《光电式传感器讲》PPT课件
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《光电式传感器》PPT课件
光电式传感器
.
1
引言
光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成 光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光 信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感 器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、 非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应 快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随 着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继 问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得 到了更广泛的应用。
.
15
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2020/12/6
.
16
（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
光敏电阻的伏安特性。
I(mA)
6 5 4 3 2 1
0
硫化铅 硫化铊 UV
50 100
光敏电阻的伏安特性
2020/12/6
.
17
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
2020/12/6
12
9.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
（1）倍增系数M。
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
2020/12/6
25 50 75 100 125 150
.
极 间 电 压 （ V）
13
1．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响 应范围宽、体积小、重量轻、机械强度 高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和 寿命长等特点
2020/12/6
.
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
.
1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件
.
1
引言
光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成 光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光 信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感 器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、 非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应 快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随 着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继 问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得 到了更广泛的应用。
.
15
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2020/12/6
.
16
（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
光敏电阻的伏安特性。
I(mA)
6 5 4 3 2 1
0
硫化铅 硫化铊 UV
50 100
光敏电阻的伏安特性
2020/12/6
.
17
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
2020/12/6
12
9.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
（1）倍增系数M。
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
2020/12/6
25 50 75 100 125 150
.
极 间 电 压 （ V）
13
1．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响 应范围宽、体积小、重量轻、机械强度 高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和 寿命长等特点
2020/12/6
.
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
.
1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件
《光电式传感器》课件
光电式传感器的Байду номын сангаас类
• 总结词：光电式传感器有多种分类方式，如按工作方式可分为直接转换 型和间接转换型，按输出信号可分为模拟输出和数字输出等。
• 详细描述：根据工作方式的不同，光电式传感器可以分为直接转换型和间接转换型两类。直接转换型传感器利用光电效 应直接将光信号转换为电信号，如光电管、光电倍增管等；而间接转换型传感器则通过其他物理效应将光信号转换为电 信号，如光电池、光电晶体管等。此外，根据输出信号的不同，光电式传感器可以分为模拟输出和数字输出两类。模拟 输出型传感器输出连续变化的电信号，如光电管和光电池；数字输出型传感器则输出离散的电信号，如光电码盘和光电 开关等。
联网领域的应用越来越广泛。未来，需要加强光电式传感器在这些领域
的应用研究，推动相关技术的进步和发展。
03
交叉学科融合发展
光电式传感器涉及到多个学科领域，如物理学、化学、生物学等。未来
，需要加强交叉学科的融合发展，推动光电式传感器在更多领域的应用
和创新。
光电式传感器通常采用光信号传输，不易 受到电磁干扰的影响，具有较好的抗干扰 能力。
光电式传感器的缺点
对环境光敏感
光电式传感器容易受到环境光的影响 ，特别是在室外或者强光环境下，测 量精度会降低。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高精度的 光学元件和电子元件，导致其成本较 高。
需要稳定的光源和检测器
光电式传感器需要稳定的光源和检测 器，以保证测量的准确性和稳定性。
《光电式传感器 》PPT课件
目录
• 光电式传感器概述 • 光电式传感器的应用 • 光电式传感器的优缺点 • 光电式传感器的发展趋势 • 光电式传感器的研究现状与展望
01
第4章-光电式传感器PPT课件
❖ 4.2.4 光电池
❖ 光电池的工作原理是基于光生伏打效 应。当光照射在光电池上时，可以直接输 出电动势及光电流。
❖ 图4-7所示是光电池结构与图形符号。
❖ 光电池 的种类很多，有硅、砷化镓、 硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。
金属镀层电极 光
+
焊 点
P型硅 PN结
N型硅
–
a)
b)
图4-7 硅光电池
C
C
+
Ic=β Icbo
N Jc
C
P
N Je
Icbo
e
e
e
a)
b)
c)
图4 – 6 光敏晶体管
a) 结构 b) 等效电路 c）图形符号
+UCC
+UCC
Ic （3 ~20）V Ic RL
C
U0 =UC C －Ic R L
RL U0 =I C R L
e
d)
e)
图4 – 6 光敏晶体管
d) 应用电路 e)光敏达林顿管
a) 结构示意图 b) 图形符号
❖ 应用最广的是硅光电池，优点：性能稳定、 光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能 耐高温辐射、价格便宜等。
❖ 大面积的光电池组按功率和电压的要求进 行串、并联，组成方阵，可以做成太阳能电 池电源。
❖ 太阳能电池在宇宙开发、航空、通信、交 通、家用电器等方面得到了广泛应用。
❖ 4.2.5 光电元件的特性
❖ 1.光照特性
❖ 当光电元件上加上一定电压时，光电流I 与光电元件上光照度E之间的对应关系，称 为光照特性。一般可表示为 ：
❖
I = f（E）
❖ 对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照 特性呈非线性，一般用于自动控制中作开关 元件。其光照特性见图4-8（a）。
《光电型传感器》PPT课件
编辑ppt
20
I（mA） 12 10 8
6
4
2
100/µlm 80 60 40 20
0 50
100
150 UAD(V)
图6—7 光电倍增管伏安特性
编辑ppt
21
三、光电倍增管光电特性
光电倍增管光电特性是指阳极电流（光电流）IA与光 电阴极接收到的光通量之间的关系。典型光电倍增管 的光电特性如图6—8所示。图中光通量Φ在10-4~1013流明之间，光电特性曲线偏离线性不超过3%。当光 通量超过10-4流明后，曲线就明显下降了，其主要原 因是强光照射下，较大的光电流使后几级倍增极疲劳， 灵敏度下降。因此，使用时光电流不要超过1mA。
编辑ppt
24
光电倍增管的工作电压是指收集阳极A 与光电阴极K之间的电压。
光电倍增管倍增系数与工作电压的关系 是光电倍增管的重要特性。图6—9是典 型的光电倍增管倍增系数与工作电压的 关系曲线，说明随着工作电压的增加， 倍增系数M也增加。
编辑ppt
25
106 M
105
104 103
102 250 500 750 1000 1250 U（V） 图6—9 光电倍增管倍增系数M 与工作电压U的关系
物质，把光与声音类比，认为光是一种机械波，发光体在“以
太”（不存在）中激起不同深度和大小的颤动，依靠“以太”
传播。牛顿偏向微粒，但他认为实验不充分，一直在做实验，
牛顿环现象是光具有波动性的最好证明。一直到20世纪初，科
学家已肯定光的波粒二象性。
编辑ppt
2
第一节 外光电效应
光的波粒二象性，光具有波动性和离子性的两重性质，是一种 电磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具 有的能量hг正比于光的频率г（h为普朗克常数）。用光照射 某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hг的光子所轰击， 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象 称光电效应。
光电式传感器课件PPT
4
9.1.2 光电式传感器的基本形式
光电传感器可用来测量光学量或已转换为光学 量的其他被测量，输出电信号。测量光学量时， 光电器件作为敏感元件使用；测量其他物理量 是，作为转换元件使用。
由光路及电路两大部分组成 1）光路部分实现被测信号对光量的控制和调制 2）电路部分完成从光信号到电信号的转换
5
四种基本形式 ▲▲
按测量光路组成来看，光电传感器分为： 透射式、反射式、辐射式、开关式
发光元件
窗 光敏元件 壳体
（d）
导线
6
（1）透射式光电传感器 ①工作原理：利用光源发出一恒定光通量的光，并使之穿过
被测对象，其中部分光被吸收，而其余的光则到达光敏元 件上，转换为电信号输出。根据被测对象吸收光通量的多 少就可确定出被测对象的特性，光敏器件上输出的光电流 是被测对象所吸收光通量的函数。 ②用途：测量液体、气体、固体的透明度、浑浊度等参数。
7
（2）反射式光电传感器 ①工作原理：将恒定光源发出的光投射到被测对
象上，用光电器件接受其反射光通量，反射光 通量的变化反映出被测对象的特性。 ②应用：通过光通量变化的大小，可以反映出被 测物体的表面光洁度；通过光通量的变化频率， 可以反映出被测物体的转速。
8
（3）辐射式光电传感器 工作原理：利用光电器件接收被测对象辐 射能的强弱变化，光通量的强弱与被测参 量（例如温度）的高低有关。
光窗 （a)结构
Uo （b)测量电路
15
（2）外光电效应型光电器件主要性能：光电器件的 性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时 间、峰值探测率和温度特性等来描述。▲▲
①光电管的伏安特性 ：在一定的光照下，对光电器件的 阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电 管的伏安特性。
9.1.2 光电式传感器的基本形式
光电传感器可用来测量光学量或已转换为光学 量的其他被测量，输出电信号。测量光学量时， 光电器件作为敏感元件使用；测量其他物理量 是，作为转换元件使用。
由光路及电路两大部分组成 1）光路部分实现被测信号对光量的控制和调制 2）电路部分完成从光信号到电信号的转换
5
四种基本形式 ▲▲
按测量光路组成来看，光电传感器分为： 透射式、反射式、辐射式、开关式
发光元件
窗 光敏元件 壳体
（d）
导线
6
（1）透射式光电传感器 ①工作原理：利用光源发出一恒定光通量的光，并使之穿过
被测对象，其中部分光被吸收，而其余的光则到达光敏元 件上，转换为电信号输出。根据被测对象吸收光通量的多 少就可确定出被测对象的特性，光敏器件上输出的光电流 是被测对象所吸收光通量的函数。 ②用途：测量液体、气体、固体的透明度、浑浊度等参数。
7
（2）反射式光电传感器 ①工作原理：将恒定光源发出的光投射到被测对
象上，用光电器件接受其反射光通量，反射光 通量的变化反映出被测对象的特性。 ②应用：通过光通量变化的大小，可以反映出被 测物体的表面光洁度；通过光通量的变化频率， 可以反映出被测物体的转速。
8
（3）辐射式光电传感器 工作原理：利用光电器件接收被测对象辐 射能的强弱变化，光通量的强弱与被测参 量（例如温度）的高低有关。
光窗 （a)结构
Uo （b)测量电路
15
（2）外光电效应型光电器件主要性能：光电器件的 性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时 间、峰值探测率和温度特性等来描述。▲▲
①光电管的伏安特性 ：在一定的光照下，对光电器件的 阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电 管的伏安特性。
光电式传感器-PPT课件
光敏电阻的光谱特性 。
100
Sr 灵敏度 (%)
80 60 40 20 0 硫化镉 1.5 3 硫化铅 硫化铊
光电流 I
mA
波 长 （ A）
2019/3/16
18
100
灵敏度 S ( %)
硫化铅
光敏电阻的频率特性
8 0 6 0 4 0 2 0 0 10 100
硫化镉
1000
10000
频 率 （ H z）
光电管
6
9.1.2 外光电效应器件
光电管的伏安特性曲线
I (A)
4 3
0 . 1 lm
0 .0 5 lm
2
0 .0 2 lm
1 0 20 40 60 80 100
U A（ V ）
7
9.1.2 外光电效应器件
光电管的光照特性
光电流 I ( A)
16 12 8 4 0 0.2 0.4
2
9.1 光电传感器
9.1.1 光电效应
所谓光电效应是指在光的照射下一些金 属、金属氧化物或半导体材料释放电子 的现象。 光子是具有一定能量的微粒，是以光速 运动的粒子流。每一个光子都具有一定 的能量，它的能量大小E与其频率 成正 比。
Eh hc
3
9.1.1 光电效应
光电效应分为内光电效应和外光电效应。当 物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物 体表面，而只在物体的内部运动并使物体的 电学特性发生变化的现象叫做内光电效应， 内光电效应多产生于半导体材料内。 当物体在光的作用下使物体中的电子从物体 表面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电 效应多发生于金属或金属氧化物内。
光电式传感器-PPT课件
第8章 光电式传感器 图 8-12 光敏二极(晶体)管的光谱特性
第8章 光电式传感器
(2) 伏安特性 图8-13（a）为硅光敏二极管的伏安特性，横 坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度 的增大而增大， 在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所 以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。
（2） 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定 方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器 件有光电池。
第8章 光电式传感器
8.1.1 光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光 电器件，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑 化铟（InSb）等。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使 用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电 阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电 阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小， 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小 越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一 般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。
第8章 光电式传感器
光敏电阻的结构很简单，图8-2（a）为金属封装的硫化镉光 敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体 物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与 引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防 止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜 的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了 提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案， 如图8-1（b） 所示。 图8 - 2（c）为光敏电阻的接线图。
图8-13（b）为硅光敏晶体管的伏安特性。 纵坐标为光电流， 横坐标为集电极-发射极电压。 从图中可见， 由于晶体管的放大 作用， 在同样照度下， 其光电流比相应的二极管大上百倍。
光电式传感器PPT
（1）光电管的伏安特性
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所
加电压与阳极所产生的电流之间的关系称
为光电管的伏安特性。
12 IA/μA
10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm
20μlm
12 IA/μA
10 8 6 4 2
强光
弱光 阴极电压/V
0 50 100 150 阴极电压/V 0 50 100 150
光电器件的输出信号电压VS与入射光功率PS之比， 即单位入射光功率作用下器件的输出信号电压：
K = V S / P S = V S / ( H A d )
光谱特性：描述光电器件的工作范围 某一种光电器件的灵敏度与入射波长的关系，称为 该光电器件的光谱特性 用不同辐射波长对某一器件的灵敏度描绘的曲线， 就是该器件的光谱特性曲线
型号
光谱响应 范围(A。)
最佳灵敏 度波长(A。 )
最小阴极 灵敏度 (uA/lm)
阳极工 作电压
(V)
暗电流 (A)
环境 温度 (℃)
GD-5 2000–6000 3800–4200
30
30
3×10-11 5-35
GD-6 6000–11000 7000–9000
10
30
8×10-11 5-35
GD-7 3000–8500 4500
数 =1/2f0
线性度
线性度是指光电器件的输出光电流（或电压）与 输入光功率成比例的程度和范围。
一般来说，在弱光照射时光电器件输出光电流都 能在较大范围内与输入光功率（光辐射强度）成 线性关系。强光时就趋于平方根关系
三、光电管和光电倍增管及其应用 （一）光电管 1. 结构和原理
《光电式传感器讲》PPT课件
565,680 900 920
材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx
InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓 曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不
c
hc Eg
价带
价电子所占能带
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
２）．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方 向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二 极管、三极管。
① 势垒效应（结光电效应）
光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁
到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用
7.1 概 述 1 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。
紫外光 可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,0Байду номын сангаас0 nm
性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和
吸收等性质。
1905年，爱因斯坦提出了光
子假设：光在空间传播时，
是不连续的，也具有粒子性，
即一束光是一束以光速运动
（3）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激 光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大 特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效 率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作 用。
（4）半导体激光器 与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光 器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单， 适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择 的波长主要局限在红光和红外区域。
材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx
InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓 曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不
c
hc Eg
价带
价电子所占能带
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
２）．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方 向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二 极管、三极管。
① 势垒效应（结光电效应）
光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁
到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用
7.1 概 述 1 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。
紫外光 可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,0Байду номын сангаас0 nm
性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和
吸收等性质。
1905年，爱因斯坦提出了光
子假设：光在空间传播时，
是不连续的，也具有粒子性，
即一束光是一束以光速运动
（3）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激 光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大 特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效 率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作 用。
（4）半导体激光器 与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光 器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单， 适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择 的波长主要局限在红光和红外区域。
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气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。
3）. 发光二极管（LED——Light Emitting Diode）
构成：由半导体PN结构成。 特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小 、重量轻，因此获得了广泛的应用。
原理：
P
Uφ N
+ - - - - ++++_ - - - - ++++
+ - - - - ++++_
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓 曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不
同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外， 峰的宽度（用Δ描述）决定光的色彩纯度，Δ越小，
其光色越纯。
相 1.0 对 0.8 灵 0.6 敏 度 0.4
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度
Eg分别为1.12eV和 0.67 eV，显然不能使用。
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作 GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可 得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长， 使 在550～900nm间变化。
GaAsP λp=655nm
Δ
600 700 800 900 100λ0/nm
发光二极管的光谱特性
发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料
禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色
约为1.7V开启，绿色约为2.2V。
I/mA
GaAsP(红)
反向电压应 在5V以下!
-10 -5
01
GaAsP(绿)
动的粒子流，爱因斯坦把这
些不连续的量子称为“光量
子”。1926年，美国物理学
家刘易斯把这一名词改称为
“光子”，并沿用至今。
每个光子的能量为 E=hν
可见，光的频率愈高， 光子的能量愈大。
2 光源（发光器件）
1）. 白炽光源 最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白 炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：320 nm~2500 nm, 所以任何光敏元件都 能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但 对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。
与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表： LED材料
材料 ZnS SiC GaP GaAs InP
波长/nm 340 480
565,680 900 920
材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx
InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
2 U/V
砷磷化镓发光二极管的伏安曲线
4）、激光器
激光（Laser: Light amplification by stimulated emission of radiation）是20世纪60年代出现的最重 大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度 和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从 0.15μm到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。
- - - - ++++
iD
U
R
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，
和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区
里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光
子的放出，因而发光。
电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带
宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，
有
Nd:YAG激光器
Nd+3 Y3Al5O12
激活离子 基质
钇铝石榴石 掺 Nd+3 离子的激光器有三种: • 玻璃 •钇铝石榴石
•氟化钇锂（ YLF ：LiYF4)
（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。 常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器， 以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普 通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖 了从紫外到远红外的频谱区域。
7.1 概 述 1 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。
紫外光 可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,000 nm
性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和
吸收等性质。
1905年，爱因斯坦提出了光
子假设：光在空间传播时，
Hale Waihona Puke 是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运
h Eg
hc
Eg
普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；
hc
Eg
光速c=3╳108m/s；
hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV
Eg的单位为eV，1eV=1.6╳10-19J。 可见光的波长近似地认为在7×10-7m以下，所以制作 可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大 于 h c / =1.8 eV
2）. 气体放电光源 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电 灯。
它的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有 关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小 ，可得到主要在某一光谱范围的辐射。
汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的 光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254 nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用， 荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过 对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长， 如照明日光灯。
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 液体激光器（染料激光器）。 半导体激光器（如砷化镓激光器）
（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一 台激光器（T.Maiman ）。
工作物质为 红宝石---掺 0.05%Cr+3 的 Al2O3棒。
第七章 光电式传感器
被测量 的变化
光信号 的变化
电信号 的变化
光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。 应用： 1、光量变化的非电量； 2、能转换成光量变化的其他非电量。 特点：非接触、响应快、性能可靠。
光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式， 即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。
3）. 发光二极管（LED——Light Emitting Diode）
构成：由半导体PN结构成。 特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小 、重量轻，因此获得了广泛的应用。
原理：
P
Uφ N
+ - - - - ++++_ - - - - ++++
+ - - - - ++++_
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓 曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不
同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外， 峰的宽度（用Δ描述）决定光的色彩纯度，Δ越小，
其光色越纯。
相 1.0 对 0.8 灵 0.6 敏 度 0.4
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度
Eg分别为1.12eV和 0.67 eV，显然不能使用。
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作 GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可 得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长， 使 在550～900nm间变化。
GaAsP λp=655nm
Δ
600 700 800 900 100λ0/nm
发光二极管的光谱特性
发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料
禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色
约为1.7V开启，绿色约为2.2V。
I/mA
GaAsP(红)
反向电压应 在5V以下!
-10 -5
01
GaAsP(绿)
动的粒子流，爱因斯坦把这
些不连续的量子称为“光量
子”。1926年，美国物理学
家刘易斯把这一名词改称为
“光子”，并沿用至今。
每个光子的能量为 E=hν
可见，光的频率愈高， 光子的能量愈大。
2 光源（发光器件）
1）. 白炽光源 最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白 炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：320 nm~2500 nm, 所以任何光敏元件都 能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但 对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。
与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表： LED材料
材料 ZnS SiC GaP GaAs InP
波长/nm 340 480
565,680 900 920
材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx
InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400～630 590～830 550～900 910～3150 850～1350
2 U/V
砷磷化镓发光二极管的伏安曲线
4）、激光器
激光（Laser: Light amplification by stimulated emission of radiation）是20世纪60年代出现的最重 大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度 和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从 0.15μm到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。
- - - - ++++
iD
U
R
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，
和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区
里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光
子的放出，因而发光。
电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带
宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，
有
Nd:YAG激光器
Nd+3 Y3Al5O12
激活离子 基质
钇铝石榴石 掺 Nd+3 离子的激光器有三种: • 玻璃 •钇铝石榴石
•氟化钇锂（ YLF ：LiYF4)
（2）气体激光器 工作物质是气体。 种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。 常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器， 以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普 通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖 了从紫外到远红外的频谱区域。
7.1 概 述 1 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。
紫外光 可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,000 nm
性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和
吸收等性质。
1905年，爱因斯坦提出了光
子假设：光在空间传播时，
Hale Waihona Puke 是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运
h Eg
hc
Eg
普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；
hc
Eg
光速c=3╳108m/s；
hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV
Eg的单位为eV，1eV=1.6╳10-19J。 可见光的波长近似地认为在7×10-7m以下，所以制作 可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大 于 h c / =1.8 eV
2）. 气体放电光源 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电 灯。
它的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有 关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小 ，可得到主要在某一光谱范围的辐射。
汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的 光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254 nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用， 荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过 对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长， 如照明日光灯。
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 液体激光器（染料激光器）。 半导体激光器（如砷化镓激光器）
（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一 台激光器（T.Maiman ）。
工作物质为 红宝石---掺 0.05%Cr+3 的 Al2O3棒。
第七章 光电式传感器
被测量 的变化
光信号 的变化
电信号 的变化
光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。 应用： 1、光量变化的非电量； 2、能转换成光量变化的其他非电量。 特点：非接触、响应快、性能可靠。
光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式， 即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。