辐射传感器

二、半导体光源 半导体光源主要优点是体积小、 重量轻、可靠性高、使用寿命长，亮度 足够、供电电源简单等。
1、发光二极管
发光二极管 (LED) 的工作原理与激光器 (LD) 有所不同， LD 发射的是受激辐射光， LED 发射的是自发辐射光。 LED 的 结构和 LD相似，大多是采用双异质结 (DH) 芯片，把有源层夹
毫米波 (EHF) 厘米波 (SHF) 分米波 (UHF) 米波(VHF) 短波(HF) 中波(MF)
频率
10 22
电磁波谱
γ 射线
X 射线
波长
10
13
10
1T HZ 10 1G HZ 10 1M HZ 10 1K HZ 10
15
紫外线 可见光 红外线 微 波 雷达 高频电视 调频广播 无线电射频 电力传输
益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反 转分布，见图 (c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可 以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。
和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较 宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出 光功率线性范围宽， 而且制造工艺简单，价格低廉。因此， 这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。
（6）气体放电光源 在灯内充入某些气体，如氢、 氮、氘、氙、氪等，或金属蒸气如汞、 镉、钠等，当电流通过气体媒质在电极 之间(阴极和阳极)流过时，会激发气体 放电而发光称为气体发光，做成的光源 为气体放电光源。
。
气体激光器通常用于要求高度相干的系统 中。 最常用的气体激光源有：
工作波长为0.633 μm或1.15 μm的氦氖激光器， 工作波长为10.6μm的二氧化碳激光器， 工作波长为0.516 μm的氨离子激光器
－ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
这样，注入到有源层的电子 和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm 的有源层内形成粒子数反转
(b)
E 能 量
分布，这时只要很小的外加
复合
电流，就可以使电子和空穴 浓度增大而提高效益 。另一
空穴 n 折 射 率
异质势垒
方面，有源层的折射率比限
制层高，产生的激光被限制
～5 % (c)
在有源区内，因而电 / 光转换 效率很高，输出激光的阈值 电流很低，很小的散热体就 可以在室温连续工作。
两类发光二极管(LED) (a) 正面发光型； (b) 侧面发光型
•
E2 h f1 2 E1
初态 h f1 2
E2
终态 h f1 2
h f1 2
E1 (a) (b) (c)
(a) 受激吸收； (b) 自发辐射； (c) 受激辐射
受激辐射是受激吸收的逆过程。 电子在 E1 和 E2 两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能 量都要满足波尔条件，即 E2-E1=hf12 式中， h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数， f12 为吸收 或辐射的光子频率。
粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激
光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进
行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为 R1和 R2的平行反射镜 (如图所示)，并被称为法布里 - 珀罗(Fabry Perot, FP) 谐振腔。
(c)
～5 %
能扩散到 P 层。同理，注 入到有源层的空穴也不可 能扩散到N层。
(d)
P 光
DH激光器工作原理 (a) 短波长； (b) 长波长 (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
(a)
＋
P Ga1 －xAlxAs
P GaAs
N Ga1 －yAl y As 电子
钨丝的熔点约为3600K钨丝装在抽成 真空的或充有惰性气体的玻璃泡里，工作温度 通常在2200—3000 K。光源的亮度正比于辐 射体热力学温度的4次方，辐射光谱的蜂值波 长与辐射体的温度成反比。 由于碘、溴等卤素和钨结合，在高 温时又极易分解，把它们充入白炽灯中可以实 现卤钨再循环，从而提高灯丝的工作温度和发 光效率，这种灯即为卤钨灯或卤素订。与充气 白炽灯相比，灯壳不发黑，可始终保持近似恒 定的光通量，发光效率和寿命均有提高。
发光二极管具有如下工作特性：
(1) 光谱特性。
△ ＝7 0 n m
相对光强
1 30 0
波长 / n m
LED光谱特性
(2) 光束的空间分布。
在垂直于发光平面上， 正面发光型LED辐射图呈朗伯分 布， 即 P(θ)=P0 cosθ，半功率点辐射角 θ≈120°。侧面发光型 LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于 θ 大， LED 与光纤 的耦合效率一般小于10% 。
频率
波长
名称 紫外线 可见光线 (光纤通信用） 近红外线 远红外线 亚毫米波
1 00 THz 1 0 THz 1 THz 1 00 GHz 1 0 GHz 1 GHz 1 00 MHz 1 0 MHz 1 MHz
1 m 1 0 m 1 00m 1m m 10 m m 1 00 m m 1m 1 0m 1 00m
反射镜
光的振幅
反射镜 光 强 初 始 位 置 光

2n L (a)
输出 O X (b) L
(a) 激光振荡； (b) 光反馈
•
半导体激光器的结构多种多样，基本结构是 双异质结 (DH) 平面条形结构。这种结构由三 层不同类型半导体材料构成，不同材料发射 不同的光波长。
结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半导体， 称为有源层；两侧分别为 宽带隙的P型和N型半导体， 称为限制层。三层半导体 置于基片(衬底)上，前后 两个晶体解理面作为反射 镜构成法布里 - 珀罗(FP) 谐振腔。
(4) 频率特性。 τe为少数载流子(电子)的寿命
10
频率响应 H( f )
e＝1 .1 n s e＝2 .1 n s
0 .1 10 1 00 调制频率f / MHz
e ＝6 .4 n s
1 00 0
2 半导体激光器
半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反 转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大 而 产 生 激 光 振 荡 的 。 激 光 ， 其 英 文 LASER 就 是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射 的光放大 ) 的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开 始。
在 P 型和 N 型限制层中间，不同的是 LED 不需要光学谐振腔，
没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED， 另一类是侧面发光型LED，其结构示于图3.14。和正面发光型
LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，
但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光 功率比正面发光型LED大。
•PN
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
PN
(a) P - N结内载流子运动；(b) 零偏压时P - N结的能带图； (c) 正向偏压下P - N结能带图
自发辐射 电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P
区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增
1A 10 9 1nm 10
10
6
0
1μ m
1cm
12
2
9
10 0 1m 10 3 1km 10 5
6
3
1．常用热辐射源 (1)太阳。 太阳光是最重要的自然光源。太阳 表面温度很高，阳光穿过包围地球的大气时， 辐射强度和光谱特性均受到很大影响，并随地 理位置、季节、气候、时间的变化而有改变。 • 最大辐射波长为0.48um，约有一半辐射在 0.38~0.77um可见光波段.
He—Ne激光器容易达到单纵模工作，一 种方法是减小激光腔的长度．使得在激光带宽 内只发生一个振荡模。这种单模的线宽非常窄， 低到1kHz的宽度(相当于空气中300 km的相 干长度)。比较典型的线宽是几kHz。
（7）固体激光器 常见的固体激光器有红宝石激光器 (Ruby)、钕玻璃激光器(Nd：glass)和掺 钕亿铝石榴石激光器(Nd：YAG)。 三者各有其特点，以Nd： YAG激光器应 用最广。特别是用Nd； YAG晶体光纤 制成的小型激光器更是光纤系统的理想 光源。典型情况工作于1.064 μm波长.
第四章
4．1 辐射源 一、光源
辐射传感器
在光通讯和光电信息检测及控制系统 中，光是信息的携载者。光电系统中的辐射源 辐射的光谱范围是 紫外光波段为0.1—0.38um， 可见光波段为0.38—0.78um， 红外光波段为0.78—300um， 但光电系统广泛使用的波段小于20um。
部分电磁波频谱
(a)
＋
P Ga1 －xAlxAs
P GaAs
N Ga1 －yAl y As 电子
－
由于限制层的带隙比有源 层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注
(b)
E 能 量
复合
入有源层。 P 层带隙宽，
导带的能态比有源层高， 对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可
空穴 n 折 射 率
异质势垒
hc 1.24 Eg Eg
不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不 同的发射波长λ。镓铝砷 -镓砷(GaAlAs GaAs)材料 适用于 0.85 μm 波段，铟镓砷磷 - 铟磷 (InGaAsP InP)材料适用于1.3~1.55 μm波段。
GaAlAs
DH
(a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制
(2)地面。 地面从太阳辐射中吸收巨大的能量，使 地面温度升高，又以长波的形式辐射能量。 在地面通常的温度为200一300K时， 黑体90％的辐射能量在4—40um波段之间，
(3)天空。 地球周围的大气自身向地面辐 射能量，同时也向地面散射阳光的辐射。 晴朗天空的色温为20000一25000K，天 空辐射可视为灰体。当大气中引起散射 的粒子大小为光波长数量级时，天空散 射光的强度与光波长的四次幂成反比， 因此可见光短波的散射大于长波红光的 散射，故而天空辐射中蓝色占优势。
3 .5 3 .0
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 0 50 Ith 1 00 工作电流I / mA (a) 1 50
单面输出功率P / mW
2 .5
输出功率P / mW
0 20 4060 80 工作电流I / mA (b)
(a) 短波长AlGaAs/GaAs;
(3) 输出光功率特性。
在通常工作条件下，LED工作电流为50~100mA ， 输出 光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百μW。
15
发射功率P / mW
10
正面发光
5
侧面发光
0 0
1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 电流I / mA
发光二极管(LED)的P - I特性
(4)人体。 人体皮肤温度在32℃时，大 约有32％辐射能量在8~12um波段范 围，仅有1％的辐射能量在3.2um波 段内。人体辐射探测常是安全和军事 信息的重要任务，在医学诊断上也有 重要价值。
（5）白炽灯。 白炽灯是人们最熟悉的一种光源，它依靠电 能加热钨质灯丝，使它在真空或惰性气体 中达到白炽状态而发光，因此称为白炽订。 白炽灯发射连续光谱，在可见光谱段中部 和黑体辐射光谱仅相差 0.5％。它的发光特 性稳定，寿命长，容易使用，光辐射量值 复现性好， 除作光源照明外，也广泛用作传递辐 射度、光度量的标推光源。
2. 激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布， 远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。
W＝1 0 m
2 0 m
2 0 m
3 0 m
3 0 m
5 0 m 1 0 m 近场图样 0 .1 rad 远场图样
GaAlAs
DH条形激光器的近场图
3. 输出光功率特性
(b) 长波长InGaAsP/InP
4. 频率特性
1 00
相对光功率
10
(d)
P 光
半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带
时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV) hf=Eg 式 中 ， f=c/λ，f(Hz) 和 λ(μm) 分 别 为 发 射 光 的 频 率 和 波 长 ， c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数， 1 eV=1.6×10-19 J，代入上式得到