第2章光学仪器中的常用光源.ppt

发光原理 对PN结正向注入电流，P区空穴向有源区扩散，N区电子向有源区扩散，结果电子与空穴在有源区复合，以一定频率的光能释放出来。 发光二极管的结构是半导体PN结。结与结之间是产生荧光的复合区，叫有源区。 LED的体积小，结构简单，耗电少，寿命长，造价低，是应用广泛、前景诱人的重要光源。 LED与LD的根本区别在于：LED发光是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；LD是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干光——激光。 一、LED的材料与构型 用于光显示和光电检测。 GaP，Eg=2.24eV，峰值波长555nm，绿光。 GaP:N，掺N量不同，可发绿光(568nm) 或黄光(590nm)。 发光二极管的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。 GaP:ZnO，GaP中掺锌、氧，峰值波长700nm，红光。 GaN，LED的有源层是INGaN多量子阱，随组分的差异可发蓝光（450nm）和发紫光（400nm）。 GaAs， Eg=1.43eV ，峰值867nm，近红外光。 GaAs 1-xPx，GaAs与GaP按比例 (1-x) :x 混合的晶体。GaAs0.6P0.4，发光效率高，响应速度快，记为GaAsP。峰值波长650nm，红光，用得较普遍。 InGaAsP，峰值波长1.3μm、1.55μm。 用于短距离光纤通信。 LED采用双异质结、量子阱结构 分为：面发光型－发光功率较大 边发光型－易与光纤耦合 面发光型LED的光输出 面发光型LED用于光显示 边发光型LED用于短距离光纤通信 二、LED的主要工作特性 谱线宽度Δλ在几十～上百μm。 为发光光谱的峰值波长。 P-I 特性 I: 10～数十mA P: 几百μW～mW P-I特性曲线的线性区很宽。 光谱特性 调制特性 可以直接调制 边发光型在几百MHZ面发光型在几十MHZ 调制带宽: 三、发光二极管的应用 LED体积小、寿命长（可超过10万小时）、耗电少，能与集成电路共电源、使用方便，应用广泛。 (1).仪器仪表指示灯、数码显示、广告显示屏等。 (2).GaAs LED，发光波长867nm，与硅光探测器有最佳光谱匹配，成为各种遥控器、光电耦合器、光电检测系统关键器件。 (3).红、绿、蓝LED在用于交通信号灯中，耗电只是白炽灯(加滤光片)的12％, 且寿命长，节约大量人力、财力。 以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 (4).汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 (5).超高亮度 (法向亮度在1000mcd以上)的红、绿、蓝LED, 使得众多的体育场馆、金融证券、机场、车站、码头等全彩色动态显示成为现实。 (6).氮化物蓝、绿LED可生长成白光LED，将取代白炽灯、日光灯，从而带来照明革命。 对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λ=465nm，谱宽=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。 将带来21世纪宏伟的照明革命！ 白色LED照明灯 地砖灯 礼品灯 手电筒 路灯 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。 只有当光在腔内来回一次，增益大于损耗才能产生激光。 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。 描述工作物对光的放大能力, 用 I=IoeGx (G是增益系数)。 于是, I2 = I1eGL I1 I2 I3 I4 I5 I3 = r2I2 = r2I1eGL (r2是镜2 反射率) I4 = I3eGL = r2I1e2GL I5 = r1 I4 =r1 r2I1e2GL (