《南京理工大學光源》PPT課件.ppt

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1、第四章、發(fā)光與耦合器件,發(fā)光：通常把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對光電技術(shù)領(lǐng)域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見的頻段。,熱發(fā)光：物體在發(fā)光過程中產(chǎn)生大量的熱量，溫度明顯的升高。 冷發(fā)光：指物體在發(fā)光過程中不產(chǎn)生大量的熱量，溫度沒有明顯的升高，一般保持在常溫。,按激發(fā)方式的不同，發(fā)光可分為光致發(fā)光，化學發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等等。,第一節(jié)、發(fā)光二極管,它是一種電致發(fā)光器件，它是一個PN結(jié)，當PN結(jié)加上正向電壓時，結(jié)區(qū)勢壘降低，P區(qū)的空穴往N區(qū)擴散，N區(qū)電子往P區(qū)擴散，電子與空穴在PN結(jié)區(qū)相遇復合釋放能量而發(fā)光。,1、結(jié)構(gòu),,,發(fā)光二極管（LED）按發(fā)光波長來分

2、： 紅外發(fā)光二極管； 可見光發(fā)光二極管,2、分類,3、發(fā)光原理,PN結(jié)加以正向電壓時，在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時，便產(chǎn)生發(fā)光復合。輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度Eg，即,由于不同材料的禁帶寬度不同，所以由不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波長的光。,(1)屬于低電壓、小電流器件，在室溫下即可得到足夠的亮度； (2)發(fā)光響應速度快(10-710-9s)； (3)性能穩(wěn)定，壽命長(一般105小時以上)； (4)易于和集成電路匹配，且驅(qū)動簡單； (5)與普通光源相比，單色性好； (6)小型、耐沖擊。 缺點:功率較小、光色有限，較難獲得短波發(fā)光(如紫外、藍色)

3、，且發(fā)光效率低。,4、優(yōu)缺點,二、LED的性能參數(shù),1、LED的效率,用于顯示的LED，使用流明效率。,流明效率L：用人眼衡量的效率，它表示消耗單位功率Pi所得到的光通量F。,用于非顯示時，使用功率效率與光學效率。,功率效率p:將輸入的電功率Pi轉(zhuǎn)換成輻射的功率Pe的效率。,光學效率o:外量子效率qe與內(nèi)量子效率qi之比。,內(nèi)量子效率qi:輻射復合所產(chǎn)生的光子數(shù)NT1與激發(fā)時注入的電子孔穴對數(shù)G之比。,外量子效率qe：射出的光子數(shù)NT與注入的電子孔穴對數(shù)G之比。,量子效率是指注入載流子復合而產(chǎn)生的光量子效率。,2、發(fā)光光譜,指發(fā)光的相對強度（或能量）隨波長（或頻率）變化的分布曲線。,3、伏安特

4、性,通過發(fā)光二極管的電流與加到二極管兩端電壓之間的關(guān)系，稱為發(fā)光二極管的伏安特性。 UT為開啟電壓。UUT時，二極管導通發(fā)光。UUT時，二極管截止不發(fā)光。UT的大小與材料、工藝等因素有關(guān)。 發(fā)光二極管的反向擊穿電壓一般在5V以上。,發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于電流密度。這種性質(zhì)，對于采用脈沖驅(qū)動的方式是很有利的，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下，獲得很高的亮度。,4、發(fā)光亮度,5、溫度特性,溫度對PN結(jié)的復合發(fā)光是有影響的，在偏置電壓不變的情況下，結(jié)溫升高到一定程度后，電流將變小，發(fā)光亮度減弱，電流與溫度的關(guān)系大致如上圖所示。,6、壽命,發(fā)光二極管的壽命都很長，在電流密度j

5、1A/cm2的情況下，一般可達106h，最長可達109h 。 電流密度對二極管的壽命是有影響的，電流密度大時，發(fā)光亮度高，壽命就會很快縮短。,7、響應時間,指發(fā)光二極管啟亮與熄滅時的時間延遲。 發(fā)光二極管的響應時間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。 當利用脈沖電流去驅(qū)動發(fā)光二極管時，應考慮到脈沖寬度、占空比與響應時間的關(guān)系。,三、發(fā)光二極管的應用及使用要點,數(shù)字、文字、圖像顯示； 指示、照明； 光源； 光電開關(guān)、報警、遙控、耦合；,1、應用,2、使用要點,開啟電壓 發(fā)光二極管的電特性和溫度特性都與普通的硅、鍺二極管類似。只是正向開啟電壓一般都比普通的硅、鍺二極管大些，而且因品種而異。,溫

6、度特性 利用發(fā)光二極管和硅的受光器件進行組合使用時，應注意到二者的溫度特性是相反的。 溫度升高時，發(fā)光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率變小，亮度減弱。而硅的受光器件，光電轉(zhuǎn)換效率卻是增加的。所以使用時，應把二者放到一起考慮，注意其組合后的整體溫度特性。,方向特性 發(fā)光二極管一般都帶有圓頂?shù)牟ＡТ?，當利用它和受光器件組合時，應注意到這一結(jié)構(gòu)上的特點。發(fā)光管與受光管二者對得不準時，效果會變得很差。,第二節(jié)、激光器,激光器是一種新型光源，和鎢絲燈等常見光源相比，有許多突出的特點，例如，方向性強、單色性好、相干性好、亮度高等。激光的發(fā)散角很小，只有幾毫弧，激光束幾乎就是一條直線。,一、激光的產(chǎn)生,1、受激輻射,

7、原子在兩個能級之間躍遷有三種情況，設E1為基態(tài)，E2為激發(fā)態(tài)。這二能態(tài)之間的任何躍遷都伴隨著發(fā)射或吸收頻率為12的光子。,吸收過程：常溫下大部分原子處于基態(tài)。如過能量正好等于h12的光子碰擊此系統(tǒng)時，處于基態(tài)的原子會吸收光子而進入激發(fā)態(tài)。,自發(fā)發(fā)射過程：原子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，在沒有任何外界刺激的條件下，有自發(fā)返回基態(tài)的趨勢，并放出能量為h12的光子。,受激輻射過程：當能量為h12的入射光子激勵已處于激發(fā)態(tài)的原子后，原子因受激而躍回基態(tài)，并發(fā)射出頻率、相位和方向都與入射光子相同的能量為h12的光子。,在激光物質(zhì)中，外來的光子h12可以引起激發(fā)態(tài)原子的受激輻射，但也可能被基態(tài)原子所吸收，這兩個過

8、程是同時存在的，且受激輻射與吸收的幾率可能具有相同的數(shù)量級。在常溫下基態(tài)原子比激發(fā)態(tài)原子多得多，故總吸收多于總發(fā)射。要產(chǎn)生激光，必須使總發(fā)射率大于總吸收率。,2、分布反轉(zhuǎn)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）,要使激光工作物質(zhì)的受激輻射占優(yōu)勢，就必須從外部給工作物質(zhì)輸入能量，使處于激發(fā)態(tài)的載流子多于基態(tài)的載流子，也就是把載流子的正常分布倒轉(zhuǎn)過來，稱之為分布反轉(zhuǎn)狀態(tài)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。 分布反轉(zhuǎn)是使受激輻射從次要地位轉(zhuǎn)化為主導地位的必要條件。,分布反轉(zhuǎn)的方法有： 固體激光器多采用光譜適當?shù)膹姽鈱す馕镔|(zhì)進行照射； 氣體激光器多采用使氣體電離的方法； 半導體激光器多采用注入載流子的方法，使處于基態(tài)的原子躍遷到激發(fā)態(tài)，

9、并隨著受激輻射的損耗，不斷地補充高能原子。,3、共振腔,為了使發(fā)射光具有激光的特點，還必須產(chǎn)生“振蕩”。產(chǎn)生振蕩的方法是在激光物質(zhì)的兩側(cè)放置相互平行的反射面，這種反射面組稱為共振腔。,自發(fā)發(fā)射的方向不與共振腔軸線平行的光子將被反射出腔外，而平行的自發(fā)發(fā)射光子才能促使形成受激輻射。也就是說，這些與腔軸平行的光子在腔內(nèi)兩個反射面上來回反射，反復地通過工作物質(zhì)，依靠受激輻射，光子每通過一次工作物質(zhì)便得到一次增益，使光子數(shù)不斷增長，所以共振腔是產(chǎn)生激光的又一必要條件。,如果光子在腔內(nèi)來回一次所感生出來的光子數(shù)比損耗掉的多得多，便可產(chǎn)生激光振蕩。 同時光子在兩個反射面之間來回反射形成了兩列相反方向傳播

10、的波，只有這兩列波疊加而在腔內(nèi)形成駐波時，這種振蕩才是穩(wěn)定的。,產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件是共振腔的長度L恰好等于輻射光半波長的整數(shù)倍。即：,激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦（pu3）源組成。,二、氦氖激光器,氦氖激光器的工作物質(zhì)是氦氖混合氣體，利用氣體電離的方法使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。主要發(fā)光物質(zhì)是氖氣。 氦氖激光器能夠發(fā)出三種波長的譜線： 632.8nm： （桔紅色）最常用； 1.15m； 3.39m；,,單色性好，顏色非常純，相干長度達幾十千米。 方向性強，光束發(fā)散角很小，只有幾毫弧度，激光束幾乎是一條直線。 結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，穩(wěn)定性好。 造價低廉，使用方便。,優(yōu)點,氦氖激光器以直流

11、電源驅(qū)動，輸出光功率可達0.315mW以上。從結(jié)構(gòu)上分：,全外腔激光器： 優(yōu)點是：輸出線偏振光；反射鏡可以隨時調(diào)整，適于多種實驗要求；受溫度影響較小。 缺點是：經(jīng)常需要調(diào)整，而調(diào)整技術(shù)又比較復雜，因而使用不便。 全內(nèi)腔激光器： 優(yōu)點是：使用時不需要調(diào)整諧振腔，使用方便。 缺點是：腔管受溫度影響較大，輸出不穩(wěn)定。 半內(nèi)腔激光器： 它具有上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。,三、半導體激光器,分類,電子束激勵的半導體激光器 注入式半導體激光器,小功率半導體激光器,大功率半導體激光器,1、結(jié)構(gòu)和工作原理,PN結(jié)型二極管注入式激光器,半導體激光器的工作物質(zhì)是半導體材料。P-N結(jié)就是激活介質(zhì)，與結(jié)平面

12、垂直的兩個對應的晶體解理面（拋光面）構(gòu)成了諧振腔。其余的前后兩面是粗糙的，用來消除主要方向以外的激光作用。當P-N結(jié)正向注入電流時，則可激發(fā)激光。,注入式半導體激光器的工作過程是，加外電源使PN結(jié)進行正偏置。正向電流達到一定程度時，PN結(jié)區(qū)即發(fā)生導帶對于價帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時，導帶中的電子會有一部分發(fā)生輻射躍遷，同時產(chǎn)生自發(fā)輻射。自發(fā)輻射出來的光，是無方向性的。但其中總會有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導體之間。通過這種光子的誘導，即可使導帶中的電子產(chǎn)生受激輻射（光放大）。受激輻射出來的光子又會進一步去誘導導帶中的其它電子產(chǎn)生受激輻射。如此下去，在諧振腔中即形成了光振蕩，從諧振腔

13、兩端發(fā)射出激光。只要外電源不斷的向PN結(jié)注入電子，導帶對于價帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就會繼續(xù)下去，受激輻射即可不停地發(fā)生，這就是注入式半導體激光器的發(fā)光過程。,2、主要特性,激光閾值,閾值：在激光器中，要維持激光振蕩，不僅需要使光子的生產(chǎn)速率超過吸收速率，而且還要超過光子在結(jié)區(qū)的損耗率。這種剛好低償吸收與損耗的光子生產(chǎn)率叫閾值。,激光器長度LL越大，閾值電流越??； 結(jié)區(qū)表面的透過損耗該損耗越大，閾值電流越大； 激光器的表面反射率反射率越大，閾值電流越??； 溫度閾值電流隨溫度的升高而增大；,影響閾值的因素：,半導體激光器的閾值電流都比較高，由于激光器工作時需要的電流很大，電流通過結(jié)和串聯(lián)電阻時，將使結(jié)的溫

14、度上升，這又導致閾值電流上升。所以閾值電流很高的激光器，通常用脈沖電流來激勵，以降低平均熱損耗。,頻譜分布,結(jié)型激光器的頻譜分布取決于組成激光器半導體材料。適當選擇有激光作用的半導體材料，可以得到不同的激光波長。 根據(jù)材料及結(jié)構(gòu)的不同，目前半導體激光器的波長為0.33m44m。 優(yōu)點：體積小、重量輕、效率高、壽命長、使用方便。,,習題41,一、填空題： 1、發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于（ ）。 2、氦氖激光器以（ ）電源驅(qū)動。從結(jié)構(gòu)上分（ ）（ ）（ ）激光器。 3、發(fā)光二極管將（）能轉(zhuǎn)變?yōu)椋ǎ┠?。,二、簡答題： 1、半導體發(fā)光二極管的發(fā)光原理 2、應用發(fā)光二極管時注意哪些要點

15、？ 3、激光的產(chǎn)生有哪些條件？ 4、簡述注入式半導體激光器的發(fā)光過程。 5、使用半導體激光器時以什么方式（連續(xù)或脈沖）驅(qū)動為宜？,三、計算題 如圖所示發(fā)光二極管應用電路，已知VCC=5V，發(fā)光二極管導通電壓UF=2V，工作電流IF=15mA，計算限流電阻R。,第三節(jié)、光電耦合器件,它是將發(fā)光器件和光敏器件密封裝在一起形成的電光電器件。由于輸入邊和輸出邊是用光來耦合的，在電性能上完全是隔離的。由于這種器件是一個利用光耦合做成的電信號傳輸器件，所以一般稱為光電耦合器件。,一、定義,光電耦合器的結(jié)構(gòu)有金屬密封型和塑料密封型兩種。 金屬密封型：采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中心裝片，采用環(huán)焊

16、以保證發(fā)光管和光敏管對準，以此來提高靈敏度。 塑料密封型：采用雙立直插式塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管芯先裝于管腳上，中間用透明樹脂固定，具有集光作用，故這種結(jié)構(gòu)的光電耦合器的靈敏度較高 。,二、結(jié)構(gòu),三、光耦的組合形式,,圖 a 組合形式，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于 50kHz 以下工作頻率的裝置內(nèi)。,圖 b 為采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器，用于較高頻率的裝置中。,,圖 c 的組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。,圖 d 為采用固體功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。,無論哪一種組合形式， 都要使發(fā)光元件與光敏元件在波長上得到最佳匹配，保證

17、其靈敏度為最高。,四、光耦的特點,具有電隔離的作用。 信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。 具有抗干擾和噪聲的能力。 響應速度快。 使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在 55100之間。,五、特性參數(shù),、傳輸特性,在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比，稱為光電耦合器件的直流電流傳輸比，用表示。,電流傳輸比：,工作點選擇在輸出特性的不同位置，就不同。在傳送小信號時，用交流電流傳輸比來表示。,對于輸出特性較好的光電耦合器件，有,晶體管的集電極電流遠遠大于基極電流

18、，即 大； 光電耦合器件的基區(qū)內(nèi)，從發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的電子是與光激發(fā)出的空穴相復合而成為光復和電流，可用IF表示， 為光激發(fā)效率（它是發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的光敏效率及二者之間距離有關(guān)的系數(shù)）。一般光激發(fā)效率比較低，所以IF大于IC。即光電耦合器件在不加復合放大三極管時， 小于1。,光電耦合器件的電流傳輸比與晶體管的電流放大倍數(shù)的區(qū)別：,IF曲線,的典型溫度特性曲線,,輸入輸出間絕緣耐壓BVCFO,輸入輸出間絕緣耐壓與發(fā)光二極管和光敏三極管之間的距離有關(guān)，當二者距離增大時，絕緣耐壓提高（但電流傳輸比降低）。,輸入輸出間的絕緣電阻RFC,輸入輸出間絕緣電阻一般在1091013之間，該電阻

19、越大，隔離性能越好，但電流傳輸比降低。,輸入輸出間的寄生電容CFC,當輸入輸出間的寄生電容增大時，光電耦合器的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面系統(tǒng)的噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，其寄生電容僅僅為幾個pF，一般在中頻范圍內(nèi)不會影響電路的正常工作。,最高工作頻率fM,隨著頻率的增高，雖然輸入信號的幅度不變，而輸出幅度卻下降了，當輸出電壓相對幅值降至0.707時，所對應的頻率稱為光電耦合器件的最高工作頻率fM(或截至頻率）。,最大工作頻率也會隨著外電路負載的變化而改變。,脈沖上升時間tr和下降時間tf,脈沖上升時間tr和下降時間tf隨著負載電阻的減小而減小。,

20、、抗干擾特性,光電耦合器件抗干擾強的原因：,光電耦合器件的輸入阻抗很低，，一般為101K；而干擾源的內(nèi)阻一般都很大，為103106 。按一般分壓比的原理來計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就變得很小了； 由于一般干擾源的內(nèi)阻都很大，雖然也能提供較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能形成微弱的電流。而光電耦合器件輸入端的發(fā)光二極管只有在通過一定電流時才能發(fā)光。因此，即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量，不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而被它抑制掉了；,光電耦合器件的輸入輸出邊是用光耦合的，且這種耦合又是在一個封密管殼內(nèi)進行的，因而不會受到外界光的干擾； 光電耦合器件的輸入輸出

21、間的寄生電容很?。ㄒ话銥?.52pF），絕緣電阻又非常大（一般為10111013），因而輸出系統(tǒng)內(nèi)的各種干擾噪聲很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)中去；,、光電耦合器件的應用,在代替脈沖變壓器耦合信號時，可以耦合從零頻到幾兆赫的信息，且失真小，這使變壓器相形見拙；,在代替繼電器使用時，又能克服繼電器在斷電時反電勢的泄放干擾及在大振動大沖擊下觸點抖動等不可靠的問題；,能很容易地把不同電位的兩組電路互連起來，從而圓滿并且很簡單地完成電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能；,光電耦合器件的輸入端的發(fā)光器件是電流驅(qū)動器件，通過光與輸出端耦合，抗干擾能力很強，在長線傳輸中用它作為終端負載時，可以大大提高信息在傳輸中的

22、信噪比； 在計算機主體運算部與輸入、輸出之間，用光電耦合器件作為接口部件，將會大大增強計算機的可靠性； 光電耦合器件的飽和壓降比較低，在作為開關(guān)器件使用時，又具有晶體管開關(guān)不可比擬的優(yōu)點。 在穩(wěn)壓電源中，它作為過電流自動保護器件使用時，使保護電路既簡單又可靠等；,二、簡答題： 1、簡述光電耦合器件的電流傳輸比與晶體管的電流放大倍數(shù)的區(qū)別？ 2、簡述光電耦合器件的特點。,習題42,一、填空題 1、光電耦合器是由（） 器件與（） 器件組成的（）（）（）器件。這種器件在信息傳輸過程中是用（）作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號耦合在一起的。,三、分析題： 光電耦合器件測試電路如圖所示，分析它的工作原理。,