三 . 光 源

1. 三. 光 源

2. 外界参量 信号 调制 光探 测器 光 源 信号 处理 光纤 光纤

3. 本讲提要 • 传感器用的主要光源、发光机理及其特性。

4. 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 光纤传感器中，光源具有同样重要的地位。

5. 光纤传感器所用光源必须与光纤传感器的特点相容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。

6. 发光机理 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

7. 发光机理 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。

8. 发光机理 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。

9. 发光机理 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

10. 发光机理 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

11. 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。

12. 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。

13. 原子的自发辐射、受激吸收和受激辐射

14. 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。

15. 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。

16. 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。

17. 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

18. 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。

19. 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。

22. 激光的特性 • 单色性：用频谱分布的宽度，即谱线宽度来表示，频带越窄，光源单色性越好。 • 相干性：不同时刻空间不同点上两个光波场的相关程度。激光的高度空间相干性使得激光束在空间发散角极小。 • 方向性：空间发散角小。不同类型的激光器方向性的差别很大，它与工作物质良好的均匀性，光腔类型，腔长、激励方式等有关。 方向性由好到差依次为： 气体激光器，固体激光器，半导体激光器 • 高强度：高的输出功率。

23. 固体、气体激光器 • 固体激光器：激光物质为固体，可以产生很高的脉冲功率；适用于传感和信号处理系统中高功率相干光源。 • 气体激光器：激光物质为气体，可以产生很高的连续功率。适用于要求高度相干光源的传感器。

24. 固体激光器示意图

25. 类 型 • 固体激光器： Nd:YAG激光器（钕钇铝石榴石晶体激光器） 波长---1.06um • 气体激光器： He-Ne激光器 波长---0.6382um, 1.15um Ar离子激光器 波长---0.516um CO2激光器 波长---红外波段 KrF激光器 波长---248nm

26. 半导体光源 • 半导体晶体的特点是许多离散的能级形成能带。能带分为价带、导带和禁带。本征（纯净）半导体在绝对零度的理想状态由一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的导带组成，二者之间是禁带。这时半导体是一个不导电的绝缘体。但是，本征半导体的禁带宽度较小，在热运动或其他外界因素的作用下,价带的电子激发跃迁到导带.这时导带有了电子,价带有了空穴，使本征导体形成导电特性。

28. 在热平衡时，电子在能带中能级上的分布服从费米分布，即能级E被电子占据的几率为：在热平衡时，电子在能带中能级上的分布服从费米分布，即能级E被电子占据的几率为： 式中， 是费米能级。它是半导体能级的一个特征参数，并非实在的能级，由介质材料掺杂浓度和温度决定，反映电子在能级上的分布情况。对本征半导体，费米能级在禁带宽度中间位置。K是波尔兹曼常数，T是绝对温度。

29. PN结的形成 • 半导体材料加进施主杂质时，成为含有大量自由电子的N型材料。 • 半导体材料加进受主杂质时，成为含大量空穴的P型材料。 • 如果一块晶片采用不同掺杂工艺使一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在P型和N型交界处形成PN结。

30. PN结

31. PN结具有单向导电性 • PN结正向偏置：外加电压打破了原来的动态平衡。扩散运动超过了漂移运动，P区的空穴将通过PN结源源不断地流向N区，N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。同时通过自发发射或受激辐射复合和发光。 • PN结反向偏置：外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。

32. 当注入电子在PN结附近与空穴复合时，将发出某种光频率的电磁辐射。复合发出的光波波长由禁带宽度 决定 • 式中， 是普朗克常数， =4.13570*10-15；c是光速； 是取决于半导体材料的固有值。

33. 并非所有材料在诸如电子与空穴复合时都发出有用的光波。在电子和空穴复合时，也有一些材料释放的能量变成热耗散没有产生光，有一些则可能一部分变成热能而另一部分产生光。半导体砷化镓（GaAs）等材料在诸如电子和空穴复合时，发出有用的光辐射概率很大，因此被广泛的用作为半导体发光材料。并非所有材料在诸如电子与空穴复合时都发出有用的光波。在电子和空穴复合时，也有一些材料释放的能量变成热耗散没有产生光，有一些则可能一部分变成热能而另一部分产生光。半导体砷化镓（GaAs）等材料在诸如电子和空穴复合时，发出有用的光辐射概率很大，因此被广泛的用作为半导体发光材料。

34. Bandgap Energy and wavelength of various semiconductors各种半导体材料的带隙能量和发光波长 Gallium: 镓 Phosphide: 磷化物 Aluminum: 铝 Arsenide: 砷化物 Indium: 铟

35. 带隙辐射时导带中多余电子降至价带的结果，属于自然辐射（常称为荧光）。由于自然辐射的复合发光机构、相位和辐射方向是不可能完全相同的，能捕获参与辐射的载流子的能级也很多，因此，自然辐射产生的光不会具有单一的发光波长。发光二极管的发光就是基于自然辐射。带隙辐射时导带中多余电子降至价带的结果，属于自然辐射（常称为荧光）。由于自然辐射的复合发光机构、相位和辐射方向是不可能完全相同的，能捕获参与辐射的载流子的能级也很多，因此，自然辐射产生的光不会具有单一的发光波长。发光二极管的发光就是基于自然辐射。

36. 当自然辐射所产生的光子通过晶体时，一旦经过已激发的电子附近，该电子就以某种几率受到光子的激励，来不及自然辐射就和空穴复合放出新的光子。这种由光子诱使以激发电子复合而放出新光子的现象，称为受激辐射。如果注入电流足够强，形成和热平衡状态相反的电子分布（粒子束反转分布），这样就能形成很大的辐射密度。除克服吸收、散射等损耗外，自然辐射的光激励电子复合过程，被受激励辐射加速，激光作用开始，再加上反射反馈，便产生激光。半导体激光二极管的发光就是基于这种受激辐射。当自然辐射所产生的光子通过晶体时，一旦经过已激发的电子附近，该电子就以某种几率受到光子的激励，来不及自然辐射就和空穴复合放出新的光子。这种由光子诱使以激发电子复合而放出新光子的现象，称为受激辐射。如果注入电流足够强，形成和热平衡状态相反的电子分布（粒子束反转分布），这样就能形成很大的辐射密度。除克服吸收、散射等损耗外，自然辐射的光激励电子复合过程，被受激励辐射加速，激光作用开始，再加上反射反馈，便产生激光。半导体激光二极管的发光就是基于这种受激辐射。

37. 在光电器件中,自发发射、受激辐射和受激吸收过程总是同时出现的。但对于各个特定的器件,只有一种机理起主要作用。这三种作用机理对应的器件分别是：发光二极管、半导体激光器和光电二极管。在光电器件中,自发发射、受激辐射和受激吸收过程总是同时出现的。但对于各个特定的器件,只有一种机理起主要作用。这三种作用机理对应的器件分别是：发光二极管、半导体激光器和光电二极管。 • 工作在荧光区的半导体光源称为半导体发光二极管（Light Emitting Diode）或LED； • 工作在激光区的半导体光源称为半导体激光二极管（Laser Diode）或LD。

39. Light Emitting Diode (LED)半导体发光二极管 • 发光二极管是用导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。 • 工作原理：它的发射过程主要对应光的自发发射过程。当注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光。——非相干光。

40. LED的PI特性曲线

41. 结构和分类 • 按光输出的位置不同，发光二极管可分为边发射型和面发射型。 • LED既可以用PN同质结制造，也可以用双异质结构。但后者能控制发射面积，且消除了内吸收，具有更优良的特性。

42. 同质结 • 在结两边使用相同的半导体材料。这种结没有带隙差，因而折射率差很小(0.1%-1%)，有源区对载流子和光子的限制作用很弱，做成激光器时阈值电流很大，不能在室温连续工作。

43. 双异质结 • 若在宽带隙的P型和N型(如GaALAs)半导体材料间插进一薄层窄带隙的有源区材料(如GaAs)，则带隙差形成的势垒将电子与空穴限制在中间复合发光，称为双异质结。 • 双异质结中带隙差的出现也使折射率差增大(可达5%左右)，使光场亦有效地.限制在有源区。载流子和光场的限制使激光器的阈值电流密度大大下降，可实现室温连续工作。

44. LED可以制成面发光二极管和边发光二极管两种 面发光二极管特点： • 把发光的活动已限制于小面积，使热阻减小，能在很高电流密度下工作，具有高的内部效率，结果在正面获得高的面辐射强度和高运行速率。双异质结构的LED用带隙能量大和内部吸收小的材料，获得的电流密度大于1000A/cm2，且背面反射强，使面辐射强度加大两倍。 • 面发光二极管与光纤的耦合效率较低，一般低于10%，主要因为产生的光功率分布在太大的立体角内。因此，这种LED仅适用于多模光纤系统。

45. 双异质结面发光LED 双异质结边发光LED

46. 边发光二极管已经非常接近于半导体激光管，只是在设计时抑制反馈的产生，而阻止了受激辐射的产生。光输出的时间上是非相干的，但它的空间相干性要比面发光二极管高的多。因此，边发光二极管所产生的总功率小于面发光二极管，但其亮度却很高。边发光二极管的高亮度有利于与光纤的耦合。因此，这种发光二极管不仅适用于多模光纤系统，也可用于单模光纤系统。一般常用的有 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。

47. 基本性质1 • 发散角：光束的发散角大。 • 发射谱线：由于是自发发射，而导带和价带中都包含很多能级，所以复合发光的光子能量有一个较宽的范围，造成譜线较宽。

48. 基本性质2 • 响应速度：发光二极管的响应速度受载流子自发复合寿命时间所限制。为减小载流子的寿命时间，复合区往往采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下。半导体激光器的调制速率可达到吉赫兹的数量级，而国产LED的调制速率目前仅为200-300MHz。 • 热特性：发光二极管的输出功率，也随温度的升高而减小。但由于它不是阈值器件，所以输出功率不会像激光器那样随温度发生很大的变化，在实际使用中也可以不进行温度控制。 • 半导体发光二极管产生的是非相干荧光，输出功率小，一般光功率峰值最多几十毫瓦；但是，发光二极管运行电流密度小，管子寿命长，而且输出光功率—电流特性曲线的线性密度极好。所以它在一些速率不太高、传输距离不太长的系统中得到广泛的应用。

49. 衡量LED性能的还有电学参数（如工作电流、正向电流、反向电流等）、热学参数（如结温、环境温度和贮存温度等）等。

50. LED Coupling to a FiberLED和光纤的耦合