1、第二節 光纖傳感用光源物體的熱輻射一、物體發光的基本形式n熱輻射n發光輻射（1）熱輻射：n任何物質溫度只要高于熱力學溫度0K，它就一定要不斷地發射電磁輻射，稱之為熱輻射。因為與溫度有關，又被稱作溫度輻射。n在這種發射過程中，只要通過加熱維持物體的溫度不變，物體就可以不改變內能持續不斷地發射電磁波。n固體、液體、甚至相當厚的氣體在內的任何物體都有這種輻射發生。溫度低（如室溫下）時，發射不可見的紅外線；加熱到500左右，開始發射部分暗紅外的可見光；溫度更高時，發射波長更短，大約1500 時，開始發射白光，其中還有相當多的紫外線。特點： 在任何溫度下都向外輻射能量，輻射光譜連續，輻射的能量大小及按波

2、長的分布都與溫度有關。 一般情況下，它不僅與物體溫度有關，還與物體的表面特征有關。例如：一個玻璃棒上有黑色斑點，當玻璃被加熱，黑色斑點處顯得更亮，這說明吸收最多的地方發射也最多。 （2）發光輻射 主要借助于其他一些外來激發過程而獲得能量產生輻射發射的。n電致發光：物體中的原子在由電場加速的電子作用下，被激發到激發狀態，當它返回到正常狀態時將產生輻射；n光致發光：物體被光照射而引起的自身發射，如熒光（激發停止后，持續時間小于108s的發光），磷光（ 激發停止后，持續時間大于108s的發光）； n化學發光：由于化學反應引起發光；n熱發光：物體被加熱到一定溫度后引起發光。它與熱輻射不同，只有達到一定

3、溫度后才開始發光，而熱輻射在任何溫度下都產生發射。n陰極發光：通過電子轟擊而使固體發光，如某些礦物。 發光輻射是是非平衡發射，不能用溫度描述，光譜不是連續譜，是帶光譜和線光譜。輻射定律1、基爾霍夫定律 n基爾霍夫：德國物理學家，18241887 ，電學方面，電路計算，擴展了歐姆理論；光學方面，研究光譜，利用吸收光譜研究星體外層空間化學成分；研究熱輻射，提出基爾霍夫定律。n任何物體在熱平衡狀態時，從周圍吸收輻射的能量恰好等于本身因輻射而減少的能量。此時，物體的狀態可用一個確定的溫度值來表征。n基爾霍夫定律指出，在一定溫度下，物體對某波長光的吸收率 與該物體發射該波長光的輻出度 成正比，而且比例系

4、數對任何物體都一樣。n在真空絕熱的密閉腔中，熱平衡下，物體發射的功率等于它所吸收的功率，而且對任意波長成分都一樣。n其中 為投射到物體表面的輻照度。T,),(TM TETTM,TE,.,2211TTMTTM顯然，該式對任何物體都成立，表明一個好的吸收體，一定也是一個好的發射體。任何物體的光譜輻出度與光譜吸收率的比例系數與物體性質無關，等于真空容器的光譜輻照度TETTM,TE,n 對任何物體都一樣，設想有這樣一個物體，其光譜吸收率 ，它對任何波長的入射輻射都能完全吸收。稱為絕對黑體，簡稱黑體。TE,1,T1,),(TMTEb表示黑體，黑體的光譜輻出度就是真空容器的光譜輻照度。黑體是一種特殊物體，

5、在所有物體中，它吸收率最大，發射本領也一定最大。對任何物體，只要能測量出其吸收率，就可計算出其光譜輻出度),(,TMTTMbn自然界不存在理想黑體: 按照黑體概念，在任何溫度下，能夠全部吸收任何波長的入射輻射功率，在常溫下，黑體一定看上去是黑色的，優質煤炭吸收率大約90，遠處的窗孔吸收率。n人工黑體模型：光線要在容器壁上多次反射后才能從小孔射出，小孔的吸收率對于所有波長幾乎都等于。看上去是一個很黑的洞。根據基爾霍夫定律，小孔的輻出度將接近面積等于孔面積的黑體的輻出度。2、維恩定律、維恩定律n小孔是黑體，外壁不是黑體，所以這與基爾霍夫定律一致。n在一定溫度下，三小孔外表面發射的功率密度各不相同，

6、但三小孔內發射功率密度相等，說明黑體輻出曲線只決定于黑體的熱力學溫度，與構成黑體的物質性質無關。n黑體光譜輻出度隨波長連續變化，每條曲線只有一個極大值，對應峰值輻射波長。n黑體光譜輻出度曲線隨溫度整體升高下降，各曲線不相干。n黑體光譜輻出度曲線下面積代表黑體總輻出度n黑體輻射的峰值輻射波長 與黑體溫度之間關系。高溫測溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。),(TMbm dTMTMbb,0)(2898KmTmm用鎢、鉭、銅分別做成三個空腔黑體輻射源，并且把每個空腔都加熱到相同的溫度，保持溫度不變，用分光光譜儀測量空腔的熱輻射可得到光譜輻出度曲線3、斯忒潘波爾茲曼定律、斯忒潘波爾茲曼定律n

7、1879年，斯忒潘發現：黑體總輻出度與熱力學溫度的四次方呈正比n斯忒潘波爾茲曼定律： 黑體總輻出度與熱力學溫度之間是一個非線性關系，n通過 的測量，可以十分靈敏地測量出熱力學溫度。是紅外測溫原理。TdTTMTdMbb4)()( TMb)(106687. 5),()(42840KmWTdTMTMbb4.普朗克公式普朗克公式 黑體輻出度公式， 可簡寫成KmkhcCmmWhcCTCCTMBb4224831251104388. 1)(107415. 321exp1),(1exp12,53TkhchcTMBbC1、C2分別為黑體第一輻射常數和第二輻射常數n 實際上描述了實際物體的輻射特性與黑體輻射特性的

8、差別，引入一個物體的發射率 代替吸收率更符合邏輯。n 與材料性質及表面狀態有關的比例系數有關，表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數值之間。根據輻射定律，只要知道了物體的發射率，就知道了任何物體的輻射特性。 n所以進行高溫測量時用到的近似黑體的譜功率密度輻出度公式為),(,TMTTMbT,T,1exp),(251TCCTM由于5. 高溫測量高溫測量T,光纖傳感器的光源在光纖傳感器設計與實際使用中，要對諸因素綜合考慮n光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；n光源發出的光波長應合適，減少光在光纖中傳輸的損失；n光源要有足夠亮度，提高傳感器的輸出信號;n光源穩定性好、噪聲小、

9、安裝方便和壽命長;n光源與光纖耦合時，希望耦合效率高，這與光源的光強、波長及光源發光面積等有關，也與光纖的粗細、數值孔徑有關。它們之間耦合的好壞，取決于它們之間匹配程度。熱光源n 熱光源的主要原理是由電流加熱合適的材料使其產生熱輻射。典型的熱光源是鎢燈，其優點是結構簡單，使用方便且具有連續光譜。n問題： 1. 光源的穩定性：鎢絲產生的光電流正比于燈絲電壓的34次冪，為了保證提供較穩定的光功率就必須具有高穩定性的電源和電路； 2. 調制速率的限制：一般采用機械斬波器，其頻率通常低于1kHz，在很多光纖傳感器的應用中是遠遠達不到要求的。一般適用于光纖束或粗芯光纖實際光纖傳感器的設計中一般不提倡選用

10、此種光源。 一、白熾燈工作原理：n熱物體都會向空間發出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。n電流通過燈絲（鎢絲，熔點達3000多攝氏度）時產生熱量，螺旋狀的燈絲不斷將熱量聚集，使得燈絲的溫度達2000攝氏度以上，燈絲在處于白熾狀態時發出光。燈絲的溫度越高，發出的光就越亮。故稱之為白熾燈。白熾燈發光時，大量的電能將轉化為熱能，只有極少一部分可以轉化為有用的光能。 n白熾燈發出的光是全色光，但各種色光的成份比例是由發光物質（鎢）以及溫度決定的。透過玻璃泡的光譜部分大約 。n白熾燈的壽命跟燈絲的溫度有

11、關，因為溫度越高，燈絲就越容易升華n抽出空氣的燈泡內充進惰性氣體，目的在于抑制燈絲蒸發。在同樣壽命下，充氣燈可提高燈絲工作溫度，從而提高光效。m4 . 03 . 0二、鹵鎢燈原理：n鹵鎢燈也是一種白熾燈，為了進一步延長燈的壽命，提高光效，在充氣鎢燈的基礎上又制成了鹵鎢燈（如碘鎢燈，溴鎢燈等）。n鹵鎢循環：高溫下（17001800）從燈絲蒸發出來的鎢在泡壁附近與鹵素反應，生成揮發性的鹵鎢化合物。當鹵鎢化合物擴散到燈絲附近時，又分解為鹵素與鎢，釋放出來的鎢沉積在燈絲上，而鹵素則又擴散到低溫（2501200 ）的泡壁附近與蒸發出來的鎢化合。這一過程叫做鹵鎢循環，或鎢的再生循環。這樣，不僅可以大大提高

12、燈絲的工作溫度和燈的光效，而且泡殼在燃燒過程中并不發黑。n鹵鎢燈比白熾燈體積小，是同功率白熾燈體積的0.53%，光通量穩定，發光效率為白熾燈的23倍，壽命長，但價格貴，管壁溫度高。激光器組成激光器的三要素n激光物質：激光器核心，反轉狀態，自發發射誘發受激發射。分為固體（晶體、非晶體、半導體等）；n光諧振：放置于激光物質兩端的嚴格平行或凹面反射鏡（腔），提供光反饋建立和維持自激振蕩，同時控制光束特性；n激發裝置：光泵，氣體放電、化學反應、熱激勵。激光特性n單色性n相干性n方向性n高亮度 特點：各個原子的輻射都是自發獨立地進行。各個光子的量子態都不相同，沒有一定的相位關系，所以不相干，其單色性極差

13、，亮度不高。 自發輻射（spontaneous emission） ：處在高能態的原子或分子總是企圖降低其勢能而自發地躍遷到較低的能態。（stimulated absorption） （stimulated emission ） 愛因斯坦關系 假設原子二能級系統中，處在高能級 E2的原子數為N2，處在低能級 E1的原子數為N1，作用于此原子系統的光子的能量密度為 。 f221221NANBf受激輻射自發輻射12112221NNNBNBff受激輻射受激吸收要想受激輻射占主導地位，必須創造兩個基本條件第一， N2 遠遠大于N1 ，即粒子數反轉，光泵浦提供。第二，足夠高的輻射譜密度 ，光學諧振腔提供

14、光反饋達到。f(1) 粒子數反轉（population inversion） ：高能級上的原子數大于低能級上的原子數的狀態。 光泵（optical pumping）：為維持原子系統的粒子數反轉，需不斷地將原子從低能級抽運到高能級，將能量注入原子系統，以維持激光運轉所需能量。光泵可以是電學、化學、熱學或光學的方法。 諧振腔對光束具有選擇性，使受激輻射集中于特定的方向。對增益小的激活介質采用穩定腔：半球腔、球面腔、共焦腔。 一、固體激光器n以固態基質中摻入少量激活元素為工作物質的激光器。“固態基質”包括絕緣體和半導體，但半導體激光器通常都不被列入固體激光器中而需要單獨介紹。n最為廣泛采用的固體激光

15、工作物質有紅寶石、摻釹釔鋁石榴石和釹玻璃三種，此外還包括可調諧固體激光器。 結構和工作過程n啟動激光電源，點燃泵燈。因為激光棒和泵燈分別置于橢圓柱聚光腔的兩個焦軸線上，所以點亮的泵燈通過聚光腔在激光棒上成像，形成均勻照射。n激光棒中激活離子（或）吸收泵浦光子能量，躍遷到高能級，無輻射快速弛豫到激光上能級，即亞穩態能級，如果泵浦強度足夠大，激光上下能級形成粒子數反轉分布。n自發發射光子使反轉粒子受激發射，軸向光子不斷增強，諧振腔形成反饋，受激增強，當腔內增益等于粒子數減少引起衰減時，輸出穩定激光。紅寶石的化學表達式為Cr3+:Al2O3 ,激活離子是Cr3+，它屬于三能級系統，在常溫下，其吸收帶

16、為0.41微米的紫光以及0.55微米的綠光，吸收帶寬約0.1微米左右，發射光譜為0.6943微米紅光。特點：機械強度大，能承受高功率密度，能生長成大尺寸晶體、亞穩態壽命長、可獲得大能量輸出，尤其是大能量單模輸出。紅寶石脈沖器件單脈沖能量已達數千焦耳，其熒光譜線較窄，易為材料吸收。n摻釹釔鋁石榴石這種晶體簡記為Nd3+:YAG，激活離子為Nd3+。常溫下輻射1.06微米激光，屬于四級能系統。 特點：1.量子效率高，受激輻射截面大，閾值遠低于紅寶石和釹玻璃；2.具有良好的熱穩定性能，熱導率高，熱膨脹系數小，適用于脈沖、連續、高重復率等多種器件，是能在室溫下連續工作的、實用的固體工作物質。3.YAG

17、晶體各向同性，硬度大，化學性質穩定，易于制成高穩定度要求的器件，是當前應用最為廣泛的主要固體工作物質。 Nd YAG激光器應用：n各種材料的加工，如打孔、點焊、激光標刻及集成電路中厚膜、薄膜電路的加工制造等；n在醫療上可用于多種外科手術；n軍事上，廣泛應用于激光測距機、目標指示器和激光雷達。 激光目標指示器： ，是激光對抗的主要對象，如在“海灣戰爭”中使用的激光制導武器“銅斑蛇”、“海爾法”以及AS.305空地導彈（它們利用激光目標指示器成功地實施了對伊目標的攻擊）；激光有源對抗中、的重要部分：如美國研制的魚工魚系統中就采用了平均功率1千瓦的CO2激光器和輸出能量約100毫焦的板條狀摻釹釔鋁石

18、榴石激光器和釔鋁石榴石倍頻激光器，有效干擾距離1.6千米和5英里。 n倍頻后的綠光和紫外輻射是可調諧染料激光器的理想泵浦源。n固體激光器具有輸出能量大、峰值功率高、器件結構緊湊、便于光纖耦合、使用壽命長和單元技術成熟等優點，而且它的體積也較氣體激光器要小，價格也比較適中。n固體激光器在光纖傳感領域有一定的應用，可以用于測量吸收光譜，如測量由污染物產生的瑞利、喇曼散射光譜；可用于超長距離的測量，如月球到地球的距離。n固體激光器的主要缺陷在于常用惰性氣體放電燈泵浦效率低，熱效應嚴重，限制了輸出功率的進一步提高和光束質量的改善。氣體激光器n氣體激光器是以氣體或金屬蒸氣作為主要工作物質的激光器。n與固

19、體激光介質相比，氣體介質的密度低得多，因而單位體積能夠實現的離子反轉數目也低得多，為了彌補氣體密度低的不足，氣體激光器的體積一般都比較大。但是，氣體介質均勻，激光穩定性好，另外氣體可在腔內循環，有利于散熱，這是固體激光器所不具備的。由于氣體吸收線寬比較窄，氣體激光器一般不宜采用光泵作激勵，更多的是采用電作激勵。n氣體激光器最大的特點就是可以產生很高的連續功率，適合在光纖傳感器中使用。n在光電傳感器中比較常見的氣體激光器主要有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準分子激光器等，它們的波長覆蓋了從紫外到遠紅外的頻譜區域。n紫外區域氣體激光器比較典型的氮氣分子激光器輸出波長為

20、337nm，在脈沖工作方式下功率可達到兆瓦量級，脈沖寬度可達到納秒量級。n一些準分子激光器，目前能夠提供從353nm到193nm的激光輸出。n由于許多物質包括污染物在內, 在紫外區域有獨特的吸收特征，隨著激光器小型化技術的發展，這類激光器在化學分析、環境保護等方面有很好的應用前景。一、 CO2激光器n利用CO2分子的振動-轉動能級間的躍遷的，有比較豐富的譜線，在10微米附近有幾十條譜線的激光輸出。 n具有輸出光束的光學質量高，相干性好，線寬窄，工作穩定等優點。n二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的輸出波長為10.6m, 連續輸出方式功率可達幾瓦，脈沖方式達到幾千瓦，是遠紅外的重要光源。n

21、許多氣體和有機物在紅外區域有吸收譜線，二氧化碳激光器可用作化學物質分析的光源。n應用于加工（焊接、切割、打孔等），通訊、雷達、激光誘發化學反應，外科手術等方面。 放電管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮氣）；電極一般是鎳制空心圓筒；諧振腔的一端是鍍金的全反射鏡，另一端是用鍺或砷化鎵磨制的部分反射鏡。 n工作原理放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的N2分子由于受到電子的撞擊而被激發起來。激發的N2分子和CO2分子發生碰撞，把能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級躍遷到高能級上，形成粒子數反轉，發出激光。 n用于傳輸波長為1

22、-12波段的紅外光信息。紅外光纖材料為硫系玻璃用于CO和CO2激光傳輸、溫度監測、化學傳感等領域。n紅外單模光纖采用As-S材料，As-S有大的非線性折射率系數，和大的色散特性。As-S單模光纖可用于色散補償，在As-S單模光纖中寫入光柵，可開發出超高速度和低門檻功率的全光開關，應用于光纖通訊和光纖傳感器。n紅外光纖傳像束與紅外成像探測器連接，用于探測強電磁場、危險環境、狹窄空間或小孔內物體的熱分布，在紅外仿真、熱氣流風洞試驗等方面有重要的作用。 激光手術由于準確度高、創傷小而深受歡迎。但在激光手術中，有時需要手術的部位在人體腔道內，這就要求激光能拐彎。目前大多數醫療激光可以通過石英光纖來實現

23、拐彎，因此激光手術刀又叫光纖手術刀。 CO2激光的波長為10.6m，屬人眼不可見到中紅外光，人體的細胞組織對其有強烈的吸收，而與細胞的顏色和水份無關，所以CO2激光在臨床應用中具有人體吸收激光效率高、創傷面積小、傷口深度淺、能封閉細小血管及減少出血等顯著優點，深受廣大激光外科醫生的青睞，在激光外科手術中得到了廣泛應用，是目前國內激光外科臨床使用量最多的激光器。 但石英光纖不能傳輸10.6m的CO2激光，鹵化銀多晶光纖AgClxBr(1-x), 0 x1是一種性能優良的中紅外傳能光纖，光纖在416微米波段內有良好的透過率，它有無毒、不潮解、柔軟性好等特點，其彎曲半徑達12厘米，能夠滿足激光醫療的

24、需要，是理想的傳輸CO2激光的柔性光纖材料。 受激的原子與基態的原子相碰撞時，把它的能量交給氖原子，而使原子激發到亞穩態，建立粒子數反轉。波長波長：6328A、1.15m、3.39m 氦-氖激光器具有連續輸出激光的能力。輸出從紅外到可見光等一系列譜線，其中632.8nm譜線相干性和方向性都很好，輸出功率通常小于1mw，可以滿足很多光電傳感器的要求。三、氬離子、氪離子激光器氬離子、氪離子激光器n氬離子發出可見的藍光和綠光，比較典型的譜線有488nm和514.5nm等；n氪離子發出的是紅光（647.1752.5nm）；n功率比氦氖激光器大，連續輸出的功率可以達到幾瓦的數量級；n適用于對光源的功率要

25、求比較大的場合。例如：光纖分布式溫度傳感器等。半導體光源分類n發光二極管n半導體激光器。 半導體激光應用：n光纖通信n高清晰度閉路電視網n激光唱機n高速打印n自由空間光通信n固體激光泵浦源n激光指示n各種醫療應用一、發光二極管一、發光二極管（LED）發光二極管是用半導體材料制作的正向偏置的PN結二極管。n發光機理 當在PN結兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子空穴對）在擴散過程中復合發光，這種發射過程主要對應光的自發發射過程。n優點： 可靠性較高，室溫下連續工作時間長、P-I線性度好、技術成熟，價格便宜。適用于簡易的光纖傳感器的設計中，可降低成本。n缺點： 輸出功率小、發射角大、譜線寬

26、、響應速度低等。不適用于一些需要功率高、調制速率快、單色性好的光源的傳感器。發光二極管常分為三種類型n面發光二極管；n邊發光二極管；n超輻射發光二極管。1. 1. 面發光二極管面發光二極管（Surface Emitting） 由雙異質結構成。發射面積限定在一個小區域內，該區域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。利用腐蝕的方法在襯底材料正對有源層的地方腐蝕出一個凹陷的區域，使光纖與光發射面靠近，同時，在凹陷的區域注入環氧樹脂，并在光纖末端放置透鏡或形成球透鏡，以提高光纖的接收效率。面發光二極管輸出的功率較大，一般注入100mA電流時，就可達幾個毫瓦，但光發散角大，水平和垂直發散角都可達到120，與光纖的耦

27、合效率低。2. 2. 邊發光二極管邊發光二極管（Edge Emitting） 采用了雙異質結結構，利用SiO2掩模技術，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極(約4050m)，從而限定了有源層的寬度；同時，增加光波導層，進一步提高光的限定能力，把有源區產生的光輻射導向發光面，提高與光纖的耦合效率。有源層一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，實現單向出光。在垂直于結平面方向，發散角約為30，具有比面發光二極管高的輸出耦合效率。3. 3. 超輻射發光二極管超輻射發光二極管（Superluminescent Diodes） SLD是一種是一種寬光譜、弱時間相干性、大功率、高效率的半導體光發射器件，介于激光二極

28、管LD和發光二極管LED之間的半導體光源，具有比LD更寬的發光光譜和更短的相干長度，具有比LED更高的輸出功率，集寬光譜和大功率的優點于一身，具有廣泛的應用。 SLD的出現和發展是受到光纖陀螺的驅動，對它的要求是有高的功率輸出并有寬的光譜寬度。nSLD結構與激光器相似，都是受激放大過程，既有很高的輸出功率而又不產生激射振蕩，僅有前向光波被放大。 SLD有源區結構n量子阱(quantum well簡稱QW) 光譜寬度可達百納米，輸出功率達到上百毫瓦以上(兩參數非同一器件).n量子點(quantum dot簡稱QD) 光譜寬度可達150 nm以上, 輸出功率可達200 mW， (以上兩參數非同一器

29、件)。nSLD和激光根本區別在于器件是否存在振蕩及選模作用，所以減小腔面的反射及F-P振蕩是實現超輻射發光的關鍵技術。n采用波導吸收區、傾斜結構、腔面鍍膜等更好地抑制激射，提高超輻射功率。應用n光纖陀螺n光學相干層析成像技術n光時域反射儀(OTDR)n局域網(LAN)n波分復用光纖通信n光處理技術n干涉式光纖陀螺儀(IFOG)是1976年以后發展起來的一種全新的全固態慣性測量設備，是具有跨時代特征的新型主流慣性儀表，在航空航天、航海和國防工業中得到廣泛應用。n早期光源：He-Ne激光器和半導體激光器 光纖陀螺中的噪聲主要由于光纖結構的不均勻性引起的瑞利背向散射的瞬時波動所造成的。當采用激光器作

30、為光源時，由于激光的相干性，會使瑞利散射光與信號光產生干涉，引起輸出的瑞利噪聲。為減少這種噪聲，一般可采用短相干或非相干光為減少這種噪聲，一般可采用短相干或非相干光作為光纖陀螺系統的光源。作為光纖陀螺系統的光源。nLED是一種較好的非相干光源，但功率小、輸出光發散角大，因而耦合效率低，無法提高系統信噪比。nBurns等在1983年指出: 當光源的光譜寬度大于15nm時可顯著減小IFOG的背向散射。nSLD的光譜寬度達到幾十納米，可有效減小背向散射。n隨著外延生長技術和器件制備工藝的發展，SLD逐漸成為了IFOG的標準光源。n采用SLD作為光源，提升IFOG的精度 抑制或消除菲涅爾背向反射噪聲、

31、瑞利背向散射噪聲、克爾效應和雙折射效應帶來的噪聲和漂移。 采用中心波長840nm、譜寬14.7nm的SLD背向散射噪聲比采用半導體激光器時的數值小了34個數量級。商用SLDn光譜波段方面覆蓋了光纖的4個窗口(850nm、1060nm、1310nm和1550nm)n光譜寬度和輸出功率方面，單管輸出光譜寬度達100nm，輸出功率達100mW (以上兩參數非同一器件)。多管模塊輸出光譜寬度可達300 nm，對應的輸出功率達4 mW。n輸出形式有自由空間輸出，單模光纖輸出、保偏光纖輸出方式。n為了獲得穩定的輸出波長和發射功率，商用SLD可集成半導體制冷器和溫控裝置，可滿足高精度應用的需求。LED特性特

32、性1. 光譜特性光譜特性由于LED沒有光學諧振腔以選擇波長，所以它的光譜是以自發發射為主的光譜，發光譜線較寬。圖為一典型1.3m LED的光譜曲線。光譜曲線上發光強度最大時所對應的波長稱為發光峰值波長P，光譜曲線上兩個半光強點對應的波長差稱之為LED譜線寬度(簡稱譜寬)，它是一個與溫度T和波長有關的量 譜寬隨輻射波長的增加按2增加。一般短波長GaAIAs/GaAs發光二極管的譜線寬度約為1050 nm，長波長InGaAsP/InP發光二極管的譜線寬度約為50120nm。hckT28 . 1p1波長（m）相對功率121.201.350.52. P-I特性特性 LD比較起來，發光二極管的溫度特性相

33、對較好，在實際應用中，一般可以不加溫度控制。100邊發光二極管P (mW)I (mA)LD面發光二極管超輻射發光二極管200123二、半導體激光二極管二、半導體激光二極管 半導體激光二極管在光纖傳感系統中應用非常廣泛。n優點： 效率高、體積小，波長范圍較寬，價格低，在光纖傳感中使用非常方便。n缺點： 1. 工作一定時間后其性能將逐漸退化，最終導致激光管不能使用。影響其在一些必須長期使用、不便更換的光纖傳感器中的使用。 2. 普通半導體激光的單色性和方向性要比氣體激光器的差，改進：利用分布反饋或量子阱結構等技術。1. 發光機理發光機理能帶概念制作LD的材料是半導體晶體。晶體中，原子核外的電子運動

34、軌道因相鄰原子的共有化運動要發生不同程度的重疊，電子已不屬于某個原子所有，它可以更大范圍內甚至在整個晶體中運動，原來的能級已經轉變成能帶。對應于最外層能級所組成的能帶稱為導帶，次外層的能帶稱為價帶，它們之間的間隔內沒有電子存在，這個區間稱為禁帶。原子軌道導帶禁帶價帶原子能級共有化態能帶(a)P - N結內載流子運動；結內載流子運動；(b) 零偏壓時零偏壓時P - N結的能帶圖；結的能帶圖； (c) 正向偏壓下正向偏壓下P - N結能帶圖結能帶圖 PN結的能帶和電子分布結的能帶和電子分布nLD是基于受激發射的原理工作的n實際上，半導體激光器所發射出的光波長不是單一值。造成這種現象的原因有兩個：一

35、是半導體導帶和價帶都是由許多能級組成的，它們所具備的能量有微小差別；二是半導體的能帶結構受摻雜和晶體缺陷影響較大，使得禁帶寬度有微小的變化，所以用下式計算出的波長是有一定的范圍的量。)(24. 1eVEEhcgg直接帶隙和間接帶隙： 在光的受激發射過程中必須保持能量和動量的守恒。禁帶形狀是與動量有關的，依照禁帶的形狀，可將半導體分成直接帶隙和間接帶隙兩種。直接帶隙材料中，導帶最小能級和價帶最大能級有相同的動量，電子是垂直躍遷的，發光效率高；間接帶隙材料中，要完成電子的躍遷，必須有其它粒子的參與以保持動量守恒。 只有直接帶隙半導體材料才能制作發光器件，這類材料有GaAs、AlGaAs、InP和I

36、nGaAsP等。電子躍遷導帶禁帶價帶動量（a） 直接帶隙kp電子躍遷導帶禁帶價帶動量（b） 間接帶隙Ep2. LD結構結構通常是一個多層條形的結構，有源層、限制層和端鏡面構成了基通常是一個多層條形的結構，有源層、限制層和端鏡面構成了基本部分。本部分。電極出光面N-GaAs前端鏡面電極N-AlGaAsGaAsP-AlGaAsN-GaAs結構中間有一層厚結構中間有一層厚0.10.3 m的窄帶隙的窄帶隙P型半導體，型半導體，稱為有源層；兩側分別為稱為有源層；兩側分別為寬帶隙的寬帶隙的P型和型和N型半導體，型半導體， 稱為限制層。三層半導體稱為限制層。三層半導體置于基片置于基片(襯底襯底)上，前后上，

37、前后兩個晶體解理面作為反射兩個晶體解理面作為反射鏡構成法布里鏡構成法布里 - 珀羅珀羅(FP)諧振腔。諧振腔。（1）有源層和限制層）有源層和限制層有源層的材料是P型砷化鎵GaAs材料，限制層分別是P型和N型砷化鎵鋁AlGaAs材料，在它們的界面上分別形成兩個PN結，我們把這類由異種半導體相接的結構稱為雙異質結，圖（a）畫出了雙異質結的結構示意圖，圖（b）是它的能帶。(a)能量電子空穴EgpP-(AlGaAs)N-(AlGaAs)P-(GaAs)(b)(c)(d)折射率光場分布EgnEg（2）端鏡面激光器兩端是端鏡面，兩者是平行的，同時又是非常平坦光亮的，它可以使有源層產生的光部分逸出，因此端鏡

38、面和有源層構成了光的容器。另外，有源層里產生的光不斷從兩端反射，形成光的振蕩。隨著電流不斷注入，光逐漸被放大并趨于穩定的輸出狀態。3. LD閾值條件閾值條件在激光器工作過程中，光在諧振腔內傳播，除了增益介質的光放大作用外，還存在工作物質的吸收、介質不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗情況，只有光波在諧振腔內往復一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減，激光器才能建立起穩定的激光輸出。增益介質反射鏡面有源區 PN注入電流 F-P光學諧振腔設增益介質的增益和損耗分別為G和，諧振腔內光功率隨距離z的變化可表示為 （1）式中，P(0)為z0處的光功率。光束在腔內一個來回時，兩次通過增益

39、介質，這時的光增益為 （2）式中，L為腔長。設兩個鏡面的反射系數為rl和r2，建立光振蕩的條件為 （3）將（2）式代入（3）式，可得 （4）這就是產生激光的閾值條件。式中第一項是增益介質的損耗，第二項表示通過反射鏡的損耗。只有當注入電流滿足閾值條件時，才迅速出現激光輸出。zGPzP)(exp)0()(LGPLP)(2exp)0()2()0()2(21PLPrr1)(2exp21LGrr4. LD縱模縱模在兩平面反射鏡之間形成了一穩定的振蕩，振蕩頻率可由諧振條件或稱駐波條件得到。在諧振腔中，光波是在兩平面反射鏡之間往復傳輸的，只有平面鏡間距離是半波長的整數倍時，光波才能得到彼此加強，即 (9)式

40、中，為光波的波長，n為增益介質的折射率，m=1，2，。利用，可將上式重寫成 （10）式中，f為光波的頻率，c為光速。顯然，激光器中振蕩的光頻率只能取某些分立值，m的一系列取值對應于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態，一種分布就是一個激光器的縱模。腔內的縱模很多，只有那些有增益且增益大于損耗的模式才能在激光的輸出光譜中存在。若只剩下一個模稱為單縱模激光器，否則稱為多縱模激光器。相鄰兩縱模之間的頻率之差 (11)nmL2nLcmf2nLcf2激光器的橫模激光器的橫模激光振蕩也可以出現在垂直于腔軸線的方向上，這時在激光器出光的端面上出現穩定的光斑，將這種橫向的光場分布稱為橫模。激光器的橫模決定了

41、激光光束的空間分布，它直接影響到器件和光纖的耦合效率。、 LD的性質的性質1. P-I特性特性當注入電流小于閾值電流Ith時，器件發出微弱的自發輻射光，是非相干的熒光；當注入電流超過閾值時，器件進入受激發射狀態，發出的光是相干激光，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本保持線性關系。 閾值電流Ith是激光器的重要參數，該值越小、越穩定，說明激光器的設計和制造工藝越好。短波長激光器，Ith一般在50mA100mA之間；長波長激光器的Ith一般在20mA50mA之間，目前較好的激光器閾值電流小于10mA。 激光器的PI特性對溫度很敏感，隨著溫度的升高，閾值電流增大，發光功率降低。 )()exp

42、()0()(0thDexththIIehfPTTITI激光器PI曲線 激光器PI曲線隨溫度的變化n為解決半導體激光器溫度敏感的問題，可以在驅動電路中進行溫度補償，或是采用制冷器來保持器件的溫度穩定n通常將半導體激光器與熱敏電阻、半導體制冷器等封裝在一起，構成組件。熱敏電阻用來檢測器件溫度，控制制冷器，實現閉環負反饋自動恒溫。. 光譜特性光譜特性激光器的光譜特性主要由其縱模決定。圖（a）和(b)分別為多縱模、單縱模激光器的典型光譜曲線，峰值波長典型值是850nm、1310nm和1550nm。多縱模激光器光譜特性包絡內一般含有35個縱模，值約為35nm；較好的單縱模激光器的值約為0.1nm，甚至更

43、小。對于單縱模激光器，定義邊模抑制比MSR為主模功率P主與次邊模功率P邊之比，它是半導體激光器頻譜純度的一種度量。 （a）多縱模激光器的典型光譜曲線 （b）單縱模激光器的典型光譜曲線邊主PPMSRlg10波長0相對功率 縱模變化： 半導體激光器的發光譜線會隨著工作條件的變化而發生變化，當注入電流低于閾值電流時，激光器發出的是熒光，光譜較寬；當電流增大到閾值電流時，光譜突然變窄，強度增強，出現激光；當注入電流進一步增大，主模的增益增加，而邊模的增益減小，振蕩模式減少，最后會出現單縱模。、LD的類型的類型1. 分布反饋激光器分布反饋激光器分布反饋激光器是單縱模激光器，邊模抑制比MSR達到了30dB

44、，譜寬達到了50MHz以下，具有非常好的單色性和方向性，由于它沒有使用晶體解理面作為反射鏡，所以更容易集成化，應用前景十分誘人。目前商用的DFBLD和DBRLD在光纖有線電視傳輸系統中得到了廣泛的應用。分布反饋DFB(Distributed Feedback)激光器分布布拉格反射DBR(Distributed Bragg Reflector)激光器（1）DBR激光器DBR激光器在有源層的附近增加了一段分布式布拉格光柵，它起著衍射光柵的作用。反射光經光柵相長干涉，相長干涉的條件是反射光波長等于兩倍光柵間距， 式中，是介質折射率，整數m代表布拉格衍射階數，m1時相長干涉最強。2nmBP有 源區布拉

45、格光柵N光 輸出DBR激光器的結構（2）DFB激光器 沒有集總反射的諧振腔反射鏡，靠有源層上的布拉格光柵使有源層的光波產生部分反射，滿足布拉格反射條件的特定波長的光會相長干涉， 式中， n是有效折射率，L是衍射光柵有效長度，m是整數，B是布拉格波長。由上式可見，完全對稱的器件應該具有兩個與B等距離的模式，實際上，由于制造過程或者有意使其不對稱，只能產生一個模式。由于上式的第二項比第一項小很多，光的波長非常靠近B。 分布反饋激光器可以通過改變光柵的周期來調整發射波長。DFB激光器的結構) 1(22mnLBBmP有源區布拉格反射器N光輸出L2. 量子阱激光器量子阱激光器 一般雙異質結構激光器的有源

46、層的最佳厚度約為0.15m，電子的輻射躍遷發生在兩個能量之間，但當其有源層厚度減至可以和波爾半徑(150 nm)相比擬時，半導體的性質將發生根本變化，此時，半導體的能帶結構、載流子有效質量、載流子運動性質會出現新的效應量子效應，相應的勢阱稱為量子阱，這種結構的激光器稱為量子阱激光器。量子阱結構可以通過改變有源層的厚度來改變發射波長，它大大地降低了閾值電流。 量子阱激光器具有低閾值電流、可高溫工作、譜線寬度窄和調制速度高等優點。3. 垂直腔面發射激光器垂直腔面發射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 一種電流和發射光束方向都與芯片表面垂直的激光器。對于二維應用具有很好的靈活性，與光纖耦合時具有最高的耦合效率。 有源層位