光電檢測(cè)技術(shù)2資料

光電檢測(cè)技術(shù)2資料第一頁(yè)，共60頁(yè)?！?.1光源的特性參數(shù)

特性參數(shù)主要有：輻射效率和發(fā)光效率、光譜功率分布、空間光強(qiáng)分布、光源的顏色和光源的色溫。1.輻射效率和發(fā)光效率

光源的光通量與產(chǎn)生光通量所需的電功率之比，是光源的發(fā)光效率

在給定λ1～λ2波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一輻射源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該輻射源在給定光譜范圍內(nèi)的輻射效率2第二頁(yè)，共60頁(yè)。2.光譜功率分布

光譜功率分布有四種：線狀光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜和混合光譜。

光源發(fā)出的一般是復(fù)色光，而且在不同頻率上輻射出的光功率的大小不同。光功率和頻率的這種關(guān)系，用光譜功率分布來(lái)描述。線狀光譜帶狀光譜經(jīng)過(guò)歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分布3第三頁(yè)，共60頁(yè)。

在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氘燈、汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源。

選擇光源：光譜功率分布應(yīng)由測(cè)量對(duì)象的要求來(lái)決定。

對(duì)目視光學(xué)系統(tǒng):一般采用可見(jiàn)區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。

對(duì)彩色攝影:采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等?；旌瞎庾V連續(xù)光譜4第四頁(yè)，共60頁(yè)。2.1.3空間光強(qiáng)分布

在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比，稱其為發(fā)光強(qiáng)度矢量。

把各矢量的端點(diǎn)連起來(lái)，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度分布曲線，也稱配光曲線。

常用發(fā)光強(qiáng)度矢量和發(fā)光強(qiáng)度曲線來(lái)描述光源的空間光強(qiáng)分布。右圖為氣體發(fā)光源的光強(qiáng)分布圖。5第五頁(yè)，共60頁(yè)。

為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度大的方向作為照明方向。為了利用背面方向的光輻射，可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點(diǎn)位于光源的發(fā)光中心上。

用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。例：高壓鈉燈色表呈黃色，熒光燈色表呈白色。

2.1.4光源的顏色光源的顏色包含兩方面含義：色表和顯色性。

當(dāng)光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，就是該光源的顯色性。

或者說(shuō)物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺(jué)6第六頁(yè)，共60頁(yè)。2.1.5光源的色溫

黑體的溫度與它的輻射特性是一一對(duì)應(yīng)的。從光源顏色與其溫度的關(guān)系，引出了顏色溫度的概念(即色溫)。

色溫:如果輻射源發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射出的光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。

若一個(gè)光源的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示。一般光源，經(jīng)常用色溫、相關(guān)色溫和分布溫度表示。

相關(guān)色溫:在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為這個(gè)光源的相關(guān)色溫。

分布溫度:輻射源在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜功率分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為這個(gè)輻射源的分布溫度。

選擇光源:應(yīng)綜合考慮光源的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和光譜特性等性能。7第七頁(yè)，共60頁(yè)。

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律知，物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度的四次方有關(guān)。§2.2熱輻射源

熱輻射源有：太陽(yáng)、白熾燈、黑體輻射器、氣體放電燈等。

物體由于溫度較高而向周圍溫度較低環(huán)境發(fā)射能量的形式稱為熱輻射，這種物體稱為熱輻射源8第八頁(yè)，共60頁(yè)。

在大氣層外，太陽(yáng)對(duì)地球的輻照度值在不同的光譜區(qū)所占的百分比為

紫外區(qū)(<0.38)6.46%

可見(jiàn)區(qū)(0.38～0.78)46.25%

紅外區(qū)(>0.78)47.29%2.2.1太陽(yáng)

太陽(yáng)直徑約為1.392×109m。它到地球的年平均距離是1.496×1011m。從地球上觀看太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的張角只有0.533o。平均輻亮度：2.01×107Wm-2sr-l平均亮度：1.95×109cdm-2。太陽(yáng)光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射9第九頁(yè)，共60頁(yè)。

輻射到地球上的太陽(yáng)光，要穿過(guò)一層很厚的大氣層，因而太陽(yáng)光在光譜、空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等方面都發(fā)生了變化。標(biāo)準(zhǔn)海平面上太陽(yáng)的光譜輻射照度曲線

光通過(guò)大氣層時(shí),大氣層在不同程度上吸收太陽(yáng)輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)。10第十頁(yè)，共60頁(yè)。2.黑體模擬器

在許多光電儀器中，往往需要輻射源的溫度特性和光譜特性與理想黑體的特性相似。這種輻射源常稱為黑體模擬器，也稱基準(zhǔn)輻射源。

工程黑體的內(nèi)腔呈簡(jiǎn)單的幾何形狀：球形、錐形、圓柱型，或者是這些形狀的組合。

幾種工程黑體的典型結(jié)構(gòu)11第十一頁(yè)，共60頁(yè)。

目前的黑體模擬器最高工作溫度為3000K，而實(shí)際應(yīng)用的大多是在2000K以下。

黑體模擬器的結(jié)構(gòu)：

對(duì)黑體爐的要求:保溫：外壁包一層較厚可以長(zhǎng)時(shí)間承受高溫的熱絕緣材料;加熱：用電加熱線圈，但線圈繞制、排列應(yīng)保證均勻加熱;測(cè)溫：用高精度的熱電偶檢測(cè)輻射器空腔內(nèi)的溫度;尺寸:為了使溫度均勻穩(wěn)定，全輻射器空腔的幾何尺寸的內(nèi)腔長(zhǎng)度和出口直徑比l/d＞1.5。

實(shí)用基準(zhǔn)輻射源稱為黑體爐，由石墨制做。12第十二頁(yè)，共60頁(yè)。

發(fā)光特性穩(wěn)定,壽命長(zhǎng),使用和量值復(fù)現(xiàn)方便,因而也可用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。3.白熾燈

白熾燈是光電測(cè)量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見(jiàn)光譜段中部和黑體輻射曲線相差約0.5％，在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2％。白熾燈有真空鎢絲燈、充氣鎢絲燈和鹵鎢燈等。

充氣鎢絲白熾燈：內(nèi)部充入和鎢不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氬、氮等惰性氣體，使由燈絲蒸發(fā)出來(lái)的鎢原子在和惰性氣體原子碰撞時(shí)，部分鎢原子能返回?zé)艚z。這樣可以抑制鎢蒸發(fā)，使燈的工作溫度可提高到2700K～3000K，發(fā)光效率提高到17lm/W。

13第十三頁(yè)，共60頁(yè)。

鎢的再生循環(huán)：在一定溫度下可以形成鹵鎢循環(huán):即蒸發(fā)的鎢和玻璃殼附近的鹵素合成鹵鎢化合物，該鹵鎢化合物擴(kuò)散到溫度較高的燈絲周圍時(shí)，又分解成鹵素和鎢。鎢重新沉積在燈絲上，鹵素被擴(kuò)散到溫度較低的燈泡壁區(qū)域再繼續(xù)與鎢化合。氯化碘和溴化硼鹵鎢循環(huán)延長(zhǎng)了燈的壽命。燈的色溫可達(dá)3200K，發(fā)光效率提高到30lm/W。也可在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑。14第十四頁(yè)，共60頁(yè)。§2.3氣體放電光源

也稱氣體燈。制作時(shí)在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氦、氖、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鈉、鉈、鏑等，這些元素的原子在電場(chǎng)作用下電離出電子和離子。氣體放電原理:

當(dāng)離子向陰極、電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中得到加速，當(dāng)它們與氣體原子或分子高速碰撞時(shí)會(huì)激勵(lì)出新的電子和離子。在碰撞過(guò)程中有些電子會(huì)躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)。受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出相應(yīng)的輻射.15第十五頁(yè)，共60頁(yè)。

由于這些特點(diǎn)，氣體放電光源具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，在光電測(cè)量和照明中得到廣泛使用。

4.

光色適應(yīng)性強(qiáng)，可在較大范圍內(nèi)選擇。氣體放電光源具有的特點(diǎn)：發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2～10倍。3.

壽命長(zhǎng)。一般比白熾燈壽命長(zhǎng)2～10倍。2.

由于不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固、緊湊、耐震、抗沖擊。16第十六頁(yè)，共60頁(yè)。

特點(diǎn)：在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出很強(qiáng)的光輻射，其結(jié)構(gòu)和工作電路為2.3.1脈沖燈工作原理：電源U0經(jīng)電阻R，使儲(chǔ)能電容C充電到工作電壓Uc。Uc一般低于脈沖燈的自擊穿電壓Us，而高于燈的著火電壓Uz。脈沖燈的燈管外繞有觸發(fā)絲。在觸發(fā)絲上施加高的脈沖電壓，使燈管內(nèi)產(chǎn)生電離火花線，火花線大大減小了燈的內(nèi)阻，使燈‘著火’。產(chǎn)生極強(qiáng)的閃光。

除激光器外，脈沖燈是最亮的光源。廣泛用作攝影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源

17第十七頁(yè)，共60頁(yè)。氙燈內(nèi)充有惰性氣體--氙，由兩個(gè)電極之間的電弧放電而發(fā)出強(qiáng)光.氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近；

色溫約6000K左右，顯色指數(shù)90以上，有“小太陽(yáng)”之稱。

氙燈分為長(zhǎng)弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。長(zhǎng)弧氙燈的發(fā)光效率為25～30lm/W18第十八頁(yè)，共60頁(yè)。

氘燈的紫外線輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，常用作各種紫外分光光度計(jì)的連續(xù)紫外光源。

常見(jiàn)的脈沖燈還有氘燈。氘燈內(nèi)充有高純度的氘氣，是一種熱陰極弧光放電燈。氘燈的陰極是直熱式氧化物陰極，陽(yáng)極用0.5毫米厚的鉭皮做成，中心正對(duì)口，燈泡由紫外透射性能比較好的石英玻璃制成。氘燈的外形及其紫外光譜分布圖。19第十九頁(yè)，共60頁(yè)。

原子光譜燈又稱空心陰極燈，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。陽(yáng)極和圓筒形陰極封在玻殼內(nèi)，玻殼上部有一透明石英窗。工作時(shí)窗口透射出放電輝光，其中主要是陰極金屬的原子光譜.

2.3.2．原子光譜燈主要作用：引出標(biāo)準(zhǔn)譜線的光束；確定標(biāo)準(zhǔn)譜線的分光位置；確定吸收光譜中的特征波長(zhǎng)等。主要用途：元素、微量元素光譜分析的裝置中

20第二十頁(yè)，共60頁(yè)。2.3.3汞燈光譜能量分布：

低壓汞燈發(fā)射253.7nm的紫外線;高壓汞燈可見(jiàn)光成分較多，高壓汞燈內(nèi)的氣壓有1~5個(gè)大氣壓，超高壓汞燈內(nèi)的氣壓有10-200個(gè)大氣壓。

分類低壓汞燈高壓汞燈超高壓汞燈21第二十一頁(yè)，共60頁(yè)。2.4固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源又稱平板發(fā)光器件或平板顯示器。平板顯示器的厚度較薄，看上去就像一塊平板。平板顯示(FPD)主動(dòng)發(fā)光型被動(dòng)發(fā)光型主動(dòng)發(fā)光型：媒質(zhì)自己發(fā)光被動(dòng)發(fā)光型：靠媒質(zhì)調(diào)制外部光源實(shí)現(xiàn)信息顯示

按媒質(zhì)和工作原理分：液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)、電致發(fā)光顯示(ELD)和場(chǎng)致發(fā)光顯示(FED)22第二十二頁(yè)，共60頁(yè)。2.4.1．場(chǎng)致發(fā)光光源

場(chǎng)致發(fā)光是固體在電場(chǎng)的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象，也稱電致發(fā)光。1．交流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏1-玻璃板；2-熒光粉層；3-高介電常數(shù)反射層；4-鋁箔；5-玻璃板；6-透明導(dǎo)電膜。

透明導(dǎo)電膜用氧化錫；高介電常數(shù)反射層用搪瓷或鈦酸鋇；熒光粉層由ZnS、樹(shù)脂和搪瓷等混合，厚度很薄。玻璃板起支撐、保護(hù)和透光作用。23第二十三頁(yè)，共60頁(yè)。

工作特性與所加電壓U和頻率f有關(guān)，當(dāng)f一定時(shí)，發(fā)光亮度的經(jīng)驗(yàn)公式為

工作原理：發(fā)光屏兩電極間距離很小，只有幾十微米，在微小電壓作用下，得到足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度，如E=104V/cm。粉層中自由電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速獲得很高的能量，撞擊發(fā)光中心，使其受激而處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)復(fù)原為基態(tài)時(shí)產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光。由于熒光粉與電極間有高介電常數(shù)的絕緣層，自由電子并不導(dǎo)走，而是被束縛在陽(yáng)極附近。24第二十四頁(yè)，共60頁(yè)。

交流粉末發(fā)光屏材料:硫化鋅(ZnS)，發(fā)光為綠色，峰值波長(zhǎng)為0.48～0.52μm之間，發(fā)光亮度下降到初始值的1/3～1/4所對(duì)應(yīng)的壽命約為3000小時(shí)。

發(fā)光屏結(jié)構(gòu)與交流發(fā)光屏相似，它依靠傳導(dǎo)電流產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。常用的發(fā)光材料是ZnS:Mn、Cu，發(fā)橙黃色的光。

直流發(fā)光屏亮度較高，亮度隨傳導(dǎo)電流的增大而迅速上升。優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、制造工藝簡(jiǎn)單和成本低。2.4.2．直流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏

優(yōu)點(diǎn):光發(fā)射角大、光線柔和,壽命長(zhǎng)、功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、不發(fā)熱。缺點(diǎn):發(fā)光亮度低，驅(qū)動(dòng)電壓高和老化快。25第二十五頁(yè)，共60頁(yè)。

薄膜發(fā)光屏與粉末發(fā)光屏形式上很相似，但是很薄（約1微米左右）

薄膜發(fā)光屏特點(diǎn):均勻致密、分辨力高，對(duì)比度好，驅(qū)動(dòng)電壓低?？捎糜陔[蔽照明，固體雷達(dá)屏幕顯示和數(shù)碼顯示等。

2.4.3．薄膜場(chǎng)致發(fā)光屏

在薄膜的兩電極間施加適當(dāng)?shù)碾妷壕涂砂l(fā)光。一般有交流和直流薄膜電致發(fā)光屏兩種形式。交流橙和綠兩種顏色，直流主要有橙黃和綠兩種顏色。

1-防潮層；2-第一電極；3-硫化鋅薄膜；4-透明導(dǎo)電層；5-玻璃基板

26第二十六頁(yè)，共60頁(yè)。場(chǎng)致發(fā)光光源優(yōu)點(diǎn)(1)

固體化、平板化，因而可靠、安全、占地小，易于安裝；(2)

面積、形狀幾乎不受限制，因此可以通過(guò)光刻、透明導(dǎo)電膜和金屬電極掩蔽鍍膜的方法，制成任意發(fā)光圖形；(3)

屬于無(wú)紅外輻射的冷光源，因而隱蔽性好，對(duì)周圍環(huán)境沒(méi)有影響；(4)

視角大，光線柔和，易于觀察；(5)

壽命長(zhǎng),可連續(xù)使用幾千小時(shí)，而發(fā)光不會(huì)突然全部熄滅；(6)

功耗低，約幾毫瓦／厘米2；(7)

發(fā)光易于通過(guò)電壓控制。27第二十七頁(yè)，共60頁(yè)。(1)特殊照明。(2)數(shù)字、符號(hào)顯示。(3)模擬顯示。(4)矩陣顯示，又叫交叉電極場(chǎng)致發(fā)光顯示。(5)圖象轉(zhuǎn)換及圖象增強(qiáng)。主要是:亮度較低(一般使用亮度為50cd/m2左右)；驅(qū)動(dòng)電壓高(通常需上百伏)；老化快。

場(chǎng)致發(fā)光光源用途場(chǎng)致發(fā)光光源缺點(diǎn)：28第二十八頁(yè)，共60頁(yè)。2.4.2其他平板顯示器件1.液晶顯示（LCD）什么是液晶（LC）?液態(tài)晶體的簡(jiǎn)稱:在機(jī)械上具有液體的流動(dòng)性,在光學(xué)上具有晶體性質(zhì)的物質(zhì)形態(tài)被命名為流動(dòng)晶體--液晶.液晶的分類:熱致液晶和溶致液晶

液晶是介于完全規(guī)則狀態(tài)(如固態(tài)晶體)與不規(guī)則狀態(tài)(如各向同性液體)之間的中間態(tài)物質(zhì)。溶致液晶是指將某些有機(jī)物放人一定的溶劑中時(shí)，由于溶液破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶。熱致液晶是指某些有機(jī)物加熱溶解后，由于加熱破壞晶體晶格而形成的液晶,目前用的較多.29第二十九頁(yè)，共60頁(yè)。液晶顯示的工作原理:

液晶材料雙折射特性:分子是長(zhǎng)條結(jié)構(gòu),沿分子長(zhǎng)軸方向光的折射率和沿垂直長(zhǎng)軸方向的折射率不相等。折射率的各向異性產(chǎn)生入射光的雙折射，導(dǎo)致入射偏振光的偏振狀態(tài)和偏振方向發(fā)生變化。

液晶材料分子的電極性:液晶分子中含有極性基團(tuán)，使分子具有極性，如果分子的偶極矩方向與分子長(zhǎng)軸平行，這種液晶稱為正性液晶。如果偶極矩方向與分子長(zhǎng)軸垂直，稱為負(fù)性液晶。

液晶的電光效應(yīng)種類:負(fù)性液晶的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)(DS)、電控雙折射效應(yīng)(ECB)，正性液晶的扭曲效應(yīng)(TN)、超扭曲效應(yīng)(STN)等。在電場(chǎng)作用下，偶極距按電場(chǎng)方向取向，使分子的原有排列方式受到破壞，從而使液晶光學(xué)性能變化。這種因?yàn)橥饧与妶?chǎng)的作用導(dǎo)致液晶光學(xué)性能發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為液晶的光電效應(yīng)。30第三十頁(yè)，共60頁(yè)。正性液晶的扭曲效應(yīng):未加電場(chǎng)時(shí)液晶的出射平面上分子的長(zhǎng)軸方向相對(duì)入射平面上分子的長(zhǎng)軸方向旋轉(zhuǎn)了90o.

檢偏片的方向與起偏片平行:無(wú)電場(chǎng)時(shí),旋轉(zhuǎn)過(guò)90o的偏振光被阻擋，因此無(wú)光輸出而呈暗態(tài);有電場(chǎng)時(shí)，與內(nèi)表面接觸的液晶分子仍沿基板表面平行排列外，液晶盒內(nèi)各層的液晶分子都沿與電場(chǎng)取向成垂直排列的狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)液晶層的偏振光偏振方向不變，因而可以通過(guò)檢偏片而呈亮態(tài)。這就實(shí)現(xiàn)了負(fù)顯示,即黑底上白字顯示。同樣，如果將起偏片和檢偏片的偏振軸相互正交粘貼，則可實(shí)現(xiàn)白底上黑字，稱為正顯示。

31第三十一頁(yè)，共60頁(yè)。

等離子體顯示是利用惰性氣體在一定電壓作用下產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體，直接發(fā)射可見(jiàn)光或紫外線（UV）進(jìn)而激發(fā)熒光粉發(fā)光,是一種主動(dòng)發(fā)光型器件。類似一個(gè)小熒光燈,稱為放電胞.2.等離子體顯示(PDP)PlasmaDisplayPanel

等離子體是指正負(fù)電荷共存,處于電中性的放電氣體的狀態(tài)。

等離子體顯示板(PDP)可以看成是由大量放電胞排列構(gòu)成的一種主動(dòng)發(fā)光型平板顯示器件。PDP特點(diǎn)有哪些?放電胞內(nèi)壁涂覆的熒光體，是發(fā)白光,而是發(fā)三基色光:R-G-B32第三十二頁(yè)，共60頁(yè)。

自然界中的一些物質(zhì)在熱、光、電的刺激下其顏色會(huì)發(fā)生變化。電致變色是指在電的作用下,物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng),使物質(zhì)的顏色發(fā)生可逆性變化的現(xiàn)象。用這一現(xiàn)象制作的顯示器件就叫作電致變色顯示。

電泳是指懸浮在液體中的帶電粒子在外電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)并附著在電極上的現(xiàn)象。如果帶電粒子有一定顏色，就可利用電泳實(shí)現(xiàn)信息顯示，這就是電泳顯示。

真空熒光顯示是利用氧化鋅系列熒光粉在數(shù)十伏低能電子轟擊下發(fā)光而制成的顯示器件。3.真空熒光顯示(VFD)4.電致變色顯示(ECD)5.電泳顯示(EPD)33第三十三頁(yè)，共60頁(yè)。2.4.3結(jié)型發(fā)光光源:發(fā)光二極管和激光二極管LED(LightEmittingDiode)，即發(fā)光二極管。是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫、白色的光。發(fā)展歷史:1923年:蘇聯(lián),羅塞夫發(fā)現(xiàn)SiC中偶然形成的PN結(jié)中具有光輻射.1960年:用GaAsP外延技術(shù)制成第一只實(shí)用化的紅光LED,其后橙色和黃色LED問(wèn)世,從此LED得到迅速發(fā)展.34第三十四頁(yè)，共60頁(yè)。70年代:實(shí)現(xiàn)綠光LED.80年代初高亮度LED拓展了LED的應(yīng)用范圍.1991年:利用MOCVD外延工藝制作的超高亮紅、橙、黃LED走出室外.1994年:GaN超高亮度藍(lán)光LED問(wèn)世,其后超高亮度綠光LED、紫光LED研制成功,實(shí)現(xiàn)了LED發(fā)光顏色在紅、橙、綠、藍(lán)、紫可見(jiàn)光全譜,為全色顯示奠定了基礎(chǔ).35第三十五頁(yè)，共60頁(yè)。

發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種結(jié)型發(fā)光器件，也稱作注入式場(chǎng)致發(fā)光光源。1.發(fā)光二極管工作原理以GaAs發(fā)光二極管為例說(shuō)明工作原理發(fā)光二極管是一個(gè)由P型和N型半導(dǎo)體組合成的二極管36第三十六頁(yè)，共60頁(yè)。

PN結(jié)正偏時(shí)：在外電場(chǎng)作用下，擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡被打破,電子和空穴就會(huì)克服內(nèi)電場(chǎng)作用，電子從N區(qū)橫越結(jié)區(qū)進(jìn)入P區(qū)，空穴從P區(qū)橫越結(jié)區(qū)進(jìn)入N區(qū)。在耗盡層里，電子能夠自發(fā)地與空穴復(fù)合而釋放能量--產(chǎn)生光子，光子朝各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這就形成了結(jié)型發(fā)光，就是LED。

把受主材料摻到GaAs中，就形成P型半導(dǎo)體。把施主材料摻到GaAs中,就形成N型半導(dǎo)體。當(dāng)把它們結(jié)合時(shí)，P型和N型之間就形成PN結(jié)。

PN結(jié)未加偏壓時(shí)：在PN結(jié)內(nèi)形成內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)阻礙電子從N區(qū)進(jìn)入P區(qū)，空穴從P區(qū)進(jìn)入N區(qū)。LED中，向各個(gè)方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。37第三十七頁(yè)，共60頁(yè)。

光強(qiáng)足夠高時(shí)，就開(kāi)始受激發(fā)射，當(dāng)能量增益和能量損耗相匹配時(shí)，在復(fù)合層內(nèi)逸出的每個(gè)光子都形成一個(gè)或更多的光子。因此導(dǎo)致復(fù)合率不斷增加和不斷產(chǎn)生光子，最終在復(fù)合層里形成比自發(fā)發(fā)射高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光強(qiáng)。這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。

發(fā)光二極管發(fā)出的光子朝各個(gè)方向運(yùn)動(dòng),為使其能產(chǎn)生激光，必須限制和引導(dǎo)復(fù)合層里的光子，使光強(qiáng)增加到產(chǎn)生受激發(fā)射的程度。如在耗盡層里加入一些鋁，可使光子的波長(zhǎng)得到調(diào)節(jié)，復(fù)合層（耗盡層）的折射率增高。在復(fù)合層里所形成的光子傾向于來(lái)回多次反射，于是光強(qiáng)得到加強(qiáng)。激光二極管發(fā)出的光是受激發(fā)射。常用的二極管大部分是GaAs和GaAlAs器件。

38第三十八頁(yè)，共60頁(yè)。外量子效率用表示

2.發(fā)光二極管的特性參數(shù)

二極管的量子效率有內(nèi)量子效率和外量子效率之分。內(nèi)量子效率用符號(hào)表示(1)量子效率Nr為產(chǎn)生的光子數(shù)；G為注入的電子空穴對(duì)數(shù)；NT為器件射出的光子數(shù)。39第三十九頁(yè)，共60頁(yè)。

幾種發(fā)光二極管的光出射度與電流密度的關(guān)系。

(2)發(fā)光與電流的關(guān)系

發(fā)光二極管的光出射度與工作溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度較高或工作電流過(guò)大時(shí)，容易出現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象，使用時(shí)必需加以考慮。GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs和GaP(綠色)的發(fā)光二極管,其光出射度與電流密度近似地成正比增加,不易飽和.而GaP(紅色)發(fā)光二極管則極易達(dá)到飽和。40第四十頁(yè)，共60頁(yè)。

發(fā)光二極管的材料直接決定發(fā)光顏色，目前已能制造出紅、綠、黃、橙、藍(lán)、紅外等各種顏色的發(fā)光二極管。下圖表示GaAs0.6P0.4和GaP紅色發(fā)光的光譜能量分布

(3)光譜特性GaAsP峰值波長(zhǎng):620~680nm.半寬度:20~30nmGaP(紅)峰值波長(zhǎng):700nm.半寬度:100nmGaP(綠)峰值波長(zhǎng):565nm.半寬度:25nm注意:結(jié)溫升高,峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移.41第四十一頁(yè)，共60頁(yè)。

發(fā)光二極管的壽命是很長(zhǎng)的，在電流密度小于1A/cm2時(shí)，壽命可達(dá)106小時(shí)，這是任何光源均無(wú)法與之競(jìng)爭(zhēng)的。

(4)響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是指注入電流后發(fā)光二極管點(diǎn)亮(上升)或熄滅(衰減)的時(shí)間。發(fā)光二極管的上升時(shí)間隨著電流的增大近似地成指數(shù)減小。

發(fā)光二極管可用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可達(dá)幾十兆赫。(5)壽命

直接躍遷的材料(如GaAs1-xPx)的響應(yīng)時(shí)間僅幾個(gè)納秒，而間接躍遷材料(如GaP)的響應(yīng)時(shí)間則約為100納秒。

42第四十二頁(yè)，共60頁(yè)。發(fā)光二極管的老化:

發(fā)光二極管的亮度隨工作時(shí)間的增加而衰減的現(xiàn)象,稱為老化.老化的快慢與電流密度和老化時(shí)間常數(shù)有關(guān):L(t):點(diǎn)燃t時(shí)間后的亮度.L0:起始亮度.:老化時(shí)間常數(shù).43第四十三頁(yè)，共60頁(yè)。發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：(1)屬于低電壓、小電流器件，在室溫下即可得到足夠的亮度(3000cd/m2以上)；(2)發(fā)光響應(yīng)速度快(10-7～l0-9s)；(3)

性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)(一般105小時(shí)以上)；(4)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，易于和集成電路匹配；(5)與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光脈沖的半寬度一般為幾十納米；(6)重量輕、體積小、耐沖擊。

得到重視和應(yīng)用44第四十四頁(yè)，共60頁(yè)。1．自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射

§2.5激光器2.5.1.激光原理自發(fā)輻射受激吸收受激輻射45第四十五頁(yè)，共60頁(yè)。2．愛(ài)因斯坦A系數(shù)和B系數(shù)

單位時(shí)間里，處于低能態(tài)E1的每一個(gè)原子，躍遷至高能態(tài)E2之受激吸收概率，記作R1→2，它正比于頻率為υ=(E2-E1)/h的光譜能量密度ρ(υ)。

式中，B12和B21稱為愛(ài)因斯坦B系數(shù)，A21稱為愛(ài)因斯坦A系數(shù)，它們與原子的能級(jí)性質(zhì)有關(guān)。

處于高能態(tài)E2原子躍遷至低能態(tài)E1之受激輻射的概率B21ρ(υ)，正比于光譜能量密度ρ(υ)，自發(fā)輻射之概率A21卻與入射之光譜能量密度ρ(υ)無(wú)關(guān)，于是總的輻射概率為46第四十六頁(yè)，共60頁(yè)。前式說(shuō)明：受激吸收系數(shù)與受激輻射系數(shù)相等。后式說(shuō)明：自發(fā)輻射系數(shù)與受激輻射系數(shù)之比，正比于υ3，這就是說(shuō)，若原子二能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)差越大，則自發(fā)輻射的概率就越大于受激輻射之概率。

愛(ài)因斯坦于1917年得到了三種可能的躍遷系數(shù)之比。47第四十七頁(yè)，共60頁(yè)。3．激光產(chǎn)生的必要條件--粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

對(duì)于由大量原子組成的物質(zhì)，在熱平衡狀態(tài)時(shí)，各能級(jí)上的原子數(shù)（或稱集居數(shù)）服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：

因?yàn)镋2>E1，所以n2<n1,即在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)集居數(shù)恒小于低能級(jí)集居數(shù)。nE1E2E3En1n3n248第四十八頁(yè)，共60頁(yè)。當(dāng)頻率為：的光通過(guò)物質(zhì)時(shí)，受激吸收光子數(shù)恒大于受激輻射光子數(shù)。因此處于熱平衡狀態(tài)下的物質(zhì)只能吸收光子。但是，在一定條件下物質(zhì)的光吸收可以轉(zhuǎn)化為自己的對(duì)立面----光放大。顯然，這個(gè)條件是n1<n2，稱為集居數(shù)反轉(zhuǎn)（或者叫粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)（即它與外界處于能量平衡狀態(tài)）時(shí)，集居數(shù)反轉(zhuǎn)是不可能的，只有當(dāng)外界向物質(zhì)提供能量（稱為激勵(lì)或泵浦過(guò)程），從而使物質(zhì)處于非平衡狀態(tài)時(shí)，集居數(shù)反轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為激活物質(zhì)（或激光介質(zhì)）49第四十九頁(yè)，共60頁(yè)。2)光泵

為了保持原子系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，需不斷地將原子從低能態(tài)抽運(yùn)至高能態(tài)，并將能量注入原子系統(tǒng)，以維持激光運(yùn)轉(zhuǎn)所必需之能量。

這種將原子從低能態(tài)抽運(yùn)至高能態(tài)的過(guò)程，稱為光泵(opticalpumping)。

激光器之兩端面，如同F(xiàn)-P干涉儀的兩端面，所不同的是，激光腔兩個(gè)端面一個(gè)是全反射的，而另一個(gè)是部分透射的。

3)諧振腔

光泵可以是電學(xué)的、化學(xué)的、熱學(xué)的或者光學(xué)的方法。50第五十頁(yè)，共60頁(yè)。

激光器由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源三部分組成。要產(chǎn)生激光，激光器的諧振腔要精心設(shè)計(jì)，反射鏡的鍍層對(duì)所激發(fā)波長(zhǎng)的光要有很高的反射率、很小的吸收系數(shù)、很高的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。2.5.2.激光器的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程實(shí)用的激光器要比右圖所示的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多51第五十一頁(yè)，共60頁(yè)。輸出的主要波長(zhǎng)有632.8nm、1.15μm、3.39μm

He-Ne激光器工作物質(zhì)由He和Ne組成，是一種原子氣體激光器。在電極上加幾千伏電壓使氣體放電，在適當(dāng)?shù)臈l件下氦氖氣體成為激活的介質(zhì)。如果在激光管的軸線上安裝高反射比的多層介質(zhì)膜反射鏡作為諧振腔，則可獲得激光輸出。

1.氣體激光器

主要介紹氦氖激光器、氬離子激光器和CO2激光器(1)氦-氖激光器激光器的結(jié)構(gòu)有內(nèi)腔式、半內(nèi)腔式和外腔式三種。2.5.3.激光器的類型

按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。52第五十二頁(yè)，共60頁(yè)。(2)氬離子(Ar+)激光器

氬離子激光器的工作物質(zhì)是氬氣，是一種惰性氣體離子激光器.是目前在可見(jiàn)光區(qū)域輸出功率最高的一種連續(xù)工作的激光器,功率為幾瓦或幾十瓦,是目前激光制版印刷的主要光源之一.

氬離子激光器輸出的譜線屬于離子光譜線，主要輸出波長(zhǎng)有452.9nm、476.5nm、496.5nm、488.0nm、514.5nm，其中488.0nm和514.5nm二條譜線為最強(qiáng)，約占總輸出功率的80％。

主要由放電管、磁場(chǎng)和諧振腔組成,關(guān)鍵部件為放電管,放電管的核心是放電毛細(xì)管.53第五十三頁(yè)，共60頁(yè)。(3)CO2激光器