黑體 黑體輻射器：黑體輻射器： 科學制作的小孔科學制作的小孔 空腔結構，可以空腔結構，可以 很好地實現(xiàn)絕對很好地實現(xiàn)絕對 黑體的輻射功能。黑體的輻射功能。 常用作標準光源，常用作標準光源， 最高工作溫度是最高工作溫度是 3000K3000K。 2.2.白熾燈與鹵鎢燈白熾燈與鹵鎢燈 灰體灰體 鎢絲做燈絲鎢絲做燈絲 玻璃泡殼玻璃泡殼; ;色溫約色溫約2800K,2800K,輻射光譜約輻射光譜約0.40.43 3m m。 可見光占可見光占6 612%12%，用于照明；，用于照明； 加紅外濾光片可作為近

12、紅外光源。加紅外濾光片可作為近紅外光源。 石英泡殼石英泡殼; ;泡殼內充入微量鹵族元素或其化合物泡殼內充入微量鹵族元素或其化合物 （如溴化硼）（如溴化硼）; ;形成鹵鎢循環(huán)。形成鹵鎢循環(huán)。 色溫色溫3200K3200K以上以上, ,輻射光譜為輻射光譜為0.250.253.5m3.5m。 發(fā)光效率可達發(fā)光效率可達30lm/W(30lm/W(為白熾燈的為白熾燈的2 23 3倍倍) )， 作儀器白光源作儀器白光源. . 鹵鎢燈鹵鎢燈 白熾燈白熾燈 1.3 1.3 氣體放電光源氣體放電光源 發(fā)光機理：發(fā)光機理：氣體放電。氣體放電。 泡殼：用玻璃或石英等材料制造；泡殼：用玻璃或石英等材料制造； 電極：陰

13、極、陽極或不區(qū)分（交流燈）電極：陰極、陽極或不區(qū)分（交流燈） 泡殼內充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸汽、泡殼內充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸汽、 金屬化合物蒸汽、惰性氣體金屬化合物蒸汽、惰性氣體 基本結構基本結構 氣體放電光源的特點：氣體放電光源的特點： 1 1）發(fā)光效率高）發(fā)光效率高, ,節(jié)能。節(jié)能。 2 2）電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。）電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。 3 3）壽命長，比白熾燈長）壽命長，比白熾燈長2 21010倍。倍。 4 4）輻射光譜可以選擇，只要選用適當）輻射光譜可以選擇，只要選用適當 的發(fā)光材料。的發(fā)光材料。 一、汞燈一、汞燈 泡殼內充汞蒸汽泡殼內充汞蒸汽 1.1.低壓汞燈：低壓汞

14、燈： 作作253.7nm253.7nm紫外光源；紫外光源； 作熒光燈（作熒光燈（日光燈）。日光燈）。 2.2.高壓汞燈：高壓汞燈： 可見輻射加強，呈帶狀可見輻射加強，呈帶狀 光譜，可作光譜，可作高效照明光源。高效照明光源。 3.3.球形超高壓汞燈：球形超高壓汞燈： 很好的藍綠光點光源。很好的藍綠光點光源。 二、鈉燈二、鈉燈 泡殼內充的是氖氬混合氣體泡殼內充的是氖氬混合氣體 與金屬鈉滴。與金屬鈉滴。 低壓鈉燈：低壓鈉燈：發(fā)出波長發(fā)出波長589nm589nm、589.6nm 589.6nm 兩條譜線的單色光源。兩條譜線的單色光源。 高壓鈉燈：高壓鈉燈：接近白光，亮度高，用于照明光源。接近白光，亮度

15、高，用于照明光源。 三、金屬鹵化物燈三、金屬鹵化物燈 泡殼內充的是泡殼內充的是 金屬鹵化物氣體。金屬鹵化物氣體。 通過通過金屬金屬 鹵化物循環(huán)，鹵化物循環(huán)， 提供足夠的提供足夠的 金屬原子金屬原子 氣體。氣體。 鉈燈（碘化鉈）：鉈燈（碘化鉈）：綠光，峰值綠光，峰值535nm535nm。 鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：色溫色溫6000K6000K。 鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）：鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）： 近白色光源近白色光源, , 色溫色溫5500K5500K。 四、氙燈四、氙燈 泡殼內充的是是惰性氣體泡殼內充的是是惰性氣體氙。氙。 色溫色溫6000K6000

16、K，亮度高，被稱為，亮度高，被稱為“小太陽小太陽”，壽命長。，壽命長。 長弧氙燈長弧氙燈: : 短弧氙燈短弧氙燈: : 脈沖氙燈脈沖氙燈: : 日光色點光源日光色點光源 大范圍照明大范圍照明 光源光源 脈沖脈沖時間極短（時間極短（nSnSpS)pS)，光很強，光很強, ,用于用于 光泵、光信號源、光泵、光信號源、照相制版、高速攝影照相制版、高速攝影 五、氘燈五、氘燈 泡殼內充有高純度的氘氣泡殼內充有高純度的氘氣 燈燈的紫外輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長，的紫外輻射強度高、穩(wěn)定性好、壽命長， 常用作連續(xù)紫外光源（常用作連續(xù)紫外光源（185185400nm400nm）。）。 1.4 1.4 激光器激

17、光器 一、激光器概述一、激光器概述 2020世紀世紀激光的誕生標志著人類激光的誕生標志著人類 對光子的掌握和利用進入了一個對光子的掌握和利用進入了一個 嶄新的階段。嶄新的階段。 激光器的激光器的 基本結構基本結構 激光形成 激光形成 機理機理 電泵浦或光泵浦；電泵浦或光泵浦； 造成工作物質中粒子數(shù)反轉分布造成工作物質中粒子數(shù)反轉分布 ， 自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射；自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射； 諧振腔對輻射光波選頻放大。諧振腔對輻射光波選頻放大。 激光的激光的 優(yōu)越性優(yōu)越性 高亮度、高方向性、高單色性高亮度、高方向性、高單色性 和高度的時間空間相干性和高度的時間空間相干性 已有數(shù)百種激光器，輸出波長從近紫

18、外直到已有數(shù)百種激光器，輸出波長從近紫外直到 遠紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級。遠紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級。 激光將對激光將對2121世紀的科技騰飛和產業(yè)世紀的科技騰飛和產業(yè) 革命產生深遠的影響！革命產生深遠的影響！ 1.1.氣體激光器氣體激光器 工作物質是氣體或金屬蒸汽，通過氣體工作物質是氣體或金屬蒸汽，通過氣體 放電實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。放電實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。 工作物質（氣體）均勻性好，輸出光束工作物質（氣體）均勻性好，輸出光束 的質量相當高。的質量相當高。 2.2.固體激光器固體激光器 工作物質是摻雜的晶體工作物質是摻雜的晶體 或光學玻璃，光泵浦。或光學玻璃，光泵浦。 有脈沖輸出激

19、光器和連有脈沖輸出激光器和連 續(xù)輸出激光器。續(xù)輸出激光器。 主要優(yōu)點：能量大、峰值功率高、結構緊湊、主要優(yōu)點：能量大、峰值功率高、結構緊湊、 堅固可靠和使用方便。堅固可靠和使用方便。 3.3.染料激光器染料激光器 工作物質是有機染料溶液，光泵浦。工作物質是有機染料溶液，光泵浦。 輸出激光波長可以在很寬范圍內調諧，輸出激光波長可以在很寬范圍內調諧， 有極好的光束質量。有極好的光束質量。 有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的 激光器。激光器。 可產生超短光脈沖，峰值功率達幾百可產生超短光脈沖，峰值功率達幾百MWMW。 4.4.半導體激光器（半導體激光器（LDLD）

20、工作物質是半工作物質是半 導體材料形成導體材料形成 的的P-NP-N結。結。 與結平面垂直的晶體與結平面垂直的晶體 解理面構成解理面構成F-PF-P諧振腔。諧振腔。 對對P-NP-N結正向注入電流或結正向注入電流或光泵浦光泵浦， 可激發(fā)激光?？杉ぐl(fā)激光。 體積小，重量輕，易調制，功耗低；體積小，重量輕，易調制，功耗低； 波長覆蓋面廣（波長覆蓋面廣（0.330.334444m m）；）； 能量轉換效率高，有大功率、高集成度器件。能量轉換效率高，有大功率、高集成度器件。 主要優(yōu)點主要優(yōu)點 二、代表性的固體激光器二、代表性的固體激光器 YAG激光器激光器 基質晶體基質晶體Y3Al 5O12熱物理性能

21、優(yōu)良，熱物理性能優(yōu)良， 使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。 輸出波長輸出波長1064nm1064nm，加倍頻技術可輸出，加倍頻技術可輸出532nm532nm。 已經實現(xiàn)了已經實現(xiàn)了KWKW級大功率輸出，廣泛用于激光級大功率輸出，廣泛用于激光 加工、激光醫(yī)療、科學研究之中。加工、激光醫(yī)療、科學研究之中。 YAGNd: 3 YAGEr: 3 輸出波長輸出波長2.94m,2.94m,用于激光醫(yī)療。用于激光醫(yī)療。 YAGHo: 3 輸出波長輸出波長2.1m,2.1m,用于激光醫(yī)療用于激光醫(yī)療 , ,空間光通信。空間光通信。 可調諧的固體激光器可調諧的固體激

22、光器 32 3 :OAlTi 輸出激光有寬的調諧范圍（輸出激光有寬的調諧范圍（700-1000nm700-1000nm，峰，峰 值波長值波長800nm800nm），應用廣泛，并實現(xiàn)飛秒脈沖。），應用廣泛，并實現(xiàn)飛秒脈沖。 42 3 :OBeAlCr 可調諧范圍可調諧范圍700-800nm700-800nm。采用調。采用調Q Q技術，技術， 輸出輸出755nm755nm脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重 要。要。 激光二極管（激光二極管（LDLD）泵浦的固體激光器）泵浦的固體激光器 LDLD泵浦泵浦: :實現(xiàn)高效率的能量轉換實現(xiàn)高效率的能量轉換 用用LDLD列陣泵浦固體激光器列

23、陣泵浦固體激光器 實現(xiàn)了高功率激光輸出。實現(xiàn)了高功率激光輸出。 非線性頻率轉換得到短波長固體激光器非線性頻率轉換得到短波長固體激光器 固體激光器的波長在紅外波段。用非線性材料進固體激光器的波長在紅外波段。用非線性材料進 行波長轉換行波長轉換, ,得到綠光、藍光、紫外固體激光器得到綠光、藍光、紫外固體激光器. . LDLD泵浦固體激光器與準相位匹配頻率轉換結泵浦固體激光器與準相位匹配頻率轉換結 合，以期制造出結構簡單小巧、價格便宜的合，以期制造出結構簡單小巧、價格便宜的 可調諧激光器。可調諧激光器。 研究趨勢研究趨勢 光纖激光器和光纖放大器光纖激光器和光纖放大器 LDLD泵浦增益光纖、一對光纖光

24、柵構成諧振腔。泵浦增益光纖、一對光纖光柵構成諧振腔。 雙包層光纖激光器已經實現(xiàn)了雙包層光纖激光器已經實現(xiàn)了KWKW級大功率輸出。級大功率輸出。 光泵浦作用下增益光纖的光放大作用顯著光泵浦作用下增益光纖的光放大作用顯著, ,信號光信號光 輸入增益光纖將得以放大。光纖放大器的出現(xiàn)輸入增益光纖將得以放大。光纖放大器的出現(xiàn), ,是是 光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。 一、一、 光輻射的量子理論基礎光輻射的量子理論基礎 1 1、三種躍遷、三種躍遷 受激吸收概率：受激吸收概率： t 12 1 12 1 s dt dn n W ）( 1212 BW 為愛因斯坦吸收系數(shù)為愛因斯坦吸

25、收系數(shù), 只與粒子本身的性質有關。只與粒子本身的性質有關。 12 B ）(為輻射場能量密度為輻射場能量密度 1 n 為為E1能級上的原子數(shù)密度能級上的原子數(shù)密度, （1) 受激吸收 處于低能級態(tài)的原子在一定 條件下的輻射場作用下，吸 收一個光子， 躍遷到高能 級態(tài)。 (2) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 1221 EEh 光子能量：光子能量： 自發(fā)躍遷概率：自發(fā)躍遷概率： 2 21 21 1 ndt dn A sp 單位時間、單位體積內，單位時間、單位體積內， 上粒子的減少為：上粒子的減少為： 221 212 nA dt dn dt dn sp 2 E 于是有：于是有： )exp()exp( 0 221

26、0 22 s t ntAnn 21 1 A s 為為 自發(fā)輻射壽命。自發(fā)輻射壽命。 2 E 處于高能級態(tài)的原子 自發(fā)躍遷到低能級態(tài)， 并同時向外輻射出一 個光子（自發(fā)輻射只自發(fā)輻射只 與原子本身性質有關，與原子本身性質有關， 與輻射場的與輻射場的 無無 關）關） 。 ）( (3) 受激輻射受激輻射 受激輻射的概率：受激輻射的概率： st dt dn n W 21 2 21 1 )( 212121 BW 21 B稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。 處于高能級態(tài)的原子 在一定條件下的輻射 場作用下，躍遷到低 能級態(tài)，并同時輻射輻射 出一個與入射光子完出一個與入射光子完 全一樣的光

27、子全一樣的光子。 受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性相干性。 2 2、愛因斯坦關系、愛因斯坦關系 設一個原子系統(tǒng)有特定兩個能級 ,其簡并度 為 （同一量子態(tài)占據(jù)的光子數(shù)目）, 在溫度T 下處于熱平衡狀態(tài), 能級的原子占有數(shù)密度分別 為 ,則原子系統(tǒng)從輻射場中吸收能量 后, 單位時間內從 躍遷到 能級的原子數(shù)為： 1211212 )(nBn 單位時間內， 12 EE 的原子數(shù)為： 2 21212121 )(nBAn 由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應有： 1221 nn 即： 1211212 )(nBn 2)( 21212121 nBAn 21, g g 12 , EE 21,

28、n n 21 hv 1 E 2 E 所以有： 212121 1221 1 2 )( )( BA B n n 熱平衡狀態(tài)下， 按波爾茲曼分布： )exp()exp( 2112 1 1 2 2 kT h kT EE g N g N 即： 1)exp( 1 )( 21 221 112 21 21 21 kT h gB gB B A 21, N N , kT E nn n egN 熱平衡條件下，光輻射的能量密度的普朗克公式為： 1)exp( 18 )( 21 3 33 21 21 kT h c nh 比較兩式有： 221112 gBgB 3 33 21 21 21 8 c nh B A 上述兩式即著名

29、的愛因斯坦關系式。 若兩能級的簡并度相同，則有： BBB 2112 3 33 21 8 c nh B A 結論：結論： u 三個愛因斯坦系數(shù)是相互關 聯(lián)的。 u對一定的原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù) A21 與受激輻射系數(shù) B21 之比正比于 的三 次方，因而 兩能級相差越大， 就越高，A,B的比值就越大，也就是 越 高自發(fā)輻射越容易，受激輻射越困難。一般 在熱平衡下，主要是自發(fā)輻射。 211221 ,BBA 21 v 21,E E 21 v 21 v 二、激光的產生二、激光的產生 1、普通光源的發(fā)光、普通光源的發(fā)光受激吸收和自發(fā)輻射受激吸收和自發(fā)輻射 常見光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽等發(fā)光）是

30、由于物質在 受到外來能量（如光能、電能、熱能等）作用時，原子中的電 子就會吸收外來能量而從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā) 。激發(fā)的過程是一個“受激吸收”過程。處在高能級（E2)的 電子壽命很短（一般為108109秒），在沒有外界作用下會 自發(fā)地向低能級（E1）躍遷，躍遷時將產生光（電磁波）輻射 。輻射光子能量為 h=E2-E1 這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機 過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨立，互不關聯(lián)，即所輻射過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨立，互不關聯(lián)，即所輻射 的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振的光在發(fā)射方向上

31、是無規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振 狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級有一個寬度，所以發(fā)射光的頻狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級有一個寬度，所以發(fā)射光的頻 率也不是單一的，而有一個范圍。率也不是單一的，而有一個范圍。 2 2、激光、激光 激光英文單詞為：LaserLaser,它是英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫,意思是受激輻射的受激輻射的 光放大。光放大。 3 3、受激輻射和光的放大、受激輻射和光的放大 受激輻射的過程大致如下：受激輻射的過程大致如下：原子開始處于高能級E2， 當一個外來光子所帶的能量h正好為某一

32、對能級 之差E2-E1,則這原子可以在此外來光子的誘發(fā)下從 高能級E2向低能級E1 躍遷。這種受激輻射的光子 有顯著的特點，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同 的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、 偏振方向以及光波的相位都完全一樣。偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入 射一個光子，就會出射兩個完全相同的光子。這 意味著原來光信號被放大，這種在受激過程中產 生并被放大的光，就是激光。 必要條件：粒子數(shù)反轉分布和減少振蕩模式必要條件：粒子數(shù)反轉分布和減少振蕩模式 充分條件：起振和穩(wěn)定振蕩（形成穩(wěn)定激光）充分條件：起振和穩(wěn)定

33、振蕩（形成穩(wěn)定激光） 4、激光產生的條件、激光產生的條件 5 5、粒子數(shù)反轉、粒子數(shù)反轉 一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而 且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高 能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受 激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。 由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出 普通光的關鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目 比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反 轉。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最 低能級（基態(tài)）低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術上實現(xiàn)如何從技術上實現(xiàn) 粒子數(shù)反轉則是產生激光的必要條件粒子數(shù)反轉則是產生激光的必要條件。 6 6、工作物質、亞穩(wěn)態(tài)

34、、工作物質、亞穩(wěn)態(tài) 前面分析了產生激光的必要條件是受激 輻射，而粒子數(shù)反轉又是產生激光的一個條 件，激光的產生必須選擇合適的工作介質激光的產生必須選擇合適的工作介質， 可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種 介質中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，以制造獲得激 光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級的存在亞穩(wěn)態(tài)能級的存在對實 現(xiàn)粒子數(shù)反轉是非常必須的。 7 7、形成粒子數(shù)反轉的結構、形成粒子數(shù)反轉的結構-原子能級系統(tǒng)原子能級系統(tǒng) 二能級系統(tǒng)二能級系統(tǒng) 考慮一個二能級（ ）系統(tǒng)的粒子數(shù)的分布情 況。設有一光束通過此系統(tǒng)，頻率為： 12,E E h EE 12 21 由于受激吸收和發(fā)射的存在，光束的能量要發(fā)生變化。 經d

35、t時間后有： dthBnd 2121121211 )()( dthBnd 2121212212 )()( 單位體積因吸收減少： 單位體積因發(fā)射增加： 能量總的變化為： dthBnBnd 212112121221 )()()( 221112 gBgB1 22112 / ggBB 由愛因斯坦關系得： dthBg g n g n d 2121212 1 1 2 2 21 )()()( 由上式可知，光束在傳播過程中能量密度的增減 由括號中運算的值決定。據(jù)此可以把工作物質狀 態(tài)分為兩類： （1）粒子數(shù)正常分布，滿足：）粒子數(shù)正常分布，滿足： 2 2 1 1 g n g n 當物質處于熱平衡時有： )ex

36、p( 12 1 2 1 2 kT EE g g n n , kT E nn n egN , 0 12 EE 2211 /gngn 由于 于是粒子數(shù)分布總有 工作物質中具有較低能量的 一個能級上的粒子數(shù)大于較 高能量的一個能級上的粒子 數(shù)，即粒子數(shù)正常分布。 正常分布 （2 2）粒子數(shù)反轉，滿足：）粒子數(shù)反轉，滿足： 1 1 2 2 g n g n 光束在此工作物質中傳播光能密度不斷增加。 2 n 1 n 1 E 2 E E n 反轉分布 二能級系統(tǒng)不能充當激光工作物質二能級系統(tǒng)不能充當激光工作物質, ,因因 為其不能實現(xiàn)粒子反轉。為其不能實現(xiàn)粒子反轉。 如果激光器運轉過程中有關的能級只有兩個，

37、用有效 的激勵手段把處于下能級E1的原子盡可能多地抽運到 上能級E2。設能級E1和E2上單位體積內的原子數(shù)分別為 n1和n2，自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射的概率分別 為A21、W12和W21。如果能級統(tǒng)計權重相等，因而 W12=W21=W。E2能級上粒子數(shù)n2的速率方程為 dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2, 當達到穩(wěn)定時，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可見， 不管激勵手段如何強，（不管激勵手段如何強，（A A21 21+W +W）總是大于）總是大于W W，所以，所以n n2 2 n n1 1。這表明，對二能級系統(tǒng)的物質來說，不能實現(xiàn) 粒子數(shù)反轉。 激光物質是三能

38、級或四能級結構。激光物質是三能級或四能級結構。 如果激勵過程使原子從基 態(tài)E1以很大概率W抽運到 E3能級，處于E3的原子可 以通過自發(fā)輻射躍遷回到 E2或E1。假定從E3回到E2 的概率A32大大超過從E3回 到E1的概率A31，也超過從 E2回到E1的概率A21，則利 用泵浦抽運使WW23或W W12時，E2和E1之間就可 能形成粒子數(shù)反轉。 三能級系統(tǒng) n2 n1 n3 E1 E2 E3 在外界激勵下，基態(tài)E1 的粒子大量地躍遷到E4， 然后迅速轉移到E3。E E3 3 能級為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較能級為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較 長。長。E E2 2能級壽命較短，能級壽命較短， 因而到達E2上的粒子會 很

39、快回到基態(tài)E1。所以 在在E E3 3和和E E2 2之間可能實現(xiàn)之間可能實現(xiàn) 粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉。由于激光 下能級不是基態(tài)，而是 激發(fā)態(tài)E2，所以在室溫 下激光下能級的粒子數(shù) 很少，因而E3和E2間的 粒子數(shù)反轉比三能級系 統(tǒng)容易實現(xiàn)。 n1 四能級系統(tǒng) E1 E E2 2 E3 E4 N2 n3 n4 (快） (慢） 8 8、泵浦源泵浦源 必須用外界能量來激勵工作物質，建立粒子 數(shù)反轉分布狀態(tài)。將粒子從低能級抽運到高 能級態(tài)的裝置，稱為泵浦源。它是形成激光 的外因。激光器是一個能量轉換器件，它將 泵浦源輸入的能量轉變?yōu)榧す饽芰俊?從直接完成粒子數(shù)反轉的方式來分，泵浦 方式可分為：光激勵方

40、式，氣體輝光放電或 高頻放電方式，直接注入電子方式， 化學反 應方式，還有熱激勵、沖擊波、電子束、核 能等方式。 三、三、LDLD的結構、性能和應用的結構、性能和應用 1.1.半導體材料的能帶半導體材料的能帶 晶體中電子晶體中電子 的共有化運動的共有化運動 晶體中的能帶晶體中的能帶 關于價帶關于價帶 導帶導帶 禁帶禁帶 導電載流子：導電載流子： 電子、空穴電子、空穴 I I型、型、N N型、型、P P型半導體型半導體 關于施主能級關于施主能級 受主能級受主能級 費米統(tǒng)計分布費米統(tǒng)計分布 ()/ 1 ( ) 1 f E EkT f E e 式中，式中，Ef為費米能級，是電子占據(jù)率大于或小于為費米

41、能級，是電子占據(jù)率大于或小于 0.50.5的能級分界線。的能級分界線。 2.PN2.PN結的能帶結的能帶 PNPN結空間電荷區(qū)與自建電場的形成結空間電荷區(qū)與自建電場的形成 PNPN結的能帶彎曲結的能帶彎曲 重摻雜重摻雜P P型、型、N N型型 半導體的能帶半導體的能帶 熱平衡時熱平衡時PNPN結結 的能帶彎曲的能帶彎曲 加上正向電壓后，加上正向電壓后， PNPN結勢壘降低結勢壘降低 PNPN結達到動態(tài)平衡時，一個平衡系統(tǒng)只能結達到動態(tài)平衡時，一個平衡系統(tǒng)只能 有一個費米能級。自建電場的方向由有一個費米能級。自建電場的方向由N N區(qū)區(qū) 指向指向P P區(qū)，區(qū)，P P區(qū)、區(qū)、N N區(qū)的電子能級差為：

42、區(qū)的電子能級差為： p f n fDD EEqUUq)()( PNPN結加上正向電壓時，熱平衡被破壞，結加上正向電壓時，熱平衡被破壞，PNPN結區(qū)結區(qū) 勢壘降低，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉分布。勢壘降低，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉分布。 電子、空穴復合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。電子、空穴復合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。 經諧振腔選頻，可形成激光輸出。經諧振腔選頻，可形成激光輸出。 PNPN結就是光輻射的有源區(qū)。結就是光輻射的有源區(qū)。 3.3.代表性的代表性的LDLD的結構的結構 閾值電流閾值電流I Ith th 注入電流注入電流I II Ith th , ,才能形成激光。 才能形成激光。 器件結構要著力于降低器件結構要著力于降

43、低I Ith th 。 。 同質結同質結 單異質結（單異質結（SHSH） 雙異質結（雙異質結（DHDH） 、 條形異質結條形異質結LD:LD: 增益導引條形增益導引條形 DHLD DHLD 掩埋條形掩埋條形DHLDDHLD 量子阱（量子阱（QWQW）LDLD 單量子阱（單量子阱（SQWSQW）多量子阱（多量子阱（MQWMQW） 超晶格結構超晶格結構 MQWMQW結構的結構的 優(yōu)越性優(yōu)越性： 閾值電流很低閾值電流很低 改善頻率啁啾改善頻率啁啾 調制速率高調制速率高 溫度特性好溫度特性好 MQWMQW的的 能帶能帶 將脈沖傳輸時中心波長發(fā)生偏移的現(xiàn)象叫做“啁啾”。例如在光纖通信中由 于激光二極管本

44、身不穩(wěn)定而使傳輸單個脈沖時中心波長瞬時偏移的現(xiàn)象，也 叫“啁啾”。 分布反饋激光器分布反饋激光器 諧振腔是諧振腔是 波紋光柵波紋光柵 結構結構 nmB/ mn)sin1 ( mn2 分布反饋分布反饋 基于基于 布喇格衍射布喇格衍射 原理原理 DFB DFB 激光器激光器DBR DBR 激光器激光器 每一個柵距每一個柵距 相當于一個微相當于一個微F-PF-P腔腔, ,易形成單易形成單 縱模振蕩。波紋光柵相當于許多微縱模振蕩。波紋光柵相當于許多微F-PF-P腔多級腔多級 調諧，使波長選擇性大大提高，譜線寬度窄。調諧，使波長選擇性大大提高，譜線寬度窄。 在高速調制時仍然保持單縱模特性。在高速調制時仍

45、然保持單縱模特性。 溫度特性好。溫度特性好。 波紋光柵波紋光柵 分布反饋分布反饋 的優(yōu)點的優(yōu)點 MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能優(yōu)越，廣泛應用于性能優(yōu)越，廣泛應用于 高速光纖通信系統(tǒng)中。高速光纖通信系統(tǒng)中。 4.LD4.LD的工作特性的工作特性 I II Ith th 形成激光輸出 形成激光輸出, 光功率急劇上升，光功率急劇上升， P-I P-I曲線的線性好。曲線的線性好。 斜率效率。斜率效率。 I II Ith th 自發(fā)輻射階段， 自發(fā)輻射階段， 光功率較小光功率較小 。 LDLD是對溫度很敏感的器件，溫度升高，是對溫度很敏感的器件，溫度升高， 性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸

46、出性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸出 光功率和峰值波長。光功率和峰值波長。 P-I P-I特性特性 光譜特性光譜特性 I II Ith th I II Ith th單縱模單縱模 LDLD是矩形光波導是矩形光波導: :厚度為厚度為d d，條形寬度為，條形寬度為W W 。出光發(fā)散角：出光發(fā)散角： )arcsin(2 d )arcsin(2 / w 約約3030 4040 約約6 68 8 調制特性調制特性具有直接調制的能力具有直接調制的能力 )()(tfIItI bmb 調制電流調制電流 模擬調制模擬調制數(shù)字調制數(shù)字調制 LDLD芯片芯片 的調制的調制 頻率達頻率達 10GH10GHZ Z 量級。

47、 量級。 5.LD5.LD的應用的應用 LDLD體積小，重量輕，易調制，功耗低；效率高，體積小，重量輕，易調制，功耗低；效率高， 壽命長，有大功率、高集成度器件。壽命長，有大功率、高集成度器件。 已成為最重要的激光器之一。已成為最重要的激光器之一。 光通信光通信 光盤存儲、光顯示光盤存儲、光顯示 激光印刷、信息處理、辦公自動化設備激光印刷、信息處理、辦公自動化設備 激光加工、激光醫(yī)療激光加工、激光醫(yī)療 各種半導體激光器需求量極大，各種半導體激光器需求量極大， 是光電子產業(yè)的重要支柱。是光電子產業(yè)的重要支柱。 6.LD6.LD的發(fā)展日新月異的發(fā)展日新月異 l垂直腔表面發(fā)射垂直腔表面發(fā)射LDLD

48、（VCSELVCSEL） 利于與光利于與光 纖耦合；纖耦合； 適合大面適合大面 積二維列積二維列 陣集成。陣集成。 l高速寬帶高速寬帶LDLD 如應變量子阱（如應變量子阱（SL-QWSL-QW）結構，調制頻率已達）結構，調制頻率已達 30GH30GHZ Z以上。以上。 l量子點（量子點（QDQD）激光器）激光器 是是2121世紀令人世紀令人 矚目的器件。矚目的器件。 由于電子和空由于電子和空 穴的強限制作穴的強限制作 用，比量子阱用，比量子阱 （QWQW）LDLD性能性能 更優(yōu)越。更優(yōu)越。 l可調諧可調諧LDLD用于用于DWDMDWDM光交換技術光交換技術 l短波長短波長LDLD 光存儲、光顯

49、示的需要。光存儲、光顯示的需要。 紅光、綠光、藍光、紫光紅光、綠光、藍光、紫光LDLD 用有機材料（聚合物）作用有機材料（聚合物）作LDLD的有源層，的有源層， 易得到短波長易得到短波長LDLD，是目前的研究熱點。，是目前的研究熱點。 l大功率大功率LDLD 作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源；作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源； 光存儲、光印刷光源；光存儲、光印刷光源； 激光加工、激光醫(yī)療激光加工、激光醫(yī)療光源光源 產生大功率產生大功率LDLD的途徑：的途徑： 提高單個提高單個LDLD的輸出功率；的輸出功率； 發(fā)展列陣發(fā)展列陣LD:LD:一維一維LDLD列陣列陣; ;二維二維LDLD列陣

50、列陣; ;激光棒激光棒 （脈沖）功率可達幾千乃至幾萬（脈沖）功率可達幾千乃至幾萬W W。 l高性能高性能LDLD組件組件 適于適于10Gb/s10Gb/s以上速率的以上速率的EAM/LDEAM/LD 波長可選擇的光電集成回路（波長可選擇的光電集成回路（OEICOEIC） 1.531.531.61m1.61m范圍的多波長光源范圍的多波長光源 EAMEAM：電吸收調制器。：電吸收調制器。EAMEAM與與LDLD集成，集成， 實現(xiàn)光調制，實現(xiàn)光調制，-3dB-3dB帶寬為帶寬為14GH14GHZ Z。 含有含有EAMEAM、半導體光放大器（、半導體光放大器（SOASOA）、合波器）、合波器(MMI(

51、MMI）、）、 微列陣微列陣DFBDFB激光器，波長選擇范圍達激光器，波長選擇范圍達45nm45nm。 4040個個DFBLDDFBLD波長等間隔、光強大小一致、波長等間隔、光強大小一致、 每個集成一個每個集成一個EAMEAM，適用于，適用于DWDMDWDM全光網(wǎng)絡。全光網(wǎng)絡。 1.5 1.5 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LEDLED） 一、一、LEDLED的材料與構型的材料與構型 結構是半導體結構是半導體PNPN結，無諧振腔。對結，無諧振腔。對 其正向注入電流，電子與空穴復合其正向注入電流，電子與空穴復合 發(fā)光，是非相干光。發(fā)光，是非相干光。 GaPGaP、GaAsPGaAsP、GaN,GaN,

52、峰值波長是峰值波長是可見光，可見光， 用于光顯示。用于光顯示。 GaAsGaAs，峰值波長，峰值波長867nm867nm，用于光電檢測。，用于光電檢測。 InGaAsPInGaAsP，峰值波長，峰值波長1.3m1.3m、1.55m,1.55m,用于用于 短距離光纖通信。短距離光纖通信。 直接帶隙直接帶隙半導體材料就是導帶最小值（導帶底） 和價帶最大值在k空間中同一位置。電子要躍遷到 導帶上產生導電的電子和空穴（形成半價能帶） 只需要吸收能量。GaAs、GaN半導體 間接帶隙間接帶隙半導體材料導帶最小值（導帶底）和滿帶最大 值在k空間中不同位置。形成半滿能帶不只需要吸收能 量，還要改變動量。 電子在k狀態(tài)時的動量是（h/2pi） k，k不同，動量就不同，從一個狀態(tài)到另一個必須改變 動量。Si、Ge、 GaP半導體 波矢波矢(波數(shù)矢量)k：表示單位長度內的波數(shù). 大小k=2/. 波矢波矢k 電子的狀態(tài)波函數(shù) 電子被約束在一個有限區(qū)域內時，其狀態(tài)是量子化的。 同一波矢k ，電子態(tài)能量Ea(從價帶頂算起)，Eb(從導 帶底算起)為： 對于同一波矢k ，可以是電子在價帶中占據(jù)能級Ea， 也可以是電子在導帶中占據(jù)能級Eb。 22 2 v h k Ea m 22 2 c h k Eb m LED