S2 光电探测器件 08.ppt

LOGO,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,C2,光电探测器件,理学院 宋旸,2,光电探测器件,2.1,光电探测器的物理效应,2.2,光电探测器的性能参数,2.3,外光电效应型光电探测器,2.4,内光电效应型光电探测器,2.5,固体成像器件,2.6,光电探测光源,2,光电探测光源,6,2,光电探测器件,3,2.6,光电探测光源,主动光源与被动光源,连续光源与非连续光源,单色光源与复色光源,可见光与非可见光源,光源的分类,对光源光谱特性的要求,对光源稳定性要求,对光源强度的要求,对光源相干性要求,4,2.6,光电探测光源,2.6.1,发光二极管,2.6.2,激光器,5,2.6.1,发光二极管,LED,发光二极管是一种注入式电致发光的半导体器件，具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于集成等优点，应用广泛。,LED,的波长范围从可见光到红外,面光源,-,专用,线光源,点光源,-,发光二极管,6,2.6.1,发光二极管,发光二极管,(LED),是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。,电致发光,：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象。电致发光是将电能直接转换成光能的过程。,当,PN,结加上正向电压后，结区势垒降低，,P,区的空穴载流子,p,向,N,区扩散，,N,区的电子,n,向,P,区扩散。空穴与电子在结区相遇复合并释放能量而发光。,7,2.6.1,发光二极管,发光二极管种类很多，可由不同的材料制成。,Ge,1850nm,Si,1110nm,GaAs,867nm,GaP,550nm,SiC,435nm,8,2.6.1,发光二极管,线性特性,电流小于,25mA,，发光强度与电流成正比。,9,2.6.1,发光二极管,LED,效率,光学效率,发光效率,功率效率,10,单峰性，,几十,nm,宽度，单色性好,2.6.1,发光二极管,发光光谱,与材料的禁带宽度有关,11,2.6.1,发光二极管,白光,LED,：蓝光,LED,的光束先投射在磷光层上，光线经过反射成为白光,发光光谱,12,2.6.1,发光二极管,伏安特性,类似于普通二极管的正偏状态,正向工作电压低。,1.5-2V,13,2.6.1,发光二极管,响应时间,二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。,响应快，,ns,量级。,14,2.6.1,发光二极管,寿命,二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。,LED,寿命可达百万小时以上。,随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。工作电流加大，老化变快，寿命变短。,15,2.6.2,激光器,激光是一种高亮度（光功率密度大）、方向性好（发散角小）、高单色性、相干性好（谱宽,nm,级）的光源。,主要分为：气体激光器、固体激光器、半导体激光器(,LD),16,2.6.2,激光器,He,Ne,激光器,工作物质是氦氖混合气。主要发光物质是氖气。,工作电流：,4mA-20mA,连续发光，功率：,1mw-100mw,单横模式（空间）。亦有多横模激光，主光束中不同方向上分成对称性的若干光斑。,=6328A,、,1.15,m,、,3.39,m,、,17,谱线竞争,:,He-Ne,激光器三条强的激光谱线,(0.6328m,，,1.15m,，,3.39m),中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。,为了保证一定波长的输出，可以采取合适的措施抑制其他波长的振荡，如：,使用布儒斯特窗进行选择性的吸收；,在腔镜上镀反射膜，进行选择性的反射；,在腔内放置吸收元件，进行选择性的吸收。,2.6.2,激光器,He,Ne,激光器,18,2.6.2,激光器,He,Ne,激光器,a,单,色性好，单模稳频氦氖激光器的谱线宽度达 ，颜色纯,b,时间、空间相干性好，普通光源相干长度可达,m,级，最好可达几十,km,c,光束发散角小 ，最好可达,d,结构简单、稳定性好,造价低廉，使用方便,工作时间长，寿命数可以达上万小时,e,可视度好，便于调节。常作为普通的准直光源，进行光学系统的共轴调节基准光束,主要缺点：体积笨重 电源电压高,用途：准直、定位、全息照相、测量精密计量等,19,2.6.2,激光器,He,Ne,激光器,20,2.6.2,激光器,He,Ne,激光器,21,工作物质：,氩气（,Ar,+,）,激光波长：,0.4880,微米、,0.5145,微米（蓝绿光）,输出功率：,是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器（几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦）,由于气体放电过程中电离度不高，而且量子效率比较低，氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在,10,-4,10,-5,范围,。,2.6.2,激光器,氩离子激光器,22,激发机理,Ar,+,的粒子数反转主要靠电子碰撞激发，激发过程包括三种形式：,（,1,）电子与,Ar,原子碰撞，使其电离成,Ar,+,，,Ar,+,再与电子碰撞而被激发到高能态；,（,2,）电子与,Ar,原子碰撞后直接将其电离并激发到激发态；,（,3,）电子碰撞先把,Ar,+,激发到更高的能态上，然后,Ar,+,通过辐射跃迁到激光上能级上。,2.6.2,激光器,氩离子激光器,23,工作物质：,CO,2,、,N,2,和,He,的混合物,激光波长：,10.6,微米、,9.6,微米（远红外光）,（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小）,特点：,激光器效率高、输出能量大、功率高,。特别是对大气中传输有优势，空气吸收率低，大气窗口相一致。,应用：,小功率激光测距、气象雷达及军事领域。,2.6.2,激光器,二氧化碳激光器,24,结构,构成,CO,2,激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。,2.6.2,激光器,二氧化碳激光器,25,2.6.2,激光器,在,CO2,激光器的放电管内充有,CO2,、,N2,、,He,等混合气体，其配比和总气压可以在一定范围内变化,(,一般是：,CO2,：,N2,：,He,1:0.5:2.5,总气压为,1066.58Pa),。,任何分子都有三种不同的运动形式：,A,分子里的电子运动，决定着,电子能态,；,B,分子里的原子振动，即原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动，这种运动决定了,分子的振动能态,；,C,分子的转动，决定着,分子的转动能态,。,二氧化碳激光器,26,2.6.2,激光器,CO2,激光器就是 利用,CO2,分子的振动和转动能级,间的跃迁来产生激光的，激光波长为,10.6m,。,利用气体放电泵浦方法向,CO2,气体分子注入能量，使放电管中,CO2,分子达到反转分布状态：将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极上，当不加电压或电压很低时，两电极间的气体完全绝缘，内阻为无穷大，没有电流流过；随着电压的升高，气体中开始有带电粒子移动，气体的内阻开始减小，当达到某一电压值时，内阻急剧减小，电流迅速增加、气体被击穿、放电开始，这一电压值叫做着火电压；,放电管中的气体被击穿放电后，电流增长、气体中载流子增加、激光放电管的内阻下降、又进一步引起电流的增加，这一过程反复进行，放电管呈现负阻效应，为了使放电能够稳定地工作在放电管电流,电压特性曲线的某一点上，在放电管的供电电路中采取了限流措施。,放电管放电时，在混合气体中，,N2,分子与电子碰撞、获得的电子能量而被激发，而在,N2,分子与,CO2,分子碰撞时又把它从电子获得的能量转移给,CO2,分子，使,CO2,分子被激发，有利于激光的产生；管中的,He,气有冷却作用，可以阻止,CO2,气体温度上升，同时还可以使激光下能级减少，提高激光器的效率。,二氧化碳激光器,27,半导体激光器又称为,半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为,LD,(Laser Diode),，是,实用中最重要的一类激,光,器,。,体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦,；,其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成,；,并且还可用高达,GHZ,的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出,，可实行温度调谐和电流调谐,。,2.6.2,激光器,半导体激光器,28,半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术：,激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面；,光通信、光变换、光互连、,并行光波系统、光信息处理,和光存贮、光计算机外部设,备等方面。,2.6.2,激光器,半导体激光器,29,半导体激光器的基本,结构,泵浦源：通常采用电压很低的直流电源,谐振腔：半导体介质的自然解理面构成平行平面腔,激光工作物质：直接带隙半导体材料,-,砷化稼,(,GaAs,),、砷化铟,(,InAs,),、铝稼砷,(A1xGaAs),、铟磷砷,(,InPxAs,),等等,半导体激光器,2.6.2,激光器,30,半导体的能带结构,理想半导体,的能谱是由电子的一系列能带组成的，下能带称为价带，上能带称为导带，它们之间不存在电子状态的区域称为禁带。,禁带宽度,E,g,=,E,c,-,E,v,其中，,E,c,导带底的能量,E,v,价带顶的能量,半导体激光器,2.6.2,激光器,31每个能带实际上由大量极其密集的能级所组成。电子在能级上的分布遵从费米,-,狄拉克分布。,当温度,T=0,时，价带是完全填满的，导带是完全空的；,当,T 0,时，价带中填充的电子数多，导带中填充的电子数少。,由于某种原因（如温度升高），电子从价带提升至导带，价带中就因失去电子而存在带正电的空穴。,电子和空穴都称为载流子。,半导体激光器,2.6.2,激光器,32,半导体受激发射的条件,如果频率为,v,的光在半导体内传播，在光场的作用下，导带中的电子向价带跃迁，与空穴复合，造成一个导带电子和一个价带空穴同时湮灭，发射出一个能量为,hv,的光子。,产生受激发射并得到放大的条件是：,导带能级上被电子占据的几率大于与辐射相关的价带能级上被电子占据的几率。,即实现粒子数反转。,粒子数反转分布的区域称为,“,有源区,”,或者,“,激活区,”,实现半导体中粒子数反转分布的一个简单方法是利用,PN,结的特征。令一块,N,型半导体和一块,P,型半导体相接，在其结合处形成,PN,结。在,PN,结上加正向电压后，电子将从,N,区的导带被注入,P,区，空穴从,P,区的价带被注入到,N,区。注入电子的位能比空穴的位能高,E,g,，当电子从导带跃迁到价带而复合时，这部分能量将以光的形式释放出来。,2.6.2,激光器,半导体激光器,33,2.6.2,激光器,半导体激光器,要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡。,激光器的谐振腔是由半导体的自然解理面作为反射镜形成的，用半导体解理面构成共振腔，能获得的反射率一般只有,30,左右，为适应某些应用的要求，腔镜达到高反射率，可以在有源层两侧各交替迭加许多层折射率不同的半导体材料。,34,2.6.2,激光器,半导体激光器,为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益,以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。,35,当注入电流,I,I,th,时，输出光功率随注入电流的增加而迅速增大，产生激光振荡。,I,th,被称为阈值电流，其大小由激光器的结构决定并与激光器的温度有关,随着温度的降低，,I,th,减小。当注入电流一,定,时，输出功率随温度降低而增大。,P,I,I,th,P,I,曲线,输出功率与注入电流的关系,阈值电流与激光器温度的关系,2.6.2,激光器,半导体激光器,36,2.6.2,激光器,谱分布范围很宽，能满足各种用途，连续输出几毫瓦,-,瓦。脉冲输出几十,W,，脉冲宽度,30ns,。,光能量转换效率高，可达,50%,以上。,调制方便，最高可用,GHz,频率进行光源强度调制。,发光点小，,1m,，发散角大，,10-30,度,波长对温度敏感：,0.2nm/,，同批产品波长分布范围几十,nm,。,在激光管上配有发射光功率自动控制光电二极管，功率稳定性好。,半导体激光阵列器件，,100m,尺度,10,个激光器同步辐射，脉冲峰值功率几瓦,-,几十瓦。,半导体激光器,37,Click 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