1、光電技術基礎 光電技術最基本的理論 是光的波粒二象性。 即光是以電磁波方式傳播的粒子。 光的本質是物質，它具有粒子性，又稱為光量子或光子光子具有動量與能量，并分別表示為p與e，式中h h為普朗克常數（6.6266.6261010-34-34J Js s）；v為光的振動頻率(s(s-1-1) )；c為光在真空中的傳播速度（3 310108 8m ms s-1-1）。 光的量子性成功地解釋了光與物質作用時引起的光電效應，而光電效應又充分證明了光的量子性。第1頁/共94頁第2頁/共94頁一切能產生光輻射的輻射源都稱為光源一切能產生光輻射的輻射源都稱為光源 天然光源天然光源 人造光源人造光源第3頁/共

2、94頁發光二極管半導體激光器染料激光器固體激光器氣體激光器激光器氘燈氙燈金屬鹵化物燈鈉燈汞燈氣體放電光源白熾燈、鹵鎢燈太陽、黑體輻射器熱輻射光源光源光纖激光器發光二極管第4頁/共94頁1.1 1.1 輻射度學與光度學輻射度學與光度學的的 介紹描述光輻射的一套參量介紹描述光輻射的一套參量一、輻射度的基本物理量一、輻射度的基本物理量 1.1.輻射能輻射能 單位為單位為J J（焦耳）（焦耳） 2.2.輻射通量輻射通量 又稱輻射功率又稱輻射功率 單位為單位為W W（瓦、焦耳每秒）（瓦、焦耳每秒） 3.3.輻射強度輻射強度 描述點輻射源描述點輻射源的輻射功率在不同方向上的分布。的輻射功率在不同方向上的分

3、布。eQe,eI 基礎知識基礎知識第5頁/共94頁( , )eedId 單位單位: （瓦每球面度）（瓦每球面度）Wsr4.4.輻射出射度輻射出射度 與輻射亮度與輻射亮度eM,eB eedMdS單位：單位： （瓦每平方米）（瓦每平方米）2Wm2( , )( ,coscoseeeddIBdSddS ） 單位：單位： （瓦每球面度平方米（瓦每球面度平方米） 2Wsr m第6頁/共94頁 的定義的定義 的定義的定義eM,eB 5.5.輻射照度輻射照度 eLeedLdS單位：單位： （瓦每平方米）（瓦每平方米）2Wm6.6.光譜輻射量光譜輻射量 輻射量的光譜密度，輻射量隨波長的變化率輻射量的光譜密度，輻

4、射量隨波長的變化率。第7頁/共94頁光譜輻射通量光譜輻射通量 與波長的關系與波長的關系( )e ( )eedd0( )eed 其它輻射度量都有類似關系其它輻射度量都有類似關系。二、光度的基本物理量二、光度的基本物理量1.1.光譜光視效率光譜光視效率V():V(): 人眼對各種光波長的人眼對各種光波長的 相對靈敏度相對靈敏度詳見表詳見表1.11.1第8頁/共94頁 2.2.光度量光度量 光度量與輻射度量是一一對應光度量與輻射度量是一一對應的。的。 輻射度輻射度量量是客觀物理量，是客觀物理量， 光度量體現了人的視覺特光度量體現了人的視覺特性。性。 光能光能 單位：單位：lmlms（流（流明明秒）

5、光通量光通量 單位：單位：lm lm （流明）（流明） 發光強度發光強度 單位：單位：cdcd（坎德拉）（坎德拉） 發光強度發光強度是光度量中最基本的單位。在明視覺時，規定：是光度量中最基本的單位。在明視覺時，規定： 時，時，vvdIdvQvvIvI555nm111683lmWcdsrsr 即：即：1W = 683 lm 1W = 683 lm 此時，此時，V(V(）=1 =1 555nmV(V(）1 1W 1 1W 683 lm683 lm 時，時，第9頁/共94頁可見，輻射通量與光通量之間的換算關系：可見，輻射通量與光通量之間的換算關系： 1W = 683 V(1W = 683 V(）lm

6、lm ，定義：定義：Km = 683 lmKm = 683 lm /W/W( )( )( )vmeK V0( )( )vmeKVd 有關系式：有關系式： 光出射度光出射度 與光亮度與光亮度 vMvBvvdMdS單位：單位：lmlm /m/m2 22coscosvvvddIBdSddS單位：單位： cd/mcd/m2 2實用單位：實用單位：sb(sb(熙提熙提) ) 1sb = 1sb = 10104 4cd/mcd/m2 2第10頁/共94頁 光照度光照度 vLvvdLdS單位：單位：lxlx（勒克斯）（勒克斯） 1 lx =1 lm/m1 lx =1 lm/m2 2普適關系式：普適關系式：0

7、( )( )VmeXKVXd三、光源的輻射效率與發光效率三、光源的輻射效率與發光效率21( )eeedPP0( ) ( )mevvKVdPP輻射效率輻射效率發光效率發光效率 單位：單位： lm/Wlm/W第11頁/共94頁第12頁/共94頁v例例1-31-3 已知某He-NeHe-Ne激光器的輸出功率為3mW3mW，試計算其發出的光通量為多少lmlm？v( (氦氖激光波長632.8nm ) )解解 He-NeHe-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據式（1-561-56）可以計算出它發出的光通量為v,v,= =K K,e ee e, ,=K=Km mV()V()e e, , = =68368

8、30.240.243 31010-3-3 =0.492(lm) =0.492(lm)第13頁/共94頁)()()( emvVk20rdsmmr5 . 00233)105 . 0(14. 3103235. 0683)()(dsdMvv第14頁/共94頁第15頁/共94頁 )()()( emvVk25. 0)(V310225. 0683)(v)(LmddIvv)()(222Rrd233)10(14. 310225. 0683)(vI)(cd第16頁/共94頁 cos)()(dsdIBvv1cos20rdsmmr5 . 0023233)105 . 0(14. 31)10(14. 310225. 06

9、83)( vB)/(2mcd233)105 . 0(14. 310225. 0683)()(dsdMvv)/(2mlm第17頁/共94頁m10210r 該激光束在遠的屏上形成的光斑面積為2310101010Rr)(m該光斑是一個漫反射光源： cos)(cos)()(2dsdIddsdBvvv22232100)10(14. 3210225. 068385. 02)(85. 0)()(rBBvvv)/(2mcd第18頁/共94頁3 一束波長為635nm、功率為3mW的單色光，其光通量為多少？倘若該光束由一個小的面光源發射出來，發光面的直徑為1 mm，發散角為1 mrad，并且人眼只能觀看1 cd/

10、cm2的亮度，試求所戴保護眼鏡的透過率應為多少？（已知635nm的明視覺光譜光視效率為 ）25. 0)(V第19頁/共94頁第20頁/共94頁1.2 1.2 熱輻射光熱輻射光源源一、理想的熱輻射光源一、理想的熱輻射光源 (，T)=1 T)=1 絕對黑絕對黑體體在熱平衡條件下在熱平衡條件下,ebebMTT LT 絕對黑體熱輻射能力最強。絕對黑體熱輻射能力最強。由于內部原子、分子的熱運動而產由于內部原子、分子的熱運動而產生輻射的光源生輻射的光源輻射光譜是連續光譜輻射光譜是連續光譜第21頁/共94頁215( ,(1)ebcTcMTe）1、普朗克公式、普朗克公式5mhckT 40,ebebMTMT d

11、T2、維恩位移、維恩位移定律定律3、斯蒂芬、斯蒂芬玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律隨著溫度隨著溫度T的升高，的升高，峰值波長峰值波長 向短波方向移動，向短波方向移動，總出射度總出射度 迅速增加迅速增加。m ebMT絕對黑體的溫度決定了它的絕對黑體的溫度決定了它的輻射光譜分布輻射光譜分布灰體：灰體：(，T)T)1 1的熱輻射光源，的熱輻射光源， 具有與具有與絕對黑體絕對黑體類似的輻射規律。類似的輻射規律。色溫；相關色溫色溫；相關色溫T2898第22頁/共94頁將 對波長求積分，得到黑體發射的總輻射出射度 s , eM04, s , es , edTMM（1-42）式中，是斯特藩-波爾茲曼常數，它由下式決

12、定 4282345KWm1067. 5152chk由式（1-42），Me,s與T的四次方成正比 3.斯忒藩斯忒藩-波爾茲曼定律波爾茲曼定律普朗克公式普朗克公式第23頁/共94頁將 代入普朗克公式，得到黑體的峰值光譜輻出度 Tm2898155se103091T.Mm,Wcm-2m-1K-5 以上三個定律統稱為黑體輻射定律。 215( ,(1)ebcTcMTe）第24頁/共94頁例例1-1 若可以將人體作為黑體，正常人體溫的為36.5，（1）試計算正常人體所發出的輻射出射度為多少W/m2？（2）正常人體的峰值輻射波長為多少m？峰值光譜輻射出射度Me,s,m為多少？（3）人體發燒到38時峰值輻射波長

13、為多少？發燒時的峰值光譜輻射出射度Me,s,m又為多少？解解 （1 1）人體正常體的絕對溫度為T T=36.5+273=309.5K=36.5+273=309.5K，根據斯特藩- -波爾茲曼輻射定律，正常人體所發出的輻射出射度為 24, s , em/W3 .5205 .309M第25頁/共94頁 （2）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長為 Tm2898(m)=9.36m 峰值光譜輻射出射度為 155se103091T.Mm,Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人體發燒到38時峰值輻射波長為 m32. 9382732898m發燒時的峰值光譜輻射出射度為 155, s ,

14、e10309. 1TMm=3.81Wcm-2m-1 第26頁/共94頁例例1-2 1-2 將將標準鎢絲燈為黑體時，試計算它的峰值輻射波長，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。解解 標準鎢絲燈的溫度為T TW W=2856K=2856K，因此它的峰值輻射波長為 015. 1285628962898Tm(m) 峰值光譜輻射出射度為 155, s , e10309. 1TMm=1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 總輻射出射度為 24484, s , em/W1077. 328561067. 52856M第27頁/共94頁1.1.太陽與黑體輻射器太陽與黑體輻射器二、實際的熱

15、輻射光源二、實際的熱輻射光源太陽的光譜分布太陽的光譜分布非常接近于非常接近于絕對黑體絕對黑體黑體輻射器：黑體輻射器：科學制作的小科學制作的小孔空腔結構，孔空腔結構，可以很好地實可以很好地實現絕對黑體的現絕對黑體的輻射功能。輻射功能。常用作標準光常用作標準光源，最高工作源，最高工作溫度是溫度是3000K3000K。第28頁/共94頁2.2.白熾燈與鹵鎢燈白熾燈與鹵鎢燈 灰體灰體 鎢絲做燈絲鎢絲做燈絲玻璃泡殼玻璃泡殼; ;色溫約色溫約2800K,2800K,輻射光譜約輻射光譜約0.40.43 3m m。 可見光占可見光占6 612%12%，用于照明；，用于照明； 加紅外濾光片可作為近紅外光源。加紅

16、外濾光片可作為近紅外光源。石英泡殼石英泡殼; ;泡殼內充入微量鹵族元素或其化合物泡殼內充入微量鹵族元素或其化合物 （如溴化硼）（如溴化硼）; ;形成鹵鎢循環。形成鹵鎢循環。 色溫色溫3200K3200K以上以上, ,輻射光譜為輻射光譜為0.250.253.5m3.5m。 發光效率可達發光效率可達30lm/W(30lm/W(為白熾燈的為白熾燈的2 23 3倍倍) )， 作儀器白光源作儀器白光源. .鹵鎢燈鹵鎢燈 白熾燈白熾燈第29頁/共94頁1.3 1.3 氣體放電光氣體放電光源源發光機理：發光機理：氣體放電。氣體放電。 泡殼：用玻璃或石英等材料制造；泡殼：用玻璃或石英等材料制造；電極：陰極、陽

17、極或不區分（交流燈）電極：陰極、陽極或不區分（交流燈）泡殼內充入發光用的氣體：金屬蒸氣、泡殼內充入發光用的氣體：金屬蒸氣、 金屬化合物蒸氣、惰性氣體金屬化合物蒸氣、惰性氣體基本結構基本結構氣體放電光源的特點：氣體放電光源的特點： 發光效率高發光效率高, ,節能。節能。 電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。 壽命長，比白熾燈長壽命長，比白熾燈長2 21010倍。倍。 輻射光譜可以選擇，只要選用適當輻射光譜可以選擇，只要選用適當的發光材料。的發光材料。第30頁/共94頁一、汞燈一、汞燈 泡殼內充汞蒸氣泡殼內充汞蒸氣1.1.低壓汞燈低壓汞燈 作作253.7nm253.7nm紫外光

18、源；紫外光源； 作熒光燈（作熒光燈（日光燈）。日光燈）。2.2.高壓汞燈高壓汞燈 可見輻射加強，呈帶狀可見輻射加強，呈帶狀 光譜，可作光譜，可作高效照明光源。高效照明光源。3.3.球形超高壓汞燈球形超高壓汞燈 很好的藍綠光點光源。很好的藍綠光點光源。第31頁/共94頁二、鈉燈二、鈉燈 泡殼內充的是氖氬混合氣體泡殼內充的是氖氬混合氣體 與金屬鈉滴。與金屬鈉滴。低壓鈉燈：低壓鈉燈：發出波長發出波長589nm589nm、589.6nm 589.6nm 兩條譜線的單色光源。兩條譜線的單色光源。高壓鈉燈：高壓鈉燈：接近白光，亮度高，用于照明光源。接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金屬鹵化物燈三、金屬鹵

19、化物燈 泡殼內充的是泡殼內充的是 金屬鹵化物氣體。金屬鹵化物氣體。通過通過金屬金屬 鹵化物循環，鹵化物循環，提供足夠的提供足夠的 金屬原子氣體。金屬原子氣體。鉈燈（碘化鉈）：鉈燈（碘化鉈）：綠光，峰值綠光，峰值535nm535nm。鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：色溫色溫6000K6000K。鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）：鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）： 近白色光源近白色光源, , 色溫色溫5500K5500K。第32頁/共94頁四、氙燈四、氙燈 泡殼內充的是是惰性氣體泡殼內充的是是惰性氣體氙。氙。色溫色溫6000K6000K，亮度高，被稱為，亮度高，被稱為“小太陽小

20、太陽”，壽命長。，壽命長。長弧氙燈長弧氙燈: :短弧氙燈短弧氙燈: :脈沖氙燈脈沖氙燈: :日光色點光源日光色點光源大范圍照明大范圍照明光源光源脈沖脈沖時間極短（時間極短（nSnSpS)pS)，光很強，光很強, ,用于用于光泵、光信號源、光泵、光信號源、照相制版、高速攝影照相制版、高速攝影第33頁/共94頁五、氘燈五、氘燈 泡殼內充有高純度的氘氣泡殼內充有高純度的氘氣燈燈的紫外輻射強度高、穩定性好、壽命長，的紫外輻射強度高、穩定性好、壽命長，常用作連續紫外光源（常用作連續紫外光源（185185400nm400nm）。）。第34頁/共94頁1.4 1.4 激光激光器器1.4.1 1.4.1 激光

21、器概激光器概述述 2020世紀世紀激光的誕生標志著人類激光的誕生標志著人類對光子的掌握和利用進入了一個對光子的掌握和利用進入了一個嶄新的階段。嶄新的階段。 激光器的激光器的基本結構基本結構第35頁/共94頁 激光形成激光形成機理機理電泵浦或光泵浦；電泵浦或光泵浦；造成工作物質中粒子數反轉分布造成工作物質中粒子數反轉分布 ， 自發輻射引發受激輻射；自發輻射引發受激輻射；諧振腔對輻射光波選頻放大。諧振腔對輻射光波選頻放大。激光的激光的優越性優越性高亮度、高方向性、高單色性高亮度、高方向性、高單色性和高度的時間空間相干性和高度的時間空間相干性 已有數百種激光器，輸出波長從近紫外直到已有數百種激光器，

22、輸出波長從近紫外直到遠紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級。遠紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級。激光將對激光將對2121世紀的科技騰飛和產業世紀的科技騰飛和產業革命產生深遠的影響！革命產生深遠的影響！第36頁/共94頁v時間相干性是指同一點光源時間相干性是指同一點光源,在不同時間發射光束的相干在不同時間發射光束的相干狀態狀態,v而空間相干性而空間相干性,是指不同空間位置的光源之間的相干狀態是指不同空間位置的光源之間的相干狀態.第37頁/共94頁1.1.氣體激光器氣體激光器工作物質是氣體或金屬蒸氣，通過氣體工作物質是氣體或金屬蒸氣，通過氣體放電實現粒子數反轉。放電實現粒子數反轉。工作物質（氣體）

23、均勻性好，輸出光束工作物質（氣體）均勻性好，輸出光束的質量相當高。的質量相當高。2.2.固體激光器固體激光器工作物質是摻雜的晶體工作物質是摻雜的晶體或光學玻璃，光泵浦。或光學玻璃，光泵浦。有脈沖輸出激光器和連有脈沖輸出激光器和連續輸出激光器。續輸出激光器。主要優點：能量大、峰值功率高、結構緊湊、主要優點：能量大、峰值功率高、結構緊湊、堅固可靠和使用方便。堅固可靠和使用方便。第38頁/共94頁3.3.染料激光器染料激光器工作物質是有機染料溶液，光泵浦。工作物質是有機染料溶液，光泵浦。輸出激光波長可以在很寬范圍內調諧，有極好的輸出激光波長可以在很寬范圍內調諧，有極好的光束質量。光束質量。有連續輸出

24、的激光器，也有脈沖輸出的激光器。有連續輸出的激光器，也有脈沖輸出的激光器。可產生超短光脈沖，峰值功率達幾百可產生超短光脈沖，峰值功率達幾百MWMW。4.4.半導體激光器（半導體激光器（LDLD）工作物質是半工作物質是半導體材料形成導體材料形成的的P-NP-N結。結。與結平面垂直的晶體解與結平面垂直的晶體解理面構成理面構成F-PF-P諧振腔。諧振腔。第39頁/共94頁對對P-NP-N結正向注入電流或結正向注入電流或光泵浦光泵浦，可激發激光。可激發激光。體積小，重量輕，易調制，功耗低；體積小，重量輕，易調制，功耗低；波長覆蓋面廣（波長覆蓋面廣（0.330.334444m m）；）；能量轉換效率高，

25、有大功率、高集成度器件。能量轉換效率高，有大功率、高集成度器件。主要優點主要優點5.5.光纖激光器光纖激光器工作物質主要是稀土摻雜的光纖，用光泵浦，諧工作物質主要是稀土摻雜的光纖，用光泵浦，諧振腔有多種形式。振腔有多種形式。是近年來發展起來的新型激光器，具有一是近年來發展起來的新型激光器，具有一系列獨特的優點。在光通信系統、光能源系列獨特的優點。在光通信系統、光能源系統中都有重要作用。系統中都有重要作用。 第40頁/共94頁1.4.2 1.4.2 固體激光器固體激光器介紹幾種代表性的介紹幾種代表性的固體激光器固體激光器YAG激光器 基質晶體Y3Al5O12熱物理性能優良， 使激光器既可連續工作

26、又可高效率脈沖工作。3:NdYAG輸出波長1064nm，加倍頻技術可輸出532nm。已經實現了KW級大功率輸出，廣泛用于激光加工、激光醫療、科學研究之中。3:ErYAG輸出波長2.94m,用于激光醫療。 第41頁/共94頁YAGHo:3輸出波長輸出波長2.1m,2.1m,用于激光醫療用于激光醫療 , ,空間光通信。空間光通信。 可調諧的固體激光器可調諧的固體激光器 323:OAlTi 輸出激光有寬的調諧范圍（輸出激光有寬的調諧范圍（700-1000nm700-1000nm，峰值，峰值波長波長800nm800nm），應用廣泛，并實現飛秒脈沖。），應用廣泛，并實現飛秒脈沖。 423:OBeAlCr

27、可調諧范圍可調諧范圍700-800nm700-800nm。采用調。采用調Q Q技術，輸出技術，輸出755nm755nm脈沖激光，在激光醫療中很重要。脈沖激光，在激光醫療中很重要。 第42頁/共94頁激光二極管（激光二極管（LDLD）泵浦的固體激光器）泵浦的固體激光器LDLD泵浦泵浦: :實現高效率的能量轉換實現高效率的能量轉換, ,有端面泵浦和側面泵浦。有端面泵浦和側面泵浦。 獲得百瓦級高功率激光輸出。獲得百瓦級高功率激光輸出。下圖是縱向、雙端面泵浦下圖是縱向、雙端面泵浦第43頁/共94頁一個橫向、側面泵浦的激光器一個橫向、側面泵浦的激光器市場上高功率的市場上高功率的LDLD泵浦固體激光器都是

28、泵浦固體激光器都是用側面泵浦方式，輸出功率可達用側面泵浦方式，輸出功率可達6000W6000W以上。以上。第44頁/共94頁非線性頻率轉換得到短波長固體激光器非線性頻率轉換得到短波長固體激光器 固體激光器的波長多在紅外波段。用非線性材料固體激光器的波長多在紅外波段。用非線性材料進行波長轉換進行波長轉換, ,可得到短波長固體激光器。可得到短波長固體激光器。 LDLD泵浦固體激光器與準相位匹配頻率轉換結泵浦固體激光器與準相位匹配頻率轉換結合，以期制造出結構簡單小巧、價格便宜的合，以期制造出結構簡單小巧、價格便宜的可調諧激光器。可調諧激光器。研究趨勢研究趨勢用LD泵浦 晶體得到1064nm激光，再用

29、KTP晶體進行腔內倍頻，得到532nm綠激光。34 :NdYVO還用非線性頻率轉換得到藍光、紫外固體激光器。第45頁/共94頁1.4.3 1.4.3 半導體激光器半導體激光器一、半導體材料的能帶一、半導體材料的能帶晶體中電子晶體中電子的共有化運動的共有化運動晶體中的能帶晶體中的能帶關于價帶關于價帶導帶導帶禁帶禁帶導電載流子：導電載流子：電子、空穴電子、空穴第46頁/共94頁I I型、型、N N型、型、P P型半導體型半導體關于施主能級關于施主能級受主能級受主能級費米統計分布費米統計分布()/1( )1fE EkTf Ee式中，式中，Ef為費米能級，是電子占據率大于或小于為費米能級，是電子占據率

30、大于或小于0.50.5的能級分界線。的能級分界線。第47頁/共94頁二、二、PNPN結的能帶結的能帶PNPN結空間電荷區與自建電場的形成結空間電荷區與自建電場的形成第48頁/共94頁PNPN結的能帶彎曲結的能帶彎曲重摻雜重摻雜P P型、型、N N型型半導體的能帶半導體的能帶熱平衡時熱平衡時PNPN結結的能帶彎曲的能帶彎曲 加上正向電壓后，加上正向電壓后， PNPN結勢壘降低結勢壘降低第49頁/共94頁PNPN結達到動態平衡時，一個平衡系統只能結達到動態平衡時，一個平衡系統只能有一個費米能級。自建電場的方向由有一個費米能級。自建電場的方向由N N區區指向指向P P區，區，P P區、區、N N區的

31、電子能級差為：區的電子能級差為：pfnfDDEEqUUq)()(PNPN結加上正向電壓時，熱平衡被破壞，結加上正向電壓時，熱平衡被破壞，PNPN結區結區勢壘降低，實現了粒子數反轉分布。勢壘降低，實現了粒子數反轉分布。 電子、空穴復合發光，引發受激輻射。電子、空穴復合發光，引發受激輻射。經諧振腔選頻，可形成激光輸出。經諧振腔選頻，可形成激光輸出。PNPN結就是光輻射的有源區。結就是光輻射的有源區。 第50頁/共94頁三、實用中代表性的三、實用中代表性的LDLD的結構的結構閾值電流閾值電流I Ithth注入電流注入電流I II Ith th , ,才能形成激光。才能形成激光。器件結構要著力于降低器

32、件結構要著力于降低I Ith th 。同質結同質結 單異質結（單異質結（SHSH） 雙異質結（雙異質結（DHDH） 、第51頁/共94頁條形異質結條形異質結LD:LD:增益導引條形增益導引條形DHLD DHLD 掩埋條形掩埋條形DHLDDHLD 第52頁/共94頁量子阱（量子阱（QWQW）LDLD單量子阱（單量子阱（SQWSQW）多量子阱（多量子阱（MQWMQW）超晶格結構超晶格結構 量子阱效應：使載流子能級拉開并使有源區的異質結上出現了導帶和價帶上的突變。量子阱效應：使載流子能級拉開并使有源區的異質結上出現了導帶和價帶上的突變。第53頁/共94頁MQWMQW結構的結構的優越性優越性： 閾值電

33、流很低閾值電流很低 改善頻率啁啾改善頻率啁啾調制速率高調制速率高 溫度特性好溫度特性好 MQWMQW的的能帶能帶第54頁/共94頁分布反饋激光器分布反饋激光器 諧振腔是諧振腔是波紋光柵波紋光柵結構結構 nmB/mn)sin1 (mn2分布反饋分布反饋基于基于布拉格衍射布拉格衍射原理原理 第55頁/共94頁DFB DFB 激光器激光器DBR DBR 激光器激光器 每一個柵距每一個柵距 相當于一個微相當于一個微F-PF-P腔腔, ,易形成單易形成單 縱模振蕩。波紋光柵相當于許多微縱模振蕩。波紋光柵相當于許多微F-PF-P腔多級腔多級 調諧，使波長選擇性大大提高，譜線寬度窄。調諧，使波長選擇性大大提

34、高，譜線寬度窄。 在高速調制時仍然保持單縱模特性。在高速調制時仍然保持單縱模特性。 溫度特性好。溫度特性好。波紋光柵波紋光柵分布反饋分布反饋的優點的優點MQW-DFB LDMQW-DFB LD性能優越，廣泛應用于性能優越，廣泛應用于高速光纖通信系統中。高速光纖通信系統中。第56頁/共94頁四、四、LDLD的工作特性的工作特性I II Ith th 形成激光輸出形成激光輸出, 光功率急劇上升，光功率急劇上升， P-IP-I曲線的線性好。曲線的線性好。 斜率效率。斜率效率。 I II Ith th 自發輻射階段，自發輻射階段， 光功率較小光功率較小 。LDLD是對溫度很敏感的器件，溫度升高，是對溫

35、度很敏感的器件，溫度升高，性能劣化。需要控制溫度，以穩定輸出性能劣化。需要控制溫度，以穩定輸出光功率和峰值波長。光功率和峰值波長。 1. P-I1. P-I特性特性第57頁/共94頁2. 光譜特性光譜特性I II IththI II Ithth單縱模單縱模LDLD是矩形光波導是矩形光波導: :厚度為厚度為d d，條形寬度為，條形寬度為W W 。出光發散角：出光發散角： )arcsin(2d)arcsin(2/w 約約30304040約約6 68 8第58頁/共94頁3.3.調制特性調制特性具有直接調制的能力具有直接調制的能力 )()(tfIItIbmb調制電流調制電流 模擬調制模擬調制數字調制

36、數字調制LDLD芯片芯片的調制的調制頻率達頻率達 10GH10GHZ Z 量級。量級。第59頁/共94頁五、五、LDLD的應用及新的發展的應用及新的發展 LDLD體積小，重量輕，易調制，功耗低；效率高，體積小，重量輕，易調制，功耗低；效率高， 壽命長，有大功率、高集成度器件。壽命長，有大功率、高集成度器件。 已成為最重要的激光器之一。已成為最重要的激光器之一。 光通信光通信 光盤存儲、光顯示光盤存儲、光顯示 激光印刷、信息處理、辦公自動化設備激光印刷、信息處理、辦公自動化設備 激光加工、激光醫療激光加工、激光醫療 各種半導體激光器需求量極大，各種半導體激光器需求量極大，是光電子產業的重要支柱。

37、是光電子產業的重要支柱。 第60頁/共94頁LDLD的發展日新月異的發展日新月異 l垂直腔表面發射垂直腔表面發射LDLD（VCSELVCSEL）利于與光纖耦合；適合大面積二維列陣集成。利于與光纖耦合；適合大面積二維列陣集成。 有源區是多有源區是多量子阱結構，量子阱結構，腔長只有幾腔長只有幾個微米。動個微米。動態單縱模特態單縱模特性好，閾值性好，閾值電流可小于電流可小于1 1A A。第61頁/共94頁l微腔微腔LDLD如應變量子阱（如應變量子阱（SL-QWSL-QW）結構，調制頻率）結構，調制頻率已達已達30GHZ30GHZ以上。以上。 l高速寬帶高速寬帶LDLD 普通普通LDLD的諧振腔長為幾

38、百微米，造成自發輻射模式很多，的諧振腔長為幾百微米，造成自發輻射模式很多，其中只有一個或幾個模式形成激光（其中只有一個或幾個模式形成激光（:10:10-4-41010-5-5）。因）。因而帶來能量損失、速度限制和噪聲。而帶來能量損失、速度限制和噪聲。微腔微腔LDLD的諧振腔長為光波長量級，使得自發輻射模式極大的諧振腔長為光波長量級，使得自發輻射模式極大壓縮（壓縮（11），閾值大大降低，獲得超高速響應（大于），閾值大大降低，獲得超高速響應（大于100Gb/s100Gb/s）。甚至可實現無閾值激光器。）。甚至可實現無閾值激光器。 微腔微腔LDLD及其二維面陣是一種高效、高密度光及其二維面陣是一種高

39、效、高密度光源，總功耗極低，是超大規模集成光路器件。源，總功耗極低，是超大規模集成光路器件。激光器的重要變革激光器的重要變革第62頁/共94頁l可調諧可調諧LDLD用于用于DWDMDWDM光交換技術光交換技術實現實現5-7nm5-7nm范圍范圍連續連續調諧調諧實現實現100nm100nm范圍范圍波長波長調諧調諧第63頁/共94頁l短波長短波長LDLD 光存儲、光顯示的需要。光存儲、光顯示的需要。紅光、綠光、藍光、紫光紅光、綠光、藍光、紫光LDLD用有機材料（聚合物）作用有機材料（聚合物）作LDLD的有源層，的有源層，易得到短波長易得到短波長LDLD，是目前的研究熱點。，是目前的研究熱點。l大功

40、率大功率LDLD作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源；作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源；光存儲、光印刷光源；光存儲、光印刷光源；激光加工、激光醫療激光加工、激光醫療光源光源產生大功率產生大功率LDLD的途徑：的途徑： 提高單個提高單個LDLD的輸出功率；的輸出功率； 發展列陣發展列陣LD:LD:一維一維LDLD列陣列陣; ;二維二維LDLD列陣列陣; ;激光棒激光棒 （脈沖）功率可達幾千乃至幾萬瓦。（脈沖）功率可達幾千乃至幾萬瓦。第64頁/共94頁l高性能高性能LDLD組件組件適于適于10Gb/s10Gb/s以上速率的以上速率的EAM/LDEAM/LD波長可選擇的光電集成回路（波長可選擇的

41、光電集成回路（OEICOEIC） 1.531.531.61m1.61m范圍的多波長光源范圍的多波長光源EAMEAM：電吸收光調制器。：電吸收光調制器。EAMEAM與與LDLD集成，集成，實現光調制，實現光調制，-3dB-3dB帶寬為帶寬為14GH14GHZ Z。含有含有EAMEAM、半導體光放大器（、半導體光放大器（SOASOA）、合波器）、合波器(MMI(MMI）、）、微列陣微列陣DFBDFB激光器，波長選擇范圍達激光器，波長選擇范圍達45nm45nm。4040個個DFBDFB-LDLD波長等間隔、光強大小一致、波長等間隔、光強大小一致、每個集成一個每個集成一個EAMEAM，適用于，適用于D

42、WDMDWDM全光網絡。全光網絡。第65頁/共94頁1.4.4 1.4.4 光纖激光器光纖激光器一、光纖、光波導一、光纖、光波導 光纖光纖 光導纖維，光傳光導纖維，光傳輸的通路，纖芯折射率輸的通路，纖芯折射率大于包層，光基于全內大于包層，光基于全內反射在纖芯中傳輸。反射在纖芯中傳輸。纖芯中摻入稀土離子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,有源光纖有源光纖, 光泵浦，激光器的工作物質。光泵浦，激光器的工作物質。當光纖中光強超過上限，當光纖中光強超過上限，產生非線性光學效應。產生非線性光學效應。鐠(讀音pu、符號Pr)、.(讀音er、符號Er)、銩(讀音diu、符號Tm)、鐿(讀音yi

43、、符號Yb)、 第66頁/共94頁 光波導光波導在光電集成回路中、各種光器件模塊里，在光電集成回路中、各種光器件模塊里，必有光信號的通路，即光波導。必有光信號的通路，即光波導。光波導類似于光纖的光波導類似于光纖的纖芯，其折射率高于纖芯，其折射率高于周圍材料（襯底和包周圍材料（襯底和包層）。波導截面是幾層）。波導截面是幾微米尺度，用光刻技微米尺度，用光刻技術制得各種光波導。術制得各種光波導。Y Y分叉光波導分叉光波導光波導可構成光分路器、光波導可構成光分路器、耦合器、干涉器、陣列耦合器、干涉器、陣列波導光柵等大量波導光柵等大量光無源器件。光無源器件。 向光波導中摻雜，或向光波導中摻雜，或造成非線

44、性光學效應造成非線性光學效應時，又可制備出多種時，又可制備出多種光有源器件。光有源器件。第67頁/共94頁二、光纖激光器的基本結構二、光纖激光器的基本結構激光工作物質的基質是光纖，主要包括稀土摻激光工作物質的基質是光纖，主要包括稀土摻雜光纖激光器、受激拉曼散射光纖激光器等。雜光纖激光器、受激拉曼散射光纖激光器等。摻雜光纖激光器由增益介質、諧振腔和光泵浦摻雜光纖激光器由增益介質、諧振腔和光泵浦源三部分組成。源三部分組成。 1. 1. 增益介質增益介質 光纖基質材料：光纖基質材料：硅玻璃、氟化物玻璃與石英，視摻雜硅玻璃、氟化物玻璃與石英，視摻雜 元素而選擇；元素而選擇；光纖長度：光纖長度：典型值在

45、典型值在0.50.55m5m之間。之間。光增益由摻雜離子決定：光增益由摻雜離子決定：摻摻NdNd3+3+光纖激光器，可在光纖激光器，可在1060nm1060nm等等3 3個波長獲得激光。個波長獲得激光。 第68頁/共94頁摻摻 ErEr3+3+光纖激光器光纖激光器， 輸出輸出1550nm1550nm激光，光纖通信波長。激光，光纖通信波長。摻摻TmTm3+3+光纖激光器，光纖激光器， 可輸出可輸出143514351500nm1500nm波長激光，光纖波長激光，光纖通信波長。還可輸出通信波長。還可輸出170017002100nm2100nm波長、波長、810nm810nm波長激光，用于生物醫學、光

46、纖傳感。波長激光，用于生物醫學、光纖傳感。摻摻PrPr3+3+光纖激光器，光纖激光器， 可輸出可輸出129012901315nm1315nm波長激光，光纖波長激光，光纖通信波長。通信波長。 2.2.諧振腔諧振腔有多種結構：有多種結構： 第69頁/共94頁F-PF-P腔腔 將光纖端面拋光，對端面直接鍍膜成為腔鏡。將光纖端面拋光，對端面直接鍍膜成為腔鏡。環形腔環形腔 光柵諧振腔光柵諧振腔 在增益光纖的兩端熔接光纖布拉格光柵（在增益光纖的兩端熔接光纖布拉格光柵（FBGFBG）而構成而構成 。第70頁/共94頁第71頁/共94頁摻摻ErEr3+3+光纖光柵激光器光纖光柵激光器3.3.包層光泵浦包層光泵

47、浦常規光纖很細，泵浦光進入纖芯不足，激光輸出功常規光纖很細，泵浦光進入纖芯不足，激光輸出功率小。率小。雙包層光纖技術的實現是一個重要的突破。雙包層光纖技術的實現是一個重要的突破。第72頁/共94頁內包層直徑在百內包層直徑在百mm左右，是泵浦光的導管，有左右，是泵浦光的導管，有大的數值孔徑（大的數值孔徑（NANA），可以接收更多的泵浦光。），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在內外包層界面上全反射，反復穿過纖芯泵浦光在內外包層界面上全反射，反復穿過纖芯不斷激勵工作物質。泵浦效率大大提高。不斷激勵工作物質。泵浦效率大大提高。 內包層截面設計成多種形狀：內包層截面設計成多種形狀： 矩形和矩形和D D字形截

48、面內包層具有字形截面內包層具有95%95%的耦合效率的耦合效率, ,光纖激光器已有千瓦、萬瓦級激光輸出。光纖激光器已有千瓦、萬瓦級激光輸出。 第73頁/共94頁三、光纖激光器的優點 能量轉換效率高，光能量轉換效率高，光光轉換效率達光轉換效率達80%80%以上。以上。 光纖損耗小；激光場約束在纖芯內，能產生甚高光纖損耗小；激光場約束在纖芯內，能產生甚高亮亮 度和甚高峰值功率，閾值低、僅數毫瓦。度和甚高峰值功率，閾值低、僅數毫瓦。 光纖激光器波長范圍可在光纖激光器波長范圍可在3803803900nm3900nm，可以多，可以多波長運行，易調諧。激光束質量高，易實現單模、波長運行，易調諧。激光束質量

49、高，易實現單模、單頻運轉和超短脈沖輸出。單頻運轉和超短脈沖輸出。 光纖細、長，因而表面積大，易散熱，無須專門光纖細、長，因而表面積大，易散熱，無須專門制冷系統；光纖可卷繞成小體積，使光纖激光器結制冷系統；光纖可卷繞成小體積，使光纖激光器結構緊湊，小巧靈活。構緊湊，小巧靈活。 耐高振動、高沖擊；工作壽命長，可達耐高振動、高沖擊；工作壽命長，可達1010萬小時。萬小時。第74頁/共94頁四、應用于通信系統的光纖激光器和光纖放大器1 1摻摻ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纖激光器是光纖通信波光纖激光器是光纖通信波段段128012801620nm1620nm光源；光源；2.2.光

50、纖放大器主要由增益光纖和光泵浦源兩部分光纖放大器主要由增益光纖和光泵浦源兩部分組成。在光泵浦的作用下對輸入增益光纖的信組成。在光泵浦的作用下對輸入增益光纖的信號光加以放大、增強。號光加以放大、增強。 它使光通信線路上傳統的光它使光通信線路上傳統的光電電光型中繼光型中繼器變革為全光型中繼器，器變革為全光型中繼器，是光纖通信發展史上是光纖通信發展史上重要的里程碑。重要的里程碑。 摻摻ErEr3+3+、TmTm3+3+、PrPr3+3+光纖放大器和拉曼光纖光纖放大器和拉曼光纖放大器對于光纖通信系統非常重要。放大器對于光纖通信系統非常重要。第75頁/共94頁3 3光纖激光器和光纖放大器的增益光纖容易與

51、光纖激光器和光纖放大器的增益光纖容易與傳輸光纖耦合。傳輸光纖耦合。4 4光纖激光器和光纖放大器與現有的光纖器件光纖激光器和光纖放大器與現有的光纖器件（如耦合器、偏振器和調制器）完全相容，可以組（如耦合器、偏振器和調制器）完全相容，可以組成完全由光纖器件構成的全光纖傳輸系統。成完全由光纖器件構成的全光纖傳輸系統。5 5光纖激光器可以作為光孤子源，是光孤子通光纖激光器可以作為光孤子源，是光孤子通信的理想光源。信的理想光源。第76頁/共94頁五、高功率光纖激光器五、高功率光纖激光器光纖激光器光束質量高，可大功率，無需水冷，結光纖激光器光束質量高，可大功率，無需水冷，結構緊湊小巧，對激光加工、激光醫療

52、相當有吸引力。構緊湊小巧，對激光加工、激光醫療相當有吸引力。 實現千瓦級以上大功率激光器的關鍵技術：實現千瓦級以上大功率激光器的關鍵技術： 1.1.石英光纖中摻石英光纖中摻YbYb3+3+ YbYb3+3+具有很寬的吸收帶（具有很寬的吸收帶（8008001064nm1064nm）與）與熒光帶（熒光帶（9709701200nm1200nm），可選的泵浦源很多。），可選的泵浦源很多。 泵浦泵浦發射的轉換效率高。發射的轉換效率高。 可高濃度摻雜獲得高增益。可高濃度摻雜獲得高增益。 YbYb3+3+能級為簡單的二能級，亞穩態壽命長，能級為簡單的二能級，亞穩態壽命長，小功率泵浦就可在極窄的纖芯內形成高密

53、度的粒小功率泵浦就可在極窄的纖芯內形成高密度的粒子數反轉，從而可輸出穩定的強激光。子數反轉，從而可輸出穩定的強激光。第77頁/共94頁2.2.雙包層側面泵浦技術雙包層側面泵浦技術3.3.高可靠性泵浦光源高可靠性泵浦光源 光纖側面生出許多杈纖，每分杈耦合一個寬面光纖側面生出許多杈纖，每分杈耦合一個寬面多模大功率多模大功率LDLD（100W100W）。）。高功率摻鐿光纖激光器輸出可達數萬瓦高功率摻鐿光纖激光器輸出可達數萬瓦, ,比大功率的氣體、固體激光器優勢顯著。比大功率的氣體、固體激光器優勢顯著。第78頁/共94頁1.5 1.5 發光二極管（發光二極管（LEDLED）LEDLED是一種極有競爭力

54、的新型節能光源，是一種極有競爭力的新型節能光源，它的優點有：它的優點有：效率高效率高 光色純光色純 能耗小能耗小壽命長壽命長 可靠耐用可靠耐用 應用靈活應用靈活 綠色環保綠色環保 結構是半導體結構是半導體PNPN結，無諧振腔。對結，無諧振腔。對其正向注入電流，電子與空穴復合其正向注入電流，電子與空穴復合發光，是非相干光。發光，是非相干光。第79頁/共94頁 1962 1962年第一只紅色年第一只紅色LEDLED問世，接著是黃色、綠問世，接著是黃色、綠色、橙色色、橙色LEDLED，早期的，早期的LEDLED亮度不高。亮度不高。 1993 1993年日本利亞公司的中村秀二研制成功蘭年日本利亞公司的

55、中村秀二研制成功蘭光光LEDLED，是，是LEDLED發展史上重要的里程碑。發展史上重要的里程碑。之后，人們發展了超高亮度的紅、綠、藍之后，人們發展了超高亮度的紅、綠、藍LEDLED。 高發光效率的白光高發光效率的白光LEDLED，節能環保的照明工程。，節能環保的照明工程。第80頁/共94頁1.5.1 1.5.1 普通亮度普通亮度LEDLED一、材料與構型一、材料與構型 GaPGaP、GaAsPGaAsP、GaN,GaN,峰值波長是可見光，峰值波長是可見光，用于光顯示。用于光顯示。 GaAsGaAs，峰值波長，峰值波長867nm867nm，用于光電檢測。，用于光電檢測。 InGaAsPInGa

56、AsP，峰值波長，峰值波長1.3m1.3m、1.55m,1.55m,用于短距離光纖通信。用于短距離光纖通信。第81頁/共94頁LEDLED采用雙異質結、量子阱結構采用雙異質結、量子阱結構分為：分為：面發光型面發光型發光功率較大發光功率較大 邊發光型易與光纖耦合邊發光型易與光纖耦合面發光型面發光型LEDLED的光輸出的光輸出面發光型面發光型LEDLED用于光顯示用于光顯示邊發光型邊發光型LEDLED用于短距離光纖通信用于短距離光纖通信第82頁/共94頁二、主要工作特性二、主要工作特性gEh峰c譜線寬度譜線寬度在幾十上百在幾十上百mm。峰為發光光譜的為發光光譜的峰值波長峰值波長。 l P-I P-

57、I 特性特性I: 10I: 10數十數十mAmAP: P: 幾百幾百WWmWmWP-IP-I特性曲線的線特性曲線的線性區很寬。性區很寬。l 光譜特光譜特性性第83頁/共94頁l 調制特性調制特性 可以直接調制可以直接調制 邊發光型在幾百邊發光型在幾百MHMHZ Z面發光型在幾十面發光型在幾十MHMHZ Z調制帶寬調制帶寬: LEDLED體積小，壽命長（可超過體積小，壽命長（可超過1010萬小時），萬小時），耗電少，能與集成電路共電源，使用方便，耗電少，能與集成電路共電源，使用方便，應用廣泛。應用廣泛。1.5.2 1.5.2 超高亮度超高亮度LEDLED法向強度在法向強度在1000mcd1000

58、mcd以上的紅、綠、藍以上的紅、綠、藍LEDLED , ,光效達光效達5050100 lm/W100 lm/W。第84頁/共94頁一、實現超高亮度的關鍵技術一、實現超高亮度的關鍵技術2 2有源區采用量子阱有源區采用量子阱結構。結構。3 3分布布拉格反射分布布拉格反射 （DBRDBR）結構，克服襯）結構，克服襯底吸收。底吸收。4 4出光窗口的紋理結出光窗口的紋理結構，增加光輸出。構，增加光輸出。1 1發展新的四元合金材料發展新的四元合金材料AlGaInPAlGaInP、AlGaInNAlGaInN是直接帶隙，帶隙寬度是直接帶隙，帶隙寬度覆蓋了整個可見光波段，發光效率高。覆蓋了整個可見光波段，發光效率高。第85頁/共94頁 二、超高亮度彩色二、超高亮度彩色LEDLED的應用的應用 1.LED1.LED全彩顯示屏全彩顯示屏用于城市廣場、體用于城市廣場、體育場館、調度中心、育場館、調度中心、交通信息、演出、交通信息、