光电子技术第19课.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电子技术第十九课,王炜路,Tel,：,18296136141,QQ,：,67148453,Email,：,wlwang,精彩回顾,光源,光源可分为自然光源和电光源,光电式传感器对光源的选择因素：,波长、相干性、体积、造价、功率,电光源的分类,热光源,气体放电光源,固体发光光源,激光光源,热辐射光源,发光原理：,热辐射,温度高 辐射能量大 辐射光谱的峰值波长短,白炽灯,1,米螺旋形钨丝，蒸发变黑，,加氮气,喇叭形感柱，固定金属部件，,其中的排气管用来把玻壳里,的空气抽走，然后将下端烧,焊密封，灯就不漏气了。,制造方便，成本低，线路简单，产量最大，应用最广泛,白炽灯的发明，美国通常归功于爱迪生，英国则归功于斯旺。,在英国，电灯发明百周年纪念于,1978,年,10,月举行，而美国则,于一年后的,11,月举行,澳大利亚政府推出了,一项逐步采用节能荧光照明,设备，以减少温室气体排放,的计划，从,2010,年开始将禁,止使用白炽灯泡,气体放电光源,发光原理,：,电流通过气体发光,光谱不连续，光谱与气体的,种类,及放电条件有关。改变气体的,成分,、,压力,、,阴极材料,和,放电电流,的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。,日光灯、低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源。,固体发光光源,发光原理：,电场激发固体发光材料发光。器件称为电致发光器件，如发光二极管（,LED,），半导体电子元件,当电子与空穴复合时能辐射出可见光。,磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。,加,正向电压,后，从,P,区注入到,N,区的空穴,和由,N,区注入到,P,区的电子，在,PN,结附近,数微米内分别与,N,区的电子和,P,区的空穴,复合,，产生自发辐射的,荧光,。不同的半,导体材料中电子和空穴所处的,能量状态,不同。当电子和空穴复合时释放出的能,量多少不同，释放出的,能量越多,，则发,出的光的,波长越短,。,电子和空穴复合，所释放的能量,E,g,等于,PN,结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用,h,表示，,h,为普朗克常数，,为光的频率。则,普朗克常数,h,=6.610,-34,J.s,；,光速,c,=310,8,m/s,；,E,g,的单位为电子伏（,eV,），,1eV=1.610,-19,J,。,hc,=19.810,-26,mWs=12.410,-7,meV,。,可见光的波长,近似地认为在,710,-7,m,以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于,普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度,Eg,分别为,0.67eV,和,1.12eV,，显然不能使用。,h c,/=1.8,eV,通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作,GaAs1-xPx,，,x,代表磷化镓的比例，当,x,0.35,时，可得到,E,g,1.8eV,的材料。改变,x,值还可以决定发光波长，使,在,550,900nm,间变化，它已经进入红外区。,与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。,材料,波长,/nm,材料,波长,/nm,ZnS,340,CuSe-ZnSe,400,630,SiC,480,ZnxCd1-xTe,590,830,GaP,565,680,GaAs1-xPx,550,900,GaAs,900,InPxAs1-x,910,3150,InP,920,InxGa1-xAs,850,1350,表,2-1 LED,材料,发光二极管的伏安曲线,U/V,I/,mA,-10,-5,0,1,2,GaAsP,(,红,),GaAsP,(,绿,),发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为,1.7V,开启，绿色约为,2.2V,。,注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于,5V,，为了安全起见，使用时反向电压应在,5V,以下。,发光二极管的光谱特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0,600,700,800,900,1000,GaAsP,p=670nm,p=655nm,GaAsP,p=565nm,GaP,/,nm,相对灵敏度,砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长,p,。除峰值波长,p,决定发光颜色之外，峰的宽度（用,描述）决定光的色彩纯度，,越小，其光色越纯。,发光二极管的,发光效率,很大程度上取决于有多少光能够逸出二极管表面，因为大多数半导体材料折射率较高，到达二极管表面的光线大部分将被反射回去。发光二极管的,发光强度与电流成正比,，这个电流范围约在几十毫安之内，进一步增加会引起发光二极管输出光强饱和直至损坏器件，使用时常,串联,电阻使发光二极管的电流不会超过允许值。,发光二极管具有,体积小,、,寿命长,（,106109h,）、,工作电压低,（,12V,）,、,响应速度快,（几个纳秒至几十纳秒）的优点，在实践中得到了广泛的应用。,光源所发出的,总光通量,（流明、亮度）与该光源所消耗的,电功率,（瓦）的比值，称为该,光源的光效,。发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。,照明是为眼睛服务的，眼睛感觉到的光能量，才是真正有用的光能量。表征的是光源产生发生的光通量中，单位光通量中可见光比例的高低。在光通量一定时，,可见光比例,越高，有效视觉光效越高，实际,有效视觉,照度越高，光源技术性能越先进。,光源对物体的,显色能力,是通过与,同色温,的参考或基准光源（白炽灯）下物体,外观颜色的比较,。光所发射的,光谱内容,决定光源的,光色,，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色的光波而成，对各个颜色的显色性亦大不相同。相同光色的光源会有相异的光谱组成，,光谱组成较广,的光源较有可能提供较佳的显色品质。,白炽灯的,显色指数,定义为,100,。,功率因数,的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉,等电阻负荷的功率因数为,1,，一般具有电感性负载的电路功率因,数都小于,1,。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率,因数是,衡量电气设备效率,高低的一个系数。功率因数低，说明,电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用,率，增加了线路供电损失。,频闪：,光源频闪就是光源发出的光随时间呈快速、重复的变化，,使得光源跳动和,不稳定,。是指电光源光通量波动的深度。光通,量波动深度越大，频闪越严重。而电光源光通量波动深度大,小，与电光源的技术品质有直接关係,眩光,是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存,在,极端的亮度对比,，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的,视觉条件。视野内产生人眼无法适应之光亮感觉，可能引起厌,恶、不舒服甚或丧失明视度。在视野中某,局部地方出现过高,的亮度或前后发生过大的亮度变化。眩光是引起视觉疲劳的重,要原因之一。,激光器,激光器原理：,某些物质的分子、原子、离子,吸收,外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收），如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了,粒子数反转,，在,特定频率的光子激发,下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射,放大,。激光器的突出优点是,单色性好,、,方向性好,和,亮度高,，不同激光器在这些特点上又各有不同的侧重。,激光器种类,繁多,，按工作物质分类：,固体激光器（如红宝石激光器）,气体激光器（如氦,-,氖气体激光器、二氧化碳激光器）,半导体激光器（如砷化镓激光器）,液体激光器。,1.2,固体激光器的基本特性,固体激光器的基本组成：,激光工作物质,泵浦源,聚光腔,谐振腔,冷却与滤光,光源的选择,根据使用场合的要求，选择不同的光源。,如：有的检测系统是通过检测被测物体的,像,来检测被测物体的某些参数，这时只需选择普通的照明光源即可，如,白炽灯，卤钨灯,。,有的需要测量被检测物的,空间频谱分布,以确定被检测物的某些特征参数。这时需要选择,激光照明,，它能满足单色性好，相干性好，光束准直精度高等特点。,另外还需考虑探测器的响应波长，光源体积，热辐射，价格等因素。,