光電檢測技術(shù)與應(yīng)用-2發(fā)光器件資料

1、光電檢測(jin c)技術(shù)及應(yīng)用第二章 發(fā)光器件（光源）共五十頁上一章(y zhn)主要內(nèi)容回顧1、影響檢測測量精度的主要因素有哪些，其中(qzhng)哪些因素又是需要特別注意的？2、試敘述光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)共五十頁一、光源(gungyun)的分類定義(dngy)：光源一切能產(chǎn)生光輻射的源。人造光源天然光源自然界本來存在的，如太陽（核聚變 ）、夜明珠、螢火蟲、發(fā)光的魚（深海）。人為地將其他能量轉(zhuǎn)化為光輻射能的器件，如燈。共五十頁一、光源(gungyun)的分類相干(xinggn)光源非相干光源低相干光源相干光源： 頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列光。光的干涉： 相干光相遇時，使某

2、些地方振動加強(qiáng)（明亮），使某些地方振動減弱（暗淡），形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。按照光波在時間、空間上的相位特征：共五十頁一、光源(gungyun)的分類非相干(xinggn)光源相干光源激光照明光源顯示光源信息處理用光源低相干光源發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器等離子激光器太陽氣體放電燈、熒光燈白熾燈等離子體管熒光顯示器液晶顯示器場致發(fā)光顯示器摻雜光纖超熒光寬帶光源非線性光學(xué)器件陰極射線管共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照(nzho)發(fā)光機(jī)理 熱輻射光源： 利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。 電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源，通常是鎢絲通

3、電。 包括白熾燈和鹵鎢燈。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器特點(diǎn)： 光譜連續(xù) 壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照發(fā)光(f un)機(jī)理 氣體發(fā)光光源： 電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源，氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器弧光放電如熒光燈，熒光燈是低壓汞蒸氣放電產(chǎn)生的紫外線，激發(fā)涂在燈管內(nèi)壁的熒光粉層而發(fā)光輝光放電如霓虹燈，霓虹燈是依靠兩端電極頭在高壓電場下將燈管內(nèi)的稀有氣體擊燃，不同稀有氣體（氖、氙、氬、氦、氪）發(fā)出不同的色光 。特點(diǎn)：發(fā)光效率高結(jié)構(gòu)牢固緊湊、耐震、抗沖擊壽命長，光色

4、適應(yīng)性強(qiáng)不足： 冷態(tài)阻抗大，起動后阻抗急劇變小。 啟動后內(nèi)阻太小，必須用限流措施“鎮(zhèn)流器” 。共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照發(fā)光(f un)機(jī)理 固體發(fā)光光源：在電場作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源，電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽▓鲋掳l(fā)光光源和發(fā)光二極管（LED，半導(dǎo)體）兩種。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器LED 發(fā)光二極管LCD 液晶顯示器PDP 等離子顯示器 特點(diǎn)：固體化、平板化、安全可靠面積形狀不受限制壽命長，功耗低，發(fā)光易于控制共五十頁一、光源(gungyun)的分類 按照(nzho)發(fā)光機(jī)理 激光器： 激光是20世紀(jì)60年代重大科技成就之一； 具有高方向性、高單色性、

5、高亮度和相干性等重要特性。熱輻射光源氣體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器 特點(diǎn)： 波長從近紫外光到遠(yuǎn)紅外光； 輻射功率從幾毫瓦到上萬瓦； He-Ne激光器是當(dāng)今使用最多的激光器。共五十頁二、發(fā)光(f un)二極管(LED) LED（ Light-Emitting Diode，簡稱LED）是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源。結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體PN結(jié)色彩：根據(jù)所用半導(dǎo)體材料不同，可制成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫等顏色。使用：施加正向電壓，使管內(nèi)(un ni)流過一定量的電流，就發(fā)光。共五十頁二、發(fā)光(f un)二極管(LED)特點(diǎn)： 工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕、光效高

6、、無輻射與低功耗 。 理論上未來的LED壽命將無窮大，但目前大功率LED照明(zhomng)受到散熱問題的制約。 共五十頁 工作原理發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管，PN結(jié)附近，N型材料中的多數(shù)(dush)載流子是電子，P型材料中的多數(shù)載流子是空穴，PN結(jié)上未加電壓時構(gòu)成一定的勢壘。二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁 工作原理 當(dāng)加上正向電壓時，外加電場將削弱內(nèi)建電場，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入。當(dāng)導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴復(fù)合時，釋放出復(fù)合能量(nngling)，這個能量會以熱能、光能的形式輻射出來，即電致發(fā)光。 二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十

7、頁 工作原理 如果嘗試使電流向其它方向流動，P型端就邊接到電流負(fù)極和N型連接到正極，這時電流將不會流動。N型物質(zhì)的負(fù)極電子被吸引到正極電子。P型物質(zhì)的正極電子空穴被吸引到負(fù)極電子。因?yàn)殡娮涌昭ê碗娮佣枷蝈e誤的方向移動(ydng)所以就沒有電流流通過匯合處，損耗區(qū)增加。二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁 普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度(kund)Eg分別為0.67eV和1.12eV。發(fā)光二極管材料： 通常(tngchng)用的砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例。 當(dāng)x0.35時，可得到Eg1.8eV的材料。 改變x值還可以

8、決定發(fā)光波長，使在550900nm間變化。 普通二極管不能用作發(fā)光二極管二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁發(fā)光二極管的光譜(gungp)特性0.20.40.60.81.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs/nm相對(xingdu)靈敏度砷磷化鎵的曲線有兩根：材質(zhì)成分稍有差異峰值波長p：決定發(fā)光顏色二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁U/V I/mA -10 -5 0 12GaAsP(粉)GaAsP(紫) 圖上的橫坐標(biāo)正負(fù)值刻度比例不同，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，使用(shyng)時反向電壓應(yīng)在5V以下

9、。砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安(f n)特性綠色約為1.7V開啟、紫色約為2.2V二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁按形狀分：字段式、點(diǎn)式、光柱(un zh)式、點(diǎn)陣式七段式數(shù)碼管（8字型）：七個發(fā)光二極管、數(shù)字14畫字碼管（米字型）：數(shù)字、字母矩陣：文字(wnz)、掃描方式工作（每個管點(diǎn)亮12ms ） 靜態(tài)文字（余輝效應(yīng)、視覺暫留）二、發(fā)光二極管(LED)的分類共五十頁u /Vi /mAO2工作條件：正向偏置工作電流(dinli) : 幾mA 幾十 mA導(dǎo)通電壓 : ( 1 2) V發(fā)光二極管的特性(txng)和參數(shù)二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁發(fā)光(f un)二極管（LED）是冷光源。冷光源：

10、 發(fā)光時，光源溫度不比環(huán)境溫度高。 工作時不發(fā)熱(f r)，避免與熱量積累相關(guān)的問題。 幾乎把全部能量轉(zhuǎn)化為可見光，其他波長光很少。熱光源： 除了有可見光，還有大量紅外光，部分能量轉(zhuǎn)化為對照明沒有貢獻(xiàn)的紅外光。 加紅外濾波片濾掉紅外光，出來的光和冷光源差不多。 二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁從外觀(wigun)判別極性用萬用表測量(cling)極性和好壞發(fā)光二極管極性的判別和檢測 將測量擋切換到 R 10k，用萬用表測量LED的正、反向電阻，阻值偏小的一次，黑表筆所接觸的為正極。 若兩次測量的阻值均為，則該LED已壞。二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 f2 g2 a2 b2 f1 a1 b1

11、 e2 d2 c2 DIP2 e1d2 g1 c1 DIP1 a gd f be cg f a b e d c DIP a b c d e f gDIP共陽極 a b c d e f gDIP共陰極發(fā)光二極管的連接方式：共陰極(ynj)、共陽極二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁發(fā)光(f un)二極管的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：最高效的人造照明技術(shù) 工作電壓低(1伏2伏)，耗電少(10mA下即可在室內(nèi)(sh ni)得到適當(dāng)?shù)牧炼?； 壽命數(shù)十萬小時以上，為普通白熾燈的100倍以上。 可通過調(diào)節(jié)電流(或電壓)來對發(fā)光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且響應(yīng)速度快，并可直流驅(qū)動； 比普通光源的單色性好； 發(fā)光亮度和發(fā)光效率均

12、較高； 容易與集成電路配合使用； 體積小、重量輕，抗沖擊，耐振動。二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁缺點(diǎn)(qudin) 含有毒物質(zhì)，如銻、砷、鉻、鉛、鎳和銅等，對人體和環(huán)境的影響嚴(yán)重。 LED白光主要是靠藍(lán)光激發(fā)熒光粉，“藍(lán)光技術(shù)”，人眼最不能接受的是藍(lán)光和UV光(即紫外線光) 。二、發(fā)光(f un)二極管(LED)共五十頁 能量量子化假設(shè)： 是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，能量子的存在打破了一切自然過程都是連續(xù)的經(jīng)典定論，第一次向人們揭示(jish)了自然的非連續(xù)本性。LED發(fā)光(f un)光譜二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 發(fā)光光譜 電子和空穴(kn xu)復(fù)合時放出能量的大小，即光子的能量。 光子的

13、能取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，釋放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長就越短。E g=h c 式中，為輻射光波長；h為普朗克常量(chngling)；c為光速；Eg為材料禁帶寬度。普朗克常數(shù)h： 用來描述量子大小。 光的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，一份能量叫做能量子，等于hv，v為頻率，h為普朗克常數(shù)。 二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 單向(dn xin)導(dǎo)電性，反向擊穿電壓約5伏，一般要加限流電阻以限定工作電流。發(fā)光二極管可工作在直流狀態(tài)、交流狀態(tài)和脈沖狀態(tài)。 圖(a)為直流供電，二極管出射光強(qiáng)度不變。 圖(b)為交流供電，由于二極管的發(fā)光特性，它出射的光強(qiáng)如圖(c)，呈半波

14、形。R為限流電阻，D1為普通(ptng)二極管，對發(fā)光二極管作反向保護(hù)。發(fā)光二極管的工作狀態(tài)二、發(fā)光二極管(LED)共五十頁 光源：檢測用光源、遙控器的光源、扣式微型(wixng)電筒 發(fā)光(f un)二極管應(yīng)用二、發(fā)光二極管(LED) 指示和信息顯示： 數(shù)字顯示 大型顯示器 光耦合器件（ OC ,optical coupler）亦稱光電隔離器： 將發(fā)光二極管和光電接收元件組合而構(gòu)成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號耦合到輸出端。共五十頁 激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大(fngd)或振蕩發(fā)射的器件。 激光（Laser，Light amplificatio

15、n by the stimulated emission of radiation）激光是20世紀(jì)60年代重大科技成就之一。 具有高方向性、高單色性、高亮度和相干性等重要特性。激光器的種類非常多： 波長(bchng)從近紫外光到遠(yuǎn)紅外光； 輻射功率從幾毫瓦到上萬瓦； He-Ne激光器是當(dāng)今使用最多的激光器。三、激光器激光器的特點(diǎn)共五十頁激光器的工作(gngzu)原理組成(z chn):工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源泵浦源工作物質(zhì)諧振腔全反鏡半反鏡三、激光器泵浦源： 輻射源、電源，如脈沖燈 激發(fā)工作粒子從低能態(tài)到高能態(tài) 粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)諧振腔： 輻射波在諧振腔來回多次傳播，激發(fā)更多輻射，輻射能量放大，通過

16、投射平面鏡輸出激光。共五十頁激光器的工作(gngzu)原理諧振腔是激光器設(shè)計的重點(diǎn)： 高反射率 很小吸收 高波長(bchng)穩(wěn)定性 高機(jī)械強(qiáng)度三、激光器共五十頁激光(jgung)的特性單色性： 譜線寬度：單色光的波長范圍 譜線寬度越窄，單色性越好。 激光9*10-2Hz、普通光1.52*109Hz方向性： 光束的發(fā)射角 普通光源均勻四射高亮度： 比太陽(tiyng)高幾個十幾個數(shù)量級。相干性： 空間、時間相干性好三、激光器共五十頁按工作物質(zhì)分類： 氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器） 固體激光器（如紅寶石激光器） 半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器） 液體(yt)激光器（染料激光器、燃

17、料激光器）激光器的分類(fn li)三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器特點(diǎn)：光束質(zhì)量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。效率低，能耗高，壽命較短，體積大。分類：原子（氦氖）激光器離子（氬，氪，金屬(jnsh)蒸汽）激光器分子（CO2，CO，準(zhǔn)分子）激光器。近視眼激光手術(shù)準(zhǔn)分子激光手術(shù) 三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器激光管： 由放電管、電極（幾千伏電壓）和光學(xué)(gungxu)諧振腔組成。1、放電管：是氦一氖激光器的心臟，是產(chǎn)生激光的地方。 放電管由毛細(xì)管和貯氣室構(gòu)成。 放電管中充入一定比例的氦氣（He）、氖氣（Ne）。三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器2、電極：陽極一般用鎢棒制成；陰極多用

18、電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后(rnhu)用鎢棒引到管外。3、諧振腔： 一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器 按諧振腔與放電管的放置方式(fngsh)不同可分內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。 三、激光器共五十頁1、內(nèi)腔式激光器：兩塊反射鏡直接貼在放電管兩端。優(yōu)點(diǎn)：使用方便，不用調(diào)整。缺點(diǎn)：放電發(fā)熱或外界沖擊發(fā)生形變(xngbin)導(dǎo)致諧振腔失調(diào)時，無法校正。 適用于短管結(jié)構(gòu)。氣體(qt)激光器三、激光器共五十頁2、外腔式激光器： 諧振腔的兩塊反射境與放電管分開，放

19、電管的兩端用布儒斯特窗密封構(gòu)成反射最小的光通路。 布儒斯特窗本質(zhì)上是一個偏振器，以布儒斯特角放置，光束的偏振分量將無損耗通過窗口，而偏振分量將被布儒斯特窗口反射。優(yōu)點(diǎn)：可隨時調(diào)整反射鏡的位置，達(dá)到最佳振蕩條件。缺點(diǎn)：腔易變動(bindng)，需經(jīng)常調(diào)整，腔內(nèi)損耗增大。氣體(qt)激光器 適于作長管結(jié)構(gòu)。三、激光器共五十頁3、半內(nèi)腔式激光器： 諧振腔的一端采用內(nèi)腔結(jié)構(gòu)(jigu)，另一端用布儒斯特窗密封，放電管與反射鏡分開。 這種結(jié)構(gòu)兼有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，適于特殊要求的小型激光器的結(jié)構(gòu)。氣體(qt)激光器三、激光器共五十頁氣體(qt)激光器3、內(nèi)腔式激光器：優(yōu)點(diǎn)： 將諧振腔的兩反射鏡調(diào)整好后，用膠固

20、定在放電管的兩端，使用時不必調(diào)整；陰極與毛細(xì)管同軸放置，結(jié)構(gòu)緊湊、不易碎裂，安裝方便。 缺點(diǎn)： 工作過程中放電管受熱變形時,諧振腔反射鏡會偏離相互平行位置，造成器件損耗增加，輸出下降。 激光管越長，熱穩(wěn)定性越差，內(nèi)腔式激光管的長度一般不超過一米。 諧振腔反射鏡損壞后，不易更換，反射鏡內(nèi)表面(biomin)污染后也無法清除。由于陰極放在放電管內(nèi)，陰極濺射物質(zhì)易污染窗片，使用壽命低，同時由于陰極大量發(fā)射電子，陰極區(qū)易發(fā)熱，熱穩(wěn)定性不好。三、激光器共五十頁工作物質(zhì)： 光學(xué)(gungxu)玻璃或光學(xué)(gungxu)晶體，摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。 如紅寶石激光器是以摻有0.05%鉻離子的氧化鋁單

21、晶體為工作物質(zhì)。固體(gt)激光器用途： 在軍事、加工、醫(yī)療和科研有廣泛應(yīng)用。 用于測距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材料退火、電子器件微加工、大氣檢測、光譜研究、外科手術(shù)、等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。固體激光器還用作可調(diào)諧染料激光器的激勵源。 三、激光器共五十頁固體(gt)激光器特點(diǎn)：小而堅固、功率高；運(yùn)行方式多樣： 連續(xù)、脈沖、調(diào)、鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)(chngf)率，高脈沖能量，高峰值功率激光；主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式；結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長，穩(wěn)定可靠；三、激光器共五十頁種類： 紅寶石激光器、釓（ga）鋁石榴石激光器（簡稱YAG激光器）和

22、釹(nv)玻璃激光器等，其中紅寶石激光器發(fā)現(xiàn)最早、用途最廣。紅寶石激光器： 是1960年美國梅曼發(fā)明的第一臺激光器。 用高強(qiáng)閃光燈管來刺激在紅寶石水晶里的鉻原子，從而產(chǎn)生一條相當(dāng)集中的纖細(xì)紅色光柱，當(dāng)它射向某一點(diǎn)時，可使這一點(diǎn)達(dá)到比太陽(tiyng)還高的溫度。 固體(gt)激光器三、激光器共五十頁固體(gt)激光器固體激光(jgung)晶體棒微型固體激光器1太瓦10的12次方瓦1萬億瓦 T：太，10的12次方1000GG：吉，10的9次方1000MM：兆，10的6次方1000kk：千，10的3次方 釹（nv）玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到幾十太瓦。三、激光器共五十頁工作(gngzu)物質(zhì)：半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。 半導(dǎo)體激光器用途： 光纖通信、光學(xué)測量(cling)、光盤、激光打印機(jī)、激光掃描器、激光指示器（激光筆）。 軍事領(lǐng)域：激光制導(dǎo)跟蹤、激光雷達(dá)、激光引信、光測距、激光通信電源、激光模擬武器、激光瞄準(zhǔn)告警、激光通信和激光陀螺等。 又稱激光二極管(LD），PN結(jié)是激活介質(zhì)，是目前生產(chǎn)量最大的激光器，是最有前途的輻射源之一。三、激光器共五十頁半導(dǎo)體激光器缺點(diǎn)： 輸出功率較??； 發(fā)散角大，溫度特性(txng)差，容易