光电子技术第1章光源

3.球形超高压汞灯 很好的蓝绿光点光源。
二、钠灯 泡壳内充的是氖氩混合气体
与金属钠滴。
低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm 两条谱线的单色光源。
高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。
三、金属卤化物灯 泡壳内充的是
金属卤化物气体。 通过金属 铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。 卤化物循环， 镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。 金提属供原足子够气的体。钠铊铟灯（近碘白化色钠光、源碘, 色化温铊5、50碘0化K。铟）：
可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：
1W = 683 V(λ）lm ，定义：Km = 683 lm
/W
有关系式：
v () KmV ()e ()
v Km 0 V ()e ()d
⑷ 光出射度 M与v 光亮度 Bv
Mv
dv
dS
单位：lm /m2
Bv
dS
d 2v
cos d
dIv
dS cos
单位： cd/m2
Meb T Meb ,T d T 4 0
随着温度T的升高，
峰值波长 m 向短波方向移动，
总出射度 Meb T 迅速增加。
绝对黑体的温度决定了它的 辐射光谱分布
灰体：α(λ，T)＜1的热辐射光源， 具有与绝对黑体类似的辐射规律。
色温；相关色温
二、实际的热辐射光源
1.太阳与黑体辐射器
黑体辐射器：
非常接近于绝对黑体
科学制作的小 孔空腔结构， 可以很好地实 现绝对黑体的 辐射功能。
太阳的光谱分布
常用作标准光 源，最高工作 温度是3000K。
2.白炽灯与卤钨灯 灰体 钨丝做灯丝
白炽灯
玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μm。 可见光占6～12%，用于照明； 加红外滤光片可作为近红外光源。
I5
I4 = I3eGL = r2I1e2GL
I5 = r1 I4 =r1 r2I1e2GL (r1是镜1 反射率)
必须，I5 > I1，即: r1 r2e2GL ＞1 r1 r2e2GL ＞1 即为产生激光的阈值条件。
机理 特性 激光形成 激光的
•电泵浦或光泵浦； •造成工作物质中粒子数反转分布 ， 自发辐射引发受激辐射； •谐振腔对辐射光波选频放大。
1.4 激光器
20世纪激光的诞生标志着人类 对光子的掌握和利用进入了一个
崭新的阶段。
1.4.1 激光器概述
激光器的 基本结构
激光形成机理
（1）光与原子作用的三种跃迁 ❖受激吸收
处于低能态E1（基态）的原子，受 光照满足hν=E2—E1原子可能吸收 光子能量跃迁到高能态E2（激发态
）。 E2 E1
２、激光能产生最高的压强。光压强达3×1011大气压 ，可以实现激光聚变点火；
３、激光能产生最短的脉冲。780nm达4fs，相当该 光1.5周期进入强场物理领域，用超短激光脉冲研究光 合作用，能看到皮秒（1ps = 10-12s）或飞秒（1fs = 10-15s）内发生的变化；
４、最精密光刻。能制造最小的光机电一体化设备， 加工的最小机械零件从几微米到几十微米，制作的大 规模集成线路的线宽 可 达到50nm，测量精度 已 达 0.005μm；
实用单位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2
⑸ 光照度
Lv
Lv
dv dS
单位：lx（勒克斯） 1 lx =1 lm/m2
普适关系式：
XV
Km
0 V ()Xe ()d
三、光源的辐射效率与发光效率
辐射效率
e
e P
2 1
e
(
)
d
P
发光效率
v
v P
Km
0
e ()V ()d
P
单位： lm/W
了相干光的放大。
E2
E1
（2）产生激光的条件
❖①粒子数反转（前提条件） 热平衡下，原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律： Ni=Aexp（-Ei/kT）于是：N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT]
设 T=300K，E2-E1=10eV， 则 N2/N1=10-40。 故使受激辐射大于受激吸收, 必须: N2>N1 ， 即粒子数
要。
•激光二极管（LD）泵浦的固体激光器
LD泵浦:实现高效率的能量转换, 有端面泵浦和侧面泵浦。
卤钨灯
石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。
色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。 发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)，
作仪器白光源.
基本结构
1.3 气体放电光源
泡壳：用玻璃或石英等材料制造； 电极：阴极、阳极或不区分（交流灯） 泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、
发光二极管
1.1 辐射度学与光度学的 基础知识
介绍描述光辐射的一套参量
一、辐射度的基本物理量
1.辐射能 Qe 单位为J（焦耳）
2.辐射通量 e 又称辐射功率
单位为W（瓦、焦耳每秒）
3.辐射强度 Ie ,描 述点辐射Fra Baidu bibliotek的辐射
功率在不同方向上的分布。
Ie ( ,)
de d
单位: W sr （瓦每球面度）
输出波长2.94μm,用于激光医疗。
Ho3 :YAG
输出波长2.1μm,用于激光医疗 ,空间光通信。
•可调谐的固体激光器
Ti 3 : Al2O3
输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm，峰 值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。
Cr 3 : BeAl2O4
可调谐范围700-800nm。采用调Q技术， 输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重
4.辐射出射度 M与e 辐射亮度 Be ,
Me
de dS
单位：W m（2 瓦每平方米）
Be ( ,）
dS
d 2e
cos d
dIe ( ,) dS cos
W
单位： sr m2
（瓦每球面度平方米）
M e 的定义
5.辐射照度 Le
Le
de
dS
Be , 的定义
单位：W m（2 瓦每平方米）
6.光谱辐射量
1.4.2 固体激光器
介绍几种代表性的固体激光器
•YAG激光器 基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，
使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。
Nd 3 : YAG
输出波长1064nm，加倍频技术可输出532nm。 已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加 工、激光医疗、科学研究之中。
Er3 : YAG
E2有可能积聚大量粒子，从而受激辐射。
❖②光学谐振腔（必要条件） 工作物两端对称地放置两反射镜。
无谐振腔的受激辐射方向 是随机的。
有谐振腔，偏离腔轴线的光子 来回几次后最终逸出腔外。
而沿轴线的光子来回反射，被 增益介质连锁式光放大。
❖③阈值条件（决定性条件） 有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光。
⑴ 光能 Qv
单位：lm·s（流明·秒）
⑵ 光通量 v
⑶ 发光强度 Iv 发光强度 Iv
单位：lm （流明）
Iv
单d位：v cd（坎德拉） d
是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：
555时n，m
1cd
1lm sr
1W 683
sr
即：1W = 683 lm 此时，V(λ）=1
555nm 时， V(λ）＜1 1W ＜683 lm
❖自发辐射
处于高能态的原子不稳定，
E2
要自发从E2跃迁到E1，并发
射一光子，光子能量满足
E1
hν=E2—E1。
❖受激辐射
处于高能态的原子，在自发辐射之前，受外来光子 的诱发，在E2 跃迁到E1 的同时，发射一个与外来 光子全同的（同方向、同频、同相位、同偏振）光 子。依次不断地得到大量特征相同的光子，就实现
金属化合物蒸气、惰性气体
发光机理：气体放电。
气体放电光源的特点：
① 发光效率高,节能。 ② 电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。
③ 寿命长，比白炽灯长2～10倍。
④ 辐射光谱可以选择，只要选用适当 的发光材料。
一、汞灯 泡壳内充汞蒸气
1.低压汞灯 作253.7nm紫外光源； 作荧光灯（…日光灯）。
2.高压汞灯 可见辐射加强，呈带状 光谱，可作高效照明光源。
５、激光能产生最大的信息量。目前已接近3T（ Tera即1012）目标，即通信传输容量T bit/s，运 算速度T bit/s，三维立体存储密度T bit/cm3 ；
６、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目 前理论证明的最安全的通信系统，目前美国、日本、 瑞士等几个国家建立了量子通信系统；
７、激光能产生最低的温度。激光冷却可将原子冷却 到20nK，接近绝对零度，量子冷却到基态，为量子 光学和量子力学的实验研究准备了条件 。
已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到 远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。
1.气体激光器
工作物质是气体或金属蒸气，通过气体 放电实现粒子数反转。 工作物质（气体）均匀性好，输出光束 的质量相当高。
2.固体激光器
工作物质是掺杂的晶体 或光学玻璃，光泵浦。 有脉冲输出激光器和连 续输出激光器。
主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、 坚固可靠和使用方便。
高亮度、方向性好、单色性好 和相干性好
激光将对21世纪的科技腾飞和产业 革命产生深远的影响！
激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通 道，在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹，在高 新科学技术记录中创造了许多之最：
１、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲 功率达13×1015 W，亿度以上高温，能焊接、加 工和切割最难熔的材料；
3.染料激光器
工作物质是有机染料溶液，光泵浦。 输出激光波长可以在很宽范围内调谐，有极好的 光束质量。 有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。 可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MW。
4. 半导体 激光器 （ LD）
工作物质是半 导体材料形成 的P-N结。
与结平面垂直的晶体解 理面构成F-P谐振腔。
辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。
e ()
de
d
光谱辐射通量e ()与波长的关系
e 0 e ()d
其它辐射度量都有类似关系。
二、光度的基本物理量
1.光谱光视效率V(λ): 人眼对各种光波长的 相对灵敏度
详见表1.1
2.光度量 光度量与辐射度量是一一对应的。
辐射度量是客观物理量， 光度量体现了人的视觉特性。
第1章 光源
1.1 辐射度学与光度学的基础知识 1.2 热辐射光源 1.3 气体放电光源 1.4 激光器 1.5 发光二极管(LED)
一切能产生光辐射的辐射源都称为光源 ➢ 天然光源 ➢ 人造光源
电磁波谱
按照发光机理， 热辐射光源白太炽阳灯、、黑卤体钨辐灯射器 需类光要用便光光光机场正源要特源源理合确。了性的的、，选解、分发重以用各适类：光源发 激 气光 体 光二 放 器极 电 固 光半 染 气管 光纤体 导 料 体源 激激 体 激 激光光 激 氘 氙 金 汞 光 钠 光器器 光 属 灯 灯 灯 器 灯 器卤 器化物灯
四、氙灯 泡壳内充的是是惰性气体—氙。
色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。
长弧氙灯: 大范围照明
光源
短弧氙灯: 日光色点光源
脉冲氙灯:
脉冲时间极短（nS～pS)，光很强,用于 光泵、光信号源、照相制版、高速摄影
五、氘灯 泡壳内充有高纯度的氘气
灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长， 常用作连续紫外光源（185～400nm）。
反转。
实现反转的物质叫激活介质（或者叫激光工作物）。
激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫 “泵浦”。
激活介质本身必需要有适当的能级结构。
例如激光的三能级系统: E3 E2
泵浦
E1 泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3。 E3不稳定(平均寿命约10-8s)，无辐射跃迁到亚稳态E2 （平均寿命约10~3~1s）。
1.2 热辐射光源
由于内部原子、分子的热运动而产 生辐射的光源
辐射光谱是连续光谱
一、理想的热辐射光源 α(λ，T)=1 —绝对黑体
在热平衡条件下
Meb ,T ,T Leb ,T
绝对黑体热辐射能力最强。
普朗克公式
M eb (,T）
c1
5 (ec2 T
1)
维恩位移 定律
m
hc 5kT
斯蒂芬—玻尔兹曼定律
虽然激活介质能使光得到增益放大；但介质吸收、 散射；端面发射、透射等会产生光能损耗。
只有当光在腔内来回一次，增益大于损耗才能产生激光。
描述工作物对光的放大能力, 用 I=IoeGx (G是增益系数)。
I1 I2
于是, I2 = I1eGL
I4 I3
I3 = r2I2 = r2I1eGL (r2是镜2 反射率)
主要优点
对P-N结正向注入电流或光泵浦， 可激发激光。
体积小，重量轻，易调制，功耗低； 波长覆盖面广（0.33～44μm）； 能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。
5.光纤激光器
工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐 振腔有多种形式。
是近年来发展起来的新型激光器，具有一 系列独特的优点。在光通信系统、光能源 系统中都有重要作用。