LED的相干特性的应用
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（宋贤杰等，《高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用》，《半导 体光电》，Vol.23, No.5, Oct.2002 ） （方志烈，《半导体发光材料和器件》，复旦大学出版社，1992 ）
目前LED的主要应用领域
用于交通信号灯和交通信息显示板 汽车车灯的应用 作为LCD的背景光源 全彩色显示屏的应用 作为照明光源的开拓应用
实验原理
B(ν ) = ∫ I (x) cos 2πνxdx
−∞ +∞
吸收谱 =
B0 (ν ) B(ν )
B0 (ν ) 背景光谱 B(ν ) 吸收后光谱
实验设备
装置同图 3 样品： Nd2O3 的硝酸溶液
实验结果
绿色LED
吸收后
图7 干涉图
傅里叶变换光谱图
图8 做傅里叶变换得到的光谱图
Nd(NO)3的吸收光谱
傅里叶变换光谱
图5 由干涉信号图做傅里叶变换得到的光谱
LED的相干度
将图4中干涉信号的Imax和Imin代入可见度V的公式可得到LED可见 度V即相干度如图6虚线所示。如只考虑时间相干性，LED的时间 相干度应为可见度归一化后的值，其结果如图6实线所示。
图6 LED相干度
LED的时间相干性
将图6实线所示的时间相干度代入相干时间的精确定义得到LED 的相干时间为78.32fs，而将图5中单色仪测得的光谱特性代入 相干时间的表达式可得相干时间为78.49fs，两者基本一致
完全相干 部分相干 完全不相干
（刘思敏等，相干光学原理及应用[M]，南开大学出版社，2001.9第二版 ）
可见度
Imax − Imin 2 I1I2 V= = γ12 (τ ) Imax + Imin I1 + I2
当 I1=I2 时
V = γ12(τ )
Imax
和
Imin
表示条纹中相邻的最大光强与最小光强
LED的空间相干性
利用图6的可见度和时间相干度计算得到的空间相干度
γ12 (0) = 0.79
LED发光面积的估算 本实验参数 λ = 650nm
F=10cm
代入空间相干性的表达式，计算得到H=0.15mm，即LED的 发光体发光面积为约0.3×0.3mm2
基于LED的透射型傅里叶变换光谱仪 基于LED的透射型傅里叶变换光谱仪
LED的相干特性及其在光谱上的应用 LED的相干特性及其在光谱上的应用
主要内容
研究背景 相干的基本概念 LED的时间与空间相干特性 基于LED的透射型傅里叶变换光谱仪 用LED做超快研究的探讨
研究背景
LED的主要优点
寿命长：长达10万小时，普通白炽灯1千小时 功耗低：目前25lm/w，预计2010年可达150lm/w 相应速度快：几十钠秒，一般白炽灯需要零点几秒 结构牢固、抗振动、体积小、易集成、可视性高、 亮度高、低放热等。 LED的相干特性？
（张光昭，傅里叶变换光谱学原理[M],中山大学出版社, 1988. 11）
用LED做超快研究的探讨 LED做超快研究的探讨
一般自相关时间100fs，中心波长为800nm的飞秒 脉冲频谱半宽约为10nm，与LED的频谱相似，他 们的自相干特性也应该相似，利用这一特性是否 可以使用LED代替飞秒激光进行一阶相关的研究？
实验装置
M1 Aperture Current source LED M4 BS M2 Delay Lens Chopper Computer He-Ne laser
M3
Step motor
Detector
Lock-in
图3 实验装置图
测量结果
图4 LED的干涉信号图
（发表在《中国激光》，已接收 ）
图1 两点光源在P点的空间－时间相干
P点的总光强为
IP = I1 + I2 + 2 I1I2 cos ∆ϕ
∆ϕ = 2π
λ
δ=
2π
λ
n(r2 −r ) 1
定义互相干度
γ12 (τ ) = cos ∆ϕ
γ12 (τ ) ≡1 0 < γ12 (τ ) <1 γ (τ ) ≡ 0 12
时间相干性
相干长度
2 λθ Lm = ∆λ
实验上，在迈克尔逊干涉仪中，设发射光经分光后两 束光的光程差为d。对一准单色光，从干涉条纹最清晰 到消失所对应的d的变化长度称为相干长度Lm 相干时间
2 Lm λθ = τo = c c∆λ
相干时间精确定义
τo = ∆t = ∫
+∞
−∞
γ11(τ ) dτ = ∑ γ11(τ ) ∆τ
以上均是用到LED的发光特性，可否用到它的相干特性？
（陈大华等，《LED光源的研制和市场动态》，《中国照明电器》， 2001年第2期 ） （[日]青木昌治，《发光二极管》，人民邮电出版社， 1981）
相干的基本概念
相干度
S1
r1 r1 t1 = c
r2 r2 t2 = c源自P τ = t2 −t1S2
空间相干性
H LED β
F
图2 空间相干度的影响
空间相干度
π sin βH λ γ12 (0) = π βH λ
λ
H F
光源的峰值波长 矩形的横向半高宽或狭缝的半高宽 准直透镜的焦距 离轴光线的偏离角
β
(李良德，基础光学[M]，中山大学出版社，1987.12第一版)
LED的时间与空间相干特性 LED的时间与空间相干特性
图9
Nd(NO3 )3 的吸收光谱图
（发表在《中山大学》学报自然科学版，已接收 ）
用光谱较宽的白色LED做光源
背景光干涉图
吸收后光干涉图
傅里叶变换得到的光谱
吸收谱
极限分辨率分析
1 δν = 2L
L为扫描长度，本实验中，用绿光LED作为光源时， −1 L=0.15mm，得到理论分辨率为 30cm，实际上，由 于噪声、光源面积等影响，得到分辨率为 40cm−1 40cm 用白光LED作为光源时，L=1.25mm，得到理论分辨 −1 率为 4cm，实际上也没有达到 每周期采样点个数：绿光13个，白光6个 根据采样定理，每周期需要采样点个数：2个
V值反映了干涉条纹的对比度，可见，在双光束干涉中，为 了得到清晰的干涉条纹，使参与干涉的两光束光强接近相等是 一个重要的条件
（刘思敏等，相干光学原理及应用[M]，南开大学出版社，2001.9第二版 ）
时间和空间相干性
光源的单色性对干涉条纹可见度的影响定义为时间相干性 光源的大小对干涉条纹可见度的影响定义为空间相干性 对准单色光
γ12 (τ ) = γ11(τ )γ12 (0)
γ12(τ ) 为总的相干度
γ11(τ ) 为时间相干性
γ12(0) 为空间相干性
准单色光依据
∆ν /ν << 1 ∆ν τ << 1
LED一般有 LED一般有
∆ν ≈1012 Hz
ν ≈1015 Hz
τ = 50 fs
满足准单色依据，可用上面公式计算相干度
目前LED的主要应用领域
用于交通信号灯和交通信息显示板 汽车车灯的应用 作为LCD的背景光源 全彩色显示屏的应用 作为照明光源的开拓应用
实验原理
B(ν ) = ∫ I (x) cos 2πνxdx
−∞ +∞
吸收谱 =
B0 (ν ) B(ν )
B0 (ν ) 背景光谱 B(ν ) 吸收后光谱
实验设备
装置同图 3 样品： Nd2O3 的硝酸溶液
实验结果
绿色LED
吸收后
图7 干涉图
傅里叶变换光谱图
图8 做傅里叶变换得到的光谱图
Nd(NO)3的吸收光谱
傅里叶变换光谱
图5 由干涉信号图做傅里叶变换得到的光谱
LED的相干度
将图4中干涉信号的Imax和Imin代入可见度V的公式可得到LED可见 度V即相干度如图6虚线所示。如只考虑时间相干性，LED的时间 相干度应为可见度归一化后的值，其结果如图6实线所示。
图6 LED相干度
LED的时间相干性
将图6实线所示的时间相干度代入相干时间的精确定义得到LED 的相干时间为78.32fs，而将图5中单色仪测得的光谱特性代入 相干时间的表达式可得相干时间为78.49fs，两者基本一致
完全相干 部分相干 完全不相干
（刘思敏等，相干光学原理及应用[M]，南开大学出版社，2001.9第二版 ）
可见度
Imax − Imin 2 I1I2 V= = γ12 (τ ) Imax + Imin I1 + I2
当 I1=I2 时
V = γ12(τ )
Imax
和
Imin
表示条纹中相邻的最大光强与最小光强
LED的空间相干性
利用图6的可见度和时间相干度计算得到的空间相干度
γ12 (0) = 0.79
LED发光面积的估算 本实验参数 λ = 650nm
F=10cm
代入空间相干性的表达式，计算得到H=0.15mm，即LED的 发光体发光面积为约0.3×0.3mm2
基于LED的透射型傅里叶变换光谱仪 基于LED的透射型傅里叶变换光谱仪
LED的相干特性及其在光谱上的应用 LED的相干特性及其在光谱上的应用
主要内容
研究背景 相干的基本概念 LED的时间与空间相干特性 基于LED的透射型傅里叶变换光谱仪 用LED做超快研究的探讨
研究背景
LED的主要优点
寿命长：长达10万小时，普通白炽灯1千小时 功耗低：目前25lm/w，预计2010年可达150lm/w 相应速度快：几十钠秒，一般白炽灯需要零点几秒 结构牢固、抗振动、体积小、易集成、可视性高、 亮度高、低放热等。 LED的相干特性？
（张光昭，傅里叶变换光谱学原理[M],中山大学出版社, 1988. 11）
用LED做超快研究的探讨 LED做超快研究的探讨
一般自相关时间100fs，中心波长为800nm的飞秒 脉冲频谱半宽约为10nm，与LED的频谱相似，他 们的自相干特性也应该相似，利用这一特性是否 可以使用LED代替飞秒激光进行一阶相关的研究？
实验装置
M1 Aperture Current source LED M4 BS M2 Delay Lens Chopper Computer He-Ne laser
M3
Step motor
Detector
Lock-in
图3 实验装置图
测量结果
图4 LED的干涉信号图
（发表在《中国激光》，已接收 ）
图1 两点光源在P点的空间－时间相干
P点的总光强为
IP = I1 + I2 + 2 I1I2 cos ∆ϕ
∆ϕ = 2π
λ
δ=
2π
λ
n(r2 −r ) 1
定义互相干度
γ12 (τ ) = cos ∆ϕ
γ12 (τ ) ≡1 0 < γ12 (τ ) <1 γ (τ ) ≡ 0 12
时间相干性
相干长度
2 λθ Lm = ∆λ
实验上，在迈克尔逊干涉仪中，设发射光经分光后两 束光的光程差为d。对一准单色光，从干涉条纹最清晰 到消失所对应的d的变化长度称为相干长度Lm 相干时间
2 Lm λθ = τo = c c∆λ
相干时间精确定义
τo = ∆t = ∫
+∞
−∞
γ11(τ ) dτ = ∑ γ11(τ ) ∆τ
以上均是用到LED的发光特性，可否用到它的相干特性？
（陈大华等，《LED光源的研制和市场动态》，《中国照明电器》， 2001年第2期 ） （[日]青木昌治，《发光二极管》，人民邮电出版社， 1981）
相干的基本概念
相干度
S1
r1 r1 t1 = c
r2 r2 t2 = c源自P τ = t2 −t1S2
空间相干性
H LED β
F
图2 空间相干度的影响
空间相干度
π sin βH λ γ12 (0) = π βH λ
λ
H F
光源的峰值波长 矩形的横向半高宽或狭缝的半高宽 准直透镜的焦距 离轴光线的偏离角
β
(李良德，基础光学[M]，中山大学出版社，1987.12第一版)
LED的时间与空间相干特性 LED的时间与空间相干特性
图9
Nd(NO3 )3 的吸收光谱图
（发表在《中山大学》学报自然科学版，已接收 ）
用光谱较宽的白色LED做光源
背景光干涉图
吸收后光干涉图
傅里叶变换得到的光谱
吸收谱
极限分辨率分析
1 δν = 2L
L为扫描长度，本实验中，用绿光LED作为光源时， −1 L=0.15mm，得到理论分辨率为 30cm，实际上，由 于噪声、光源面积等影响，得到分辨率为 40cm−1 40cm 用白光LED作为光源时，L=1.25mm，得到理论分辨 −1 率为 4cm，实际上也没有达到 每周期采样点个数：绿光13个，白光6个 根据采样定理，每周期需要采样点个数：2个
V值反映了干涉条纹的对比度，可见，在双光束干涉中，为 了得到清晰的干涉条纹，使参与干涉的两光束光强接近相等是 一个重要的条件
（刘思敏等，相干光学原理及应用[M]，南开大学出版社，2001.9第二版 ）
时间和空间相干性
光源的单色性对干涉条纹可见度的影响定义为时间相干性 光源的大小对干涉条纹可见度的影响定义为空间相干性 对准单色光
γ12 (τ ) = γ11(τ )γ12 (0)
γ12(τ ) 为总的相干度
γ11(τ ) 为时间相干性
γ12(0) 为空间相干性
准单色光依据
∆ν /ν << 1 ∆ν τ << 1
LED一般有 LED一般有
∆ν ≈1012 Hz
ν ≈1015 Hz
τ = 50 fs
满足准单色依据，可用上面公式计算相干度