光電檢測 第三章 光電檢測中的常用光源

1、 第三章第三章 光電檢測中的常用光源光電檢測中的常用光源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源天然光源是自然界中存在的,如太陽、恒星等;人造光源是人為將各種形式的能量(熱能、電能、化學(xué)能)轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件,其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。在光電檢測系統(tǒng)中,電光源是最常用的光源。光源是能產(chǎn)生光輻射的輻射源。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 按照光波在時(shí)間、空間上的相位特征可分為 相干光源 非相干光源 如圖所示。按照發(fā)光機(jī)理,光源又可以分為 熱輻射光源 氣體發(fā)光光源 固體發(fā)光光源 激光器光源3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電

2、檢檢測測中中的的常常用用光光源源本章內(nèi)容3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)3.23.2 熱輻射源熱輻射源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源3.5 3.5 激光器激光器3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源光源的特性參數(shù)1.1.輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率2.2.光譜的功率分布光譜的功率分布3.3.空間光強(qiáng)分布空間光強(qiáng)分布4.4.光源的顏色光源的顏色5.5.光源的色溫光源的色溫返回 物體由于溫度升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。3.23.2 熱輻

3、射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源熱輻射源1.1. 太陽太陽2.2. 黑體模擬器黑體模擬器3. 3. 白熾燈白熾燈返回3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源氣體放電光源 在燈中充入發(fā)光用的氣體,這些氣體的原子在電場作用下電離出電子和離子。當(dāng)離子向陰極、電子向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí),從電場中得到加速, 在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,這樣的發(fā)光機(jī)制被稱為氣體放電原理。利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。

4、氣體放電光源具有下列共同的特點(diǎn):發(fā)光效率高,比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高2一10倍,因此具有節(jié)能的特點(diǎn);由于不靠燈絲本身發(fā)光,電極可以做得牢固緊湊、耐震、抗沖擊; 壽命長,一般比白熾燈壽命長2一10倍;光色適應(yīng)性強(qiáng),可在很大范圍內(nèi)變化。*第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源 常用氣體放電光源介紹2. 2. 原子光譜燈原子光譜燈3.3. 汞燈汞燈1. 1. 脈沖燈脈沖燈返回固體發(fā)光光源又稱平板發(fā)光器件,也稱平板顯示器。*第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的

5、常常用用光光源源固體發(fā)光光源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源按發(fā)光類型分類： 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)和工作原理分類： 液晶顯示(LCD)； 等離子體顯示(PDP)； 電致發(fā)光顯示(ECD)； 電泳發(fā)光顯示(EPD)。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源2.4.1 2.4.1 場致發(fā)光光源場致發(fā)光光源2.4.2 2.4.2 其他平板顯示器件其他平板顯示器件2.4.3 2.4.3 結(jié)型發(fā)光光源結(jié)型發(fā)光光源 發(fā)光二極管和激光二極管發(fā)光二極管和激光二極管返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的

6、的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源場致發(fā)光光源2.2.直流粉末場致發(fā)光屏直流粉末場致發(fā)光屏3.3.薄膜場致發(fā)光屏薄膜場致發(fā)光屏1.1.交流粉末場致發(fā)光屏交流粉末場致發(fā)光屏第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源場致發(fā)光光源(發(fā)光屏)的優(yōu)點(diǎn): 固體化、平板化; 面積、形狀幾乎不受限制; 屬于無紅外輻射的冷光源; 視角大,光線柔和; 壽命長;功耗低;易于通過電壓控制。場致發(fā)光光源(發(fā)光屏)的缺點(diǎn): 1) 亮度較低； 2) 驅(qū)動(dòng)電壓高； 3) 老化快。 第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光

7、源固體發(fā)光光源場致發(fā)光光源的應(yīng)用 特殊照明。 數(shù)字、符號(hào)顯示。 模擬顯示。 矩陣顯示。 圖像轉(zhuǎn)換及圖像增強(qiáng)返回 第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源其他平板顯示器件2.2.等離子體顯示等離子體顯示(PDP)(PDP)3.3.真空熒光顯示真空熒光顯示(VFD)(VFD)4.4.電致變色顯示電致變色顯示(ECD)(ECD)5.5.電泳顯示電泳顯示(EPD)(EPD) 1.1.液晶的電光效應(yīng)和液晶顯示液晶的電光效應(yīng)和液晶顯示返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源結(jié)型發(fā)光光源發(fā)光二極管和激光二

8、極管1 1發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管是利用少數(shù)載流子流入PN結(jié)直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體發(fā)光器件2 .2 .發(fā)光二極管的特性參數(shù)發(fā)光二極管的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn):屬于低電壓、小電流器件,在室溫下即可得到足夠的亮度(一般為3 000cd/m2以上)；發(fā)光響應(yīng)速度快(10-710-9s);性能穩(wěn)定,壽命長(一般105h以上);驅(qū)動(dòng)簡單,易于和集成電路匹配;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;重量輕,體積小,耐沖擊。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的

9、常常用用光光源源3.5 3.5 激光器激光器激光器 激光的定義：指光輻射線通過受激輻射放大和必要的反饋共振，產(chǎn)生單色、相干的光束的過程及儀器。1. 1. 激光原理激光原理2. 2. 激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程3. 3. 激光器的類型激光器的類型4. 4. 激光的特性激光的特性返回光的干涉現(xiàn)象 頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的兩列光相遇時(shí)，使某些地方振動(dòng)始終加強(qiáng)（顯得明亮），或者始終減弱（顯得暗淡）的現(xiàn)象。 相干光的條件 頻率相同；振動(dòng)方向相同；相位差恒定。 產(chǎn)生相干光的方法（1） 波陣面分割法 把光源發(fā)出的同一波陣面上兩點(diǎn)作為相干光源,產(chǎn)生干涉的方法。如，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

10、。 （2） 振幅分割法 一束光線經(jīng)過介質(zhì)薄膜的反射與折射，形成的兩束光線產(chǎn)生干涉的方法。如，薄膜干涉、等厚干涉等。 （3） 采用激光光源 激光光源的頻率,位相,振動(dòng)方向,傳播方向都相同。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 返回3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率在給定12波長范圍內(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,稱為該輻射源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率,即PdPeee21)(3-1) 3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測

11、測中中的的常常用用光光源源某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比,就是該光源的發(fā)光效率,即PdVKP21emvv)()(單位為lm/W(流明每瓦)。(3-2) 下表中所列的為一些常用光源的發(fā)光效率。返回3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源光譜的功率分布 光源發(fā)出的大都是由單色光組成的復(fù)色光,而且在不同頻率上輻射出的光功率的大小不同。 常用光譜功率分布來描述光功率和頻率的這種關(guān)系。 經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分布。3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源

12、光源的光譜功率分布分成4種情況,如圖所示。圖 (a)稱為線狀光譜; 圖（c)為連續(xù)光譜;圖 (b)稱為帶狀光譜; 圖 (d)是混合光譜。在選擇光源時(shí),要根據(jù)測量對(duì)象的要求來決定它的光譜功率分布。在目視光學(xué)系統(tǒng)中,一般采用可見區(qū)光譜輻射比較豐富的光源。對(duì)于彩色攝影用光源,為了獲得較好的色彩還原,應(yīng)采用類似于日光色的光源,如鹵鎢燈、氙燈等。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。3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源返回3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源空間光強(qiáng)

13、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。將各矢量的端點(diǎn)連起來,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。如圖所示是超高壓球形氙燈光強(qiáng)分布。返回光源的顏色包含兩方面的含義,即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。*當(dāng)用這種光源照射物體時(shí),物體呈現(xiàn)的顏色(也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺)與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性,稱為該光源的顯色性。*3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源光源的顏色返回 黑體的溫度與它的輻射特性是一一對(duì)應(yīng)

14、的。從光源的顏色與溫度的這種關(guān)系,引出了顏色溫度的概念,簡稱色溫。 對(duì)非黑體輻射源,它的某些輻射特性?？捎煤隗w的輻射特性來近似地表示。 一般光源,經(jīng)常用色溫色溫、相關(guān)色溫相關(guān)色溫和分布溫度分布溫度表示。3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源光源的色溫返回返回3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 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。 由于一種顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生,所以色溫相同的光源,它們的相對(duì)光譜功率分布不一

15、定相同。返回相關(guān)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。 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。3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源返回3.13.1 光源的特性參數(shù)光源的特性參數(shù)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源分布溫度輻射源在某一波長范圍內(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。返回3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光

16、光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源太陽光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射。其平均輻亮度為2.01107Wm-2sr-1,平均亮度為1.95 Xl09cd/m2。太陽對(duì)地球的輻照度值在不同光譜區(qū)的百分比為紫外區(qū)(0.78m) 47.29%太陽返回3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源黑體模擬器黑體模擬器,也稱基準(zhǔn)輻射源,其溫度可以很精確地控制在設(shè)定值上。這種模型原則上是開有發(fā)射小孔并帶有均勻加熱壁的不透明封閉空腔。空腔的幾何形狀多種多樣,但從結(jié)構(gòu)上考慮,最常見的黑體模型是管狀的。*3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中

17、中的的常常用用光光源源 在實(shí)際應(yīng)用中,基準(zhǔn)輻射源稱為黑體爐,由石墨制做,外壁包上較厚一層可長時(shí)間承受工作高溫的熱絕緣材料,以利于保溫。 采用電加熱線圈加熱,其線圈繞制、排列保證均勻加熱。 此外,腔體內(nèi)置有高精度的熱電偶或熱電阻,用其檢測輻射器空腔內(nèi)的溫度。3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 為了使溫度均勻穩(wěn)定,全輻射器空腔的幾何尺寸中l(wèi)/d1.5。內(nèi)腔的長度為l,出口直徑為d。黑體模擬器的結(jié)構(gòu)如圖所示,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。返回3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的

18、的常常用用光光源源白熾燈 白熾燈內(nèi)部裝有鎢絲，對(duì)鎢絲通電加熱就可以發(fā)出光輻射，有三種類型 真空鎢絲白熾燈充氣鎢絲白熾燈鹵鎢燈3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 白熾燈的另一個(gè)特性是做燈絲的鎢有正阻特性,工作時(shí)的熱電阻遠(yuǎn)大于冷態(tài)時(shí)的電阻。通常,燈絲的熱電阻的阻值是其冷電阻阻值的1216倍,所以,在燈的啟動(dòng)瞬時(shí)有較大的電流。在選擇白熾燈作為負(fù)載時(shí),應(yīng)考慮這個(gè)瞬時(shí)電流對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的影響。返回3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源真空鎢絲白熾燈真空鎢絲白熾燈的工作溫度為23002800K,發(fā)光效率約10 lm/W

19、。 鎢的熔點(diǎn)約為3680K,進(jìn)一步增加白熾燈的工作溫度會(huì)導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)率急劇上升,從而使壽命驟減。返回3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 在燈泡中充入和鎢不發(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。這就可以有效地抑制鎢的蒸發(fā),從而使白熾燈的工作溫度可以提高到2700一3000K,相應(yīng)的發(fā)光效率提高到17 lm/W。這樣的白熾燈稱為充氣鎢絲白熾燈。返回3.23.2 熱輻射源熱輻射源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 如果在燈泡內(nèi)充入鹵鎢循環(huán)劑(如氯化碘、溴化硼等),在一定溫

20、度下可以形成鹵鎢循環(huán),這一過程稱為鎢的再生循環(huán),如圖所示。這種燈稱為鹵鎢燈。 鹵鎢循環(huán)進(jìn)一步提高了燈的壽命。燈的色溫可達(dá)3200K,發(fā)光效率也相應(yīng)提高到30 lm/W。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源脈沖燈3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源 其結(jié)構(gòu)和工作電路原理如圖所示。直流電源電壓U0經(jīng)充電電阻R,使儲(chǔ)能電容C充電到工作電壓UC。脈沖燈的燈管外繞有觸發(fā)絲。 工作時(shí)在觸發(fā)絲上施加高脈沖電壓,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”。電容中儲(chǔ)存的能量在極短的時(shí)間內(nèi)通過脈沖燈,產(chǎn)生極強(qiáng)的閃光。*第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3

21、.33.3 氣體放電光源氣體放電光源 照相用的萬次閃光燈就是一種脈沖氙燈,它的色溫與日光接近,適于作彩色攝影的光源。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(見圖),色溫6000K左右,顯色指數(shù)90以上。*第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源 常見的脈沖燈中還有氘燈。氘燈內(nèi)充有高純度的氘氣,是一種熱陰極弧光放電燈。外形如圖所示。工作時(shí)先加熱陰極,產(chǎn)生電子發(fā)射,當(dāng)陽極加高壓后,氘原子在燈內(nèi)受高速電子的碰撞而激發(fā),從陽極小圓孔中輻射出連續(xù)的紫外光譜(185一500 nm)。第

22、第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源如圖所示是氘燈的紫外光譜分布圖。氘燈的紫外線輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長,因此常用作各種紫外分光光度計(jì)的連續(xù)紫外光源。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源原子光譜燈3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源原子光譜燈又稱空心陰極燈,其結(jié)構(gòu)如圖所示。陽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?？招年帢O放電的電流密度可比正常輝光高出10倍以上,電流雖大但溫度不高,因此發(fā)光的譜線不僅強(qiáng)度大,而且波長寬度很小。第第三三章章光光電電檢檢測

23、測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源原理：1.兩極之間施加高電壓，產(chǎn)生輝光放電。 2.在電場作用下，電子在飛向正極的途中與載氣原子碰撞并使之電離，使電子與正離子數(shù)目增加。 3.正離子從電場獲得動(dòng)能沖擊金屬陰極表面，將原子從晶格中濺射出來。此外，陰極受熱也要導(dǎo)致陰極表面元素的熱蒸發(fā)。 4.濺射與蒸發(fā)出來的原子進(jìn)入空腔內(nèi)，再與電子、原子、離子等發(fā)生第二類碰撞而受到激發(fā)，發(fā)出相應(yīng)元素的特征的共振輻射。 第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源 如金屬鈣的原子光譜波長為42267 nm時(shí),光譜帶寬為33 nm左右,同時(shí)它輸出

24、的光穩(wěn)定。 原子光譜燈的主要作用是引出標(biāo)準(zhǔn)譜線的光束,確定標(biāo)準(zhǔn)譜線, 確定標(biāo)準(zhǔn)譜線的分光位置,以及確定吸收光譜中的特征波長等。 它主要用于元素,特別是微量元素光譜分析的裝置中。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源汞燈3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源 汞燈分為 低壓汞燈低壓汞燈高壓汞燈高壓汞燈超高壓汞燈超高壓汞燈返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源低壓汞燈3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源低壓汞燈工作在小于100Pa的壓強(qiáng)下，主要發(fā)射253. 7 nm的紫外線,多用于作光譜儀的波長基準(zhǔn)、紫外殺菌、光化學(xué)反應(yīng)和熒光分析等；其光譜能量分布如圖所示。返

25、回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源高壓汞燈點(diǎn)燃時(shí)汞蒸氣壓為0.20.5MPa，內(nèi)管用石英玻璃。 高壓汞燈的發(fā)光效率較高,其中可見光成分較多。除供照明外，在光學(xué)儀器、光化學(xué)反應(yīng)、紫外線理療、熒光分析等方面都有廣泛的應(yīng)用。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.33.3 氣體放電光源氣體放電光源超高壓汞燈燈內(nèi)的氣壓最高可達(dá)20MPa，使得可見光譜線加寬，紅外譜輻射加強(qiáng)。常用于光學(xué)儀器、熒光分析、光刻技術(shù)和背投電視等方面。返回交流粉末場致發(fā)光屏該發(fā)光屏的結(jié)構(gòu)如圖所示。其中鋁箔和透明導(dǎo)電膜作為兩個(gè)電極, 高介電常數(shù)的反射層用

26、以反射光束,將光集中到上方輸出，而且還有防止擊穿的作用。熒光粉層由熒光粉(ZnS)、樹脂和陶瓷等混合而成,厚度很薄。玻璃板起支撐、保護(hù)和透光作用。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 交流粉末場致發(fā)光屏的工作原理是:由于發(fā)光屏兩電極間距離很小,只有幾十微米,所以即使在微小電壓的作用下,就可得到足夠高的電場強(qiáng)度,如E=104V/cm以上。粉層中自由電子在強(qiáng)電場作用下加速而獲得很高的能量,它們撞擊發(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。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)

27、光光源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 交流發(fā)光屏的工作特性與所加電壓U和頻率f有關(guān),如圖所示。當(dāng)f一定時(shí),發(fā)光亮度的經(jīng)驗(yàn)公式為)(exp/ 2100UULL式中,L0和U0是與頻率、溫度和所用發(fā)光材料有關(guān)的常數(shù)。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源發(fā)光屏隨工作時(shí)間t增加而老化,使光亮度下降,老化過程可表示為00/1ttLL式中,t0是與工作頻率有關(guān)的時(shí)間常數(shù)。交流粉末場致發(fā)光屏的優(yōu)點(diǎn)是光發(fā)射角大,光線柔和,壽命長,功耗小,發(fā)光響應(yīng)速度快,不發(fā)熱;其缺點(diǎn)是發(fā)光亮度低,驅(qū)動(dòng)電壓高和老化

28、快。返回 直流發(fā)光屏亮度較高,而且亮度隨傳導(dǎo)電流的增大而迅速上升。其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單、制造工藝簡單和成本低。 直流發(fā)光屏在100V的直流電壓的激發(fā)下,光亮度約為30cd/m2,光亮度下降到初始值一半所對(duì)應(yīng)的壽命約上千小時(shí),發(fā)光效率0.20.5 lm/W。它適宜于脈沖激發(fā)下工作,主要用于數(shù)碼、字符和矩陣的顯示。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源直流粉末場致發(fā)光屏返回薄膜場致發(fā)光屏與粉末場致發(fā)光屏在形式上很相似,但是很薄(約1m),其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 直流薄膜發(fā)光屏主要有橙黃和綠兩種顏色。工作電壓為1030V,電流密度為0.1 mA/mm

29、2,發(fā)光亮度為3cd/m2,發(fā)光效率為10-4 lm/W,壽命大于1 000小時(shí),可直接用集成電路驅(qū)動(dòng)。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源薄膜場致發(fā)光屏第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 交流薄膜發(fā)光屏有橙和綠兩種顏色。工作電壓為100300V,頻率由幾十到幾千赫茲,發(fā)光亮度可達(dá)幾百cd/m2,發(fā)光效率為10-3 lm/W,壽命在5 000小時(shí)以上。薄膜發(fā)光屏的主要特點(diǎn)是均勻致密,分辨力高,對(duì)比度好,驅(qū)動(dòng)電壓低，制造工藝簡單，是很有前途 的顯示顯像器件 。可用于隱蔽照明,固體雷達(dá)屏幕

30、顯示和數(shù)碼顯示等。返回液晶就是液態(tài)晶體。液晶分子的形狀呈棒狀。從電的角度講,液晶分子中含有的極性基團(tuán)使分子具有極性; 在電場的作用下,偶極矩要按電場的方向取向,使分子原有的排列方式受到破壞,從而使液晶的光學(xué)性能變化,如原來是透光的變成不透光,或相反。把這種因外加電場的作用導(dǎo)致液晶光學(xué)性能發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為液晶的電光效應(yīng) 第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源液晶的電光效應(yīng)和液晶顯示 沒有電場作用時(shí)，若入射線偏振光通過液晶層, 偏振方向就隨著液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)了90,這就是液晶的旋光特性。此時(shí)如果檢偏片的方向與起偏片平行粘貼,旋轉(zhuǎn)過90的偏振光被

31、阻擋,因此無光輸出而呈暗態(tài),如圖 (a)所示。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 在有電場作用時(shí),如果電場大于閾值場強(qiáng),除了與內(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取向成垂直排列的狀態(tài),此時(shí)通過液晶層的偏振光偏振方向不變,因而可以通過檢偏片而呈亮態(tài),如圖 (b)所示。這樣就實(shí)現(xiàn)了黑底上的白字顯示,稱為負(fù)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。返回第第三三章章光光電電

32、檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源等離子體顯示(PDP) 等離子體顯示技術(shù)是一種利用氣體放電發(fā)光的有源平板型顯示技術(shù)。顯示器一般由兩塊玻璃基板、導(dǎo)電電極、介質(zhì)層等構(gòu)成，玻璃板內(nèi)充以氖氬等混合氣體。當(dāng)電極兩端電壓高于著火電壓時(shí)，氣體被電離并發(fā)光，低于熄滅電壓時(shí)熄滅。 PDP按驅(qū)動(dòng)電壓分,有交流等離子體顯示板(AC-PDP)和直流等離子體顯示板(DC-PDP)兩種。 DC-PDP的電極直接與氣體接觸，一般由外部電阻限流。 AC-PDP的電極與氣體之間隔著介電層，并利用由此形成的電容限流，具有存儲(chǔ)能力。 AC-PDP因其光電和環(huán)境性能優(yōu)異,是PDP技術(shù)的主流。3.

33、43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源PDP具有以下特點(diǎn):主動(dòng)發(fā)光,彩色PDP可實(shí)現(xiàn)全色顯示，對(duì)環(huán)境光的反射率比較低，能得到較高的對(duì)比度;伏安特性非線性強(qiáng),單色PDP產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)選址2048行,彩色PDP已實(shí)現(xiàn)選址1024行;具有固有的存儲(chǔ)特性,顯示占空比為1,可實(shí)現(xiàn)高亮度顯示;視角大,可達(dá)160,與CRT(陰極射線管)相當(dāng);第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源響應(yīng)快,單色PDP達(dá)微秒量級(jí),彩色PDP的響應(yīng)決定于熒光粉余輝,顯示視頻圖像不成問題;壽命長,單色

34、PDP達(dá)數(shù)十萬小時(shí),彩色PDP也達(dá)3萬小時(shí);環(huán)境性能優(yōu)異（無掃描線掃描、無X射線輻射），可通過美國軍用標(biāo)準(zhǔn)。此外,由于以上、優(yōu)點(diǎn),加上在工藝上許多工序可以用印刷法制作,因此PDP特別適用于大屏幕顯示,且其成本模型與價(jià)廉的CRT相似。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源真空熒光顯示(VFD)真空熒光顯示（VFD）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。VFD的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是一個(gè)典型的真空三極管,由陰極、柵極和涂有熒光粉的陽極組成。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固

35、體發(fā)光光源 對(duì)陽極圖形電極進(jìn)行選址,就可以顯示不同的數(shù)字和圖形。 VFD的陰極通常是直熱式氧化物陰極細(xì)絲,它的柵極是金屬網(wǎng),對(duì)電子有較高的透過率,陽極是用厚膜技術(shù)印刷制作的多層結(jié)構(gòu),包括引線、絕緣層、陽極和熒光粉。 VFD主動(dòng)發(fā)光，有較高的發(fā)光亮度?？稍?40C80C范圍內(nèi)正常工作；壽命較長，可達(dá)1000050000小時(shí)。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源電致變色顯示(ECD) 所謂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。利用這一現(xiàn)象制作的顯示器件就叫作電致變色顯示。 ECD本身不發(fā)光,靠調(diào)制

36、反射環(huán)境光工作。它對(duì)比度高,無視角問題,工作電壓低,具有極好的存儲(chǔ)性能,電路斷開后顯示內(nèi)容可保持幾天以上。ECD的最大缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢,達(dá)秒的量級(jí),而且重復(fù)壽命不高,只有106107次,影響了ECD在顯示領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 電泳顯示(EPD)電泳是指懸浮在液體中的帶電粒子在外電場作用下定向移動(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。 電泳顯示是一種被動(dòng)型顯示,功耗小,壽命較長。它的響應(yīng)速度和所加電壓有關(guān),一般在幾十至幾百毫秒范圍。它制作工藝簡單,價(jià)格低廉。

37、返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源發(fā)光二極管的工作原理 發(fā)光二極管就是一個(gè)由P型和N型半導(dǎo)體組合成的二極管,如圖所示。PN結(jié)處于平衡時(shí)，存在一定的勢壘區(qū)。當(dāng)加正偏壓時(shí)PN結(jié)區(qū)勢壘降低，電子就能夠橫越結(jié)區(qū)進(jìn)入P區(qū)域。在P區(qū)域,電子能夠自發(fā)地與空穴復(fù)合而放出能量產(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,這就是LED。LED的光是自發(fā)發(fā)射的。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 為了使發(fā)光二極管能產(chǎn)生激光,必須限制和引導(dǎo)復(fù)合層里的光子, 如在耗盡層里加入一些鋁,可使光子的波長得到

38、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回多次反射,于是光強(qiáng)得到加強(qiáng)。光強(qiáng)足夠高時(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),這就是構(gòu)成激光二極管的簡單原理。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 LED在室溫下的典型光譜寬度為30一40 nm,比激光二極管發(fā)射的光譜寬度大一個(gè)數(shù)量級(jí)。因而增大了色散,與低數(shù)值孔徑光纖耦合效率也低。 但LED具有結(jié)構(gòu)簡單和溫度對(duì)發(fā)射功率影響小的優(yōu)點(diǎn)。 目前,常用的二極管大部分是GaAs和AlG

39、aAs器件。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源發(fā)光二極管的特性參數(shù)1)1)量子效率量子效率2)2)發(fā)光與電流的關(guān)系發(fā)光與電流的關(guān)系3)3)光譜特性光譜特性4)4)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間5)5)壽命壽命返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 量子效率發(fā)光二極管的量子效率有內(nèi)量子效率和外量子效率之分。復(fù)合發(fā)出的光子究竟在整個(gè)復(fù)合過程中占多大的比例,描述這一物理過程中的數(shù)量關(guān)系就是內(nèi)量子效率,用符號(hào)qi表示。GNrqi (3-5)第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.

40、4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 這里,產(chǎn)生的光子數(shù)并不能全部射出器件之外。作為一種發(fā)光器件,有意義的是它能射出多少光子,表征器件這一性能的參數(shù)就是外量子效率,用qe表示。GNTqe 雖然某些發(fā)光二極管材料的內(nèi)量子效率很高,接近100%,但外量子效率卻很低。主要原因是由于所用半導(dǎo)體材料的折射率較高 。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 如圖表示幾種發(fā)光二極管的光出射度與電流密度的關(guān)系。 發(fā)光二極管的光出射度還與工作溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度較高或工作電流過大時(shí),容易出現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象,使用時(shí)必須加以考慮。返回發(fā)光與電流的關(guān)系第第三三章章光光電電檢檢

41、測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 光譜特性發(fā)光二極管的發(fā)光光譜直接決定著它的發(fā)光顏色。目前能制造出紅、綠、黃、橙、藍(lán)、紅外等各種顏色的發(fā)光二極管,如表所示。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源如圖所示為GaAs0.6P0.4和GaP紅色發(fā)光的光譜能量分布。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 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。直接躍遷的材料(如GaAs1-

42、xPx)的響應(yīng)時(shí)間僅為幾個(gè)納秒,而間接躍遷材料(如GaP)的響應(yīng)時(shí)間則約為100 ns。 發(fā)光二極管可利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。返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.43.4 固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源 壽命發(fā)光二極管的壽命一般是很長的,在電流密度小于1A/cm2的情況下,壽命可達(dá)106h。發(fā)光二極管的亮度隨著工作時(shí)間的增加而衰減,這就是老化。老化的快慢與電流密度j和老化時(shí)間常數(shù)有關(guān),其關(guān)系式為tjeLtL)/(0)( (27)式中: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),約為106hA/cm2。返回第第三三章章光光

43、電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.5 3.5 激光器激光器激光原理 1 1自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射2. 2. 愛因斯坦愛因斯坦A A系數(shù)和系數(shù)和B B系數(shù)的關(guān)系系數(shù)的關(guān)系3.3.激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件粒子數(shù)反粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源3.5 3.5 激光器激光器 如圖所示,光與原子二能級(jí)系統(tǒng)相互作用,可能有3種躍遷過程:自發(fā)輻射；受激吸收；受激輻射。自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射返回 中,原子開始處于高能態(tài)(或稱激發(fā)態(tài))E2,它自發(fā)地從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)E1,并發(fā)射頻率為=(

44、E2-E1)/h的光子。普通光源的發(fā)光為自發(fā)輻射,每次輻射之間相互獨(dú)立,沒有一定的相位關(guān)系,所以是不相干的。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源自發(fā)輻射過程3.5 3.5 激光器激光器 原子在大多數(shù)激發(fā)態(tài)能級(jí)的平均壽命約為 10-8s,但有的激發(fā)態(tài)的壽命較長,約為10-3s。這種壽命較長的激發(fā)態(tài)被稱為亞穩(wěn)態(tài)(metastable state)。第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源設(shè)高能態(tài)原子數(shù)為n2個(gè)，則自發(fā)躍遷過程用自發(fā)躍遷概率A21描述。定義為：單位時(shí)間內(nèi)n2個(gè)高能態(tài)原子中自發(fā)躍遷的原子數(shù)與n2的比值，即221211)(ndtdnAsp式中，（d n2 /d

45、t）sp表示由于自發(fā)躍遷引起的由E2向E1躍遷的原子數(shù)。 A21也稱為自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源受激吸收過程在 中,原子開始處于低能態(tài),在1個(gè)頻率為=(E2-E1)/h、光譜能量密度()的入射光子激發(fā)下,原子吸收了這個(gè)光子,躍遷至高能態(tài)。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的受激吸收概率,記作R12,它正比于() 。)(1221BR式中，B12為受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)。3.5 3.5 激光器激光器即返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源受激輻射過程在 中,原子開始處于高能態(tài),在

46、1個(gè)頻率為=(E2-E1)/h的入射光子激發(fā)下,原子從高能態(tài)躍遷至低能態(tài),并發(fā)射2個(gè)完全相同的光子,它們的頻率、相位、偏振方向、傳播方向皆相同,所以是相干的。3.5 3.5 激光器激光器 處于高能態(tài)E2原子躍遷至低能態(tài)E1的受激輻射的概率,也正比于光譜能量密度(), 為B21（）。返回其中，B21為受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)。則總輻射概率為)(212112BAR第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源愛因斯坦愛因斯坦A系數(shù)和系數(shù)和B系數(shù)的關(guān)系系數(shù)的關(guān)系 設(shè)原子二能級(jí)系統(tǒng)的溫度為T,在光輻射作用下處于熱平衡狀態(tài),則處于高能態(tài)原子數(shù)n2的總輻射率與處于低能態(tài)原子數(shù)n1的總吸收率相等,即1

47、22211RnRn)()(21212121BAnBn3.5 3.5 激光器激光器亦即第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 1)(2121212121BnBnBA (3-10) 由玻耳茲曼理論,原子二能級(jí)系統(tǒng)在溫度T時(shí)的熱平衡狀態(tài)下,處于低能態(tài)的原子數(shù)n1與處在高能態(tài)的原子數(shù)n2之比為kThekTEEnn/1221)exp(3-11)由上述方程解得3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 式(3-11)說明,熱平衡條件下原子主要處于低能態(tài),即n1n2。將式(3-11)代入式(3-10),得1)(/21122121kTheBBBA(3-12)

48、式(3-12)給出了能量為E2和E1的原子二能級(jí)系統(tǒng),在溫度為T,處于熱平衡狀態(tài)時(shí),輻射頻率=(E2-E1)/h的光譜能量密度,它必定與普朗克黑體輻射譜密度一致。118)(/33kThech(3-13)3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 對(duì)比式(3-13)和式(3-12),得12112BB3321218chBA(3-14)(3-15)此結(jié)果給出了3種可能的躍遷系數(shù)之比。式(3-14)說明,受激吸收系數(shù)與受激輻射系數(shù)相等;式(3-15)說明,自發(fā)輻射系數(shù)與受激輻射系數(shù)之比,正比于3。這就是說,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

49、輻射的概率。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 另外,還有如下所描述的關(guān)系。1)(/2121kTheBA(3-16)式(3-16)說明:若hkT,則原子系統(tǒng)自發(fā)輻射的概率,遠(yuǎn)大于受 激輻射的概率;當(dāng)hkT時(shí),受激輻射概率顯著增加。當(dāng)hkT時(shí),原子系統(tǒng)受激輻射將占據(jù)統(tǒng)治地位。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光泵、諧振腔諧振腔3.5 3.5 激光器激光器1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2)2)光泵光泵3)3)諧振腔諧振腔返回第第三三章章光光電電檢檢測測

50、中中的的常常用用光光源源 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通常,輻射率相對(duì)吸收率之比為)(1 )()(212112121212212211212BAnnBnBnAnRRnn若有二原子能級(jí)滿足條件hn2。但在非平衡態(tài),即外界向物質(zhì)提供能量時(shí)，就有可能使原子數(shù)按能級(jí)分布反轉(zhuǎn)為n1n2，稱這種分布為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 這時(shí)，輻射將超過吸收。頻率為=(E2-E1)/h的入射光波,通過與原子系統(tǒng)相互作用,原子從高能態(tài)躍遷至低能態(tài),受激輻射同頻率的光,出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于入射光強(qiáng),可見光強(qiáng)被放大了。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 光泵上述受激輻射放大過程,顯然將減少處于高能態(tài)的原子數(shù),

51、直至新的平衡態(tài)又重新建立,從而破壞了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。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)所必需的能量。這種將原子從低能態(tài)抽運(yùn)至高能態(tài)的過程,稱為光泵。光泵可以采用電學(xué)的、化學(xué)的、熱學(xué)的或光學(xué)的方法來實(shí)現(xiàn)。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 諧振腔 諧振腔的兩端面之一是全反射的,而另一面是部分透射的。在兩端面之間為激光物質(zhì),光在兩端面之間來回反射。那些離軸傳播的光子,很快就從腔體的側(cè)面逃逸出去;只有那些沿著軸向來回反射的光子,才可能在腔內(nèi)來回反射多次,從而不斷地產(chǎn)生受激輻射,使

52、光子成等比級(jí)數(shù)地被放大,從部分反射鏡端出射一束極強(qiáng)的、指向性和單色性極好的激光束。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程激光器的結(jié)構(gòu)和工作過程為滿足產(chǎn)生激光的必要條件,激光器一般由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源3部分組成,如圖所示。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 組成原子具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)且能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為工作物質(zhì),常用工作物質(zhì)有固體、液體、氣體、半導(dǎo)體和摻稀土光纖。 泵浦源是激光器的能量源泉, 利用泵浦源能量將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài),使處于高能態(tài)的粒子數(shù)大于

53、處于低能態(tài)的粒子數(shù),構(gòu)成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布,處于這一狀態(tài)的原子或分子稱為受激原子或分子。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 當(dāng)高能態(tài)粒子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)而產(chǎn)生輻射并通過受激原子時(shí)會(huì)感應(yīng)出同相位同頻率的輻射,這些輻射在諧振腔的兩平面之間來回傳播形成振蕩時(shí),沿軸線來回反射的次數(shù)最多,它會(huì)激發(fā)出更多的輻射,從而使輻射能量放大。這樣,受激和經(jīng)過放大的輻射通過部分透射的平面鏡輸出到腔外,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)波長的光要有很高的反射率、很小的吸收系數(shù)、很高的波長穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章

54、光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 激光器的類型激光器的類型 目前成功使用的激光器達(dá)數(shù)百種,輸出波長范圍從近紫外直到遠(yuǎn)紅外,輻射功率從幾毫瓦至上萬瓦。如按工作物質(zhì)分類,激光器可分為 3.5 3.5 激光器激光器氣體激光器固體激光器染料激光器半導(dǎo)體激光器光纖激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源氣體激光器 氣體激光器優(yōu)點(diǎn)是：光束的方向性好； 單色性好。 缺點(diǎn)是：體積比較龐大。3.5 3.5 激光器激光器主要包括： 氦氖激光器氦氖激光器氬離子激光器氬離子激光器二氧化碳激光器二氧化碳激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源氦氖激光器氦氖激光器的工作

55、物質(zhì)由氦氣和氖氣組成,是一種原子氣體激光器。在激光器電極上施加幾千伏電壓使氣體放電,在適當(dāng)?shù)臈l件下兩種氣體成為激活的介質(zhì)。如果在激光器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。輸出的主要波長有632. 8 nm、1.15 m、3.39 m。若反射鏡的反射峰值設(shè)計(jì)在632.8nm,其輸出功率最大。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源氦氖激光器可輸出一毫瓦至數(shù)十毫瓦的連續(xù)光,波長的穩(wěn)定度為10-6左右,主要用于精密計(jì)量、全息術(shù)、準(zhǔn)直測量等場合。激光器的結(jié)構(gòu)有內(nèi)腔式、半內(nèi)腔式和外腔式3種,如圖所示。 外腔式輸出的激光偏振特性穩(wěn)定,

56、內(nèi)腔式激光器使用方便。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 氬離子激光器氬離子激光器的工作物質(zhì)是氬氣,它在低氣壓大電流下工作,因此激光管的結(jié)構(gòu)及其材料都與氦氖激光器不同。連續(xù)的氬離子激光器在大電流的條件下運(yùn)轉(zhuǎn),放電管需承受高溫和離子的轟擊。放電管外部通常用水冷卻,降低工作溫度。氬離子激光器輸出的譜線屬于離子光譜線,主要輸出波長有452.9, 476.5, 496.5, 488.0, 514. 5 nm,其中488.0nm和514.5nm兩條譜線為最強(qiáng),約占總輸出功率的80%。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常

57、用用光光源源 二氧化碳激光器二氧化碳激光器的工作物質(zhì)主要是CO2,摻入少量N2和He等氣體,是典型的分子氣體激光器。輸出波長分布在911m的紅外區(qū)域,典型的波長為10.6m。激勵(lì)方式有低氣壓縱向連續(xù)激勵(lì)和橫向激勵(lì)兩種。低氣壓縱向激勵(lì)的激光器的結(jié)構(gòu)與氦氖激光器類似,但要求放電管外側(cè)通水冷卻。它是氣體激光器中連續(xù)輸出功率最大和轉(zhuǎn)換效率最高的一種器件,輸出功率從數(shù)十瓦至數(shù)千瓦。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 橫向激勵(lì)的激光器可分為大氣壓橫向激勵(lì)和橫流橫向激勵(lì)兩種。大氣壓橫向激勵(lì)激光器是以脈沖放電方式工作的,輸出能量大,峰值功率可達(dá)千兆瓦的數(shù)量級(jí),脈沖

58、寬度約為23s。橫流橫向激勵(lì)激光器可以獲得幾萬瓦的輸出功率。二氧化碳激光器廣泛應(yīng)用于金屬材料的切割、熱處理、寶石加工和手術(shù)治療等方面。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 固體激光器固體激光器所使用的工作物質(zhì)是具有特殊能力的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體,其里面摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。固體激光器有紅寶石、釹玻璃和釔鋁石榴石等激光器,其中紅寶石激光器是發(fā)現(xiàn)最早、用途最廣的晶體激光器。粉紅色的紅寶石是摻有0.05%鉻離子(Cr3+)的氧化鋁(Al2 O3)單晶體。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 紅

59、寶石被磨成圓柱形的棒,棒的外表面經(jīng)粗磨后,可吸收激勵(lì)光。棒的兩個(gè)端面研磨后再拋光,兩個(gè)端面相互平行并垂直于棒的軸線,再鍍以多層介質(zhì)膜,構(gòu)成兩面反射鏡。其中激光輸出窗口為部分反射鏡(反射比約為0.9),另一個(gè)為高反射比鏡面。如圖所示。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 與紅寶石棒平行的是作為激勵(lì)源的脈沖氙燈。它們分別位于內(nèi)表面鍍鋁的橢圓柱體聚光腔的兩個(gè)焦點(diǎn)上。脈沖氙燈的瞬時(shí)強(qiáng)烈閃光,借助于聚光鏡腔體會(huì)聚到紅寶石棒上,這樣紅寶石激光器就輸出波長為694.3nm的脈沖紅光。激光器的工作是單次脈沖式,脈沖寬度為幾毫秒量級(jí),輸出能量可達(dá)1100 J。3.5 3.5 激光器激光器返回第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 染料激光器染料激光器(見圖)以染料為工作物質(zhì)。染料溶解于某種有機(jī)溶液中,在特定波長光的激發(fā)下,能發(fā)射一定帶寬的熒光。3.5 3.5 激光器激光器第第三三章章光光電電檢檢測測中中的的常常用用光光源源 某些染料,當(dāng)在脈沖氙燈或其他激光的強(qiáng)光照射下,可成為具有放大特性的激活介質(zhì), 通過在諧振腔內(nèi)放入色散元件調(diào)諧色散元件的色散