光电检测技术-第二章-光电检测用光源.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,*,第二章 光电检测用光源,2.1 光的产生,2.2 发光二极管,2.3 激光光源,2.4 其他光源,2.1,光的产生,光的辐射,1.高能级、低能级、基态、跃迁等,2.,3.,原子光谱：,原子中有很多可能的能级，当原子受激后可,发出多种频率的光，这些频谱是分立的，称,为原子光谱。,a.气体或气态物质产生的为非连续的“自然光”,b.固态物质产生的为飞相干的“自然光”,4.激发发光：激励、复合,激励：,在外界作用下，粒子吸收能量，电子由,低能级跃迁到高能级的过程，常称为受,激吸收。,复合：,电子由高能级回到低能级，释放能量。,a.变成粒子热运动的动能（温升）,b.以光的形式辐射出来,5.一般光源自发辐射,激光光源受激辐射（受激跃迁）,光的产生方法,电致发光,物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。,例如：发光二极管,光致发光,物体被光直接照射或预先被照射而引起的自身辐射称为光致发光。,例如：a.荧光、示波管、显像管等荧光物质的余晖,b.钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光,c.短波长的紫外光照射到杂质（油污）上发出的波长较长的可见荧光等,2.2 发光二极管,发光二极管（LED）的类型,发光二极管的原理,发光二极管的特性,发光二极管的应用,由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上,加有正向电压时,，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。,发光二极管,LED（Light Emitting Diode),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,=6.6,10,-34,J.s；光速,c,=3,10,8,m/s；,E,g,的单位为电子伏（eV），1eV=1.6,10,-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,h c,/=1.8 eV,普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度,E,g分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。,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。,U,/V,I,/mA,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。,-10,-5,0,1,2,GaAsP(红),GaAsP(绿),发光二极管的,光谱特性,如图所示。图中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。,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,p=950nm,GaAs,发光二极管的光谱特性,/,nm,相对灵敏度,2.3,激光光源,激光器的结构与原理,激光器的种类,激光器的特性参数,激光器在光电检测方面的应用,激光产生的基本条件,把处于低能态的电子激发或泵釜到高能态上去，需要泵源,需要大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗,需要一个共振腔提供正反馈及增益，用以维持受激辐射的持续振荡。,激光的特点,激光具有：单色性，方向性，高亮度，相干性。,方向性：,a.激光的发散角很小，空间方向集中,高亮度：,a.激光的发光时间很小,单色性：,a.光谱的宽度窄,例如：氦氖激光器的相干长度可达几十公里,激光器的特性参数,功率（平均峰值），能量,波长，频率，线宽,脉冲宽度，重复频率,光斑直径，发散角，平方因子,模式，波长可调谐性,稳定性（波长频率功率能量方向等），寿命，光电效率,激光器的类型,气体、固体、半导体激光器,紫外、可见和红外激光器,连续、准连续和脉冲激光器,单频、单模激光器,可调谐激光器,超短脉冲激光器,He-Ne激光器的基本结构形式,气体激光器,光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。,效率低，能耗高，寿命较短，体积大。,原子（氦氖）激光器，离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器，分子（CO,2,，CO准分子)激光器。,固体激光器,运行方式多样：连续，脉冲，调，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；,主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；,结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；,：,，红宝石，钕玻璃激光器。,固体激光晶体棒,微型固体激光器,半导体激光器,PN结型二极管注入式激光器,泵源,工作物质,共振腔,法布里-珀罗共振腔、圆柱形共振腔、矩形共振腔、三角型共振腔,半导体激光器的性能,体积小，效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；,线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制；,可批量生产，单片集成；,发散角大，温度特性差，容易产生噪声。,半导体激光器电源,激光器在光电检测中的应用,激光测距，测长，测平面度等,激光大气污染检测,激光检测,激光海洋探测,激光制导,激光雷达,激光干涉测量（探伤）,激光全息测量,