第3章

光源與輻射源

光源與輻射源3.1光源選擇的根本要求與光源分類(lèi)3.2熱光源3.3氣體放電光源3.4固體發(fā)光光源3.5激光光源3.1光源選擇的根本要求和光源的分類(lèi)

一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無(wú)論是天然的，還是人造的，都稱(chēng)為光源。

一、對(duì)光源的要求1.對(duì)光源發(fā)光光譜特性的要求為增大光電檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)和信噪比，這里引入光源和光電探測(cè)器之間光譜匹配系數(shù)的概念，以此描述兩光譜特性間的重合程度或一致性。光譜匹配系數(shù)α定義為：Wλ——波長(zhǎng)λ時(shí)．光源光輻射通量的相對(duì)值；Sλ——波長(zhǎng)λ時(shí)，光電探測(cè)器靈敏度的相對(duì)值；A1和A2的物理意義如圖3-1所示，它們分別表示W(wǎng)λ?Sλ和Wλ兩曲線與橫軸所圍成的面積。實(shí)際選擇時(shí)，應(yīng)使匹配系數(shù)盡可能大些。2.對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求為確保光電檢測(cè)系統(tǒng)的正常工作，通常對(duì)系統(tǒng)所采用的光源或輻射源的強(qiáng)度有一定的要求。光強(qiáng)太小，可能會(huì)使信號(hào)太小，無(wú)法檢測(cè)；光強(qiáng)太大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，可能損壞探測(cè)器。3.對(duì)光源穩(wěn)定性的要求波長(zhǎng)，脈沖頻率，發(fā)光強(qiáng)度等穩(wěn)定性。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法：穩(wěn)壓電源供電；〔一般要求〕穩(wěn)流電源供電；〔較高要求〕對(duì)發(fā)出光進(jìn)行采樣，然后反響控制光源的輸出?！哺咭蟆?.對(duì)光源其它方面的要求除上述的要求外，還有一些要求。例如：

燈絲結(jié)構(gòu)和形狀，發(fā)光面積的大小和構(gòu)成，發(fā)光效率與間分布等。廣義來(lái)說(shuō)，任何發(fā)出光輻射的物體都可以叫作光輻射源。這里所指的光輻射包括紫外光、可見(jiàn)光和紅外光的輻射。通常把發(fā)出可見(jiàn)光為主的物體叫作光源，而把發(fā)以非可見(jiàn)光為主的物體叫做輻射源。有時(shí)把它們統(tǒng)稱(chēng)為光源，有時(shí)也統(tǒng)稱(chēng)為輻射源。

二、光源的分類(lèi)按照輻射來(lái)源不同，光源分為：自然光源與人工光源。按照光波在時(shí)間空間上的相位特征，一般將光源分成相干光源和非相干光源。按照發(fā)光機(jī)理，光源又可分成：熱輻射光源，氣體發(fā)光光源，固體發(fā)光光源和激光器四種。表3-1列出了不同天空條件下地面景物的自然照度；表3-2列出了不同天空條件下近地天空的亮度。表3-3列出了各自然輻射源的星等和對(duì)地面產(chǎn)生的照度。三、光源的特性參數(shù)輻射效率和發(fā)光效率〔人工光源〕在給定λl～λ2波長(zhǎng)范圍內(nèi)。某一輻射源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱(chēng)為該輻射源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。某一光源所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的發(fā)光效率。3.2熱光源利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源叫做熱光源。例如黑體源，白熾燈。一、黑體及黑體光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)器絕對(duì)黑體:假設(shè)物體在任何溫度下,對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能的吸收比都等于1,那么稱(chēng)該物體為絕對(duì)黑體,簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。

不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。熱力學(xué)穩(wěn)度T時(shí)，黑體的光譜輻射出射度：

這一公式稱(chēng)為普朗克公式。1、黑體輻射公式式中Mλ——波長(zhǎng)λ處的單色輻射出射度；

——波長(zhǎng)(m)；h——普朗克常數(shù)，其值為6.626×10-34(J·s)；c——真空中光速，其值為2.998×108(m／s)；k——波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23(J/K)；T——絕對(duì)溫度(K)；

黑體的全輻射出射度與黑體的絕對(duì)溫度四次方成正比：〔1〕斯特藩-玻耳茲曼公式根據(jù)普朗克公式可以導(dǎo)出以下公式熱輻射的功率隨著溫度的升高而迅速增加。斯特藩常數(shù)

對(duì)于給定溫度T，黑體的單色輻出度有一最大值,其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為。熱輻射的峰值波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向著短波方向移動(dòng)?！?〕維恩位移定律〔3〕黑體最大輻射波長(zhǎng)處的輻射出射度黑體輻射光譜特性曲線為方便實(shí)際能量的估算，給出有關(guān)局部能量的分布，如表3-5所示。2、腔型黑體輻射源在許多光電儀器或系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的溫度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱(chēng)為黑體模擬器，也稱(chēng)為基準(zhǔn)輻射源。按照物理學(xué)的原理可知，等溫密閉空腔中的輻射是黑體輻射。典型的腔型黑體輻射源的根本結(jié)構(gòu)原理如圖3-3所示，它主要由黑體芯子、加溫繞組、測(cè)溫計(jì)和溫度控制器等局部組成。常用的黑體芯子有四種根本結(jié)構(gòu)，其斷面如圖3-4所示。它們分別是錐形腔、柱形腔、球形腔和倒置錐形腔。圖3-4理想黑體的比輻射率為1，對(duì)于實(shí)際工作中的標(biāo)準(zhǔn)黑體應(yīng)該做到：(1)比輻射率接近1并；(2)腔體內(nèi)溫度均勻；(3)溫度可調(diào)，并可知調(diào)定的溫度；(4)限制光闌的面積可調(diào)并可知調(diào)定的面積。黑體源的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)別及特征如表3-6所示。二、白熾燈

用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見(jiàn)光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對(duì)接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。分類(lèi)：真空白熾燈，充氣白熾燈，鹵鎢白熾燈。充氣白熾燈內(nèi)充入氬，氮，或者氬氣氮?dú)獾幕旌蠚怏w。鹵鎢燈：溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長(zhǎng)。白熾燈對(duì)燈絲的要求燈絲是白熾燈的主要局部，燈絲斷了燈也就壞了。白熾燈的燈絲材料應(yīng)滿足以下要求：1、熔點(diǎn)高2、蒸發(fā)率小3、可見(jiàn)輻射的選擇性好4、機(jī)械性好綜合考慮上述4個(gè)方面的要求，鎢是比較適宜的材料。目前，幾乎所有的白熾燈泡都用鎢做燈絲。白熾燈—發(fā)光光譜白熾燈的光譜能量分布是連續(xù)光譜。白熾燈泡的顯色性好，根本原因在于此。白熾燈中包含的大量紅外輻射在近紅外波段，紅外輻射能量損耗高，因而燈的光效低。白熾燈的紫外線含量很少。 400 500 600 700 (nm)圖3-11高壓交流電弧二、氣體燈氣體燈是將電極間的放電過(guò)程密封在泡殼中進(jìn)行，所以又叫做封閉式電弧放電光源。氣體燈的特點(diǎn)是輻射穩(wěn)定，功率大，且發(fā)光效率高。因此在照明、光度和光譜學(xué)中都起著很重要的作用。氣體放電光源的特點(diǎn)發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈高2-10倍。不靠燈絲發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊、耐震、抗沖擊。壽命長(zhǎng)。光色適應(yīng)性強(qiáng)，可在較大范圍能選擇。氣體放電光源的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類(lèi)及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱(chēng)為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長(zhǎng)為254nm，鈉燈的輻射波長(zhǎng)為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測(cè)儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過(guò)對(duì)熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長(zhǎng)，如，照明日光燈。熒光燈：是除白熾燈外應(yīng)用最廣泛、用量最大的氣體放電光源。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光效高、發(fā)光柔和、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。熒光燈發(fā)光效率是白熾燈的4-5倍，壽命是白熾燈的3-8倍。熒光燈的工作原理熒光燈通常為直管型，兩端各封有一個(gè)電極。燈內(nèi)充有低氣壓的汞蒸汽和少量的惰性氣體。燈管的內(nèi)外表涂有熒光粉層。燈內(nèi)的低氣壓汞蒸汽放電將60%左右的輸入電能轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)253.7nm的紫外輻射。紫外輻射激發(fā)熒光粉變成可見(jiàn)光。管型熒光燈的主要部件:玻璃殼、熒光粉涂層、電極、填充氣體和燈頭。---高壓汞燈 400 500 600 700 (nm)

低壓鈉燈 400 500 600 700 (nm)3.4固體發(fā)光光源電致發(fā)光：發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下的一種發(fā)光現(xiàn)象。它是電能直接轉(zhuǎn)換為光能的一類(lèi)物理發(fā)光現(xiàn)象。它通過(guò)在器件兩個(gè)電極間加載交流電壓，并在一定的頻率下，使電場(chǎng)激發(fā)發(fā)光材料從而產(chǎn)生發(fā)光。分類(lèi)：根據(jù)發(fā)光材料的形態(tài),可分成結(jié)型電致發(fā)光、粉末電致發(fā)光和薄膜電致發(fā)光。利用電致發(fā)光現(xiàn)象制成的電致發(fā)光屏和發(fā)光二極管，完全脫離真空，成為全固體化的發(fā)光器件。一、電致發(fā)光屏利用電致發(fā)光材料受到鼓勵(lì)而發(fā)光的顯示器件。按鼓勵(lì)電壓可分為交流和直流型。兩者都可用粉末的或薄膜的電致發(fā)光材料制造。發(fā)光屏材料主要是：硫化鋅

1.交流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏該發(fā)光屏的結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。圖3-15交流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏交流場(chǎng)致發(fā)光屏的工作原理是：由于發(fā)光屏兩電極間距離很小，只有幾十微米，所以即使在市電電壓的作用下，就可得到足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度，如E＝104V／cm以上。粉層中自由電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速而獲得很高的能量，它們撞擊發(fā)光中心，使其受激而處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)復(fù)原為基態(tài)時(shí)產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光。由于熒光粉與電極間有高介電常數(shù)的絕緣層，自由電子并不導(dǎo)走，而是被束縛在陽(yáng)極附近，在交流電的負(fù)半周時(shí)，電極極性變換，自由電子在高電場(chǎng)作用下向新陽(yáng)極的方向，也就是向正半周時(shí)相反的方向加速。這樣重復(fù)上述過(guò)程，使之不斷發(fā)光。2.直流粉末場(chǎng)致發(fā)光屏該發(fā)光屏依靠傳導(dǎo)電流產(chǎn)生激發(fā)發(fā)光。目前實(shí)用的發(fā)光材料是ZnS：Mn，Cu，發(fā)光為橙黃色。這種發(fā)光屏結(jié)構(gòu)與交流發(fā)光屏相類(lèi)似。直流發(fā)光屏具有光亮度較高，且亮度隨傳導(dǎo)電流的增大而迅速上升的持點(diǎn)。此外還具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、制造工藝簡(jiǎn)單和本錢(qián)低等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是效率低、壽命短。這種發(fā)光屏的典型參數(shù)為：在100V的直流電壓的激發(fā)下，光亮度約為30cd／m2；光亮度下降到初始值一半所對(duì)應(yīng)的壽命約上千小時(shí)；發(fā)光效率0.2~0.5lm／W。它適宜于脈沖激發(fā)下工作。主要用于數(shù)碼、字符和矩陣的顯示。3.薄膜電致發(fā)光屏薄膜發(fā)光屏與粉末發(fā)光屏在形式上很相似，其結(jié)構(gòu)原理如圖3-16所示。在薄膜的兩電極間施加適當(dāng)?shù)碾妷壕涂砂l(fā)光。可以制成交流或直流的薄膜電致發(fā)光屏。薄膜電致發(fā)光屏的主要特點(diǎn)是致密、分辨力高?比照好。可用于隱蔽照明，固體雷達(dá)屏幕顯示和數(shù)碼顯示等。圖3-l6薄膜場(chǎng)致發(fā)光屏

主要內(nèi)容1.發(fā)光二極管〔LED〕的類(lèi)型2.發(fā)光二極管的原理3.發(fā)光二極管的特性4.發(fā)光二極管的應(yīng)用二、發(fā)光二極管LED〔LightEmittingDiode〕

發(fā)光二極管也叫做注入型電致發(fā)光器件。它是由P型和N型半導(dǎo)體組合而成的二極管，當(dāng)在P—N結(jié)上施加正向電壓時(shí)產(chǎn)生發(fā)光。1.發(fā)光二極管〔LED〕的類(lèi)型發(fā)光機(jī)理：在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，由于載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和由此產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)到達(dá)平衡而形成P—N結(jié)。假設(shè)在P—N結(jié)上施加正向電壓，那么促進(jìn)了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，即從N區(qū)流問(wèn)P區(qū)的電子和從P區(qū)流向N區(qū)的空穴同時(shí)增多，于是有大量的電子和空穴在P—N結(jié)中相遇復(fù)合，并以光和熱的形式放出能量。在半導(dǎo)體PN結(jié)中，P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移動(dòng)到N區(qū)，N區(qū)的電子那么擴(kuò)散到P區(qū)，在PN結(jié)處形成勢(shì)壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴那么由P區(qū)注入到N區(qū)。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)原理如圖3-17所示。圖3-17發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)原理

2.發(fā)光二極管的原理電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度〔即能量間隙〕。所放出的光子能量用hν表示，h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率。那么普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的單位為電子伏〔eV〕，1eV=1.6╳10-19J。

hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eV?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)λ近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/λ=1.8eV

普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。3.發(fā)光二極管的主要特點(diǎn)(1)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與正向電流之間的關(guān)系如圖3-18所示。工作電流低于25mA時(shí)，兩者根本為線性關(guān)系;圖3-l8發(fā)光二極管的發(fā)光特性

(2)發(fā)光二極管的響應(yīng)速度極快，時(shí)間常數(shù)約為l0-6-10-9s;(3)光二極管的正向電壓很低，約2V左右;(4)發(fā)光二極管還具有小巧輕便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)(大于5000h)和單色性好等優(yōu)點(diǎn);(5)發(fā)光二極管的主要缺點(diǎn)是發(fā)光效率低，有效發(fā)光面很難做大。另外，發(fā)出短波光(如藍(lán)紫色)的材料極少，制成的短波發(fā)光二極管的價(jià)格昂貴。克服這些缺點(diǎn)將使發(fā)光二極管作用及應(yīng)用范圍劇增。下面介紹目前常用的幾種發(fā)光二極管及特點(diǎn)1.磷化鎵(GaP)發(fā)光二極管在磷化鎵中摻入鋅和氧時(shí)，所形成的復(fù)合物可發(fā)紅光、發(fā)光中心波長(zhǎng)為0.69μm，其帶寬為0.1μm。當(dāng)摻入鋅和氮時(shí)，器件可發(fā)綠光，其發(fā)光的中心波長(zhǎng)為0.565μm，而帶寬約為0.035μm。圖3-19所示是磷砷化鎵發(fā)光二極管的伏安特性曲線圖3-19GaP發(fā)光二極管伏安特性曲線

2.砷化鎵(GaAs)發(fā)光二極管

砷化鎵發(fā)光二極管的發(fā)光效率較高。反向耐壓約為－5V，正向交變電壓約為1.2V。該二極管發(fā)出近紅外光，中心波長(zhǎng)為0.94μm，帶寬為0.04μm。當(dāng)溫度上升時(shí)，輻射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。這種發(fā)光二極管的最大優(yōu)點(diǎn)是脈沖響應(yīng)快．時(shí)間常數(shù)約為幾斗毫微秒?所以能產(chǎn)生高頻調(diào)制的光束，這使它的應(yīng)用十分廣泛。如用于光纖通訊、紅外夜視等多種領(lǐng)域中。3.磷砷化鎵(GaAs1-x-Px)發(fā)光二極管當(dāng)磷砷化鎵的材料含量比不同時(shí)，即x由1-0變化，其發(fā)光光譜可出0.565μm變化到0.9lμm。所以，可以制成不同發(fā)光顏色的發(fā)光二極管。一般取x≈0.4，于是有λm＝0.65μm，Δλ＝0.04μm。正向電流為10mA，正向突變電壓為1.6V；反向耐壓－3V，反向電流約10μA。它可在－55~100℃溫度下工作，隨著溫度上升，工作電流下降，同時(shí)發(fā)光也減弱。為了使發(fā)光二極管降溫?可使用散熱器或冷卻器。這種發(fā)光二般管的特點(diǎn)是PN結(jié)制備比較簡(jiǎn)單，當(dāng)電流升高時(shí)?發(fā)光曲線飽和現(xiàn)象不太明顯。另外?這種光源也適用于高頻調(diào)制，所以也有著廣泛的應(yīng)用。發(fā)光二極管的局部商品型號(hào)與性能參數(shù)見(jiàn)表3-11。通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫(xiě)作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x＞0.35時(shí)，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長(zhǎng)，使λ在550～900nm間變化，它已經(jīng)進(jìn)入紅外區(qū)。與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見(jiàn)下表。材料波長(zhǎng)/nm材料波長(zhǎng)/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350表1LED材料發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開(kāi)啟〔點(diǎn)燃〕電壓略有差異。圖為砷磷化鎵發(fā)光二極管的伏安曲線，紅色約為1.7V開(kāi)啟，綠色約為2.2V。注意，圖上的橫坐標(biāo)正負(fù)值刻度比例不同。一般而言，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5V，為了平安起見(jiàn)，使用時(shí)反向電壓應(yīng)在5V以下。U/V

I/mA-10-5012GaAsP(紅)GaAsP(綠)發(fā)光二極管的光譜特性如下圖。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因?yàn)槠洳馁|(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長(zhǎng)λp。除峰值波長(zhǎng)λp決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度〔用Δλ描述〕決定光的色彩純度，Δλ越小，其光色越純。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性λ/nm相對(duì)靈敏度LED固態(tài)照明被認(rèn)為是21世紀(jì)照明新節(jié)能光源，因?yàn)樵谕瑯恿炼认?，半?dǎo)體燈耗電僅為普通白熾燈的1/10,而壽命卻可以延長(zhǎng)100。此外，LED器件是冷光源，具有光效高、工作電壓低、耗電量小、體積小、可平面封裝、易于開(kāi)發(fā)輕薄型產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)鞏固壽命很長(zhǎng)等特點(diǎn)。

LED2006年最新進(jìn)展光效100~150流明/瓦〔實(shí)驗(yàn)室〕40~60流明/瓦〔批量產(chǎn)〕150~200流明/瓦〔目標(biāo)〕最大功率1~10瓦〔單片〕價(jià)格$0.01/流明〔白熾燈$0.001/流明〕LED在照明業(yè)中應(yīng)用LED目前主要應(yīng)用于廣告和裝飾照明，道路交通信號(hào)光源，汽車(chē)的指示燈和剎車(chē)燈，庭園燈以及飛機(jī)和車(chē)廂內(nèi)的閱讀燈。現(xiàn)LED正在道路照明上積極拓寬應(yīng)用。但LED在一般照明中的應(yīng)用尚在探索和努力之中。白光LED的實(shí)際應(yīng)用LED用于街道照明LED在景觀照明中的應(yīng)用LED在景觀照明中的應(yīng)用LED在景觀照明中的應(yīng)用3.5 激光器激光器的結(jié)構(gòu)與原理激光器的種類(lèi)激光器的特性參數(shù)激光器在光電檢測(cè)方面的應(yīng)用激光器的原理受激輻射：激光是受激輻射的光放大。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)增益大于損耗激光器由三局部組成：激活介質(zhì)，諧振腔和激發(fā)源。激光具有：?jiǎn)紊?，方向性，高亮度，相干性。激發(fā)源激活介質(zhì)激光器的特性參數(shù)功率〔平均／峰值〕，能量波長(zhǎng)，頻率，線寬脈沖寬度，重復(fù)頻率光斑直徑，發(fā)散角，Ｍ－平方因子模式，波長(zhǎng)可調(diào)諧性穩(wěn)定性〔波長(zhǎng)／頻率／功率／能量／方向等〕，壽命，光電效率激光器的類(lèi)型氣體、固體、半導(dǎo)體激光器紫外、可見(jiàn)和紅外激光器連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)和脈沖激光器單頻、單模激光器可調(diào)諧激光器超短脈沖激光器激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有方向性好、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍?！?〕固體激光器典型實(shí)例是紅寶石激光器，是1960年人類(lèi)創(chuàng)造的第一臺(tái)激光器。它的工作物質(zhì)是固體。種類(lèi)：紅寶石激光器〔694.3nm脈沖激光〕、摻釹的釔鋁石榴石激光器〔簡(jiǎn)稱(chēng)YAG激光器〕和釹玻璃激光器等。特點(diǎn)：小而鞏固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已到達(dá)幾十太瓦〔峰值功率〕。固體激光器在光譜吸收測(cè)量方面有一些應(yīng)用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器還曾成功地用于地球到月球的距離測(cè)量。梅曼的第一臺(tái)紅寶石激光器〔a〕原理圖

〔b〕實(shí)物圖

固體激光器運(yùn)行方式多樣：連續(xù)，脈沖，調(diào)Ｑ，鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)率，高脈沖能量，頂峰值功率激光；主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式；結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠；ＮＤ：ＹＡＧ，紅寶石，釹玻璃激光器。固體激光晶體棒He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式氣體激光器〔3〕半導(dǎo)體激光器與前兩種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長(zhǎng)主要局限在紅光和紅外區(qū)域。體積小，效率高，重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.(適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測(cè)距儀來(lái)瞄準(zhǔn)敵機(jī)。)能耗低，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠；線寬較寬，波長(zhǎng)可調(diào)諧，能產(chǎn)生超短脈沖，直接高頻調(diào)制；可批量生產(chǎn)，單片集成；發(fā)散角大，溫度特性差，容易產(chǎn)生噪聲?！?〕液體激光器種類(lèi)：螯合物激光器、無(wú)機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會(huì)降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。激光器在光電檢測(cè)中的應(yīng)用激光測(cè)距，測(cè)長(zhǎng)，測(cè)平面度等激光大氣污染檢測(cè)激光ＤＮＡ檢測(cè)激光海洋探測(cè)激光制導(dǎo)激光雷達(dá)激光干預(yù)測(cè)量〔探傷〕激光全息測(cè)量激光器工作原理一、激光產(chǎn)生的閾值條件二、激光器的工作特性三、激光放大器一、激光產(chǎn)生的閾值條件激光工作物質(zhì)位于諧振腔內(nèi)，當(dāng)工作物質(zhì)的某對(duì)能級(jí)之間發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時(shí)，頻率處在這對(duì)能級(jí)自發(fā)輻射譜線寬度內(nèi)的微弱光信號(hào)，將獲得增益而放大；由于諧振腔內(nèi)存在各種損耗，光信號(hào)在其中傳輸時(shí)，又會(huì)不斷衰減。能否產(chǎn)生振蕩,取決于增益與損耗的大小。對(duì)光學(xué)諧振腔,要獲得光自激振蕩,須令光在腔內(nèi)來(lái)回一次所獲增益,至少可補(bǔ)償傳播中的損耗。

激光振蕩閾值是腔內(nèi)輻射由自發(fā)輻射(熒光)向受激輻射(激光)轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。增益系數(shù)的定義：光強(qiáng)隨距離的變化：G代表光波在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度路程光強(qiáng)的相對(duì)增長(zhǎng)率，也代表介質(zhì)對(duì)光波放大能力的大小。(一)激光器的增益推導(dǎo)可得：其中——反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度——受激輻射截面積可見(jiàn)，激光介質(zhì)增益系數(shù)正比于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，其比例系數(shù)為受激輻射截面積。正常分布狀態(tài):

熱平衡態(tài)下,粒子數(shù)按能級(jí)的分布為玻爾茲曼分布粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)：破壞熱平衡分布實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的手段:鼓勵(lì)或泵浦(pumping)或抽運(yùn)由外界能源向粒子系統(tǒng)輸入能量,使大量粒子躍遷到高能級(jí)。鼓勵(lì)方法(按鼓勵(lì)能源分類(lèi)):光泵抽運(yùn)、電鼓勵(lì)(氣體放電鼓勵(lì))、化學(xué)鼓勵(lì)、核能鼓勵(lì)等。1、內(nèi)部損耗

增益介質(zhì)內(nèi)部由于成分不均勻、粒子數(shù)密度不均勻或有缺陷而使光產(chǎn)生折射、散射等使局部光波偏離原來(lái)的傳播方向，造成光能量的損耗。

——內(nèi)部損耗系數(shù)（單位長(zhǎng)度的損耗）2、鏡面損耗當(dāng)強(qiáng)度為I的光波射到鏡面上，其中r1I(或r2I)反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，其它的局部均為損耗，包括t1I(或t2I)、鏡面的散射、吸收以及由于光的衍射使光束擴(kuò)散到反射鏡范圍以外造成的損耗，用a1I(或a2I)表示。

r1、r2——反射鏡M1M2的反射率，

t1t2——M1M2的透射率(二)激光器的損耗激光諧振腔內(nèi)光強(qiáng)由弱變強(qiáng)直至最后達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程可以用右圖來(lái)描述。

M2是反射率的全反射鏡，置于在處，M1是反射率的部分反射鏡，置于坐標(biāo)處。穩(wěn)定光強(qiáng)在腔中傳播過(guò)程可由閉合曲線表示為：

(三)激光器內(nèi)形成穩(wěn)定光強(qiáng)的過(guò)程1、諧振腔內(nèi)光強(qiáng)的放大過(guò)程

(1)由于自發(fā)輻射，在z=0處有一束強(qiáng)度為I1的入射光沿腔軸傳播，此時(shí)由于腔內(nèi)光強(qiáng)很弱，此時(shí)介質(zhì)的增益系數(shù)就是小訊號(hào)增益系數(shù)G0,有：圖中曲線表示了這個(gè)過(guò)程。

（2）又經(jīng)增益介質(zhì)進(jìn)行放大，再傳到M1處時(shí)，光強(qiáng)已增至

如圖中曲線所示

(3)

光強(qiáng)在M1上一部分反射回腔內(nèi)繼續(xù)放大，這部分為

一部分作為激光器的輸出由M1鏡透射出去，其大小為

其余部分都作為鏡面損耗而損失掉了，這部分為

(4)圖中縱軸上代表總鏡面損耗，即

(5)此時(shí)腔內(nèi)光的放大倍數(shù)為

2、諧振腔穩(wěn)定出光過(guò)程

隨著光強(qiáng)的增大，受激輻射作用增強(qiáng)，激光上能級(jí)粒子數(shù)急劇減少，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度變小，增益系數(shù)將減小，隨著增益系數(shù)進(jìn)一步減小，由增益而增加的光能量?jī)H能補(bǔ)償損耗而無(wú)剩余，輸出光強(qiáng)也不再改變，此時(shí)，獲得激光所要求的雙程放大倍數(shù)為：則形成激光所要求的增益系數(shù)的條件為：(四)閾值條件即令隨著光強(qiáng)的增大，增益系數(shù)不斷下降，當(dāng)它下降到下限值時(shí)光強(qiáng)也到達(dá)最大值IM，增益系數(shù)的下限值為增益系數(shù)的閾值，即為：所以粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值的閾值為：激勵(lì)能源對(duì)介質(zhì)粒子的抽運(yùn)一定要滿足，才能產(chǎn)生激光。

其中為受激輻射截面積增益與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的關(guān)系為要有一個(gè)能使受激輻射和光放大過(guò)程持續(xù)的構(gòu)造：全反射鏡半反射鏡實(shí)物圖激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)全反射鏡半反射鏡工作原理：out光放大原理按照工作〔泵浦〕方式來(lái)劃分，激光器可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器兩大類(lèi)。連續(xù)激光器工作物質(zhì)在連續(xù)泵浦時(shí)間內(nèi)，各能級(jí)粒子數(shù)密度及腔內(nèi)的光子數(shù)密度都到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。速率方程可求穩(wěn)態(tài)解。脈沖激光器泵浦時(shí)間比較短，在泵浦持續(xù)時(shí)間內(nèi)，各能級(jí)粒子數(shù)密度及光子數(shù)密度均處于劇烈的變化之中，整個(gè)激光器系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)。速率方程可在適當(dāng)?shù)臈l件下求瞬態(tài)解。二、激光器的工作特性1、均勻增寬工作物質(zhì)(a)腔中的頻率梳；(b)均勻展寬譜線v0附近到達(dá)振蕩閾值；(c)隨著振蕩加強(qiáng),發(fā)生增益飽和現(xiàn)象,整個(gè)增益曲線下降；(d)單縱模形式運(yùn)轉(zhuǎn)。〔一〕連續(xù)激光器的工作特性2.非均勻增寬介質(zhì)(a)腔中的頻率梳；(b)非均勻展寬譜線；(c)滿足及閾值條件的縱模在增益曲線上“燒孔”；(d)多模頻率振蕩；

〔