光電檢測技術常用器件及應用第一頁，共七十二頁，2022年，8月28日1、光電器件的類型與特點2、光電檢測器件的特性參數3、光電導器件---光敏電阻4、光生伏特效應------光電池、光電二極管、光電三極管等6、光電發射效應---光電管、光電倍增管等主要內容7、光熱效應----熱敏電阻、熱電偶5、發光器件及耦合器件第二頁，共七十二頁，2022年，8月28日光電測量中的常用光源根據光譜寬度，可將光源分為相干光源和非相干光源相干光源：激光（氣體、固體、半導體）非相干光源：除了激光之外的其他光源1、熱輻射光源（白熾燈，太陽光等）2、氣體放電光源（汞燈、脈沖氙燈等）3、固體發光光源（LED發光二極管）第三頁，共七十二頁，2022年，8月28日白熾燈利用熱輻射發出可見光的電光源。

在燈泡內充入鹵鎢循環劑（如氯化碘、溴化硼等），可以形成鹵鎢循環，就構成了鹵鎢燈。鹵鎢燈的工作溫度為3200K，光效為30lm/W。鹵鎢燈白熾燈第四頁，共七十二頁，2022年，8月28日利用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時在燈中充入發光用的氣體，在電場作用下激勵出電子和離子，氣體變成導電體。當離子向陰極，電子向陽極運動時，從電場中獲得能量，使內層電子躍遷到高能級，引起原子的激發，受激原子回到低能級時就會發射出可見輻射或紫外輻射。氣體放電光源有輝光放電燈、弧光放電燈、高頻放電燈等氣體放電光源第五頁，共七十二頁，2022年，8月28日第六頁，共七十二頁，2022年，8月28日發光二極管的基本工作原理與特性發光二極管（LED-LightEmittingDiode）是一種固態發光，是利用半導體或類似結構把電能轉換成光能的元件，屬于低場下的注入式電致發光。第七頁，共七十二頁，2022年，8月28日1907年首次發現半導體二極管在正向偏置的情況下發光。1923年，由Losev在產生p-n結的SiC中發現注入式電致發光60年代末，LED得到迅速發展1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP間接帶材料隙得到橙、黃、綠的LED70年代末，人們開始用發光二極管作為數碼顯示器和圖像顯示器。

發展史第八頁，共七十二頁，2022年，8月28日發光二極管（即LED）是一種注入電致發光器件，它由P型和

N型半導體組合而成。其發光機理常分為PN結注入發光與異質結注入發光兩種。

發光二極管的發光機理第九頁，共七十二頁，2022年，8月28日1、制作半導體發光二極管的材料是摻雜的，熱平衡狀態下的N區很多自由電子，P區有很多多空穴。2、當加以正向電壓時，N區導帶中的電子可越過PN結的勢壘進入P區。P區的空穴也向N區擴散3、于是電子與空穴有機會相遇，復合發光。由于空穴遷移率低于自由電子，則復合發光主要發生在p區。光的顏色（波長）決定于材料禁帶寬度Eg，光的強弱與電流有關

1.PN結注入發光第十頁，共七十二頁，2022年，8月28日

為了提高載流子注入效率，可以采用異質結。由于p區和n區的禁帶寬度不相等，當加上正向電壓時兩個勢壘均減小，但P區的勢壘減小多，兩區的價帶幾乎相同，空穴就不斷向n區擴散。對n區電子，勢壘仍然較高，不能注入p區。這樣，禁帶寬的p區成為注入源，禁帶窄的n區成為載流子復合發光的發光區。由于n區所發射的光子能量hv比EG2

小得多，它進入p區不會引起本征吸收而直接透射出去。

2.異質結注入發光透射窗第十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日為了進一步提高載流子注入效率，常常采用雙異質結(DH)注入。雙異質結注入發光第十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日LED的特性參數

LED的發光光譜指LED發出光的相對強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發光二極管的發光顏色1.發光光譜ΔλΔλ第十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日

發光二極管發射的光通量與輸人電能之比表示發光效率，單位lm/W；也有把光強度與注入電流之比稱為發光效率，單位為cd／A（坎/安）。2、發光效率發光效率對比：白熾燈9lm/w日光燈40lm/wLED60lm/w第十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日10.90.1亮度ttrtf3.時間響應響應時間指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數衰減。它的響應時間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，GaP約為100ns。第十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日發光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現象叫老化。電流密度大，老化快。

4.壽命第十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日1、

LED輻射光為非相干光，光譜較寬，發散角較大。2、

LED的發光顏色豐富，通過選用不同的材料，可以實現各種發光顏色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的紅色LED，GaAaP材料的橙色、黃色LED，以及GaN藍色LED等。3、LED的輝度高。隨著各種顏色LED輝度的迅速提高，即使在日光下，由LED發出的光也能視認。4、LED的單元體積小。再加上低電壓、低電流驅動的特點，可作為電子儀器設備、家用電器的指示燈、信號燈的使用。5、壽命長，基本上不需要維修。可作為地板、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應用領域。LED特點第十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日發光二極管的應用

1、指示燈LED指示燈不斷更新換代，其壽命在數十萬小時以上，而且功耗小，發光響應速度快，亮度高，小型耐振動等特點，在各種應用中占有明顯的優勢。常見的應用：電話、音響制品、家電制品、各種計測儀表以及集中控制盤等指示燈第十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日1998年發白光的LED開發成功。高效節能超長壽命：以相同亮度比較，3W的LED節能燈333小時耗1度電，而普通60W白熾燈17小時耗1度電，普通5W節能燈200小時耗1度電。CREE公司實驗室最高光效已達260lm/W，而市面上的單顆大功率LED也已經突破100lm/W。綠色環保：不含汞和氙等有害元素。2.照明第十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日第二十頁，共七十二頁，2022年，8月28日第二十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日第二十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日七段式數碼管文字顯示器的內部接線14劃字碼管3、數字、文字以及圖像顯示第二十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日4、顯示器彩色大面積顯示設備，如電子商標及大屏幕顯示第二十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日LCDLCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的簡稱，LCD的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面。第二十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日LED與LCD比較LCD液晶屏是LiquidCrystalDisplay的簡稱，LCD的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面。LED顯示器與LCD顯示器相比，LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優勢。LED與LCD的功耗比大約為1:10，而且更高的刷新速率使得LED在視頻方面有更好的性能表現，能提供寬達160°的視角。有機LED顯示屏的單個元素反應速度是LCD液晶屏的1000倍，在強光下也可以照看不誤，并且適應零下40度的低溫。利用LED技術，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的顯示器，擁有廣泛的應用前景。LED的分辨率一般較低，價格也比較昂貴，因為集成度更高。

第二十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日等離子顯示器（PDP）等離子屏：英文為PlasmaDisplayPanel,其是在兩張薄玻璃板之間充填混合氣體，施加電壓使之產生離子氣體，然后使等離子氣體放電，與基板中的熒光體發生反應，產生彩色影像。。等離子彩電又稱“壁掛式電視”，不受磁力和磁場影響，具有機身纖薄、重量輕、屏幕大、色彩鮮艷、畫面清晰、亮度高、失真度小、節省空間等優點。耗電量大，一臺42寸的耗電量為380W等離子屏工作機理類似普通日光燈，有三層結構。第二十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日在第一層的里面涂有導電材料的垂直，中間層是燈泡陣列，第三層表面涂有導電材料的水平條。要點亮某個地址的燈泡，開始要在相應行上加較高的電壓，等該燈泡點亮后，可用低電壓維持氖氣燈泡的亮度。關掉某個燈泡，只要將相應的電壓降低。燈泡開關的周期時間是15ms，通過改變控制電壓，可以使等離子板顯示不同灰度的圖形。第二十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日OLEDOLED，即有機發光二極管（OrganicLight-EmittingDiode），其柔性的特征將使得可折疊電視、電腦成為可能。還存在使用壽命短、大型化難等缺陷。具備了信息顯示和器件制造所要的所有優異特征，是公認的下一代顯示器主流。第二十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日6.1為什么說發光二極管的發光區在PN結的P區？這與電子、空穴的遷移率有關嗎？答：這是因為發光二極管在正向電壓的作用下，電子由N區向P區運動，而空穴向N區運動。但由于電子的遷移率μN

比空穴的遷移率μp高20倍左右，電子很快從N區遷移到P區，因而復合發光主要發生在P區。6.2為什么發光二極管必須在正向電壓下才能發光？反向偏置的發光二極管能發光嗎？答：由于LED的發光機理是非平衡載流子即電子與空穴的擴散運動導致復合發光，因此要求擴散運動占優勢，所以必須加正向電壓。在不加偏加或加反向偏壓的情況下，PN結內部的漂移運動占主要優勢，而這種少子運動復合幾率小，不足以使LED發光。習題第三十頁，共七十二頁，2022年，8月28日6.3發光二極管的發光光譜由哪些因素決定？光譜的半寬度有何意義？答：發光二極管的發光光譜由材料的種類、性質及發光中心的結構決定，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關。譜線半寬度（半功率寬度2Δλ）——在LED譜線的峰值λP兩側±Δλ處，存在兩個光強等于峰值一半的點，它們之間的寬度。意義：它是一個反映LED單色性的參數。半寬度越小，則發光光譜單色性越好，發光功率集中于半譜線寬度內。第三十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日半導體激光器半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現粒子數反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現光放大而產生激光振蕩的1、工作物質（產生粒子數反轉分布）2、激勵能源（輻射源或電源）3、有一個諧振腔（提供正反饋和高增益，維持受激輻射。）獲得激光必須具備三個要素：半導體激光器的發光原理第三十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日半導體PN結正向偏壓粒子數反轉產生受激輻射振蕩選頻輸出激光（激勵源）（激光物質）（諧振腔）半導體激光產生過程：第三十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日在激光物質中，產生激光的必要條件之一就是受激輻射要占主導地位，此時就必須從外部給工作物質輸入能量，使處于激發態的載流子多于處于基態的載流子，也就是把載流子的正常分布倒轉過來——粒子數反轉粒子數反轉的條件：增益大于閾值增益或注入電流大于閾值電流。粒子數分布反轉第三十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日

通常是由具有一定幾何形狀和光學反射特性的兩塊反射鏡按特定的方式組合而成。作用：①提供正反饋和增益,維持受激輻射的持續振蕩。②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。諧振腔——在激光物質的兩測放置相互平行的反射面。作用是讓所選光能在其內反復振蕩而加強。光在共振腔內獲得增益，當腔內增益大于損耗，產生激光振蕩。諧振腔第三十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日這樣的激光器面積大，也稱為大面積激光器。半導體激光器也稱激光二極管(LD——LaserDiode)最簡單的半導體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構成，如圖所示。PN結型二極管注入式激光器第三十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日粒子數反轉的條件：增益大于閾值增益或注入電流大于閾值電流。第三十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日反射吸收散射衍射透過諧振腔失掉偏振損失起偏器泡克爾晶體諧振腔損耗第三十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日增益>損耗增益<損耗增益=損耗增益和損耗第三十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日半導體激光器的結構驅動電源工作物質諧振腔注入式光子激勵電子束激勵PN結（同質結）異質結單異質結雙異質結（DH）解理面布拉格反饋分布反饋式DFB分布布拉格反射式DBR第四十頁，共七十二頁，2022年，8月28日半導體激光器效率高、體積小、重量輕、結構簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應用以及步兵隨身攜帶，如在飛機上作測距儀來瞄準敵機。其缺點是輸出功率較小。目前半導體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區域。

LD和LED的主要區別

LD發射的是受激輻射光

LED發射的是自發輻射光

LD的特點及應用第四十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日激光的特性

方向性好亮度高單色性好相干性好第四十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日方向性好

第四十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日單色性好第四十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日高亮度第四十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日激光的應用由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點而在許多領域得到廣泛應用：1：激光應用于軍事領域

2：激光在信息技術領域---全息照相與光存儲中的應用3：激光在光通信領域領域的應用

4：激光在醫學領域的應用5：激光在工業加工領域中的應用6：激光在物理、化學、生物領域的應用7：激光應用于科學研究領域：激光冷凍原子與原子鐘、激光引發核聚變

第四十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日第四十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日雷達（分辨率高，可測云霧）等。★測量：準直、測距等。★醫療：激光手術刀，血管內窺鏡，治癌等。第四十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日第四十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日第五十頁，共七十二頁，2022年，8月28日形形色色的激光武器激光槍第五十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日形形色色的激光武器機載激光武器第五十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日第五十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日激光用于通訊第五十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日激光測距與激光雷達第五十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日激光切割第五十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日長度測量第五十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日激光在信息技術領域的應用全息照相光存儲大屏幕顯示第五十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日

普通照相原理

由惠更斯-費涅爾原理可知，任何物體發出的光波可以看成是由物體上各物點發出球面波的總和，其表達式為：

通常底片上的感光乳膠只對光強有響應，其感光特性，頻率響應遠遠跟不上光波的頻率（大于1014Hz），無法直接記錄相位，而底片的感光程度直接由原物各處的亮度決定，這樣底片上各點的明暗只能反映光波的振幅分布，但丟失了物光波的位相信息。其相片只能呈現一個平面像而失去了立體感，這就是普通照相，如上圖。

凸透鏡成像底片物體普通成像原理簡圖第五十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日物體光波的記錄物體光波的記錄采用了干涉法，把具有振幅和相位信息的物光O和未受物體影響的參考光R相干涉，其干涉條紋將以強度分布的形式記錄在全息底片H（即全息干板）上，經顯影定影處理后形成全息圖。全息照相獲得的底片并不直接顯示物體的形象，而僅是一張干涉圖，如上圖所示。由光干涉理論分析知，所產生的干涉圖樣的亮暗對比度反映了物光波振幅的大小；條紋的形狀、走向，間隔等幾何特征反映了物光波的位相分布。這樣全息圖就記錄下了來自物光的全部振幅和位相信息。實驗原理全息底片激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上，反射光束照射在膠片上，稱為物光束；另一束直接照到感光膠片即全息干板上，稱為參考光束。當兩束光程適當，在膠片上形成干涉，就完成了全息照相的攝制過程

全息照片和普通照片截然不同第六十頁，共七十二頁，2022年，8月28日全息圖再現

全息圖上只能看到復雜的干涉條紋，要看到原來物體的像，必須使全息圖再現原來物體發出的光波，稱為全息圖的再現，這一過程是利用光柵衍射原理來完成的。如圖，用一束與參考光相同的再現光沿原參考光的方向照射全息圖，圖上每一組干涉條紋可看作一復雜的光柵,它使再現光產生衍射。在衍射光柵的柵格間距小的地方，光的衍射角大；在衍射光柵的柵格間距大的地方，光的衍射角小。即可在原物位置處看到與原物相同的立體圖象。實驗原理第六十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日英女王的全息照片

第六十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日多路合成角度全息用于藝術品展示第六十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日全息激光防偽標簽，已經是一個很大的產業

第六十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日光電耦合器件

發光器件：常用LED、LD和微形鎢絲燈等。接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。光電耦合器件發送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。

光電耦合器件：將發光器件與光電接收器件組合在一起具有信號傳輸功能的器件。光電耦合器件電路符號第六十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日