以GaAs双异质结激光二极管为例.PPT

本讲提要 传感器用的主要光源、发光机理及其特性。 光纤通信所以成功的两个主要原因 低损耗光纤的问世 激光源的问世 光纤传感器所用光源必须与光纤传感器的特点相容 体积小，便于和光纤耦合。 光源发出的光波长的选择，应尽量减小在光纤中传输的能量损耗。 光源有足够大的功率，以保证质量合适的光到达探测器，确保足够大的信噪比。 具有良好的稳定性，可在室温下连续长期的工作。 使用寿命长。 价格低。 光子的基本属性 光具有波粒二象性，研究光与物质的相互作用时，其粒子属性较为明显。 光子的能量ε与光频率γ的关系：ε=hγ; h为普朗克常数。 光子静止质量：m=0 光子运动质量：m=ε/c2 光子动量p=mc 光子具有两种可能的偏振态 光子具有自旋 原子能级和简并度 原子的能量由周围轨道上运动的电子的动能和势能之和表示。特定原子的能量只能取特定的某些分离值，称为能级。 基态：能量最低的能级状态。 激发态：能量高于基带的其他能级状态。 简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。 原子的分布 热平衡状态下，绝大多数原子都处于较低的能级，只有少量原子处于高能级。 服从波尔兹曼分布： k=1.38*10-23波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝对温度；Ni为处在Ei能级的原子数；gi为Ei能级的简并度。 光与物质相互作用的三种基本过程 光的自然辐射 光的受激辐射 光的受激吸收 光的自然辐射 处在高能级E2的原子，在没有外界的影响下，自发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时释放出能量为hγ的光子，且： hγ= E2-E1 特点： 自发发射只存在从高能级到低能级的过程,从E1到E2自发跃迁率为零。 不受外界的影响，不能人为控制。 自发跃迁概率和光场强度无关 光的受激辐射 处在高能级E2的原子,受到外来能量ε=hγ= E2-E1的光照射时，由于外来光的激励而跃迁到低能级E1，同时释放出一个与外来光子完全相同的光子。 特点： 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激辐射。 受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同。外来光得到了放大。 受激辐射的光为相干光。 受激辐射概率和感应光场的强度成正比。 光的受激吸收 处在低能级E1的原子吸收外来能量ε=hγ= E2-E1，由于外来光的激励而跃迁到高能级E2。 特点： 外来光子能量满足ε=hγ= E2-E1时，才能引起受激吸收。 与光的受激辐射过程相反，且发生的概率相同。 受激吸收概率和感应光场的强度成正比。 吸收媒质 N2 ＜ N1，在这种媒质中，受激吸收过程占主要地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。当原子系统处于热平衡时，有  式中:k是玻尔兹曼常数;K是绝对温度。 在热平衡系统中，N2总是小于N1，光波总是被吸收。 放大媒质 N2 ＞N1，在这种媒质中， 受激辐射占主导地位， 光波经过媒质时强度按指数规律增加，光波被放大。N2 ＞ N1的媒质是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转或集居数反转，这种媒质对应于激光型放大的情况。 光的放大 外界向物质提供能量，使得物质处于非热平衡状态时，实现集居数的反转，从而为光放大提供了条件。用强光来进行激励时，则称为光泵浦。 在外界激励下，受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同。外来光得到放大。 几种主要的光源 光源分为两大类： 相干光源：基于原子受激辐射发光，例如：激光器 非相干光源：基于原子自发辐射发光，例如：白炽灯，半导体发光二极管 白炽灯------非相干光源 热光源的一种，它是靠电能加热金属丝，使得它在真空或者惰性气体中达到白炽状态而发光。 光谱范围：400~3000nm，光谱最大值的位置取决于炽热体温度。 灯丝：钨 优点：熔点高，电阻大，蒸发率小，强度大，加工容易。 缺陷：提高灯丝的温度，可以提高发光效率，但是钨在高温下，挥发快，灯丝变细，玻璃壳发黑，影响亮度，影响寿命。 改进：卤钨灯 优点：灯丝蒸发出来的钨分子，在管壁附近与卤族元素化合产生挥发性的卤化钨分子，卤化钨分子扩散到高温的灯丝附近，再次分解为卤族元素和钨分子，实现了钨分子的再生循环。光通量稳定、寿命长。 缺点：价格昂贵，管壁温度高。 激光器—相干光源 产生激光震荡的三个要素： 激光物质，光谐振器，激发装置 激发装置：将能量输入激光物质，使其实现原子数反转。用强光进行激励时，则称为光泵浦。 光谐振器：提供光学正反馈,控制震荡光束的特性 激光物质：激光器的核心，处于集居数的反转状态，通过一连串的连锁反应（自发辐射 受激辐射 受激辐射）产生受激辐射。 激光的特性 单色性：用频