第二章-光源(LED和激光器)
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第二章光源基础知识课件分解
M er e ( ) Ee ( )
式中，ρe()为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对上 式的波长积分，得到反射体的辐出度
M e e ( ) Ee ( )d
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朗伯辐射体及其辐射特性
对于磨得很光或镀得很亮的反射镜，当一束光入射到它上 面时，反射光具有很好的方向性，即当恰好逆着反射光线 的方向观察时，感到十分耀眼，而在偏离不大的角度观察 时，就看不到反射光。对于一个表面粗糙的反射体或漫射 体，就观察不到上述现象。 除了漫反射体以外，对于某些自身发射辐射的辐射源，其
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第一节 光电基础知识
电磁波谱 光是一种电磁波，X射线、射线也都是电磁波。它们 的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。将电磁波按 其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。通常所 说的光学区域或光学频谱包括：红外线、可见光和紫外线。
由于光的频率极高，一般采用波长表征，光谱区域的波长
dI v d 2Φv Lv dA cos dΩdA cos
Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]
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6.辐射效率(Radiant efficiency)与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率 P之比称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与 提供的功率P之比称为发光效率ηv。它们分别为
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2.辐射通量(Radiant flux)和光通量(luminous flux)
辐(射)通量或辐(射)功率是以辐射形式发射、传播或接
收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播 或接收的辐(射)能称为辐(射)通量，以符号Φe表示， 其计量 单位为瓦(W)，即
第2章-激光基本原理
考虑光子只可能存在两种不同的偏振状态，在体积V内， ν 到ν +Δν频率间隔内， 因能量、动量及偏振状态的不同，并根据（2-3）式和（2-14）， 所有可能的光子状态数为
与（2-10）式的结果相一致。
这表明从波动的观点得到光的模式数，与从光子的观点得到光子的量子状 态数是相同的。
2.1.2 光子的相干性和光子简光度
故在体积V内，在 ν 到ν +Δν 频率间隔内，光的模式数为
光子的动量与坐标之间存在海森堡测不准关系
光子坐标x测量值越准确，则动量px的测量值就越不准确 只能在相空间划出面积元Δpx Δx=h，ΔpyΔy=h，Δpz Δz=h 来确定光子的一种状态
在六维相空间（x，y，z，Px，Py，Pz）内，光子的一种状态 所对应的相空间体积元为
2.1 相干性的光子描述
2.1.1 光子的基本性质
光子的基本性质: 1. 光子的能量与光波频率对应，即 式中h为普朗克常数。 2. 光子具有运动质量m，可表示为 光子的静止质量为零。 3. 光子的动量 与单色平面光波的波矢 对应：
式中 ； 单位矢量。
为光子运动方向（平面波的传播方向）上的
上述相空间体积元称为相格。 相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子以动量Px，Py，Pz组成的动量空间内，它的一种运动状态占 据动量空间的体积元 由（2-13）得 上式中的V= ΔxΔyΔz是光子运动的体积。
讨论在 ν 到ν +Δν 频率间隔内，因光子的动量不同，所可能存在的状态数。 相当于求出光子在动量空间中一个半径为 ，厚度为 的球壳 内，可能有的光子状态数为 ，如图2.3所示。
光的相干性可以定义为： 不同空间点、不同时刻的光波场的某种特性(如相位)的相关性。
投影机普通光源混合光源纯激光光源技术对比介绍
第一章：普通光源投影机氙灯和汞灯数字投影机，不管其内部的复杂性，只有一个功能——将视频、数据和图形等图像投射到屏幕上。
为了这个目的，需要内部光源。
因为从光源到屏幕，投射图像巨大的放大倍数和许多的光学元件损耗，光源必须要格外的明亮。
远比我们熟悉的用于办公室等室内环境的白炽灯、荧光灯明亮。
目前最常用的应用在投影机上的两种灯泡技术是汞蒸汽和氙气。
两种类型的灯泡产生光线，都是在融凝石英玻壳内，在高压气体（通常几百个大气压）中通过电流。
灯泡内的电极——成为弧——间流动电流，点燃气态汞并使其发光。
汞蒸汽灯内（如名字所提示，汞加热到蒸汽状态）激活的气体混合其他气体（如惰性气体氩）来提高可靠性和发光性能。
另一方面，氙灯使用氙气。
这两种技术间的基本区别，对于采用他们的投影机来讲，决定了在属性和表现上的实际差异。
表现上的不同汞蒸汽和氙灯最主要的不同在于他们所释放光线的彩色光谱。
氙灯释放的相当平滑的光谱，或多或少的接近在可见光（400-700nm）的所有波段的亮度，接近自然太阳光的白色。
汞蒸汽灯的典型释放光谱，比较而言，就非常差了；在可见光区域，呈现出很多大的峰值，在黄色区产生最大峰值。
与蓝线比较，红色的汞蒸汽光谱趋向于低位置，明显的冷白。
鉴于汞蒸汽上上下下的光谱，采用这种灯泡的投影机与氙灯投影相比，在采用显色性指数（CRI,与自然光比较后的接近程度，0-100）来衡量时，会呈现比较糟糕的颜色。
为提高CRI,投影机光路可以设计成能实现比较平衡的可见光范围内的汞蒸汽光谱，并降低峰值，但代价是降低亮度输出。
比如科视基于汞灯的Ｍ系列投影机，在光路中采用电动黄色陷波技术，来提高投影机的色彩精确，作为折中，要降低亮度。
另外一个表现的不同是光谱的稳定性。
随着灯泡使用时间的推移，汞蒸汽灯泡的钉子状的光谱会明显的改变。
平滑的氙灯光谱，比较而言，会产生相对的色彩漂移。
氙灯还有一个稳定性优点，投影机开启后能够在短时间内进入到平滑光谱状态。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
《光纤通信基础》习题及答案
光栅技术
第二章部分
2.1、光纤的结构由哪几部分组成？各有什么作用？ 答：光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的 折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射 面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 2.2、简述光纤的类型包括哪几种以及各自特点？ 解：实用光纤主要有三种基本类型： 1）、突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）， 纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层突然 变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a=50~80 μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播， 特点是信号畸变大。 2）、渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）， 在纤芯中心折射率最大为 n1，沿径向 r 向外围逐渐变小，直到包层变为 n2。这种光纤一般纤芯直径 2a 为 50μm，光线以正弦形 状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 3）、单模光纤（Single Mode Fiber, SMF），折射率分布和突变型光 纤相似，纤芯直径只有 8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光 纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 2.3、色散的产生以及危害？ 答：由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中， 因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散；光纤色散 的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。 2.4、光缆的结构分类？ 答：(1) 层绞式结构：层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。 (2) 骨架式结构：架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V 形、U 形 或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置 5~10 根一次涂覆光纤。 (3) 束管式结构：束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整 个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。 (4) 带状式结构：带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后 将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。 2.5、光缆的种类？ 答：根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用
第二章 光电检测中的常用光源
2．3． 1 脉冲灯 这种灯的特点是在极短的时间内发出很强的光辐射，其结构和工作电路原理如图 2− 8 所示。直流电源 电压 U0 经充电电阻 R，使储能电容 C 充电到工作电压 Uc。Uc 一般低于脉冲灯的自击穿电压 Us，而高于灯 的着火电压 U Z。脉冲灯的灯管外绕有触发丝。工作时在触发丝上施加高的脉冲电压，使灯管内产生电离火 花线，火花线大大减小了灯的内阻，使灯“着火” 。电容 C 中储存的大量能量可在极短的时间内通过脉冲 灯，产生极强的闪光。除激光器外，脉冲灯是最亮的光源。
2．2． 3 白炽灯 白炽灯是光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲 线相差约 0.5％，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差 2％。此外，它的发光特性稳定，寿命长，使 用和量值复现方便，因而也广泛用作各种辐射度量和光度量的标准光源。 白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和卤钨灯等，光辐射由钨丝通电加热发出。真空钨丝白炽 灯的工作温度为 2 300～ 2 800 K，发光效率约 10 lm／ w。钨的熔点约为 3680 K，进一步增加白炽灯的工作 温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而使寿命骤减。 充气钨丝白炽灯，由于在灯泡中充人和钨不发生化学反应的氩、氮等惰性气体，使由灯丝蒸发出来的 钨原子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯丝。这样可以有效地抑制钨的蒸发，从而使白炽灯 的工作温度可以提高到 2 700~3 000 K，相应的发光效率提 高到 17 lm／ W。 如果在灯泡内充人卤钨循环剂(如氯化碘、溴化硼等)， 在一定温度下可以形成卤钨循环， 即蒸发的钨和玻璃壳附近 的卤素合成卤钨化合物， 而该卤钨化合物扩散到温度较高的 灯丝周围时，又分解成卤素和钨。这样，钨就重新沉积在灯 丝上， 而卤素被扩散到温度较低的灯泡壁区域再继续与钨化 合。这一过程称为钨的再生循环，如图 2− 7 所示。卤钨循 环进一步提高了灯的寿命。灯的色温可达 3 200 K，发光效 率也相应提高到 30 lm／W。
最新2章光源与激光器
激光器能产生宽度极窄的光脉冲，使用 开关的
激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模 技术，可产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极 短的时间内发射出来，因此光功率极高。
➢ 一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮 度高8个数量级(几千万倍）
光与现 代科技
➢ 强激光甚至可产生上亿度的高温。
➢ 1960年 7月7日梅曼制成了世界上第一台激光 器——红宝石激光器
光与现 代科技
肖洛提出——光腔代替微波共振腔
向各个方向自发辐射的 光子
沿中心轴方向的辐射被受 激放大
光在工作物质中反复 传播被放大
工作物质 M
聚光腔+M 光谐振腔
M
激光器的组成：工作物质 泵辅 源 光谐振腔
光与现 代科技
1960年7月7日：梅曼成功研制出第一台 红宝石激光器
➢ 《按照量子论辐射的发射和吸收》，《关于辐射的 量子理论》
➢ 强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射的存在 和光放大的可能性。
➢ 1954年美国物理学家汤斯研制成功波长为1.25 厘米的氨分子振荡器——受激辐射微波放大器
➢ 1958年 肖洛和汤斯发表了《红外线和光的微 波激器》肖洛提出创造性设想——光腔代替微 波共振腔
单色性越好
I0 2
谱线宽度：通常用强度下降到
I0 2
的两点之间的波长范围 ：
2
2
谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量
光与现 代科技
激光的颜色极纯——单色性强
激光问世前，最好的单色光是氪灯发出
的光，而激光比氪灯光的单色性高出几十
万倍。
光波的单色性可表示为
谱线宽度 中心波长
=
Δλ λ
Δ
激光器，可输出脉宽10-9s左右的光脉冲，使用锁模 技术，可产生10-14s的光脉冲。由于能量被集中在极 短的时间内发射出来，因此光功率极高。
➢ 一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮 度高8个数量级(几千万倍）
光与现 代科技
➢ 强激光甚至可产生上亿度的高温。
➢ 1960年 7月7日梅曼制成了世界上第一台激光 器——红宝石激光器
光与现 代科技
肖洛提出——光腔代替微波共振腔
向各个方向自发辐射的 光子
沿中心轴方向的辐射被受 激放大
光在工作物质中反复 传播被放大
工作物质 M
聚光腔+M 光谐振腔
M
激光器的组成：工作物质 泵辅 源 光谐振腔
光与现 代科技
1960年7月7日：梅曼成功研制出第一台 红宝石激光器
➢ 《按照量子论辐射的发射和吸收》，《关于辐射的 量子理论》
➢ 强调光的物质性；用量子观点预言受激辐射的存在 和光放大的可能性。
➢ 1954年美国物理学家汤斯研制成功波长为1.25 厘米的氨分子振荡器——受激辐射微波放大器
➢ 1958年 肖洛和汤斯发表了《红外线和光的微 波激器》肖洛提出创造性设想——光腔代替微 波共振腔
单色性越好
I0 2
谱线宽度：通常用强度下降到
I0 2
的两点之间的波长范围 ：
2
2
谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量
光与现 代科技
激光的颜色极纯——单色性强
激光问世前，最好的单色光是氪灯发出
的光，而激光比氪灯光的单色性高出几十
万倍。
光波的单色性可表示为
谱线宽度 中心波长
=
Δλ λ
Δ
LED光源与激光光源区别
1、亮度受限 2、有荧光粉转轮，可 靠性低 3、成本比纯激光高 4、激光器20000小时 寿命，比较短，可能要 更换
大型工程投影机 数字影院
拼接墙（如光峰）
拼接墙（如松下）
DLP显示单元主要功能特点
➢ 超长寿命：LED光源寿命超过60000小时，可7X24小时不间断工作六年以上，生命周期内免除了
光源更换问题，免除光源更换成本；
工作时间超过六万小时，可7X24小时不间断工作六年以上 超长寿命有效的保证了卓越的亮度保持能力及色彩保持能力
画面色彩及亮度的稳定性
基本为单一波长的光学特性可以保证各单元的画面色彩基本相同，加上内置的自动亮度色彩调整功能 可长期维持其一致性。
LED光源
UHP光源
激光光源DLP拼接市场分析
激光荧光粉与 LED对比---各自相对优势
激光荧光粉
3x6 LED
各自相对优势
亮度高 1500~4000
能耗低 150w/屏
色彩表现好 (业界公认)
寿命长6w (业界公认)
可靠性高
激光光源DLP拼接市场分析
激光荧光粉与 LED对比---各自相对劣势
激光荧光粉
VTRON LED
荧光粉发光色彩无法 保证
各自相对劣势
使用寿命（光源厂家 标称2W小时）
激光光源 激光荧光粉光源（蓝色激光+ 荧光粉光源 20000 小时，仅相当于 LED 的 1/3 和 UHP 光源一样存在色轮损 耗，后续维护成本高 存在 较多存在 一般 一致性差 大面积、高亮度低端 DLP 拼 接墙 1500-4000 流明 150W/屏
LED 光源 3*1/3*6 RGB LED
不足
1、寿命短6000小 时 2、含汞，不环保 3、要用色轮，可 靠性低 4、色饱和度差， 颜色不够鲜艳 5、有彩虹效应
LED光源与激光光源区别
LED UHP LD
LED
激光光源DLP拼接市场分析
激光荧光粉与LED对比---色域饱和度
LED饱和度更高：实拍 激光荧光粉 Vs VTRON LED
激光荧光粉
LED
激光光源DLP拼接市场分析
激光荧光粉与 LED对比---整墙一致性
LED光源整墙一致性更好：单色蓝光调整 VS 三色灯独立调整
激光荧光粉
60000 小时 不存在损耗，安装后零维护 不存在 不存在 宽广 一致性好 DLP 背投拼接墙 880-1100 流明 250W/屏
激光光源是一项新技术，主流厂家做的比较少，但是目前来说，激光光源的稳定性有待接受市场的 检验。
谢谢
Thank You
可视化
股份代码：002308
各自相对劣势
使用寿命（光源厂家 标称2W小时）
亮度1100 与UHP光源一样存在 色轮损耗（2W小时） 和彩虹效应问题
我们在满足客户亮度需求的前提下，更加关注提升产品的显示效果和使用寿命！
激光光源DLP拼接市场分析
激光荧光粉与 LED对比---色域饱和度
色域：LED光源色域更广
0.9 0.8 UHP 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 LD
激光荧光粉与 LED对比---各自相对优势
激光荧光粉
3x6 LED
亮度高 1500~4000
色彩表现好 (业界公认) 寿命长6w (业界公认)
各自相对优势
能耗低 150w/屏
可靠性高
激光光源DLP拼接市场分析
激光荧光粉与 LED对比---各自相对劣势
《光纤传输技术》第二章 光源与光探测器
高速调制时激光器的输出谱线
动态单纵模激光器
为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可 能窄，要求激光器工作在单纵模状态。 在高速调制下仍然可以工作在单纵模的 半导体激光器称为动态单纵模激光器。 实现动态单纵模的方法很多，应用最为 广泛的是分布反馈式激光器。
分布反馈式激光器
结构与F－P激光器不同，不靠解理面形成 的谐振腔工作，而是依赖沿纵向分布的光栅 工作。
P-I特性
存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时， 自 发 辐 射 发 光 ； 当 注 入 电 流 超 过 Ith 时 ， 受激辐射发光；输出功率与注入电流基 本保持线性关系。
对温度很敏感：随着温度的升高，阈值
电流增大，发光功率降低。需进行温度
控制。有
I th
(T
)
I0
exp
T ( T0
)
LD组件内部结构
半导体PN结光源
发光二极管的工作原理：PN结在正向偏 置时，N区的电子及P区的空穴会克服内建 电场的阻挡作用，穿过结区(扩散运动超过 漂移运动)，从P区到N区产生净电流。电子 与空穴在扩散运动中产生复合作用，释放 出光能，实现发光。这种发光是一种自发 辐射，所以发出的是荧光。由于这种发光 是正向偏置把电子注入到结区的，又称为 电致发光。
半导体激光器的光谱
半导体激光器的发光谱线较为复杂，会 随着工作条件的变化而发生变化。
当注入电流低于阈值电流时，激光器发 出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到 阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强 ，出现激光；当注入电流进一步增大， 主模的增益增加，而边模的增益减小， 振荡模式减少，最后会出现单纵模。
温度升高时激光器的发射谱的峰值波长 向长波长方向移动
调制特性——LD模拟调制
LED（发光二极管）和激光器
LED（发光⼆极管）和激光器⼀、LED:发光⼆极管⼀、LED及其特点Light Emitting Diode,即发光⼆极管，是⼀种半导体固体发光器件，它是利⽤固体半导体芯⽚作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流⼦发⽣复合引起光⼦发射⽽产⽣光。
LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、⽩⾊的光。
LED的特点:LED使⽤低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同⽽异，所以它是⼀个⽐使⽤⾼压电源更安全的电源，特别适⽤于公共场所;效能：消耗能量较同光效的⽩炽灯减少80%;适⽤性：很⼩，每个单元LED⼩⽚是3-5 mm的正⽅形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境;稳定性：10万⼩时，光衰为初始的50%;响应时间：其⽩炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级。
⼆、LED的发光原理及结构介绍发光⼆极管的核⼼部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶⽚，在p型半导体和n型半导体之间有⼀个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料的P N结中，注⼊的少数载流⼦与多数载流⼦复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从⽽把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流⼦难以注⼊，故不发光。
这种利⽤注⼊式电致发光原理制作的⼆极管叫发光⼆极管，通称LE D。
当它处于正向⼯作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜⾊的光线，光的强弱与电流有关。
⽽通过对其中发光材料的研究，⼈们逐渐开发出各种光⾊、光效率越来越⾼的L ED元件，但是⽆论怎么变化，LED总的发光原理和结构都没有发⽣太⼤的变化。
三、LED常⽤照明术语1、平均寿命：指⼀批灯⾄50%的数量损坏时的⼩时数。
单位：⼩时（h）。
2、经济寿命：在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减⾄特定的⼩时数。
室外的光源为70%，室内的光源为80%。
3、⾊温：光源发射光的颜⾊与⿊体在某⼀温度下辐射光⾊相同时，⿊体的温度称为该光源的⾊温。
光源课件PPT
新技术
随着科技的不断进步，新型照明技术 如光子晶体、纳米光子学等不断涌现 ，为照明领域带来了革命性的变化。
智能照明系统的研究与应用
1 2 3
智能控制
智能照明系统能够实现远程控制、定时开关、光 线感应等功能，提高照明效果和节能效果。
健康照明
智能照明系统能够根据人的生理需求和心理需求 ，调节光照强度、色温等参数，创造舒适的光环 境，有益于人的身心健康。
艺术化照明
智能照明系统能够实现动态、可编程的光照效果 ，为城市夜景、室内装饰等领域带来更多的艺术 性和创意性。
05
光源的选用与维护
光源的选择原则与技巧
原则
根据使用场景选择合适的光源类型， 如室内照明、室外照明、装饰照明等 。同时要考虑光源的色温、照度、显 色指数等参数，以满足实际需求。
技巧
选择高效节能的光源，如LED灯，可 降低能源消耗和运营成本。同时要考 虑光源的寿命和维护成本，选择可靠 稳定的光源品牌和型号。
投影仪
利用光源将图像投射到屏幕上，用于 家庭影院、会议和教学等领域。
医疗领域
手术灯
提供无影、高亮度的手术 照明，确保手术过程中的 视线清晰。
诊断仪器
如荧光显微镜、内窥镜等 医疗设备，需要特定波长 的光源进行照明。
光疗
利用特定波长的光线治疗 某些疾病，如紫外线治疗 银屑病等。
科研领域
科学研究
光源在物理、化学、生物学等领 域的研究中发挥着重要作用，如
ห้องสมุดไป่ตู้源的安装与使用注意事项
安装
根据不同的使用场景和灯具类型，选择合适的安装方式和位置，确保安全牢固。同时要注意灯具的接线和开关等 细节问题，避免出现安全隐患。
使用
使用过程中要注意避免过度发热和触电等安全问题。同时要根据实际需求调整光源的亮度和色温等参数，避免对 眼睛造成伤害。
随着科技的不断进步，新型照明技术 如光子晶体、纳米光子学等不断涌现 ，为照明领域带来了革命性的变化。
智能照明系统的研究与应用
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智能控制
智能照明系统能够实现远程控制、定时开关、光 线感应等功能，提高照明效果和节能效果。
健康照明
智能照明系统能够根据人的生理需求和心理需求 ，调节光照强度、色温等参数，创造舒适的光环 境，有益于人的身心健康。
艺术化照明
智能照明系统能够实现动态、可编程的光照效果 ，为城市夜景、室内装饰等领域带来更多的艺术 性和创意性。
05
光源的选用与维护
光源的选择原则与技巧
原则
根据使用场景选择合适的光源类型， 如室内照明、室外照明、装饰照明等 。同时要考虑光源的色温、照度、显 色指数等参数，以满足实际需求。
技巧
选择高效节能的光源，如LED灯，可 降低能源消耗和运营成本。同时要考 虑光源的寿命和维护成本，选择可靠 稳定的光源品牌和型号。
投影仪
利用光源将图像投射到屏幕上，用于 家庭影院、会议和教学等领域。
医疗领域
手术灯
提供无影、高亮度的手术 照明，确保手术过程中的 视线清晰。
诊断仪器
如荧光显微镜、内窥镜等 医疗设备，需要特定波长 的光源进行照明。
光疗
利用特定波长的光线治疗 某些疾病，如紫外线治疗 银屑病等。
科研领域
科学研究
光源在物理、化学、生物学等领 域的研究中发挥着重要作用，如
ห้องสมุดไป่ตู้源的安装与使用注意事项
安装
根据不同的使用场景和灯具类型，选择合适的安装方式和位置，确保安全牢固。同时要注意灯具的接线和开关等 细节问题，避免出现安全隐患。
使用
使用过程中要注意避免过度发热和触电等安全问题。同时要根据实际需求调整光源的亮度和色温等参数，避免对 眼睛造成伤害。
2从普通光源到激光器讲解
历史起源：
18世纪末，人类对电光源开始研究。 19世纪初，英国的H.戴维发明碳弧灯。 1879年，美国的T.A爱迪生发明了有实用价值的碳丝白炽灯，使人类从 漫长的火光照明进入电气照明时代。 1907年，采用拉制的钨丝作为白炽体 20世界30年代，低压钠灯研制成功。 1938年，欧洲和美国研制出荧光灯，发光效率和寿命均为白炽灯的3倍 以上，这是电光源技术的一大突破。
从普通光源到激光器
课程名称：激光原理与技术 主讲人：李永大 单位：浙江工贸职业技术学院
从普通光源到激光器
1.教学目标
了解人类对光源的研究、开发、制造和改进的简史。
2.学习内容
光源：宇宙间的物体，有的是发光的，有的是不发光的。我 们把自己能发光且正在发光的物体叫做光源。比如太阳，打 开的电灯，燃烧着的蜡烛都是光源。
上述光源都是严格意义上的非相干光源，可称为普通光源。
科学技术,日常生活，军事国防等领域需要高光度 ,高方向性， 高单色性的相干光源。
激光器的诞生（激光发展简史）
1）受激辐射的发现 1917年，爱因斯坦 1917~1950，实验理论证明 2）微波激射激（maser）的实现 1953~1955，汤斯等人
1940年代，高压汞 灯进入了实用阶段。 1950年代末，体积和光衰极小的卤钨灯（碘钨灯）问世。 1960年代，高压钠灯其发光效率远高于高压汞 灯。
1980年代，节能荧光灯，电光源进入小型化,节能化和电子 化时代。
近年来发展迅速的LED（发光二极管），LED被称为第四代 光源。节能，环保，安全，寿命长(10万小时)，低功耗，光电 转换效率高（接近60％）等优点。
3)激光器的诞生 1958年，肖洛，汤斯等人的重要论文奠定理论基础 1960年，梅曼研制成功世界第一台激光器 4）1961年，中国第一台激光器在长春问世。
第二章-光辐射与光源精选版
红外辐射 是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射，波 长范围为0.77~1000 m。
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3
§2.2 光辐射的度量
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光 辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 （物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量，脚 标“v”表示光度物理量）。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科，其适用性局限于可 见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量， 适用于整个电磁波段。
单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次 数），称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是[长 度]-1，单位惯常采用cm-1。
可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。 390~770 nm范围的范围内；
紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长 范围是10~400 nm。
第二章 光辐射与光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评 价都离不开特定的光辐射源[产生光辐射的物体， 即光源]与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性，等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。
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5
⑶ 辐射出射度 简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 (2.2-2)
单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑷ 辐射强度 辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位
立体角内的辐射通量，用Ie表示，即
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§2.2 光辐射的度量
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光 辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存 在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系 （物理量符号标脚标“e”表示辐射度物理量，脚 标“v”表示光度物理量）。后者是考虑到人眼的 主观因素后的相应计量学科，其适用性局限于可 见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量， 适用于整个电磁波段。
单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次 数），称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是[长 度]-1，单位惯常采用cm-1。
可见光 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。 390~770 nm范围的范围内；
紫外辐射 紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长 范围是10~400 nm。
第二章 光辐射与光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评 价都离不开特定的光辐射源[产生光辐射的物体， 即光源]与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电 转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述 参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、 时间及空间稳定性，等等。本章将简要介绍光辐 射的基本概念和原理、在光电探测技术应用中比 较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射 探测的原理及相应器件的内容安排在第四章。
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⑶ 辐射出射度 简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通 量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的 定义式 (2.2-2)
单位：瓦特·米-2（W/m2）。 ⑷ 辐射强度 辐射强度定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位
立体角内的辐射通量，用Ie表示，即
2章光源与激光器详解
光与现 代科技 所谓激光技术，就是探索开发各种产生激光的方法以
及探索应用激光的这些特性为人类造福的技术的总称 自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器， 我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器以 来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电 技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之 后的又一重大科学技术新成就。 30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制 了各个特色的多种多样的激光器，而且激光应用领域 不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光 加工、激光全息照相、激光照排印刷、激光打印以及 激光武器等一系列新兴产业。 激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的 “带头技术”之一。
光与现 代科技
4.相干性好、偏振性好。激光即便从各点发 出的光，也如同从一个点发出的光一样， 具有相同的频率、相位和振动方向。
干涉是波动现象的一种属性。由于激光 具有高单色性和高定向性，决定了激光具 有极好的时间相干性和空间相干性。激光 的这一特性使全息照相成为现实。 特制的氦 氖激光器输出的光束，相干 长度达2107km。氪灯只有38.5cm。
结论：具有如图所示那样能带结构的物质应 为良导体，换句话说，良导体(也称金属)是那些 最高能带未被完全填满的固体。
光与现 代科技
能 带 理 论
疑问：如上面的分析，那么Mg(镁)是否属于 良导体呢？
3p
未满带
能带重叠
3s 2p
半满带
2s 1s
满带 镁 (1s2 2s2 2p6 3s2 ) 晶体能带
结论：实际上由于最高能带可能发生重叠，镁的 3S 电子可分布在3S和3P能带中，因此镁应为良导体。 对有些物质，它们的原子具有满充壳层，但是在固 体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话，便成 为导体，常称这些物质为半金属。
2.0 光谱、光源等概念
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） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。
（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。它的工作物质是固体。 种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器 （简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。 特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目 前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应 用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器 还曾成功地用于地球到月球的距离测量。
0.01
波长/μm
0.05 极远紫外
0.1 远 紫 外 外 105 近
0.5 紫 可见光
1 近红外
5
10
远红外
106
波数/cm-1 频率/Hz
5×105 1016
5×104 1015
104
5×103 1014
103
3×1018
5×1015
5×1014
5×1013
100
光子能量/eV
50
10
5
1
0.5
I/mA
GaAsP(红) GaAsP(绿) -5 0 1 2
-10
U/V
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的 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λp 。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的 宽度（用∆λ描述）决定光的色彩纯度，∆λ越小，其光色 越纯。
GaP λp=565nm GaAsP λp=670nm GaAs λp=950nm
光的波长与频率的关系由光/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长 νλ=3×1010cm / s λ和频率ν的关系为 ν的单位为Hz，λ的单位为cm。
【精品课件】半导体激光器和发光二极管
双异质结的作用:带隙差对载流子有限制作用;
折射率差对光子有限制作用
❖按平行于PN结方向的结构分类Fra bibliotek❖ 宽面LD （没有导向） ❖ 条形LD：台面条形
平面条形 （SiO2条形，质子轰击条形， Zn扩散条形等）（增益导向）
隐埋条形 （折射率导向）
在整个PN结面积上 均有电流通过的结构是 宽面结构；只有PN结 中部与解理面垂直的条 形面积上(10 m左右) 有电流通过的结构是条 形结构。
相位条件 ：使激光器的发射光谱呈模式振荡
2L＝q2
q=1,2,3,…
： 光波的相移系数，
L：谐振腔腔长
光功率
波长
（2）F-P腔激光器的分类
❖ 按制作激光器的材料分类: 短波长(0.85 m)波段，采用GaAs/GaAlAs 长波长(1.3 m～1.55 m) ，采用InGaAsP/InP
❖ 按垂直于PN结方向的结构分类： 同质结 单异质结 双异质结
(1) F-P腔的作用—建立光振荡
振幅条件：使激光器成为阈值器件
e (th- )2L • R = 1
th ：阈值时增益系数 ： 谐振腔内部工作物质的损耗系数 L ： 谐振腔腔长 R： 谐振腔两镜面反射率之积， R＝ R1 R2
增加增益的方法：加大注入电流
( ) = (N2 - N1)C2 g() / (8n22sp)
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
2、半导体激光器中增益区的形成
1) 晶体中载流子的统计分布 2) PN结的能带和增益区的形成
1、光的吸收和放大
（1）原子能级和晶体的能带
电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态， 称之为原子的不同能级。
折射率差对光子有限制作用
❖按平行于PN结方向的结构分类Fra bibliotek❖ 宽面LD （没有导向） ❖ 条形LD：台面条形
平面条形 （SiO2条形，质子轰击条形， Zn扩散条形等）（增益导向）
隐埋条形 （折射率导向）
在整个PN结面积上 均有电流通过的结构是 宽面结构；只有PN结 中部与解理面垂直的条 形面积上(10 m左右) 有电流通过的结构是条 形结构。
相位条件 ：使激光器的发射光谱呈模式振荡
2L＝q2
q=1,2,3,…
： 光波的相移系数，
L：谐振腔腔长
光功率
波长
（2）F-P腔激光器的分类
❖ 按制作激光器的材料分类: 短波长(0.85 m)波段，采用GaAs/GaAlAs 长波长(1.3 m～1.55 m) ，采用InGaAsP/InP
❖ 按垂直于PN结方向的结构分类： 同质结 单异质结 双异质结
(1) F-P腔的作用—建立光振荡
振幅条件：使激光器成为阈值器件
e (th- )2L • R = 1
th ：阈值时增益系数 ： 谐振腔内部工作物质的损耗系数 L ： 谐振腔腔长 R： 谐振腔两镜面反射率之积， R＝ R1 R2
增加增益的方法：加大注入电流
( ) = (N2 - N1)C2 g() / (8n22sp)
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
2、半导体激光器中增益区的形成
1) 晶体中载流子的统计分布 2) PN结的能带和增益区的形成
1、光的吸收和放大
（1）原子能级和晶体的能带
电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态， 称之为原子的不同能级。
最新第二章 激光与半导体光源 激光的原理、特性和应用 发光二极管与半讲学课件
激光技术已与多个学科相结合形成多个应用技术领域比如光电技术激光医疗与光子生物学激光加工技术激光检测与计量技术激光全息技术激光光谱分析技术非线性光学超快激光学激光化学量子光学激光雷达激光制导激光分离同位素激光可控核聚变激光武器等等
第二章 激光与半导体光源 激 光的原理、特性和应用 发光二
极管与半
§2-1 激光的工作原理
一、光的发射与光的吸收 当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之
差部分以光子形式发射出去，称光的发射； 当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能
级之差部分的光子能量，称光的吸收。 光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级
之差决定发射和吸收光子的频率
E2 E1
h
三、激光的工作原理 1、光学谐振腔
• 激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类： 激光诊断与激光治疗。当前激光医学的出色应用 研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激 光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激 光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维 内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术； 激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术； 激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科 及牙科方面的应用；弱激光疗法等。
一、能级的基本概念 能级：电子在原子的各层轨道上运动，在每个轨 道上都具有一定的能量，称能级。固体和气体介质 的能级是分立的。 能带：原子很多时，所有电子能级分裂，形成一 组密集的、有一定宽度的带状结构，称能级带，简 称能带。半导体材料的能级是能带。 能带分为价带、导带和禁带（带隙）。下图
导带：自由电子能带，没有自由电子时导带是空的
空间相干性：同一时刻，两不同位置点上的光 波的相干性。空间相干性取决于光的方向性，相干 长度与光束的发散角成反比。
第二章 激光与半导体光源 激 光的原理、特性和应用 发光二
极管与半
§2-1 激光的工作原理
一、光的发射与光的吸收 当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之
差部分以光子形式发射出去，称光的发射； 当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能
级之差部分的光子能量，称光的吸收。 光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级
之差决定发射和吸收光子的频率
E2 E1
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三、激光的工作原理 1、光学谐振腔
• 激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类： 激光诊断与激光治疗。当前激光医学的出色应用 研究主要表现在以下方面：光动力疗法治癌；激 光治疗心血管疾病；准分子激光角膜成形术；激 光治疗前列腺良性增生；激光美容术；激光纤维 内窥镜手术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术； 激光关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术； 激光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科 及牙科方面的应用；弱激光疗法等。
一、能级的基本概念 能级：电子在原子的各层轨道上运动，在每个轨 道上都具有一定的能量，称能级。固体和气体介质 的能级是分立的。 能带：原子很多时，所有电子能级分裂，形成一 组密集的、有一定宽度的带状结构，称能级带，简 称能带。半导体材料的能级是能带。 能带分为价带、导带和禁带（带隙）。下图
导带：自由电子能带，没有自由电子时导带是空的
空间相干性：同一时刻，两不同位置点上的光 波的相干性。空间相干性取决于光的方向性，相干 长度与光束的发散角成反比。
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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
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。
§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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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。
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
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
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。
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
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
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
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
氦氖激光器、二氧 化碳激光器、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
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。
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
Hale Waihona Puke inneo nine0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。