chapter 2 深圳大学 光电检测技术 课件

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1、光电检测系统的发光光源光电检测系统的发光光源文 侨E-mail: 深圳大学光电工程学院334房间光电检测技术光电检测技术课程课程2光电检测系统中的发光光源 典型光电检测系统的组成结构示意图 光源在光电检测系统中的作用：作为载波，携带被测信息光电检测系统对光源的要求： 空间分布强度、稳定性频谱分布频谱分布3光谱功率分布 光谱功率分布：表征光频率与功率的关系四种常见光功率谱分布图线状光谱带状光谱连续光谱混合光谱低压汞灯高压汞灯白炽灯卤素灯荧光灯4空间发光强度分布一般光源的发光强度在空间各个方向上不相同光源配光曲线矢量长度与该方向的发光强度呈正比，各矢量端点连线形成配光曲线5色温：光电温度计颜色与色

2、温色温：如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出 的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。色表：人眼直接观察光源时所看到的颜色显色：表征光源照明物体时所显示的颜色与该物体在 完全辐射照明下所呈现的颜色的差异性开尔文(19C 英国物理学家)色温通常用开尔文温度(K) 瞄准作用6光源的分类7光源的光谱氙灯:属于脉冲放电氙灯色温接近日光，小太阳之称。适合用于照相 氙灯光谱分布8光源的光谱汞灯：科研中常用高压汞灯高压汞灯光谱分布 254nm激发荧光粉制作日光灯激发荧光粉制作日光灯 9金属卤化灯 （常用在路灯）金属卤化灯的光谱 金属卤化灯的光谱与高压汞灯类似金属卤化灯的光谱与高压汞灯

3、类似光源的光谱10LED (Light Emitting Diode 发光二极管)LEDs 光谱 光源的光谱11自发辐射自发辐射过程示意图各向同性12EEhv（h为Planck常数）低能级高能级、初始相位随机、偏振方向无序自发辐射光为非相干光自发辐射光为非相干光辐射光子的能量自发辐射特点:相干光源基本知识光与物质相互作用12受激吸收条件：入射光子hv=E2-E1受激吸收受激吸收过程示意图相干光源基本知识光与物质相互作用13受激辐射过程示意图受激辐射特点特点: :相同的方向受激辐射相当于受激辐射相当于“克隆克隆”光子光子受激辐射光为相干光受激辐射光为相干光、频率 、位相 、偏振态等相干光源基本知

4、识光与物质相互作用14非相干光非相干光入射光入射光 h= E2-E1自发辐射E1E2hv受激吸收受激辐射 光与物质相互作用三种过程的比较hvE1E2hvhvE1E2hv相干光相干光无光辐射无光辐射入射光入射光 h= E2-E1无需入射光无需入射光发生条件发生条件：辐射出辐射出：能量转移能量转移：粒子粒子光子光子粒子粒子光子光子光子光子粒子粒子发生几率发生几率： 原子能级特征原子能级特征原子能级特征原子能级特征 与入射光子与入射光子原子能级特征原子能级特征 与入射光子与入射光子相干光源基本知识光与物质相互作用15相干光源基本知识谐振腔激光谐振腔的作用：提供反馈提供反馈纵模 选频选频确定腔内光斑半

5、径分布确定腔内光斑半径分布优化传播方向优化传播方向选横模选横模圆形横模 方形横模 激光谐振腔内光斑半径分布图n16激光器的一般组成电源谐振腔镜子聚光腔作用物质 泵浦灯 激光的工作原理 n17能量转换电气电气- -光转换光转换过程损失过程损失光谱不配合及光谱不配合及传达过程损失传达过程损失冷光量子转冷光量子转换损失换损失模式不配合及模式不配合及各种谐振腔损失各种谐振腔损失电气能电气能泵浦光能泵浦光能吸收能吸收能量子能量子能激光激光聚光腔聚光腔谐振腔谐振腔工作物质工作物质泵浦泵浦光源光源泵浦光泵浦光受激辐射受激辐射激光激光聚焦光聚焦光电气能电气能泵浦系统泵浦系统激光的工作原理 n18n研究生正在开

6、发的超短脉冲激光样机研究生正在开发的超短脉冲激光样机n19n研究生正在开发的超短脉冲激光样机研究生正在开发的超短脉冲激光样机n20激光器实物图n2022-5-23n21激光器的图片激光器的图片n2022-5-23n22n2022-5-23n23n2022-5-23n24n2022-5-23n25n红绿蓝多色激光器红绿蓝多色激光器n2022-5-23n26n2022-5-23n27n2022-5-23n28n2022-5-23n29n2022-5-23n30n2022-5-23n31n2022-5-23n32n2022-5-23n33n2022-5-23n34n2022-5-23n35n全反镜n

7、激光二极管（LD）n耦合系统n半反镜nYb:YLPn光纤n光纤激光器n飞秒激光器工作时放大级Spitfire的工作实况n实验室激光部的飞秒激光系统n38高功率飞秒激光系统脉宽：30fs峰值功率：286TW峰值强度: 11020W/cm2（f/1.7）SILEX-I极光III号脉宽：40fs, 峰值功率：200TW峰值强度：1020W/cm2这是国内目前可进行实验的最高光强深圳大学：脉宽50fs，峰值功率2TW，聚焦后峰值强度可达21018W/cm2假定光斑半径为10umn39FacilityPeakPowerTypePulse durationPulse EnergyRAL, UK1PWNd:

8、glass/OPCPA600fs600JILE, Japan700TWNd:glass/OPCPA700fs350JJAERI, Japan850TWTi:sapphire33fs28JMBI, Germany100TWTi:sapphire50fs5JPhelix,Germany1PWTi:s/Nd:glass500 fs500 JLLNL, USA200TWTi:sapphire100fs20JLULI, France100TWNd:glass300fs30JCEDEX, France100TWTi:sapphire25fs2.5JSILEX-I (四川)286TWTi:sapphire3

9、0fs8.7JXL-III（北京）200TWTi:sapphire40fs10.8JQG-III (上海)120TWTi:sapphire34fs4.3J深圳大学2TWTi:sapphire 0 时，价带中填充的电子数多，导带中填充的电子数少。时，价带中填充的电子数多，导带中填充的电子数少。由于某种原因（如温度升高），电子从价带提升至导带，价带中由于某种原因（如温度升高），电子从价带提升至导带，价带中就因失去电子而存在带正电的空穴。就因失去电子而存在带正电的空穴。电子和空穴都称为载流子。电子和空穴都称为载流子。掺杂半导体掺杂半导体N型半导体型半导体 依靠电子导电依靠电子导电P型半导体型半导体

10、依靠空穴导电依靠空穴导电712、半导体受激发射的条件、半导体受激发射的条件如果频率为如果频率为 v 的光在半导体内传播，在光场的作用下，导带的光在半导体内传播，在光场的作用下，导带中的电子向价带跃迁，与空穴复合，造成一个导带电子和一中的电子向价带跃迁，与空穴复合，造成一个导带电子和一个价带空穴同时湮灭，发射出一个能量为个价带空穴同时湮灭，发射出一个能量为 hv 的光子。的光子。产生受激发射并得到放大的条件是：导带能级上被电子占据产生受激发射并得到放大的条件是：导带能级上被电子占据的几率大于与辐射相关的价带能级上被电子占据的几率。的几率大于与辐射相关的价带能级上被电子占据的几率。即实现粒子数反转

11、。即实现粒子数反转。 粒子数反转分布的区域称为粒子数反转分布的区域称为“有源区有源区”或者或者“激活区激活区”实现半导体中粒子数反转分布的一个简单方法是利用实现半导体中粒子数反转分布的一个简单方法是利用PN结的结的特征。令一块特征。令一块N型半导体和一块型半导体和一块P型半导体相接，在其结合处型半导体相接，在其结合处形成形成PN结。在结。在PN结上加正向电压后，电子将从结上加正向电压后，电子将从N区的导带被区的导带被注入注入P区，空穴从区，空穴从P区的价带被注入到区的价带被注入到N区。注入电子的位能区。注入电子的位能比空穴的位能高比空穴的位能高Eg，当电子从导带跃迁到价带而复合时，这，当电子从

12、导带跃迁到价带而复合时，这部分能量将以光的形式释放出来。部分能量将以光的形式释放出来。72n （1）气体激光器。所使用工作物质为气体，有氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器。激光器的分类（总结）n（2）固体激光器。所使用的工作物质是具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺如具有发射激光能力的金属离子。有Nd:YAG，Nd:YVO4，钛宝石激光器73n （3）染料激光器。以染料为工作物质，染料溶解于某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光。 n （4）半导体激光器。半导体激光器的工作物质是半导体材料。激光器的分类（总结）74n （1）单频激光器单频激光器n （2）多

13、纵模激光器n （3）锁模激光器n （4）调Q激光器激光器的分类（总结）75n （1）单色性单色性激光器特性（总结）He-Ne激光器发出632.8nm光，对应频率为4.71014Hz,谱宽9 91010-2-2HzHz 而普通气体放电管发出同样频率的光，谱宽1.521.5210109 9HzHzn（2）方向性He-Ne激光器比目前单色性最好的气体放电光源氪灯小四个数量级小四个数量级探照灯只能照射几公里几公里，He-Ne激光器可以照射地球到月球地球到月球。探照灯照明照射不到十公里时，光束扩大为直径几十米直径几十米； He-Ne激光传播几十公里，仍可得到一条细而亮的笔直光束一条细而亮的笔直光束。76

14、激光器特性（总结）n（3）高亮度激光器亮度比太阳高几个乃至十几个数量级高几个乃至十几个数量级超短脉冲技术的发展是激光亮度呈几何级数增长呈几何级数增长n（4）相干性相干长度长达几十到几百公里几十到几百公里单频或锁模激光器相干性更高相干性更高激光安全激光安全 激光对人体可能产生的损害激光对人体可能产生的损害 激光的安全级别分类激光的安全级别分类 防护措施防护措施 激光器的保护激光器的保护78 激光对人体可能产生的损害激光对人体可能产生的损害激光安全问题激光安全问题激光笔（1mW） 会损害视网膜视网膜,但人眼反应可使眼睛得到保护小功率Nd:YAG激光（100mW） 不可见，人眼无反应，损害更大小功率

15、脉冲Nd:YAG激光 即使平均功率很小，也会造成损害大功率Nd:YAG激光（10W） 烧伤皮肤和衣服烧伤皮肤和衣服79 激光对人体可能产生的损害激光对人体可能产生的损害250 瓦激光（1英寸/每秒移动）250瓦激光（单脉冲）热狗鸡翅80 激光对人体可能产生的损害激光对人体可能产生的损害 眼睛眼睛：眼角膜和视网膜造成损害 皮肤皮肤：烧伤皮肤，紫外波段(290-320 nm)有致癌作用 化学危害化学危害：一些激光器（如染料激光器，准分子激光器）使用有毒物质 电学危害电学危害：高压放电，如He-Ne激光器 火灾火灾：高功率激光器可点燃一些易燃物81 激光的安全级别分类激光的安全级别分类1类（500m

16、W）u 对眼睛和皮肤是有危害u 可造成散射或燃烧危害u 使用危险标识使用危险标识3 3 类（1mW-500mW）u 在直接和镜面反射条件下观察可能有害u 不存在散射危害或燃烧危害u 使用危险标识使用危险标识83 防护措施防护措施对200 nm-540 nm的透过率T1% 绿光/蓝光防护镜 注意防护的波段 84 防护措施防护措施注意所使用激光的安全分类的级别安全分类的级别使用激光防护镜防护镜实验时，眼睛切勿勿与光路在同一平面同一平面注意感光卡的反射光感光卡的反射光当眼睛眼睛感觉到酸痛酸痛时，说明眼睛受到损害85 激光器的保护激光器的保护 注意冷却水或TEC制冷制冷是否正常工作 半导体激光器要注意防止静电静电 防止反馈光路反馈光路耦合回激光器（镜子稍微倾斜、大功率使用隔离器） 保持光学元器件清洁清洁86今日作业今日作业 无无