光源特性实验

1、光源输出及测量实验模块介绍光源输出及测量实验模块，主要是为实验仪的其他模块提供光源，其单元功能介绍如下所述： 1、电源单元提供5V电源通断及指示的作用。2、负载电阻单元 主要作为光探测器件的串接电阻用，限制电流的作用。3、LD/LED电流源主要是为LD以及LED提供恒定的电流，驱动光源发光。4、脉冲发生单元提供窄脉冲信号发生，脉冲宽度12ms20ms连续可调。5、驱动调制单元用于脉冲信号或PWM信号的驱动放大。6、光源控制单元全数字光源控制单元，提供LED照度调节以及颜色切换控制。三个控制按钮，“颜色切换”、“照度加”、 “照度减”。 “颜色切换”按钮，每按一次，切换一次颜色，长按则顺序依次切换颜 色。颜色切换顺序依次为白、红、橙、黄、绿、青、蓝。 “照度加”、 “照度减”提供各颜色照 度调节，长按“照度加”或者“照度减”按钮超过两秒钟，则提供照度的加速调节。开机默认颜 色为白光。开机自检三基色，分别为红、绿、蓝，对应数码管显示“1”、 “4”、 “6”。LD/LED的工作原理及结构认知一、LD简介1、激光器一般知识及工作原理 激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐

2、振腔的正反馈，实现光放 大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大）的缩写。激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果。尽管实际原子的能级是非常复杂 的，但与产生激光直接相关的主要是两个能级，设U表示较高能级，E表示较低能级。原子 能在高低能级间跃迁，在没有外界影响时，原子可自发的从高能级跃迁到低能级，并伴随辐 射一个频率为v = （E E ）/h（式0-1）ul的光子，这过程称自发辐射。若有能量为hv的光子作用于原子，会产生两个过程：一是原子吸收光子能量从低能级跃迁到 高能级，同时在低能级产生一个空穴，称为受激跃迁或受激吸收，此激发光子消失；二是原 子在激发光子的刺激下，从高能级跃迁到低能级，并伴随辐射一个频率（E E ）/h（式0-2）ul的光子，这过程称受激辐射。 受激辐射激发光子不消失，而产生新光子，光子增加，而且产生的新光子与激发光子具有相 同的频率、相位和偏振态，并沿相同的方向传播，具有很好的相干性，这正是我们所需要的。 受激辐射和受

3、激吸收总是同时存在的，如果受激吸收超过受激辐射，则光子数的减少多于增 加，总的效果是入射光被衰减；反之，如果受激辐射超过受激吸收，则入射光被放大。实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布。所谓粒子数反转 分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子。所以原子的粒子数反转分布 是产生激光的必要条件。实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收，光在工作介质中得到放大，产生激光，但工 作介质的增益都不足够大，若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光，就需要很长的工 作物质，实际上这是十分困难，甚至是不可能的。于是就想到了用光学谐振腔进行光放大 所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装两块反射镜，如下图所示：图0-1光学谐振腔结构图 一块几乎全反射，一块为部分反射，激光可透过部分反射镜射出。被反射回到工作介质的光， 可在工作介质中多次往返，设往返次数为m,则有效长度为：L 二 2mL（m=l, 2，3，4.）（式0-3）effL为工作介质的的实际长度。由于谐振腔内工作介质存在吸收，反射镜存在透射和散射，而且只有沿轴线方向的光才被放 大，因此光受到一定损耗

4、，当增益和损耗相当时，在谐振腔内建立起稳定的激光振荡。即一 个激光器，m有一个确定的值。谐振腔的另一个作用是选模，光在谐振腔内反射时，反射波将和入射波发生干涉，为了能在 腔内形成稳定的振荡，必须满足相干相长的条件，也就是沿腔的纵向（轴线方向）形成驻波 的条件，这条件是：式0-4)L = q 或心 2nL2nq式中，为波长，n是工作介质的折射率，q=1, 2, 3, 4,，为某一整数，为驻波波幅的个 数，它表征了腔内纵向光场的分布，称为激光的纵模，q=1称单纵模激光器，q2称多纵模 激光器。每个驻波的频率是不一样的，第q个驻波的频率由：cn 二 q（式0-5）q 2 L， C=3*108 m/s, 为光速。以上两式都说明，虽然由于导带和价带是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能 带中不同能级之间电子的跃迁会产生许多不同波长的光波，但只有符合激光振荡的相位条件 的那些波长存在，不符合激光振荡的相位条件的那些波长的光将衰减掉，这些波长取决于激 光器工作物质的纵向长度L。多纵模激光器输出q个波长的光，但幅度不一样，幅度最大的称为主模，其余的称为边模。2、半导体激光器的结构 激光器通常由

5、激活介质（工作物质）、泵浦（激励源）和谐振腔三部分构成。 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能 态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带 称为导带，导带底的能量Eu和价带顶的能量E之间的能量差称为禁带宽度或带隙，不同的半 导体材料有不同的带隙。本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的，N型 半导体导带被电子占据的几率大，P型半导体价带被空穴占据的几率大。如下图（b）、（c） 所示。导带带隙价带图0-2 半导体激光器的电子和空穴分布 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。这种结构由 三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为0.103脚的窄带隙P型半导体，称为 有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N型和P型半导体，称为限制层。具有不 同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的N层之间形成的是P-N 异质结，而与左侧的P层之间形成的是P-P异质结，故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称 DH结构。PPN电于0 0-空应*图0-3

6、 半导体激光器的基本结构施加正向偏压后，就能使右侧的N层向有源层注入电子，左侧的P层向有源层注入空穴，但由 于左侧的P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电 子不可能扩散到p层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散至1N层。这样，注入到有源层 的电子和空穴被限制在0.10.3脚的有源层内，形成了粒子数的反转分布。前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。 给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转 分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新 的激发光子诱发更强的受激辐射。、LED简介1、发光二极管的结构发光二极管(light emission diode LED)，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料， 置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，能起到保护内部芯线的 作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体 之间有一个过渡层，称为P-N结。图0-4显示了 LED的结构截面图。要使LED发光，

7、有源层的半导体材料必须是直接带隙材料, 越过带隙的电子和空穴能够直接复合发射出光子。为了使器件有好的光和载流子限制，大多 采用双异质结(DH)结构。2、半导体发光二极管工作原理一般的半导体发光二极管，多以III-V、II-W族化合物半导体为材料。这些材料的发光范围 由红光到紫外线，目前红光的材料主要有AlGalnP，而蓝绿光及紫外线的主要材料则有 AlGaInN。虽然IIM族材料也可以得到红光和绿光，但是这族材料极为不稳定，所以目前 使用的发光材料大部分是III- V族。半导体发光二极管(LED)是在半导体P-N结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可 见光或红外辐射的器件。由于它发射准单色光、尺寸小、寿命长和廉价，因此被广泛用作仪 表的指示器、光电耦合器和光学仪器的光源等领域。2.1 发光二极管的发光机理2.2.1 P-N 结电子注入发光图0-5、图0-6表示P-N结两端加未知电压，构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降, P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率“比空穴迁移率大得多，出现大量 电子向 P 区扩散，构成对 P 区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合

8、，复合时 得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。0-6发光二极管PN结正向偏置图0-5 发光二极管电子空穴分布图发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg。Eg的单位为电子伏(eV),式0-6)Eg 二 h = hc / 九gg九二 1240/ E(式0-7)gg发光二极管便是这种利用注入式电致发光原理制作的二极管，是半导体晶体内部受激电子从 高能级回复到低能级时，发射出光子的结果，这就是通常所说的自发发射跃迁。当它处于正 向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从 紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。若能产生可见光(波长在380n m紫光780nm红光)，半导体材料的Eg应在3.261.63e V之 间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝 光二极管成本、价格很高，使用不普遍。半导体材料可分为直接带隙和间接带隙，发光二极管大都采用直接带隙材料，这样可使电子 直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率。反之，采用间接带隙材料，其效 率就低一些。下表列举了常用半导体材料

9、及其发射的光波波长等参数。表 0-1 常用半导体材料及其发射的光波波长等参数半导体材料类型GaAsGaPGaAsPGaAlAsGaNiZn系列HG400HG500HG520BTBL发光颜色红外红外红外红绿红红蓝发光波长(nm)940930930695555650680490发光亮度(med)0.310.40.42发光功率(mW)110100正向压降(V)1.31.621.822.52.57.5工作电流(mA)302003001010101010般人工作电流(mA)5020030050505050反向电流(pA)5050555最人功耗(mW)753001001002.1.2 异质结注入发光 为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图0-7 表示未加偏置时的异质结能级图， 对 电子和空穴具有不同高度的势垒。图 0-8 表示加正向偏置后，这两个势垒均减小。但空垒 的势垒小得多，而且空穴不断从P区向N区扩散，得到高的注入效率。N区的电子注入P 区的速率却较小。这样N区的电子就跃迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由N型半导 体能隙所决定的辐射。由于 P 区的能隙大，光辐射无法把点自己发到导带，因此不发生光的吸收， 从而可直接透射出发光二极管外，减少了光能的损失。图0-7 发光二极管异质结

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