第二章-光源(LED和激光器)

谐振腔损耗
反射
吸收
散射
衍射
透过
谐振腔 失掉
偏振损失
起偏器泡克尔晶体
增益<损耗 增益=损耗 增益>损耗
增益和损耗
法布里 - 珀罗谐振腔
解
(Fabry-Perot, FP)
理 面
注入电流
解
有源区
理
面
L
R1
增益介质
R2
z=0
z=L
反
反
射
射
产生稳定振荡的条件（相 面
位条件）
L
m
2n
L
m 纵模模数，n 激光媒质的折射率
氦氖激光器
在使用氦氖激光器时，应注意以下几点：
1)要注意激光的模态。在用He-Ne激光器作光电测量的光源 时，一般都选用单模激光。
❖激光运转方式
连续、脉冲（单脉冲、重复频率、准连续）
❖化学组成
原子激光器、分子激光器、离子激光器、自由电子激光 器、准分子激光器
❖激光调制方式
自由运转、调Q、锁模
单选题 1分 世界上第一台激光器是 激光器
A 气体激光器 B 燃料激光器 C 半导体激光器 D 固体激光器
提交
七、 激光光源
激光器的特性参数 功率（平均/峰值），能量 波长、频率、线宽 脉冲宽度，重复频率 光斑直径，发散角，M-平方因子 模式，波长可调谐性 稳定性（波长/频率/功率/能量/方向等），寿命，光
OLED
OLED，即有机发光二极管 （Organic Light-Emitting Diode），其柔性的特征将使 得可折叠电视、电脑成为可能。 是公认的下一代显示器主流。 还存在使用寿命短、大型化难 等缺陷。
七、 激光光源
激光器分类
❖激光工作介质
固体激光器(光纤激光器）、气体激光器、半导体激 光器、染料激光器
绿光 0.568 0.7 0.05～0.15
4.2
2.19
GaP:NN
黄光
0.59 0.1
_
0.45
2.1
GaP
纯绿光 0.555 0.66
0.02
0.4
2.05
GaAs0.35P0.65:N 红光 0.638 0.5
0.2
GaAs0.15P0.85:N 黄光 0.589 0.2
0.05
0.95
1.96
的界面区域
2） 异质结注入发光
为提高载流子注入效率，采用异质结结构。由于p区和n区的 禁带宽度不相等，当加上正向电压时两个势垒均减小，但P区的势 垒减小多，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。对n区 电子，势垒仍然较高，不能注入p区。禁带宽的p区成为注入源， 禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区。
激 励 作 用
特征
E2
hν =E2-E1
E1 频率(波长),相位,偏振,传播方向是随机的
t
受激辐射
受到入射光的刺激的粒子发出具有跟入射光一样的性质的光的现象
原
能级模型
子
模 型
E2
E1
特征
·可以控制 ·跟入射光频率(波长)、相位、偏振、传播方向一致
激光和普通光的根本差异
激光 :受激放大的光 普通光 :自发辐射光
由于n区所发射
的光子能量hv比EG2
小得多，它进入p区 不会引起本征吸收 而直接透射出去。
六、 半导体发光二极管光源
2.发光强度—电流特性
开启电压：1～2V 工作电流：5~50mA
六、 半导体发光二极管光源
2.发光强度—电流特性
在正向配置电压的作用下流过发光二极管PN节的正向电
流If使注入到PN结内的载流子在P区复合而发光，其发光强度
Iv
v
I
n f
v
I
n f0
exp(qU
/
kT )
Iv0
exp(qU
/
kT )
光强IV与PN结电压U是指数关系，通过控制PN结两端电压
方式控制发光强度不可取。
六、 半导体发光二极管光源
3.发光光谱和发光效率
1) 光谱
LED发射光谱的峰值波长由材料的禁带宽度决定。
L
h
Eg
单位μm
例如 GaAs红外发光二极管的禁带宽度在室温下为1.4 eV，发光
六、 半导体发光二极管光源
1. 发光二极管的发光机理
1）PN结注入发光
PN结处于平衡时，存 在一定的势垒区，当加正 偏压时，PN结区势垒降低， 从扩散区注入的大量非平 衡载流子不断地复合发光， 并主要发生在p区。
电子的迁移率远大于空穴的迁移率（通常高20倍左右）。
两种不同半导
六、 半导体发光二极体管相光接触源形成
IV为
Iv
v
I
n f
v为发光二极管的发光效率，n>1
发光二极管发光强度基本与流过的电流If成正比。说明可以通 过控制电流If对LED发出的光强IV进行控制。
六、 半导体发光二极管光源
2.发光强度—电流特性
由于发光二极管的正向伏安特性曲线在发光区呈现为
I=I0exp(qU/nkT)指数形式，并且1＜n＜2较小
六、 半导体发光二极管光源
普通单色、高亮度、超高亮度、变色、闪烁、电压控制 型、红外发光二极管等。
双色发光二极管
LED特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实现 各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色LED， GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使 在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特点， 可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
名称
峰值 外部量子效率%
波长 (μm）
数变 值
平均值
可见光发 禁带宽度
光效率 (lm/W)
Eg(eV)
GaAs0.6P0.4 红光
0.65 0.5
0.2
Ga0.65Al0.35As 红光
0.66 0.5
0.2
GaP:EnO 红光 0.79 12
12.3
0.38
1.9
0.27
1.9
2.4
1.77
GaP:N
ex
nex nin
单位时间发射到外部的光子数nex 注入到器件的电子-空穴对数nin
提高外部量子效率的措施：
① 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2 =1.55） 涂敷在发光二极管上；
② 把晶体表面加工成半球形；
③ 用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。
几种典型发光二极管的发光效率与发光波长
态上去，为此需要泵浦源；
② 要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服 损耗；
③ 有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增 益，用以维持受激辐射的持续振荡。
七、 激光光源
激光的特点 ➢单色性
稳频的氦氖激光器频率变化范围只有2Hz 。 ➢方向性
氦氖激光器发散角可达到3xl0-4rad。 ➢亮度
普通光源的上百万倍。 ➢相干性
氦氖激光器相干长度可达几公里。
氦氖激光器
1962年，He－Ne气体激光器 在美国贝尔实验室研制成功。
氦氖激光器（Helium-neon gas laser）是研制成 功的第一种气体激光器，也是最常用的一种，通常在 可见光频段（632.8nm）工作，其它还有1.15μm及 3.39μm。功率一般约数毫瓦，连续发光。因为制造方 便、较便宜、可靠，所以使用较多。
发光效率由内部量子效率与外部量子效率两个参数决定。内
部量子效率可表示为
in
neo ni
ne0为P结N每秒发出的光子数，ni为每秒注入到LED的电子数。
六、 半导体发光二极管光源
光子通过半导体，一部分被吸收，一部分在到达界面后 因遇到高折射率材料而产生全反射，再被晶体吸收，造成发 射效率降低。
外部量子效率
横模
基模
•符号TEMmn表示各种横向模式。m、n分别表示在x轴 和y轴方向上模式序数。基模又称TEM00模，其它的模 式都称为高次模式。 仅有基横模的激光束称为单横模激 光，其平行性好，发散角小。有不同横向模式的激光束 称为多横模激光，其发散角较大，平行性相干性都较差。
七、 激光光源
获得激光输出的3个必要条件为： ① 必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能
氦氖激光器
氖为工作物 质，氦为辅 助气体
氦原子和氖原子的部分能级图
氦氖激光器
E1基态能级 E2亚稳态能级 E3抽运高能级
E0基态能级 E1激发态能级 E2亚稳态能级 E3抽运高能级
由于激光下能级不是 基态，而是激发态E2， 所以在室温下激光下 能级的粒子数很少， 因而E3和E2间的粒子 数反转比三能级系统 容易实现。
粒子数分布反转
在激光物质中，外来的光子可以引起受激辐射，也可能被 受激吸收，而产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占 主导地位，此时就必须从外部给工作物质输入能量，使处 于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流 子的正常分布倒转过来——粒子数反转
粒子数反转的条件：增益大于阈值增益或注入电流大 于阈值电流。
发光二极管的时间响应较快，短于1μs。发光二极管的响应 时间取决于注入载流子非发光复合的寿命和发光能级上跃迁的几 率。
发光二极管的外部发光效 率均随温度上升而下降。
光电检测系统中作为光源 使用的LED常常工作在脉 冲状态下。
六、 半导体发光二极管光源
按形状： 圆形、方形、矩形、三角形、组合型等。 按其封装结构及封装形式：金属封装、陶瓷、 塑料、树脂和无引线表面封装等。
六、 半导体发光二极管光源
单选题 1分
2014年的诺贝尔物理学奖授予了日本物理学家赤 崎勇、天野浩和日裔美籍物理学家中村修二以表 彰他们在 LED上所作的研究。
A 白光 B 蓝光 C 黄光 D 紫光
提交
六、 半导体发光二极管光源
发光二极管是 一种注入电致发光 器件，它由P型和 N型半导体组合而 成。其发光机理常 分为PN结注入发光 与异质结注入发光 两种。
面
m=1 m=2
有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。
通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，
可以只有一个模式激振，称为单纵模激光器。
横模
横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向(光传播方向)，平 面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。
基模
光在腔内传播相当于不断经过光阑，因此会引起 衍射，使振幅和相位的空间分布发生畸变。当达 到稳定状态时，才从输出镜输出激光。
§2 光源
六、 半导体发光二极管光源
半导体发光二极管(LED Light-Emitting Diode)
早在1962年出现，早期只能发出低 光度的红光，时至今日能发出的光已 遍及可见光、红外线及紫外线。而用 途也由初时作为指示灯、显示板等到 已被广泛的应用于显示器、电视机采 光装饰和照明。
LED发光效率超过300lm/W，白炽灯的效率16lm/W， 荧光灯的效率70lm/W。
电效率
七、 激光光源
1.激光的产生机理
激光的产生机理一般涉及到受激辐射，粒子数反转与 谐振三个关键问题。
在常温下大部分电子处于基态。当原子在E1与E2两个
能级之间产生跃迁时将产生自发辐射、受激辐射和受激吸 收的三个基本过程。
自发辐射
原子模型
自发辐射
由某原因激励到高能级的 粒子，没有外刺激的情况 下，自己跃迁到低能级， 发出光的现象
峰值波长为0.86～0.9μm。对异质结发光二极管，禁带宽度由
元素的组分量决定，如GaAs1-x Px，最佳组分x＝0.4，发光峰
值波长为0.65～0.66 μm。改变组分量x可以改变发光峰值波长。
六、 半导体发光二极管光源
2) 发光效率
发光二极管发射的光通量与输人电功率之比表示发光效率，
单位lm/W。
0.90
2.1
六、 半导体发光二极管光源
4.时间响应与温度特性
(a)稳定发光 (b)脉冲调制发光 (c) 模拟调制发光
InGaAsP LED，时间响应2～5 ns，调制带宽50～ 140 MHz。直接调制技术，相位测距仪、能见度仪 及短距离通讯中获得应用。
六、 半导体发光二极管光源
4.时间响应与温度特性
氦氖激光器、二氧 化碳ห้องสมุดไป่ตู้光器、钕玻 璃激光器以及YAG 激光器都是四能级 系统激光器。
氦氖激光器
内腔式
氦氖激光器结构示意图
外腔式 半内腔式
氦氖激光器
气体原子激光器 输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以
632.8nm为最常见。 功率在mW级，最大1W 光束质量好，发散角可小于1mrad 单色性好，带宽可小于20Hz 稳定性高
方法： 固体激光器：光谱适当的强光灯； 气体激光器：气体电离； 半导体激光器：注入载流子。
谐振腔
谐振腔——在激光物质的两侧放置相互平行的反射 面。作用是让所选光能在其内反复振荡而加强 。 光在共振腔内获得增益，当腔内增益大于损耗，产 生激光振荡。
通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的 两块反射镜按特定的方式组合而成。 作用： ①提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。 ②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以 保证输出激光具有一定的定向性和单色性。