1、C2 光電探測(cè)器件,理學(xué)院 宋旸,2,2 光電探測(cè)器件,2.1 光電探測(cè)器的物理效應(yīng) 2.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù) 2.3 外光電效應(yīng)型光電探測(cè)器 2.4 內(nèi)光電效應(yīng)型光電探測(cè)器 2.5 固體成像器件 2.6 光電探測(cè)光源,3,2 光電探測(cè)器件,4,2.6 光電探測(cè)光源,主動(dòng)光源與被動(dòng)光源 連續(xù)光源與非連續(xù)光源 單色光源與復(fù)色光源 可見(jiàn)光與非可見(jiàn)光源,光源的分類,對(duì)光源光譜特性的要求,對(duì)光源穩(wěn)定性要求,對(duì)光源強(qiáng)度的要求,對(duì)光源相干性要求,5,2.6 光電探測(cè)光源,2.6.1 發(fā)光二極管 2.6.2 激光器,6,2.6.1 發(fā)光二極管 LED,發(fā)光二極管是一種注入式電致發(fā)光的半導(dǎo)體器件，具有體積

2、小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。 LED的波長(zhǎng)范圍從可見(jiàn)光到紅外,面光源 - 專用,線光源,點(diǎn)光源 - 發(fā)光二極管,7,2.6.1 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管(LED)是以特殊材料摻雜制成的半導(dǎo)體電致發(fā)光器件。,電致發(fā)光：固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。電致發(fā)光是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過(guò)程。,當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓后，結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，P區(qū)的空穴載流子p向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子n向P區(qū)擴(kuò)散?？昭ㄅc電子在結(jié)區(qū)相遇復(fù)合并釋放能量而發(fā)光。,8,2.6.1 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管種類很多，可由不同的材料制成。,Ge 1850nm Si 1110nm GaAs 867nm GaP 55

3、0nm SiC 435nm,9,2.6.1 發(fā)光二極管, 線性特性,電流小于25mA，發(fā)光強(qiáng)度與電流成正比。,10,2.6.1 發(fā)光二極管, LED效率,光學(xué)效率,發(fā)光效率,功率效率,11,單峰性， 幾十nm寬度，單色性好,2.6.1 發(fā)光二極管, 發(fā)光光譜,與材料的禁帶寬度有關(guān),12,2.6.1 發(fā)光二極管,白光LED：藍(lán)光LED的光束先投射在磷光層上，光線經(jīng)過(guò)反射成為白光, 發(fā)光光譜,13,2.6.1 發(fā)光二極管, 伏安特性,類似于普通二極管的正偏狀態(tài) 正向工作電壓低。1.5 - 2V,14,2.6.1 發(fā)光二極管, 響應(yīng)時(shí)間,二極管的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。 響應(yīng)快，ns量

4、級(jí)。,15,2.6.1 發(fā)光二極管, 壽命,二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。LED壽命可達(dá)百萬(wàn)小時(shí)以上。 隨著工作時(shí)間的加長(zhǎng)，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。工作電流加大，老化變快，壽命變短。,16,2.6.2 激光器,激光是一種高亮度（光功率密度大）、方向性好（發(fā)散角小）、高單色性、相干性好（譜寬nm級(jí)）的光源。 主要分為：氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器(LD),17,2.6.2 激光器, HeNe激光器,工作物質(zhì)是氦氖混合氣。主要發(fā)光物質(zhì)是氖氣。,工作電流：4mA-20mA 連續(xù)發(fā)光，功率：1mw-100mw 單橫模式（空間）。亦有多橫模激光，主光束中不同方向上分成對(duì)稱

5、性的若干光斑。,=6328A 、1.15m、3.39m、,18,譜線競(jìng)爭(zhēng): He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長(zhǎng)選擇。 為了保證一定波長(zhǎng)的輸出，可以采取合適的措施抑制其他波長(zhǎng)的振蕩，如： 使用布儒斯特窗進(jìn)行選擇性的吸收； 在腔鏡上鍍反射膜，進(jìn)行選擇性的反射； 在腔內(nèi)放置吸收元件，進(jìn)行選擇性的吸收。,2.6.2 激光器, HeNe激光器,19,2.6.2 激光器, HeNe激光器,a 單色性好，單模穩(wěn)頻氦氖激光器的譜線寬度達(dá) ，顏色純,b 時(shí)間、空間相干性好，普通光源相干長(zhǎng)度可達(dá)m級(jí)，最好可達(dá)幾十km,c 光

6、束發(fā)散角小 ，最好可達(dá),d 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好 造價(jià)低廉，使用方便 工作時(shí)間長(zhǎng)，壽命數(shù)可以達(dá)上萬(wàn)小時(shí),e 可視度好，便于調(diào)節(jié)。常作為普通的準(zhǔn)直光源，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的共軸調(diào)節(jié)基準(zhǔn)光束,主要缺點(diǎn)：體積笨重 電源電壓高,用途：準(zhǔn)直、定位、全息照相、測(cè)量、精密計(jì)量等,20,2.6.2 激光器, HeNe激光器,21,2.6.2 激光器, HeNe激光器,22,工作物質(zhì)：氬氣（Ar+） 激光波長(zhǎng)：0.4880微米、0.5145微米（藍(lán)綠光） 輸出功率：是目前在可見(jiàn)光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的激光器（幾瓦到幾十瓦，高者可達(dá)一百多瓦） 由于氣體放電過(guò)程中電離度不高，而且量子效率比較低，氬離子激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較低

7、，一般在10-4 10-5范圍。,2.6.2 激光器, 氬離子激光器,23,激發(fā)機(jī)理 Ar+的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)主要靠電子碰撞激發(fā)，激發(fā)過(guò)程包括三種形式： （1）電子與Ar原子碰撞，使其電離成Ar+，Ar+再與電子碰撞而被激發(fā)到高能態(tài)； （2）電子與Ar原子碰撞后直接將其電離并激發(fā)到激發(fā)態(tài)； （3）電子碰撞先把Ar+激發(fā)到更高的能態(tài)上，然后Ar+通過(guò)輻射躍遷到激光上能級(jí)上。,2.6.2 激光器, 氬離子激光器,24,工作物質(zhì)：CO2、N2和He的混合物 激光波長(zhǎng)：10.6微米、9.6微米（遠(yuǎn)紅外光） （利用基態(tài)的不同振動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷，故光子能量?。?特點(diǎn)：激光器效率高、輸出能量大、功率高。特

8、別是對(duì)大氣中傳輸有優(yōu)勢(shì)，空氣吸收率低，大氣窗口相一致。 應(yīng)用：小功率激光測(cè)距、氣象雷達(dá)及軍事領(lǐng)域。,2.6.2 激光器, 二氧化碳激光器,25,結(jié)構(gòu) 構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。,2.6.2 激光器, 二氧化碳激光器,26,2.6.2 激光器,在CO2激光器的放電管內(nèi)充有CO2、N2、He等混合氣體，其配比和總氣壓可以在一定范圍內(nèi)變化(一般是：CO2：N2：He1:0.5:2.5總氣壓為1066.58Pa)。 任何分子都有三種不同的運(yùn)動(dòng)形式： A 分子里的電子運(yùn)動(dòng)，決定著電子能態(tài)； B 分子里的原子振動(dòng)，即原子圍繞其平

9、衡位置不停地作周期性振動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)決定了分子的振動(dòng)能態(tài)； C 分子的轉(zhuǎn)動(dòng)，決定著分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。, 二氧化碳激光器,27,2.6.2 激光器,CO2激光器就是 利用CO2分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷來(lái)產(chǎn)生激光的，激光波長(zhǎng)為10.6m。 利用氣體放電泵浦方法向CO2氣體分子注入能量，使放電管中CO2分子達(dá)到反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)：將直流電壓的兩輸出端分別接到放電管的兩電極上，當(dāng)不加電壓或電壓很低時(shí)，兩電極間的氣體完全絕緣，內(nèi)阻為無(wú)窮大，沒(méi)有電流流過(guò)；隨著電壓的升高，氣體中開(kāi)始有帶電粒子移動(dòng)，氣體的內(nèi)阻開(kāi)始減小，當(dāng)達(dá)到某一電壓值時(shí)，內(nèi)阻急劇減小，電流迅速增加、氣體被擊穿、放電開(kāi)始，這一電壓值叫做著火電壓；

10、放電管中的氣體被擊穿放電后，電流增長(zhǎng)、氣體中載流子增加、激光放電管的內(nèi)阻下降、又進(jìn)一步引起電流的增加，這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，放電管呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，為了使放電能夠穩(wěn)定地工作在放電管電流電壓特性曲線的某一點(diǎn)上，在放電管的供電電路中采取了限流措施。 放電管放電時(shí)，在混合氣體中，N2分子與電子碰撞、獲得的電子能量而被激發(fā)，而在N2分子與CO2分子碰撞時(shí)又把它從電子獲得的能量轉(zhuǎn)移給CO2分子，使CO2分子被激發(fā)，有利于激光的產(chǎn)生；管中的He氣有冷卻作用，可以阻止CO2氣體溫度上升，同時(shí)還可以使激光下能級(jí)減少，提高激光器的效率。, 二氧化碳激光器,28,半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管，或簡(jiǎn)稱激光二極管，英文

11、縮寫為L(zhǎng)D (Laser Diode)，是實(shí)用中最重要的一類激光器 。,體積小、效率高、壽命長(zhǎng)，可采用簡(jiǎn)單的電流注入方式來(lái)泵浦；其工作電壓和電流與集成電路兼容，因而有可能與之單片集成；并且還可用高達(dá)GHZ的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出，可實(shí)行溫度調(diào)諧和電流調(diào)諧。,2.6.2 激光器, 半導(dǎo)體激光器,29,半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)： 激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動(dòng)控制、檢測(cè)儀器等方面； 光通信、光變換、光互連、 并行光波系統(tǒng)、光信息處理 和光存貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè) 備等方面。,2

12、.6.2 激光器, 半導(dǎo)體激光器,30,半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu),泵浦源：通常采用電壓很低的直流電源,諧振腔：半導(dǎo)體介質(zhì)的自然解理面構(gòu)成平行平面腔,激光工作物質(zhì)：直接帶隙半導(dǎo)體材料-砷化稼(GaAs)、砷化銦(InAs)、鋁稼砷(A1xGaAs)、銦磷砷(InPxAs)等等, 半導(dǎo)體激光器,2.6.2 激光器,31,半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 理想半導(dǎo)體的能譜是由電子的一系列能帶組成的，下能帶稱為價(jià)帶，上能帶稱為導(dǎo)帶，它們之間不存在電子狀態(tài)的區(qū)域稱為禁帶。,禁帶寬度 Eg = Ec - Ev 其中， Ec 導(dǎo)帶底的能量 Ev 價(jià)帶頂?shù)哪芰? 半導(dǎo)體激光器,2.6.2 激光器,32,每個(gè)能帶實(shí)際上由大量極其

13、密集的能級(jí)所組成。電子在能級(jí)上的分布遵從費(fèi)米-狄拉克分布。 當(dāng)溫度 T = 0 時(shí)，價(jià)帶是完全填滿的，導(dǎo)帶是完全空的； 當(dāng) T 0 時(shí)，價(jià)帶中填充的電子數(shù)多，導(dǎo)帶中填充的電子數(shù)少。 由于某種原因（如溫度升高），電子從價(jià)帶提升至導(dǎo)帶，價(jià)帶中就因失去電子而存在帶正電的空穴。 電子和空穴都稱為載流子。, 半導(dǎo)體激光器,2.6.2 激光器,33,半導(dǎo)體受激發(fā)射的條件 如果頻率為 v 的光在半導(dǎo)體內(nèi)傳播，在光場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶中的電子向價(jià)帶躍遷，與空穴復(fù)合，造成一個(gè)導(dǎo)帶電子和一個(gè)價(jià)帶空穴同時(shí)湮滅，發(fā)射出一個(gè)能量為 hv 的光子。 產(chǎn)生受激發(fā)射并得到放大的條件是：導(dǎo)帶能級(jí)上被電子占據(jù)的幾率大于與輻射相關(guān)的價(jià)

14、帶能級(jí)上被電子占據(jù)的幾率。 即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域稱為“有源區(qū)”或者“激活區(qū)” 實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是利用PN結(jié)的特征。令一塊N型半導(dǎo)體和一塊P型半導(dǎo)體相接，在其結(jié)合處形成PN結(jié)。在PN結(jié)上加正向電壓后，電子將從N區(qū)的導(dǎo)帶被注入P區(qū)，空穴從P區(qū)的價(jià)帶被注入到N區(qū)。注入電子的位能比空穴的位能高Eg，當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶而復(fù)合時(shí)，這部分能量將以光的形式釋放出來(lái)。,2.6.2 激光器, 半導(dǎo)體激光器,34,2.6.2 激光器, 半導(dǎo)體激光器,要實(shí)際獲得相干受激輻射，必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩。激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體的自然解理面作為

15、反射鏡形成的，用半導(dǎo)體解理面構(gòu)成共振腔，能獲得的反射率一般只有30左右，為適應(yīng)某些應(yīng)用的要求，腔鏡達(dá)到高反射率，可以在有源層兩側(cè)各交替迭加許多層折射率不同的半導(dǎo)體材料。,35,2.6.2 激光器, 半導(dǎo)體激光器,為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益 以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng)。這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閾值條件。當(dāng)激光器達(dá)到閾值時(shí)，具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。,36,當(dāng)注入電流IIth時(shí)，輸出光功率隨注入電流的增加而迅速增大，產(chǎn)生激光振蕩。Ith被稱為閾值電流，其大小由激光器的結(jié)構(gòu)決定并與激光器的溫度有關(guān)隨著溫度的降低，Ith減小。當(dāng)注入電流一定時(shí)，輸出功率隨溫度降低而增大。,輸出功率與注入電流的關(guān)系,閾值電流與激光器溫度的關(guān)系,2.6.2 激光器, 半導(dǎo)體激光器,37,2.6.2 激光器,譜分布范圍很寬，能滿足各種用途，連