光电子技术(第二版)全套课件电子教案板.ppt

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光源,第,2,章 光辐射的调制,第,3,章 光探测器,第,4,章 光电成像器件,第,5,章 光存储器,第,6,章 平板显示器件,第,7,章 光电子技术在现代社会中的应用,第,8,章 发展中的纳米光电子技术,光电子技术,绪论,光电子学,20,世纪,-,电子学世纪,电子：是信息和能量的载体。,电子学,电子技术,电子产业，特别是电子信息产业：通信、微电子,-,大规模集成电路、计算机,。,20,世纪，电子学、电子技术取得了令人瞩目的成就。,然而，,电子技术突破不了光的衍射极限，芯片集成度不能再提高。,20,世纪下半叶，激光及其相关技术的发展显示出极大的优越性。,光子,电子,信息容量,光频,10,14,Hz,微波,10,10,Hz,响应能力,10,-15,S,Tb/s,10,-9,S,Gb/s,互连与并行能力,天然优势,无,存储能力,三维存储，,Tb/cm,3,并行存取,一、二维存储,串行存取,光子可产生和携带巨大能量；可进行高强度、超,精细的加工；激光武器；激光医疗,光子：也是信息和能量的载体。,光子携带信息：非接触、高精度地检测，光,信息的传输、探测、处理、显示、存储,1970,年，荷兰科学家,Poldervaart,首次提出,“,光子学,”,。,国际科技界普遍认为：,21,世纪将是光子学世纪：光子学,光子技术,光子产业。,然而，目前实用的光子器件集成度还很低，以光控,光还比较困难，而电子技术在这些方面早已成熟。,现阶段必须同时并用光子和电子，发挥它们各自的,优点。,光电子学就是这样一个学科，它研究光子和电子的,相互作用，使它们优势结合，是光子学的第一个阶,段。,光电子技术,以光电子学为基础，,光子技术与电子技术相互渗透、优势结合而产生。,包括,:,光电子信息技术,:,光电检测与信息处理,；,光通信,；,光传感；光存储,；,光显示,光电子能源技术：,太阳能利用；高效节能光源；激光核聚变,高功率激光器；激光加工；激光生命科学,光电子技术在现代科技、经济、军事、文化、医学等各个领域发挥着极其重要的作用。,以它为支撑的光电子产业是当今世界各国争相发展的支柱产业，是竞争激烈、发展迅速的高科技企业的主力军。,光电子技术课程,教学目标：,通过前,6,章课堂教学和实践环节，使学生掌握 光电子技术的基本知识和应用技术，能够正确地选择和应用光电子器件，建立合适的光电系统，培养运用光电子技术解决实际问题的能力。第,7,、,8,两章旨在使学生扩充知识面，加深对光电子技术重要性的认识；了解学科发展方向，积极参与科研活动，加强创新能力的培养。,对学生学习的要求：,用心阅读教材；,专心听讲，适当笔记；课后及时复习小结；,认真完成作业；,重视实践环节。,第,1,章 光源,1.1,辐射度学与光度学的基础知识,1.2,热辐射光源,1.3,气体放电光源,1.4,激光器,1.5,发光二极管,(LED),一切能产生光辐射的辐射源都称为光源,天然光源,人造光源,电磁波谱,按照发光机理，,光源的分类：,需要了解各类光源的发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。,光纤激光器,发光二极管,1.1,辐射度学与光度学的,介绍描述光辐射的一套参量,一、辐射度的基本物理量,1.,辐射能,单位为,J,（焦耳）,2.,辐射通量,又称辐射功率,单位为,W,（瓦、焦耳每秒）,3.,辐射强度,描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。,基础知识,单位,:,（瓦每球面度）,4.,辐射出射度 与辐射亮度,单位：（瓦每平方米）,单位：,（瓦每球面度平方米,）,的定义 的定义,5.,辐射照度,单位：（瓦每平方米）,6.,光谱辐射量,辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率,。,光谱辐射通量 与波长的关系,其它辐射度量都有类似关系,。,二、光度的基本物理量,1.,光谱光视效率,V():,人眼对各种光波长的,相对灵敏度,详见表,1.1,2.,光度量,光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度,量,是客观物理量，光度量体现了人的视觉特性。,光能,单位：,lm,s,（流明,秒,）,光通量,单位：,lm,（流明）,发光强度,单位：,cd,（坎德拉）,发光强度,是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：,时，,即：,1W=683 lm,此时，,V(,）,=1,V(,）,1 1W,683 lm,时，,可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：,1W=683 V(,）,lm,，,定义：,Km=683 lm,/W,有关系式：,光出射度 与光亮度,单位：,lm,/m,2,单位：,cd/m,2,实用单位：,sb(,熙提,),1sb=,10,4,cd/m,2,光照度,单位：,lx,（勒克斯）,1 lx=1 lm/m,2,普适关系式：,三、光源的辐射效率与发光效率,辐射效率,发光效率,单位：,lm/W,1.2,热辐射光源,一、理想的热辐射光源,(,，,T)=1,绝对黑体,在热平衡条件下,绝对黑体热辐射能力最强。,由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源,辐射光谱是连续光谱,普朗克公式,维恩位移定律,斯蒂芬,玻尔兹曼定律,随着温度,T,的升高，,峰值波长,向短波方向移动，,总出射度,迅速增加,。,绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布,灰体：,(,，,T),1,的热辐射光源，,具有与,绝对黑体,类似的辐射规律。,色温；相关色温,1.,太阳与黑体辐射器,二、实际的热辐射光源,太阳的光谱分布,非常接近于,绝对黑体,黑体辐射器：,科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。,常用作标准光源，最高工作温度是,3000K,。,2.,白炽灯与卤钨灯,灰体,钨丝做灯丝,玻璃泡壳,;,色温约,2800K,辐射光谱约,0.4,3,m,。,可见光占,6,12%,，用于照明；,加红外滤光片可作为近红外光源。,石英泡壳,;,泡壳内充入微量卤族元素或其化合物,（如溴化硼）,;,形成卤钨循环。,色温,3200K,以上,辐射光谱为,0.25,3.5m,。,发光效率可达,30lm/W(,为白炽灯的,2,3,倍,),，,作仪器白光源,.,卤钨灯,白炽灯,1.3,气体放电光源,发光机理：,气体放电。,泡壳：用玻璃或石英等材料制造；,电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）,泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、,金属化合物蒸气、惰性气体,基本结构,气体放电光源的特点：,发光效率高,节能。,电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。,寿命长，比白炽灯长,2,10,倍。,辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。,一、汞灯,泡壳内充汞蒸气,1.,低压汞灯,作,253.7nm,紫外光源；,作荧光灯（,日光灯）。,2.,高压汞灯,可见辐射加强，呈带状,光谱，可作,高效照明光源。,3.,球形超高压汞灯,很好的蓝绿光点光源。,二、钠灯,泡壳内充的是氖氩混合气体,与金属钠滴。,低压钠灯：,发出波长,589nm,、,589.6nm,两条谱线的单色光源。,高压钠灯：,接近白光，亮度高，用于照明光源。,三、金属卤化物灯,泡壳内充的是,金属卤化物气体。,通过,金属,卤化物循环，,提供足够的,金属原子气体。,铊灯（碘化铊）：,绿光，峰值,535nm,。,镝灯（碘化镝、碘化铊）：,色温,6000K,。,钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：,近白色光源,色温,5500K,。,四、氙灯,泡壳内充的是是惰性气体,氙。,色温,6000K,，亮度高，被称为,“,小太阳,”,，寿命长。,长弧氙灯,:,短弧氙灯,:,脉冲氙灯,:,日光色点光源,大范围照明光源,脉冲,时间极短（,nS,pS),，光很强,用于光泵、光信号源、,照相制版、高速摄影,五、氘灯,泡壳内充有高纯度的氘气,灯,的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（,185,400nm,）。,1.4,激光器,1.4.1,激光器概述,20,世纪,激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。,激光器的基本结构,激光形成机理,电泵浦或光泵浦；,造成工作物质中粒子数反转分布，,自发辐射引发受激辐射；,谐振腔对辐射光波选频放大。,激光的优越性,高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性,已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。,激光将对,21,世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！,1.,气体激光器,工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电实现粒子数反转。,工作物质（气体）均匀性好，输出光束的质量相当高。,2.,固体激光器,工作物质是掺杂的晶体或光学玻璃，光泵浦。,有脉冲输出激光器和连续输出激光器。,主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。,3.,染料激光器,工作物质是有机染料溶液，光泵浦。,输出激光波长可以在很宽范围内调谐，有极好的光束质量。,有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。,可产生超短光脉冲，峰值功率达几百,MW,。,4.,半导体激光器（,LD,）,工作物质是半导体材料形成的,P-N,结。,与结平面垂直的晶体解理面构成,F-P,谐振腔。,对,P-N,结正向注入电流或,光泵浦,，可激发激光。,体积小，重量轻，易调制，功耗低；,波长覆盖面广（,0.33,44,m,）；,能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。,主要优点,5.,光纤激光器,工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐振腔有多种形式。,是近年来发展起来的新型激光器，具有一系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。,1.4.2,固体激光器,介绍几种代表性的,固体激光器,YAG,激光器,基质晶体,Y,3,Al,5,O,12,热物理性能优良，,使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。,输出波长,1064nm,，加倍频技术可输出,532nm,。,已经实现了,KW,级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。,输出波长,2.94m,用于激光医疗。,输出波长,2.1m,用于激光医疗,空间光通信。,可调谐的固体激光器,输出激光有宽的调谐范围（,700-1000nm,，峰值波长,800nm,），应用广泛，并实现飞秒脉冲。,可调谐范围,700-800nm,。采用调,Q,技术，输出,755nm,脉冲激光，在激光医疗中很重要。,激光二极管（,LD,）泵浦的固体激光器,LD,泵浦,:,实现高效率的能量转换,有端面泵浦和侧面泵浦。,获得百瓦级高功率激光输出。,下图是纵向、双端面泵浦,一个横向、侧面泵浦的激光器,市场上高功率的,LD,泵浦固体激光器都是,用侧面泵浦方式，输出功率可达,6000W,以上。,非线性频率转换得到短波长固体激光器,固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料进行波长转换,可得到短波长固体激光器。,LD,泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。,研究趋势,用,LD,泵浦 晶体得到,1064nm,激光，,再用,KTP,晶体进行腔内倍频，得到,532nm,绿激光。,还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。,1.4.3,半导体激光器,一、半导体材料的能带,晶体中电子的共有化运动,晶体中的能带,关于价带,导带,禁带,导电载流子：,电子、空穴,I,型、,N,型、,P,型半导体,关于施主能级,受主能级,费米统计分布,式中，,E,f,为费米能级，是电子占据率大于或小于,0.5,的能级分界线。,二、,PN,结的能带,PN,结空间电荷区与自建电场的形成,PN,结的能带弯曲,重掺杂,P,型、,N,型半导体的能带,热平衡时,PN,结的能带弯曲,加上正向电压后，,PN,结势垒降低,PN,结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由,N,区指向,P,区，,P,区、,N,区的电子能级差为：,PN,结加上正向电压时，热平衡被破坏，,PN,结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。,电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。,PN,结就是光辐射的有源区。,三、实用中代表性的,LD,的结构,阈值电流,I,th,注入电流,I,I,th,才能形成激光。,器件结构要着力于降低,I,th,。,同质结 单异质结（,SH,）双异质结（,DH,）,、,条形异质结,LD:,增益导引条形,DHLD,掩埋条形,DHLD,量子阱（,QW,）,LD,单量子阱（,SQW,）,多量子阱（,MQW,）,超晶格结构,MQW,结构的优越性,：,阈值电流很低,改善频率啁啾,调制速率高,温度特性好,MQW,的能带,分布反馈激光器,谐振腔是波纹光栅结构,分布反馈,基于,布拉格衍射,原理,DFB,激光器,DBR,激光器,每一个栅距 相当于一个微,F-P,腔,易形成单,纵模振荡。波纹光栅相当于许多微,F-P,腔多级,调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。,在高速调制时仍然保持单纵模特性。,温度特性好。,波纹光栅分布反馈的优点,MQW-DFB LD,性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。,四、,LD,的工作特性,I,I,th,形成激光输出,光功率急剧上升，,P-I,曲线的线性好。,斜率效率。,I,I,th,自发辐射阶段，光功率较小,。,LD,是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。,1.P-I,特性,2.,光谱特性,I,I,th,I,I,th,单纵模,LD,是矩形光波导,:,厚度为,d,，条形宽度为,W,。,出光发散角：,约,30,40,约,6,8,3.,调制特性,具有直接调制的能力,调制电流,模拟调制,数字调制,LD,芯片的调制频率达,10GH,Z,量级。,五、,LD,的应用及新的发展,LD,体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，,寿命长，有大功率、高集成度器件。,已成为最重要的激光器之一。,光通信,光盘存储、光显示,激光印刷、信息处理、办公自动化设备,激光加工、激光医疗,各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。,LD,的发展日新月异,垂直腔表面发射,LD,（,VCSEL,）,利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。,有源区是多量子阱结构，腔长只有几个微米。动态单纵模特性好，阈值电流可小于,1,A,。,微腔,LD,如应变量子阱（,SL-QW,）结构，调制频率已达,30GHZ,以上。,高速宽带,LD,普通,LD,的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，其中只有一个或几个模式形成激光（,:10,-4,10,-5,）。因而带来能量损失、速度限制和噪声。,微腔,LD,的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大压缩（,1,），阈值大大降低，获得超高速响应（大于,100Gb/s,）。甚至可实现无阈值激光器。,微腔,LD,及其二维面阵是一种高效、高密度光源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。,激光器的重要变革,可调谐,LD,用于,DWDM,光交换技术,实现,5-7nm,范围连续调谐,实现,100nm,范围波长调谐,短波长,LD,光存储、光显示的需要。,红光、绿光、蓝光、紫光,LD,用有机材料（聚合物）作,LD,的有源层，易得到短波长,LD,，是目前的研究热点。,大功率,LD,作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；,激光加工、激光医疗,光源,产生大功率,LD,的途径：,提高单个,LD,的输出功率；,发展列阵,LD:,一维,LD,列阵,;,二维,LD,列阵,;,激光棒,（脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。,高性能,LD,组件,适于,10Gb/s,以上速率的,EAM/LD,波长可选择的光电集成回路（,OEIC,）,1.53,1.61m,范围的多波长光源,EAM,：电吸收光调制器。,EAM,与,LD,集成，实现光调制，,-3dB,带宽为,14GH,Z,。,含有,EAM,、半导体光放大器（,SOA,）、合波器,(MMI,）、微列阵,DFB,激光器，波长选择范围达,45nm,。,40,个,DFB,-,LD,波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个,EAM,，适用于,DWDM,全光网络。,1.4.4,光纤激光器,一、光纤、光波导,光纤,光导纤维，光传输的通路，纤芯折射率大于包层，光基于全内反射在纤芯中传输。,纤芯中掺入稀土离子,Nd,3+,、,Er,3+,、,Pr,3+,、,Tm,3+,、,Yb,3+,有源光纤,光泵浦，激光器的工作物质。,当光纤中光强超过上限，,产生非线性光学效应。,光波导,在光电集成回路中、各种光器件模块里，必有光信号的通路，即光波导。,光波导类似于光纤的纤芯，其折射率高于周围材料（衬底和包层）。波导截面是几微米尺度，用光刻技术制得各种光波导。,Y,分叉光波导,光波导可构成光分路器、耦合器、干涉器、阵列波导光栅等大量,光无源器件。,向光波导中掺杂，或造成非线性光学效应时，又可制备出多种,光有源器件。,二、光纤激光器的基本结构,激光工作物质的基质是光纤，主要包括稀土掺杂光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。,掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源三部分组成。,1.,增益介质,光纤基质材料：,硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂,元素而选择；,光纤长度：,典型值在,0.5,5m,之间。,光增益由掺杂离子决定：,掺,Nd,3+,光纤激光器，可在,1060nm,等,3,个波长获得激光。,掺,Er,3+,光纤激光器,，,输出,1550nm,激光，光纤通信波长。,掺,Tm,3+,光纤激光器，,可输出,1435,1500nm,波长激光，光纤通信波长。还可输出,1700,2100nm,波长、,810nm,波长激光，用于生物医学、光纤传感。,掺,Pr,3+,光纤激光器，,可输出,1290,1315nm,波长激光，光纤通信波长。,2.,谐振腔,有多种结构：,F-P,腔,将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。,环形腔,光栅谐振腔,在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（,FBG,）而构成,。,掺,Er,3+,光纤光栅激光器,3.,包层光泵浦,常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功率小。,双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。,内包层直径在百,m,左右，是泵浦光的导管，有大的数值孔径（,NA,），可以接收更多的泵浦光。,泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。,内包层截面设计成多种形状：,矩形和,D,字形截面内包层具有,95%,的耦合效率,光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。,三、光纤激光器的优点,能量转换效率高，光,光转换效率达,80%,以上。,光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮 度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。,光纤激光器波长范围可在,380,3900nm,，可以多波长运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。,光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。,耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达,10,万小时。,四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤放大器,1,掺,Er,3+,、,Tm,3+,、,Pr,3+,光纤激光器是光纤通信波段,1280,1620nm,光源；,2.,光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光加以放大、增强。,它使光通信线路上传统的光,电,光型中继器变革为全光型中继器，,是光纤通信发展史上重要的里程碑。,掺,Er,3+,、,Tm,3+,、,Pr,3+,光纤放大器和拉曼光纤放大器对于光纤通信系统非常重要。,3,光纤激光器和光纤放大器的增益光纤容易与传输光纤耦合。,4,光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。,5,光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信的理想光源。,五、高功率光纤激光器,光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结,构紧凑小巧，对激光加工、激光医疗相当有吸引力。,实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术：,1.,石英光纤中掺,Yb,3+,Yb,3+,具有很宽的吸收带（,800,1064nm,）与荧光带（,970,1200nm,），可选的泵浦源很多。,泵浦,发射的转换效率高。,可高浓度掺杂获得高增益。,Yb,3+,能级为简单的二能级，亚稳态寿命长，小功率泵浦就可在极窄的纤芯内形成高密度的粒子数反转，从而可输出稳定的强激光。,2.,双包层侧面泵浦技术,3.,高可靠性泵浦光源,光纤侧面生出许多杈纤，每分杈耦合一个宽面多模大功率,LD,（,100W,）。,高功率掺镱光纤激光器输出可达数万瓦,比大功率的气体、固体激光器优势显著。,1.5,发光二极管（,LED,）,LED,是一种极有竞争力的新型节能光源，它的优点有：,效率高,光色纯,能耗小,寿命长,可靠耐用,应用灵活,绿色环保,结构是半导体,PN,结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。,1962,年第一只红色,LED,问世，接着是黄色、绿色、橙色,LED,，早期的,LED,亮度不高。,1993,年日本利亚公司的中村秀二研制成功兰光,LED,，是,LED,发展史上重要的里程碑。,之后，人们发展了超高亮度的红、绿、蓝,LED,。,高发光效率的白光,LED,，节能环保的照明工程。,LED,的发展历程,1.5.1,普通亮度,LED,一、材料与构型,GaP,、,GaAsP,、,GaN,峰值波长是可见光，用于光显示。,GaAs,，峰值波长,867nm,，用于光电检测。,InGaAsP,，峰值波长,1.3m,、,1.55m,用于短距离光纤通信。,LED,采用双异质结、量子阱结构,分为：,面发光型,发光功率较大,边发光型易与光纤耦合,面发光型,LED,的光输出,面发光型,LED,用于光显示,边发光型,LED,用于短距离光纤通信,二、主要工作特性,谱线宽度,在几十上百,m,。,为发光光谱的峰值波长,。,P-I,特性,I:10,数十,mA,P:,几百,W,mW,P-I,特性曲线的线性区很宽。,光谱特性,调制特性,可以直接调制,边发光型在几百,MH,Z,面发光型在几十,MH,Z,调制带宽,:,LED,体积小，寿命长（可超过,10,万小时），耗电少，能与集成电路共电源，使用方便，应用广泛。,1.5.2,超高亮度,LED,法向强度在,1000mcd,以上的红、绿、蓝,LED,光效达,50,100 lm/W,。,一、实现超高亮度的关键技术,2,有源区采用量子阱结构。,3,分布布拉格反射 （,DBR,）结构，克服衬底吸收。,4,出光窗口的纹理结构，增加光输出。,1,发展新的四元合金材料,AlGaInP,、,AlGaInN,是直接带隙，带隙宽度覆盖了整个可见光波段，发光效率高。,二、超高亮度彩色,LED,的应用,1.LED,全彩显示屏,用于城市广场、体,育场馆、调度中心、,交通信息、演出、,展览等大型显示。,2.,交通信号灯,充分发挥,LED,色光鲜艳、节能、寿命长、免维护的优点。,大屏幕由,2,R,1,G,1,B,构成的像素块组成,3.,景观照明,美轮美奂广州塔,LED,结构轻巧、可控性好、色彩丰富，适应各种装饰照明和任意艺术造型的灯光雕塑。,梦幻广场,亚运之夜,4.,手机应用,用作手机的按键显示、面板背光源、,照相闪光灯。,5.LCD,显示屏的背光源,电视机、监视器大量用,LCD,（液晶）显示屏，背光源用,LED,，显色质量好，寿命长，对环境无污染。,1.5.3,白光,LED,现代社会，照明光源用量巨大，耗能极大，对环境的污染严重。,1999,年,10,月，美国,HP,公司,R,Haize,等人提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场将在照明领域发生。,实现半导体照明光源就是要开发白光,LED,。,一产业化的白光,LED,技术,InGaN/YAC-Ce,白光,LED,选用发射波长为,460nm,的,InGaN,蓝光,LED,芯片，安装在支撑,LED,的杯中，涂以含有,YAG-Ce,荧光粉的环氧树脂或硅橡胶。,LED,芯片发出蓝光，蓝光激发荧光粉产生较宽谱带黄光，蓝光与黄光混合而成为白光。,2.RGB LED,采用,RGB,三种基色,LED,组成白光照明光源。,RGB,三种色光比例要求严格，各色,LED,发光随时间会有不同的改变，需要有好的反馈机制和调光技术。,3.,紫外光,LED/,三基色荧光粉,用紫外光,GaN,或,InGaN LED,芯片激发红、绿、蓝三基色荧光粉，产生红、绿、蓝色光混合而成白光。,4.,提高显色指数,已研发了多种技术，使白光,LED,的显色指数,Ra,可以大于,90,，甚至,95,。,5.,功率型白光,LED,照明，必须是大功率器件。,太阳的显色指数为,100,二、照明工程,室内照明,取代白炽灯、日光灯，,LED,还可兼任,室内无线通信。,道路照明,亮度高，显色性好。,白光,LED,可以用在一切需要照明的场合,车用,LED,灯比传统车用灯节电、小型、可平面安装、快速响应、耐震动、长寿命。,矿灯,大功率,LED,矿灯工作温度不到,60,，不会引起井下任何可燃气体爆炸，是非常安全的。,汽车用灯,实现白光,LED,照明可以减少全球用于照明的电量的,50%,，减少全球总耗电的,10%,。,全年合计节支,2500,亿美元，还可减少二氧化碳、二氧化硫等污染废气,3.5,万亿吨。,白光,LED:,将带来,21,世纪宏伟的照明革命！,第二章 光辐射的调制,2.1,机械调制,2.2,电光调制,2.3,声光调制,2.4,磁光调制,2.5,电吸收光调制,光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程,在光通信系统中，,需要把声音、图像、数据信息加载到光波上进行传输。,在光电检测系统中，,使探测光为调制光，可以比非调制光 具有更强的抗干扰能力。,光辐射的调制方法：,内调制：即,LD,和,LED,的直接调制,外调制：,将光源与调制器分开设立,外调制,器：,机械调制 电光调制声光调制 磁光调制,外调制技术适用于所有光源。,电吸收光调制,2.1,机械调制,利用斩波器通断光通量，使探测光成为调制光。,调制光并配上合适的有源带通滤波器，以克服杂散光的干扰。,斩波器,有源带通滤波器,探测器输出的光电流,设计有源带通滤波器，,f,0,为方波频率。通频带,f,窄，杂散光被滤去。,优点：容易实现；能对辐射的任何光谱成分进行调制。,缺点：有运动部分，寿命较短，体积较大，调制频率不高。,一些机械调制装置,2.2,电光调制,在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。,适用于单色光源。,一、电光效应,线性电光效应（,Pockels,）,二次电光效应（,Kerr,）,介质原本是单轴晶体。,介质原本是各向同性晶体。,电光调制基于线性电光效应。,1.,的纵向电光效应,KDP,负单轴晶体,强电场,E/Z,轴,KDP,变为双轴晶体；线偏振光沿,Z,轴入射，分解成,X,、,Y,方向上振幅相同的两个线偏振光。,光传播方向与电场方向一致,与,X,轴对应的主折射率：,与,Y,轴对应的主折射率,：,式中，,n,o,为,KDP,晶体,o,光折射率，为电光系数。,X,、,Y,方向两偏振光射出晶体时有光程差,:,则相位差为：,半波电压,:,造成光程差,2.,的横向电光效应,光传播方向与电场方向垂直,对,KDP,晶体采用,45,-Z,切。强电场,E/Z,轴,KDP,变为双轴晶体。,入射光沿,X,轴方向进入晶体，其偏振方向与,Z,、,Y,成,45,，在晶体中分解为,Z,、,Y,方向两个振幅相同的线偏振光。,与,Z,轴对应的主折射率：,与,Y,轴对应的主折射率：,式中,n,e,是晶体,e,光折射率，,E=U/d,，,U,为外加电压。,两个线偏振光射出晶体时有光程差：,则相位差为：,消除自然双折射,横向电光效应的优点：,适当地增加,L/d,，就可以增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压；电极设在横向，不影响光的传播；在外加电压,U,一定时，加长晶体通光长度并不影响晶体内的电场强度，因而可以加长晶体长度获得较大的相位延迟。,半波电压 为,:,通常，纵向 是数千伏，,横向 只是数百伏。,3.,电光晶体材料,用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光效应强以外，还需综合考虑：,对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小；折射率随温度的变化较小；,化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。,、,在可见和近红外区主要有,KDP,类晶体、,LiTaO,3,、,LiNbO,3,、,KTN,等。,在中红外区有,GaAs,、,Cucl,、,CdTe,等。,KDP,类晶体、,LiNbO,3,（,LN,）晶体应用广泛。,见表,2.1,二、电光强度（或振幅）调制,在,Pockels,效应中，通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差,。,在晶体的光输出端后置检偏器,P,2,，,使,N,2,N,1,。,透过检偏器,P,2,的光强,I,2,便受到电信号的调制。,横向电光调制装置,分析横向电光调制：,入射光,(,光强,I,1,）进入晶体，,其振幅,A,1,分解成,A,z,、,A,y,：,两线偏振光到达检偏器，能透过,P,2,的光振幅：,这两个线偏振光射出晶体，有固定相位差：,二者有固定相位差,+,，,则通过,P,2,的光强：,式中，,的关系曲线,选取工作点：,若要得到光强随时间正弦变化的调制光,可使调制电压为：,则有：,式中，,可在光路中插入,波晶片，取代,则只需在晶体上加调制电压,就可得到正弦调制光强。,是声音、图像、数据电信号，,若,则有,泡克尔斯（,Pockels,）电光调制器线性好，性能稳定，可得到很高的调制频率。,三、电光相位调制,在电光效应装置,图,2.6,、图,2.7,中，,若使起偏器透光方向,N,1,与双轴晶体的其中一个光轴平行，,则仅是一个线偏振光通过晶体，其位相被电信号调制。,在右图中，若,Y,偏振光的折射率,，,在晶体入射面处光场为,则光通过晶体后的光场：,式中，略去常数相位因子：,则,可见，该光波的位相因子受电压,U,影响。,设,U,为正弦调制电压,令,则有：,可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。,四、电光调制的频率特性,实际应用中，需要电光调制器达到高的调制频率和足够宽的调制带宽。,影响调制频率和调制带宽的主要因素为：,1.,光在晶体中的传输时间,当调制频率很高时，在 的时间内，外电场,会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，其相位延迟不同，,这就限制了调制频率。,2.,晶体谐振电路的带宽,实用中，电光调制器构成谐振电路：,调制波与光波以相同速度在晶体中传播，调制频率可达几个,。,为了适应高频率宽频带调制信号的要求，采用行波调制器。,调制带宽仅在,0,附近的有限频带内。,五、光波导调制器,晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加相当高的电压，才能实现电光调制。,光波导调制器可以把光场限制在很小的区域里，从而大大降低所需要的调制电压和调制功率。,光波导宽度,d,极窄，远小于长度,L,。,采用横向电光调制，半波电压可为几伏。,调制频率可达,100GHz,。,相位调制器,M-Z,干涉型强度调制器,定向耦合器型强度调制器,通过耦合区两波导间倏逝场作用，光功率可在两波导间转换。,也是一种光开关,2.3,声光调制,利用超声波引起介质折射率变化而产生的光调制。,一、声光效应,适用于单色光源,驱动电源,电,-,声换能器,声光介质,形成声光栅，栅距,声光效应分为两种类型：,入射光波被声光栅衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这就是声光效应。,拉曼,-,奈斯衍射,布拉格衍射,只有零级、,1,级衍射光,产生多级衍射光,声光调制器采用布拉格,（,Bragg,）,衍射,布拉格衍射条件：,零级、,1,级衍射光强：,式中，为声光效应产生的附加相移：,有应用价值的是一级衍射光,式中，,为声光介质的品质因数。,应选择 大的材料，,常用声光介质见表,2.2,。,二、声光调制,布拉格声光调制器,的关系曲线,选取工作点：,若使,作正弦变化，频率为,，,则有,要实现光强调制，超声波应是高频调幅波，则电,-,声换能器上驱动信号应是高频调幅电信号。,高频振荡（,s,）,激发声光栅，产生,布拉格衍射。,振幅调制（,）使衍射光成为调制光。,将图像、声音信号加载到高频振荡（,s,）上，则衍射光就携带了图像、声音信号。,三、声光调制器的调制带宽,声波以比光波慢得多的速度在介质中传播。因此声波通过宽度为,b,的光束需要较长的渡越时间,：,这就对最高的调制频率带来限制：,为了提高,选取 大的声光介质：,用细束（,b,小）激光,用较高的,s,声光调制器的调制带宽不如电光调制器,但它光能利用率高,所需要的驱动功率小。在激光打印机、激光印刷设备中得到广泛应用。,2.4,磁光调制,一、磁光效应,磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。,1.,法拉第效应,光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。,磁致旋光,K:Verdet,常数，与材料、波长相关。,非互易性：,磁致旋光的方向决定于磁场方向,而与光传播方向无关。,以顺着磁场方向为基准，,光矢右旋（,K0,），介质为正旋体，,光矢左旋（,K0,），介质为负旋体。,非互易性的直接应用是光隔离器。,在法拉第效应装置中，设计,N,1,、,N,2,成,45,角，线圈电流产生的磁场造成旋光角,45,。,入射线偏振光的光矢右旋,45,，刚好通过检偏器，光从