光學(xué)儀器中的常用光源

關(guān)于光學(xué)儀器中的常用光源第1頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源

天然光源人造光源電磁波譜第2頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三按照發(fā)光機(jī)理，光源的分類：需要了解各類光源的發(fā)光機(jī)理、重要特性、適用場(chǎng)合，以便正確選用光源。第3頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)為了對(duì)光輻射進(jìn)行定量描述，需引入計(jì)量光輻射的物理量，有兩套體系：輻射度單位體系和光度單位體系。

介紹描述光輻射的一套參量光輻射:以電磁波形式或粒子(光子)形式傳播的能量,可用光學(xué)元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程叫光輻射。第4頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三一、輻射度的基本物理量

1.輻射能

單位為J（焦耳）

2.輻射通量又稱輻射功率單位為W（瓦、焦耳每秒）

3.輻射強(qiáng)度

描述點(diǎn)輻射源的輻射功率在不同方向上的分布。第5頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三單位:（瓦每球面度）4.輻射出射度與輻射亮度單位：（瓦每平方米）

單位：

（瓦每球面度平方米）第6頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三

的定義的定義5.輻射照度

單位：（瓦每平方米）6.光譜輻射量

輻射量的光譜密度，輻射量隨波長(zhǎng)的變化率。第7頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三光譜輻射通量與波長(zhǎng)的關(guān)系其它輻射度量都有類似關(guān)系。光譜輻射出射度光譜輻射亮度光譜輻射照度第8頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三二、光度的基本物理量1.光譜光視效率V(λ):詳見表1.1國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，確定了人眼對(duì)各種光波長(zhǎng)的相對(duì)靈敏度，稱為光譜光視效率，或稱視見函數(shù)，見圖。第9頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三

2.光度量

光度量與輻射度量是一一對(duì)應(yīng)的。

輻射度量是客觀物理量，

光度量體現(xiàn)了人的視覺特性。1）光能單位：lm·s（流明·秒）2）光通量單位：lm（流明）3）發(fā)光強(qiáng)度單位：cd（坎德拉）

發(fā)光強(qiáng)度是光度量中最基本的單位。在明視覺時(shí)，規(guī)定：

時(shí)，

即：1W=683lm此時(shí)，V(λ）=1V(λ）＜11W＜683lm

時(shí)，第10頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三可見，

555nm是明視覺曲線中人眼最敏感波長(zhǎng)，V(555nm)=1。定義：為明視覺最大光譜光視效能。于是,同一波長(zhǎng)下，輻射通量與光通量之間的換算關(guān)系：對(duì)含有多種波長(zhǎng)的輻射通量，它對(duì)應(yīng)的光通量為：第11頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三4）光出射度與光亮度

單位：lm

/m2單位：

cd/m2實(shí)用單位：sb(熙提)1sb=

104cd/m25)光照度

單位：lx（勒克斯）

1lx=1lm/m2普適關(guān)系式：第12頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三1.2熱輻射光源一、理想的熱輻射光源

α(λ，T)=1—絕對(duì)黑體在熱平衡條件下絕對(duì)黑體熱輻射能力最強(qiáng)。由于內(nèi)部原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生輻射的光源輻射光譜是連續(xù)光譜第13頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三普朗克公式絕對(duì)黑體的溫度決定了它的輻射光譜分布灰體：α(λ，T)＜1的熱輻射光源，

具有與絕對(duì)黑體類似的輻射規(guī)律。色溫；相關(guān)色溫?zé)彷椛涔庠窗l(fā)射光的顏色如果與黑體在某一溫度下的輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該熱輻射光源的色溫；如果不相同，就以發(fā)光顏色最相近的黑體溫度為它的相關(guān)色溫。第14頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三1.太陽與黑體輻射器二、實(shí)際的熱輻射光源太陽的光譜分布非常接近于絕對(duì)黑體黑體輻射器：科學(xué)制作的小孔空腔結(jié)構(gòu)，可以很好地實(shí)現(xiàn)絕對(duì)黑體的輻射功能。常用作標(biāo)準(zhǔn)光源，最高工作溫度是3000K。第15頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三2.白熾燈與鹵鎢燈灰體鎢絲做燈絲玻璃泡殼;色溫約2800K,輻射光譜約0.4～3μm?？梢姽庹?～12%，用于照明；加紅外濾光片可作為近紅外光源。石英泡殼;泡殼內(nèi)充入微量鹵族元素或其化合物（如溴化硼）;形成鹵鎢循環(huán)。

色溫3200K以上,輻射光譜為0.25～3.5μm。發(fā)光效率可達(dá)30lm/W(為白熾燈的2～3倍)，作儀器白光源.鹵鎢燈

白熾燈第16頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三1.3氣體放電光源發(fā)光機(jī)理：氣體放電。

泡殼：用玻璃或石英等材料制造；電極：陰極、陽極或不區(qū)分（交流燈）泡殼內(nèi)充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸汽、金屬化合物蒸汽、惰性氣體基本結(jié)構(gòu)氣體放電光源的特點(diǎn)：1）發(fā)光效率高,節(jié)能。2）電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。3）壽命長(zhǎng)，比白熾燈長(zhǎng)2～10倍。4）輻射光譜可以選擇，只要選用適當(dāng)?shù)陌l(fā)光材料。第17頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三一、汞燈

泡殼內(nèi)充汞蒸汽1.低壓汞燈：

作253.7nm紫外光源；作熒光燈（…日光燈）。2.高壓汞燈：

可見輻射加強(qiáng)，呈帶狀光譜，可作高效照明光源。3.球形超高壓汞燈：

很好的藍(lán)綠光點(diǎn)光源。第18頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三二、鈉燈

泡殼內(nèi)充的是氖氬混合氣體與金屬鈉滴。低壓鈉燈：發(fā)出波長(zhǎng)589nm、589.6nm

兩條譜線的單色光源。高壓鈉燈：接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金屬鹵化物燈

泡殼內(nèi)充的是金屬鹵化物氣體。通過金屬鹵化物循環(huán)，提供足夠的金屬原子氣體。鉈燈（碘化鉈）：綠光，峰值535nm。鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：色溫6000K。鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）：

近白色光源,色溫5500K。第19頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三四、氙燈

泡殼內(nèi)充的是是惰性氣體—氙。色溫6000K，亮度高，被稱為“小太陽”，壽命長(zhǎng)。長(zhǎng)弧氙燈:短弧氙燈:脈沖氙燈:日光色點(diǎn)光源大范圍照明光源脈沖時(shí)間極短（nS～pS)，光很強(qiáng),用于光泵、光信號(hào)源、照相制版、高速攝影第20頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三五、氘燈

泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣燈的紫外輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，常用作連續(xù)紫外光源（185～400nm）。第21頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三1.4激光器

20世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類對(duì)光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

“Laser”：lightamplificationbystimulatedemissionofradiation“受激輻射光放大”。第22頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三一、激光器概述

激光器的基本結(jié)構(gòu)第23頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三

激光形成機(jī)理電泵浦或光泵浦；造成工作物質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射；諧振腔對(duì)輻射光波選頻放大。（1）光與原子作用的三種躍遷受激吸收處于低能態(tài)E1（基態(tài)）的原子，受光照滿足hν=E2—E1原子可能吸收光子能量躍遷到高能態(tài)E2（激發(fā)態(tài)）。E2E1第24頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三自發(fā)輻射處于高能態(tài)的原子不穩(wěn)定，要自發(fā)從E2躍遷到E1，并發(fā)射一光子，光子能量滿足hν=E2—E1。E2E1E2E1受激輻射處于高能態(tài)的原子，在自發(fā)輻射之前，受外來光子的誘發(fā)，在E2

躍遷到E1

的同時(shí)，發(fā)射一個(gè)與外來光子全同的（同方向、同頻、同相位、同偏振）光子。依次不斷地得到大量特征相同的光子，就實(shí)現(xiàn)了相干光的放大。復(fù)利原則.ppt第25頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三（2）產(chǎn)生激光的條件①粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（前提條件）故使受激輻射大于受激吸收,必須:N2>N1，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。熱平衡下，原子的各能級(jí)分布服從玻爾茲曼分布定律：Ni=Aexp（-Ei/kT）于是：N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT]設(shè)T=300K，E2-E1=10eV，則N2/N1=10-40。實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)叫激活介質(zhì)（或者叫激光工作物）。激活介質(zhì)需要外界輸入能量。外界輸入能量的過程叫“泵浦”。激活介質(zhì)本身必需要有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)。第26頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三例如激光的三能級(jí)系統(tǒng):泵浦使原子吸收能量躍遷到高能態(tài)E3。E3不穩(wěn)定(平均壽命約10-8s)，無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2（平均壽命約10~3~1s）。E2有可能積聚大量粒子，從而受激輻射。E1E2E3泵浦第27頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三②光學(xué)諧振腔（必要條件）工作物兩端對(duì)稱地放置兩反射鏡。有諧振腔，偏離腔軸線的光子來回幾次后最終逸出腔外。而沿軸線的光子來回反射，被增益介質(zhì)連鎖式光放大。無諧振腔的受激輻射方向是隨機(jī)的。第28頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三③閾值條件（決定性條件）有了激活介質(zhì)和諧振腔還不一定輸出激光。只有當(dāng)光在腔內(nèi)來回一次，增益大于損耗才能產(chǎn)生激光。雖然激活介質(zhì)能使光得到增益放大；但介質(zhì)吸收、散射；端面發(fā)射、透射等會(huì)產(chǎn)生光能損耗。描述工作物對(duì)光的放大能力,用I=IoeGx(G是增益系數(shù))。于是,I2=I1eGL

I1I2I3I4I5I3=r2I2=r2I1eGL(r2是鏡2反射率)I4=I3eGL=r2I1e2GL

I5=r1I4=r1r2I1e2GL

(r1是鏡1反射率)必須，I5>I1，即:r1r2e2GL

＞1r1r2e2GL

＞1即為產(chǎn)生激光的閾值條件。第29頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三激光的優(yōu)越性高亮度、高方向性、高單色性和高度的時(shí)間空間相干性

已有數(shù)百種激光器，輸出波長(zhǎng)從近紫外直到遠(yuǎn)紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級(jí)。激光將對(duì)21世紀(jì)的科技騰飛和產(chǎn)業(yè)革命產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響！激光技術(shù)為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展打開了寬闊而又嶄新的通道，在科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造了許多驚人的奇跡，在高新科學(xué)技術(shù)記錄中創(chuàng)造了許多之最：

第30頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三１、激光能產(chǎn)生最大的能量密度。激光輸出脈沖功率達(dá)13×1015W，億度以上高溫，能焊接、加工和切割最難熔的材料；２、激光能產(chǎn)生最高的壓強(qiáng)。光壓強(qiáng)達(dá)3×1011大氣壓，可以實(shí)現(xiàn)激光聚變點(diǎn)火；３、激光能產(chǎn)生最短的脈沖。780nm達(dá)4fs，相當(dāng)該光1.5周期進(jìn)入強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域，用超短激光脈沖研究光合作用，能看到皮秒（1ps=10-12s）或飛秒（1fs=10-15s）內(nèi)發(fā)生的變化；４、最精密光刻。能制造最小的光機(jī)電一體化設(shè)備，加工的最小機(jī)械零件從幾微米到幾十微米，制作的大規(guī)模集成線路的線寬已達(dá)到0.18μm，納米器件和量子光學(xué)器件最終可達(dá)50nm，測(cè)量精度就更高了（測(cè)長(zhǎng)的精度達(dá)0.005μm）；

第31頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三５、激光能產(chǎn)生最大的信息量。目前已接近3T（Tera即1012）目標(biāo)，即通信傳輸容量Tbit/s，運(yùn)算速度Tbit/s，三維立體存儲(chǔ)密度Tbit/cm3

；６、激光能產(chǎn)生最保密的通信系統(tǒng)。光量子通信是目前理論證明的最安全的通信系統(tǒng)，目前美國(guó)、日本、瑞士等幾個(gè)國(guó)家建立了量子通信系統(tǒng)；７、激光能產(chǎn)生最低的溫度。激光冷卻可將原子冷卻到20nK，接近絕對(duì)零度，量子冷卻到基態(tài)，為量子光學(xué)和量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究準(zhǔn)備了條件。第32頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三1.氣體激光器工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸汽，通過氣體放電實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。工作物質(zhì)（氣體）均勻性好，輸出光束的質(zhì)量相當(dāng)高。2.固體激光器工作物質(zhì)是摻雜的晶體或光學(xué)玻璃，光泵浦。有脈沖輸出激光器和連續(xù)輸出激光器。主要優(yōu)點(diǎn)：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠和使用方便。第33頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三3.染料激光器工作物質(zhì)是有機(jī)染料溶液，光泵浦。輸出激光波長(zhǎng)可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧，有極好的光束質(zhì)量。有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的激光器。可產(chǎn)生超短光脈沖，峰值功率達(dá)幾百M(fèi)W。4.半導(dǎo)體激光器（LD）工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料形成的P-N結(jié)。與結(jié)平面垂直的晶體解理面構(gòu)成F-P諧振腔。第34頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三對(duì)P-N結(jié)正向注入電流或光泵浦，可激發(fā)激光。體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；波長(zhǎng)覆蓋面廣（0.33～44μm）；能量轉(zhuǎn)換效率高，有大功率、高集成度器件。主要優(yōu)點(diǎn)二、代表性的固體激光器YAG激光器基質(zhì)晶體Y3Al5O12熱物理性能優(yōu)良，使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。輸出波長(zhǎng)1064nm，加倍頻技術(shù)可輸出532nm。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了KW級(jí)大功率輸出，廣泛用于激光加工、激光醫(yī)療、科學(xué)研究之中。

第35頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三輸出波長(zhǎng)2.94μm,用于激光醫(yī)療。

輸出波長(zhǎng)2.1μm,用于激光醫(yī)療,空間光通信?？烧{(diào)諧的固體激光器

輸出激光有寬的調(diào)諧范圍（700-1000nm，峰值波長(zhǎng)800nm），應(yīng)用廣泛，并實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖。

可調(diào)諧范圍700-800nm。采用調(diào)Q技術(shù)，輸出755nm脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重要。

第36頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三激光二極管（LD）泵浦的固體激光器LD泵浦:實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換

用LD列陣泵浦固體激光器實(shí)現(xiàn)了高功率激光輸出。第37頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三非線性頻率轉(zhuǎn)換得到短波長(zhǎng)固體激光器

固體激光器的波長(zhǎng)在紅外波段。用非線性材料進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,得到綠光、藍(lán)光、紫外固體激光器.

LD泵浦固體激光器與準(zhǔn)相位匹配頻率轉(zhuǎn)換結(jié)合，以期制造出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、價(jià)格便宜的可調(diào)諧激光器。研究趨勢(shì)光纖激光器和光纖放大器LD泵浦增益光纖、一對(duì)光纖光柵構(gòu)成諧振腔。雙包層光纖激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了KW級(jí)大功率輸出。光泵浦作用下增益光纖的光放大作用顯著,信號(hào)光輸入增益光纖將得以放大。光纖放大器的出現(xiàn),是光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。第38頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三三、LD的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用1.半導(dǎo)體材料的能帶晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)晶體中的能帶關(guān)于價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶導(dǎo)電載流子：電子、空穴第39頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三I型、N型、P型半導(dǎo)體關(guān)于施主能級(jí)受主能級(jí)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布式中，Ef為費(fèi)米能級(jí)，是電子占據(jù)率大于或小于0.5的能級(jí)分界線。第40頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三2.PN結(jié)的能帶PN結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場(chǎng)的形成第41頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三PN結(jié)的能帶彎曲重?fù)诫sP型、N型半導(dǎo)體的能帶熱平衡時(shí)PN結(jié)的能帶彎曲

加上正向電壓后，

PN結(jié)勢(shì)壘降低第42頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三PN結(jié)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)。自建電場(chǎng)的方向由N區(qū)指向P區(qū)，P區(qū)、N區(qū)的電子能級(jí)差為：PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，熱平衡被破壞，PN結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

電子、空穴復(fù)合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。經(jīng)諧振腔選頻，可形成激光輸出。PN結(jié)就是光輻射的有源區(qū)。

第43頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三3.代表性的LD的結(jié)構(gòu)閾值電流Ith注入電流I＞Ith,才能形成激光。器件結(jié)構(gòu)要著力于降低Ith。同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)（SH）雙異質(zhì)結(jié)（DH）、第44頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三條形異質(zhì)結(jié)LD:增益導(dǎo)引條形DHLD掩埋條形DHLD

第45頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三量子阱（QW）LD單量子阱（SQW）多量子阱（MQW）超晶格結(jié)構(gòu)

第46頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三MQW結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性：

閾值電流很低改善頻率啁啾調(diào)制速率高溫度特性好MQW的能帶第47頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三分布反饋激光器

諧振腔是波紋光柵結(jié)構(gòu)分布反饋基于布喇格衍射原理第48頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三DFB激光器DBR激光器每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)微F-P腔,易形成單縱模振蕩。波紋光柵相當(dāng)于許多微F-P腔多級(jí)調(diào)諧，使波長(zhǎng)選擇性大大提高，譜線寬度窄。在高速調(diào)制時(shí)仍然保持單縱模特性。

溫度特性好。波紋光柵分布反饋的優(yōu)點(diǎn)MQW-DFBLD性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)中。第49頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三4.LD的工作特性I＞Ith形成激光輸出,光功率急劇上升，

P-I曲線的線性好。

斜率效率。

I＜Ith自發(fā)輻射階段，光功率較小

。LD是對(duì)溫度很敏感的器件，溫度升高，性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸出光功率和峰值波長(zhǎng)。

⑴P-I特性第50頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三⑵光譜特性I＜IthI＞Ith單縱模LD是矩形光波導(dǎo):厚度為d，條形寬度為W

。出光發(fā)散角：

約30°～40°約6°～8°第51頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三⑶調(diào)制特性具有直接調(diào)制的能力

調(diào)制電流模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制LD芯片的調(diào)制頻率達(dá)10GHZ

量級(jí)。第52頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三5.LD的應(yīng)用

LD體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；效率高，壽命長(zhǎng)，有大功率、高集成度器件。已成為最重要的激光器之一。

光通信

光盤存儲(chǔ)、光顯示

激光印刷、信息處理、辦公自動(dòng)化設(shè)備

激光加工、激光醫(yī)療

各種半導(dǎo)體激光器需求量極大，是光電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。

第53頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三6.LD的發(fā)展日新月異

垂直腔表面發(fā)射LD（VCSEL）利于與光纖耦合；適合大面積二維列陣集成。

高速寬帶LD如應(yīng)變量子阱（SL-QW）結(jié)構(gòu)，調(diào)制頻率已達(dá)30GHZ以上。

第54頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三量子點(diǎn)（QD）激光器是21世紀(jì)令人矚目的器件。由于電子和空穴的強(qiáng)限制作用，比量子阱（QW）LD性能更優(yōu)越。

可調(diào)諧LD用于DWDM光交換技術(shù)第55頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三短波長(zhǎng)LD

光存儲(chǔ)、光顯示的需要。紅光、綠光、藍(lán)光、紫光LD用有機(jī)材料（聚合物）作LD的有源層，易得到短波長(zhǎng)LD，是目前的研究熱點(diǎn)。大功率LD作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源；光存儲(chǔ)、光印刷光源；激光加工、激光醫(yī)療光源產(chǎn)生大功率LD的途徑：

﹡提高單個(gè)LD的輸出功率；

﹡發(fā)展列陣LD:一維LD列陣;二維LD列陣;激光棒

（脈沖）功率可達(dá)幾千乃至幾萬W。第56頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三高性能LD組件適于10Gb/s以上速率的EAM/LD波長(zhǎng)可選擇的光電集成回路（OEIC）

1.53～1.61μm范圍的多波長(zhǎng)光源EAM：電吸收調(diào)制器。EAM與LD集成，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，-3dB帶寬為14GHZ。含有EAM、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、合波器(MMI）、微列陣DFB激光器，波長(zhǎng)選擇范圍達(dá)45nm。40個(gè)DFBLD波長(zhǎng)等間隔、光強(qiáng)大小一致、每個(gè)集成一個(gè)EAM，適用于DWDM全光網(wǎng)絡(luò)。第57頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三1.5發(fā)光二極管（LED）Lightemittingdiodes第58頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三

用P-N結(jié)電致發(fā)光原理制成的發(fā)光二極管是在60年代末得到迅速發(fā)展的。LED是注入式電致發(fā)光顯示器件的典型。第59頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三

最早用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λ=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λ=555nm），黃光（λ=590nm）和橙光(λ=610nm)，光效也提高到1lm/W。90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)(λ=615nm)的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域(λ=530nm)則達(dá)到50流明/瓦。

到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。第60頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三發(fā)光原理對(duì)PN結(jié)正向注入電流，P區(qū)空穴向有源區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)電子向有源區(qū)擴(kuò)散，結(jié)果電子與空穴在有源區(qū)復(fù)合，以一定頻率的光能釋放出來。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)。結(jié)與結(jié)之間是產(chǎn)生熒光的復(fù)合區(qū)，叫有源區(qū)。LED的體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗電少，壽命長(zhǎng)，造價(jià)低，是應(yīng)用廣泛、前景誘人的重要光源。LED與LD的根本區(qū)別在于：LED發(fā)光是基于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光；LD是靠?jī)啥私饫砻鏋橹C振腔起反射作用來提供光的反饋，是基于受激輻射，發(fā)射的是相干光——激光。

第61頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三一、LED的材料與構(gòu)型用于光顯示和光電檢測(cè)。GaP，Eg=2.24eV，峰值波長(zhǎng)555nm，綠光。GaP:N，摻N量不同，可發(fā)綠光(568nm)或黃光(590nm)。發(fā)光二極管的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體。GaP:ZnO，GaP中摻鋅、氧，峰值波長(zhǎng)700nm，紅光。GaN，LED的有源層是INGaN多量子阱，隨組分的差異可發(fā)藍(lán)光（450nm）和發(fā)紫光（400nm）。第62頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三GaAs，Eg=1.43eV，峰值867nm，近紅外光。GaAs1-xPx，GaAs與GaP按比例(1-x):x混合的晶體。GaAs0.6P0.4，發(fā)光效率高，響應(yīng)速度快，記為GaAsP。峰值波長(zhǎng)650nm，紅光，用得較普遍。InGaAsP，峰值波長(zhǎng)1.3μm、1.55μm。用于短距離光纖通信。第63頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三LED采用雙異質(zhì)結(jié)、量子阱結(jié)構(gòu)分為：面發(fā)光型－發(fā)光功率較大

邊發(fā)光型－易與光纖耦合面發(fā)光型LED的光輸出面發(fā)光型LED用于光顯示邊發(fā)光型LED用于短距離光纖通信第64頁，講稿共71頁，2023年5月2日，星期三二、LED的主要工作特性譜線寬度Δλ在幾十～上百μm。為發(fā)光光譜的峰值波長(zhǎng)。

P-I特性I:10～數(shù)十mAP:幾百μW～mWP-