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1、第四章红外辐射源第1页,此课件共67页哦2教学目的:对各种辐射源的了解在红外物理技术的应用实践和工程设计中起着非常重要的作用。本章讨论了作为标准用于校准的黑体型辐射源。随后讨论了实验室常用的电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激光器等其他标准辐射源。教学方法:面授 教学手段:板书 学时分配:6 重点、难点:1.重点掌握黑体辐射源的空腔辐射理论和腔体结构。2.对电热固体辐射源、气体放电辐射源、红外激光器的特性有必要的了解。第2页,此课件共67页哦34.1 黑体型辐射源4.1.1 空腔辐射理论空腔辐射理论 基尔霍夫定律证明密闭空腔内的辐射就是黑体的辐射。腔体辐射理论是制作黑体源所涉及的基础,主要有
2、哥福(Gouff)理论、德法斯(Devos)理论等。Gouff在1954年提出了一个计算开孔空腔有效发射率的表达式。Devos在1954年给出了黑体辐射源腔孔有效发射率的计算公式。第3页,此课件共67页哦44.1.2 黑体辐射源黑体辐射源黑体型辐射源作为标准辐射源,广泛地用做红外设备的绝对标准。然而,黑体是一种理想化的概念,在自然界并不存在绝对的黑体。因此,我们也就不可能制作出一个绝对黑体。由前面的讨论可知,开有小孔的空腔很接近黑体,所以通常就把开有小孔的空腔叫做黑体辐射源(或标准黑体辐射源)。它可以作为一种标准来校正其他辐射源或红外系统。第4页,此课件共67页哦5典型的实用黑体型辐射源的构造
3、如图 4-1所示 图4-1 三种典型的腔体结构第5页,此课件共67页哦6如按辐射腔口的口径尺寸来分类,则可把黑体型辐射源分为以下三类:大型:100mm;中型:30 mm;小型:10 mm。如按工作温度的范围来分类,则可把黑体型辐射源分为以下三类:高温:30002000K;中温:900500K;低温:400200K。第6页,此课件共67页哦7在设计制造黑体型辐射源时,应考虑以下几个问题。1腔形的选择 2对腔芯材料加热的要求 3腔体的等温加热 4腔体的温度控制和测量 5降低黑体前表面的辐射第7页,此课件共67页哦8黑体视场的示意图 图4-2 黑体视场的示意图第8页,此课件共67页哦94.2 其它红
4、外辐射源下面主要介绍实验室和光谱仪器中常用的红外辐射源,如能斯脱灯、硅碳棒、钨丝(带、管)灯、氙灯、汞灯和各种气体放电灯等等。第9页,此课件共67页哦104.2.1 电热固体辐射源电热固体辐射源 1能斯脱灯 能斯脱灯常作为红外分光光度计中的红外辐射源。它有寿命长,工作温度高,黑体特性好和不需要水冷等特性。管子两端绕有铂丝,以作为电极与电路的连接。由于能斯脱灯都是细长的圆柱形,因而对分光光度计狭缝的照明特别有用。能斯脱灯的主要缺点是机械强度低,稍受压,就会损坏。典型能斯脱灯的各项参数如下:功率消耗为45W、工作电流为0.1A;工作温度为1980K;尺寸为3.1mm(直径)12.7mm(长度)。第
5、10页,此课件共67页哦112.硅碳棒 硅碳棒是用碳化硅(SiC)做成的圆棒。一般硅碳棒的直径为650 mm,长度为5100cm。在空气中的工作温度一般在12001400K,寿命约为250h。硅碳棒的主要缺点是最高工作温度较低,需要镇流的电源设备。同时,由于碳化硅材料的升华效应,会使材料粉末沉积在光学仪器表面上,因此它不能靠近精密光学仪器附近工作。另外,工作时需要水冷装置,耗电量较大等 第11页,此课件共67页哦12硅碳棒硅碳棒第12页,此课件共67页哦133 钨丝灯、钨带灯和钨管灯 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但由于玻璃泡透过区域的限制,这种灯的辐射波长通常在3m以下。钨带灯是将钨带通
6、电加热而使其发光的光源。钨带常做成狭长的条形,宽约为2mm,厚度约为0.05mm左右。钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热的钨管做成的。真空灯的温度可达1100,充氩灯的温度可达2700。第13页,此课件共67页哦144乳白石英加热管 乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。乳白石英加热管是以天然水晶为原料,在以石墨电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融(1740)拉制而成的。在熔融过程中,使气体在熔体中形成大量的小气泡,故外观呈乳白色。乳白石英玻璃材料耐热性能好(可耐2001300高温),热膨胀系数低,有优良的抗热震性能和电绝缘性能,此外,还具有很好的化学稳定性,但机械强度和耐冲击性能较差。第14
7、页,此课件共67页哦154.2.2 气体放电辐射源气体放电辐射源当电流通过气体媒质时,会产生放电现象,利用这种放电现象可制作辐射源。1水银灯 2氙气 3碳弧第15页,此课件共67页哦164.2.3 红外激光器红外激光器激光器是20世纪60年代发展起来的一种新型光源。与普通光源相比,激光具有方向性好、亮度高、单色性和相干性好等特性。激光器的出现从根本上突破了以往普通光源的种种局限性(如亮度低、方向性和单色性差等),赋予古老光学技术以新的生命力,产生了许多新的分支学科,如全息照相、光信息处理、非线性光学等。本节将简单介绍激光的特性及常用的红外激光器。第16页,此课件共67页哦17 激光与普通光源相
8、比,有如下三个特点。1激光的方向性好 2激光光束具有高亮度 3单色性和相干性好第17页,此课件共67页哦18任何种类的激光器,其基本结构必然包括以下三个主要组成部分:(1)工作物质:用来在特定能级间实现粒子数反转并产生受激发射。(2)抽运(泵浦)装置:用来激励工作物质,使其产生并维持特定能级间的粒子数反转和相应的受激发射。(3)光学谐振腔:其作用是保证受激发射光子在腔内产生持续的激光振荡,此外还对振荡光子的特征(频率、方向等)加以限制,以保证激光输出的高定向性和高单色性。第18页,此课件共67页哦19激光就是由受激辐射产生的被放大了的激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。相干光。激光的英文
9、名为激光的英文名为“ightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一个字母的缩写。第一个字母的缩写。Laser第19页,此课件共67页哦20一、激光的特性一、激光的特性1.方向性好方向性好第20页,此课件共67页哦212.单色性好单色性好第21页,此课件共67页哦22在普通光源中,单色性最好的是作为长度基准器的在普通光源中,单色性最好的是作为长度基准器的氪灯(氪灯(K186);它的谱线宽度为);它的谱线宽度为4.710-3纳米,而激光谱纳米,而激光谱线宽为线宽为10-9纳米,为氪灯谱线宽度的纳米,为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频万分之一
10、。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。等技术还可以进一步提高激光的单色性。计量工作的计量工作的标准光源、激光标准光源、激光通讯等利用了单通讯等利用了单色性好的特点。色性好的特点。光缆光缆第22页,此课件共67页哦233.能量集中能量集中4.相干性好相干性好空间高度集中:空间高度集中:亮度比太阳表面高亮度比太阳表面高 倍。倍。时间高度集中:时间高度集中:功率峰值为功率峰值为 瓦。瓦。第23页,此课件共67页哦24时间和空间相干性时间和空间相干性激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米,毫米至几十厘米,激光可达几十公里。激光可
11、达几十公里。全息照相、全息全息照相、全息存储等就利用了相干存储等就利用了相干性好的特点。性好的特点。全息照相全息照相第24页,此课件共67页哦25二、辐射与跃迁二、辐射与跃迁跃迁:跃迁:原子从某一能级吸收或释放能量,变成另一能级。原子从某一能级吸收或释放能量,变成另一能级。吸收跃迁:吸收跃迁:低低吸收能量吸收能量高高辐射跃迁:辐射跃迁:高高辐射能量辐射能量低低(自发辐射)(自发辐射)第25页,此课件共67页哦26自发辐射、受激吸收和受激辐射自发辐射、受激吸收和受激辐射1.自发辐射自发辐射发光前发光前发光后发光后第26页,此课件共67页哦27普通光源普通光源(白炽灯、日光灯、高压水银灯)的发光过
12、程为自发辐(白炽灯、日光灯、高压水银灯)的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立,频率、振动方向、相位射。各原子自发辐射发出的光彼此独立,频率、振动方向、相位不一定相同不一定相同为为非相干光非相干光。自发跃迁几率(自发跃迁爱因斯坦系数):自发跃迁几率(自发跃迁爱因斯坦系数):原子在能级原子在能级 的平均寿命的平均寿命只与原子本身性质有关,与辐射场无关只与原子本身性质有关,与辐射场无关第27页,此课件共67页哦282.受激吸收受激吸收吸收前吸收前吸收后吸收后受激吸收跃迁几率:受激吸收跃迁几率:受激吸收跃迁爱因斯坦系数:受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关与
13、原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关第28页,此课件共67页哦29发光前发光前发光后发光后3.受激辐射受激辐射当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时,使原子中处于高时,使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。:受激辐射跃迁爱因斯坦系数:受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率:受激辐射跃迁几率:与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关当光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程当
14、光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程当光与原子相互作用时,总是同时存在这三种过程第29页,此课件共67页哦30常用激光器由三部分组成:常用激光器由三部分组成:工作物质工作物质泵浦源泵浦源光学谐振腔光学谐振腔激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔激光器结构示意图激光器结构示意图三、激光工作条件三、激光工作条件第30页,此课件共67页哦31受激辐射光放大简称为受激辐射光放大简称为激光。激光。粒子数反转粒子数反转在温度为在温度为T 的平衡态下,原子中的电子处于高、低两个的平衡态下,原子中的电子处于高、低两个能级上的数目之比为能级上的数目之比为讨论讨论正常分布:正常分布:N1N2。
15、光吸收比光辐射占优势。光吸收比光辐射占优势。粒子数反转:粒子数反转:N2N1。光通过物质得到光放大。光通过物质得到光放大。第31页,此课件共67页哦32粒子数反转必须具备的条件:粒子数反转必须具备的条件:能量的供应过程能量的供应过程激励(光泵浦)激励(光泵浦)工作物质内必须存在工作物质内必须存在亚稳态能级亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定,但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态,可实现粒子数反转。亚稳态亚稳态E2基态基态E1激发态激发态E3三能级系统示意图三能级系统示意图E1与与E2之间产生以之间产生以受激辐受激辐射为主的跃迁射为主的跃迁激励激励无辐射跃迁无辐射跃迁第32页,此
16、课件共67页哦33光学谐振腔光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强,其它方向、其它频使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强,其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置率的辐射受到抑制的装置全反射镜全反射镜M1部分反射镜部分反射镜M2激光激光工作物质工作物质作用作用选选择择激激光光的的方方向向选选择择激激光光的的频频率率激励能源激励能源第33页,此课件共67页哦34He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本构成及激光的形成激光器的基本构成及激光的形成具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔光束在谐振腔内来回震荡,在工作
17、物质中的传播使光得以放大,并输光束在谐振腔内来回震荡,在工作物质中的传播使光得以放大,并输出激光。出激光。反射镜反射镜反射镜反射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗毛细管毛细管工作物质:工作物质:氦气氦气辅助物质:辅助物质:氖气氖气激励方式:激励方式:直流气体放电直流气体放电第34页,此课件共67页哦35按输出方式分:按输出方式分:单单(连续连续)脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出半导体激光器半导体激光器按工作物质分按工作物质分:气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子激光器自由电子激光器激光器的分类激光器的分类激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器激光器
18、的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器Q开关输出开关输出第35页,此课件共67页哦36科研第36页,此课件共67页哦37红外发光二极管第37页,此课件共67页哦38一、一、P-NP-N结基本原理结基本原理1 P-N1 P-N结的形成与少子注入发光结的形成与少子注入发光内建电场内建电场空间电荷区空间电荷区P PN N空穴空穴电子电子扩散扩散漂移漂移第38页,此课件共67页哦39 利利用用正正向向偏偏置置PNPN结结中中电电子子与与空空穴穴的的辐辐射射复复合合发发光光的的,是是自自发发辐辐射射发发光光,不不需需要要较较高高的的注注入入电电流流产产生生粒粒子子数数反反转转分分布布,也也不不需需要
19、光学谐振腔,发射的是非相干光。要光学谐振腔,发射的是非相干光。P-AIP-AIx xGaGa1-x1-xAsAsN-AIN-AIy yGaGa1-y1-yAsAsP-GaAsP-GaAs光输出光输出双异质结半导体发光二极管的结构示意图双异质结半导体发光二极管的结构示意图第39页,此课件共67页哦40二、发光二、发光LEDLED的外形与结构的外形与结构常见发光二极管外形常见发光二极管外形 按按功功率率可可分分为为小小(100mw)、中中(几几百百mw)、大大(数数w)三三种种,功功率率不不同同,外外形形也也不不同同。小小功功率率管管多多采采用用全全塑塑封封装装,也也有有部部分分采采用用金金属属或
20、或陶陶瓷瓷底底座座,顶顶端端用用玻玻璃璃或或树树脂脂透透镜镜封封装装。中中大大功功率率管一般采用有螺纹的底座以便于安装在散热片或金属底座上。管一般采用有螺纹的底座以便于安装在散热片或金属底座上。LED的的P-N结结采采用用三三-五五族族元元素素,折折射射率率比比空空气气大大,为为防防止止全全反反射射,在在表表面面镀镀抗抗反反射射膜膜,前前端端有有聚聚光光镜可提高亮度。镜可提高亮度。第40页,此课件共67页哦41 1 1 1 1、面发光二极管、面发光二极管、面发光二极管、面发光二极管有有源源区区 圆圆形形金金属属触触点点SiO2SiO2绝绝 缘缘层层SiO2SiO2绝缘层绝缘层金属化层金属化层热
21、沉热沉双双异异质质结结层层衬衬底底限限 制制层层接合材料接合材料金属化层金属化层光纤光纤圆圆形形蚀蚀刻刻孔孔球透镜球透镜环氧树脂环氧树脂P P层层有源层有源层N N层层发光区发光区面发光二极管的结构示意图面发光二极管的结构示意图第41页,此课件共67页哦422、边发光二极管边发光二极管 金属化层金属化层(用用于于电电接接触触)SiOSiO2 2绝缘层绝缘层双异质结双异质结热沉热沉衬底衬底导光层导光层金属化层金属化层(用用于于电电接接触触)条形接触条形接触(确确定定有有源源区区)有源区有源区边发光型边发光型LED的结构示意图的结构示意图第42页,此课件共67页哦431.1.发光光谱发光光谱三、发
22、光三、发光LEDLED的特性参数的特性参数第43页,此课件共67页哦442.2.温度特性温度特性 vLEDLED的的光光学学参参数数与与PNPN结结温温度度有有很很大大的的关关系系。一一般般工工作作在在小小电电流流I10mAI10mA,或或者者101020mA20mA长长时时间间连连续续点点亮亮LEDLED温温升升不不明明显显。若若环环境境温温度度较较高高,LEDLED的的主主波波长长p p就就会会向向长长波波长长漂漂移移,L L也也会会下下降降,大大体体上上是是温温度度每每上上升升一一度度,发发光光效效率率就就会会相相应应的的减减少少1 1。vLEDLED的主波长随温度关系可表示为的主波长随
23、温度关系可表示为 第44页,此课件共67页哦45 通通常常发发光光二二极极管管的的外外部部发发光光效效率率均均随随温温度度上上升升而而下下降降。右右图图表表示示GaPGaP(绿绿色色)、GaPGaP(红红色色)、GaAsPGaAsP三三种种发发光光二二极极管管的的相相对对光光亮亮度度L Le,re,r与温度与温度t t的关系曲线。的关系曲线。第45页,此课件共67页哦463.3.发光亮度与电流的关系发光亮度与电流的关系 发发光光二二极极管管的的发发光光亮亮度度L L是是单单位位面面积积发发光光强强度度的的量量度度。在在辐辐射射发发光光发发生生在在P P区区的的情情况况下下,发发光光亮亮度度L
24、L与与电电子子扩扩散散电电流流i idndn之间的关系为之间的关系为 式式中中,是是载载流流子子辐辐射射复复合合寿寿命命R R和和非非辐射复合寿命辐射复合寿命NRNR的函数的函数 如如图图所所示示为为GaAsGaAsl lx xP Px x、GaGal lx xAlAlx xAsAs和和GaP(GaP(绿绿色色)发发光光二二极极管管的的发发光光亮亮度度与与电电流流密密度度的的关关系系曲曲线线。这这些些LEDLED的的亮亮度度与与电电流流密密度度近近似似成成线线性性关关系系,且且在在很大范围内不易饱和。很大范围内不易饱和。第46页,此课件共67页哦474.4.最大工作电流最大工作电流 若若工工作
25、作电电流流较较小小,LEDLED发发光光效效率率随随电电流流的的增增加加而而明明显显增增加加,但但电电流流增增大大到到一一定定值值时时,发发光光效效率率不不再再增增加加;相相反反,发发光光效效率率随随电电流流的的增增大大而而降降低低。右右图图所所示示为为发发红红光光的的GaPGaP发发光光二二极极管管内内量量子子效效率率inin的的相相对对值值与与电电流流密密度度J J及及温温度度T T的的关关系系。随随着着电电流流密密度度的的增增加加,pnpn结结温温度度升升高高,将将导导致致热热扩扩散,使发光效率降低。散,使发光效率降低。第47页,此课件共67页哦485.5.伏安特性伏安特性 LEDLED
26、的的伏伏安安特特性性如如图图所所示示,它它与与普普通通二二极极管管的的伏伏安安特特性性大大致致相相同同。电电压压小小于于开开启启点点的的电电压压值值时时无无电电流流,电电压压一一超超过过开开启启点点就就显显示示出出欧欧姆姆导导通通特特性性。这这时,正向电流与电压的关系为时,正向电流与电压的关系为 i ii io oexp(eV/mkT)exp(eV/mkT)式式中中,m m为为复复合合因因子子。在在较较宽宽禁禁带带的的半半导导体体中中,当当电电流流i i0.1mA0.1mA时时,通通过过结结内内深深能能级级进进行行复复合合的的空空间间复复合合电电流流起起支支配配作作用用,这这时时m m2 2。
27、电电流流增增大大后后,扩扩散散电电流流占占优优势势时时,m m1 1。因因而而实实际际测测得得的的m m值值大大小小可可以以标标志志器器件件发发光光特特性性的的好坏。好坏。第48页,此课件共67页哦496.6.寿命寿命 LEDLED的的寿寿命命定定义义为为亮亮度度降降低低到到原原有有亮亮度度一一半半时时所所经经历历的的时时间间。二二极极管管的的寿寿命命一一般般都都很很长长,在在电电流流密密度度小小于于lA/cmlA/cm2 2时时,一一般般可可达达10106 6h h,最最长长可可达达10109 9h h。随随着着工工作作时时间间的的加加长长,亮亮度度下下降降的的现现象象叫叫老老化化。老老化化
28、的的快快慢慢与与工工作电流密度有关。随着电流密度的加大,老化变快,寿命变短。作电流密度有关。随着电流密度的加大,老化变快,寿命变短。7.7.响应时间响应时间 在在快快速速显显示示时时,标标志志器器件件对对信信息息反反应应速速度度的的物物理理量量叫叫响响应应时时间间,即即指指器器件件启启亮亮(上上升升)与与熄熄灭灭(衰衰减减)时时间间的的延延迟迟。实实验验证证明明,二二极极管管的的上上升升时时间间随随电电流流的的增增加加而而近近似似呈呈指指数数衰衰减减。它它的的响响应应时时间间一一般般是是很很短短的的,如如GaAsGaAs1-x1-xP Px x仅仅为为几几个个nsns,GaPGaP约约为为10
29、0ns100ns。在在用用脉脉冲冲电电流流驱驱动动二二极极管管时时,脉脉冲冲的的间间隔隔和和占占空比必须在器件响应时间许可的范围内。空比必须在器件响应时间许可的范围内。第49页,此课件共67页哦50LDLD和和LEDLED的一般性能比较的一般性能比较 LDLD LEDLED工作波长工作波长/m/m1.3 1.55 1.3 1.55 1.3 1.551.3 1.55谱线宽度谱线宽度/nm/nm1 12 12 13 3 5050100 60100 60120120阈值电流阈值电流I Ithth/mA/mA202030 3030 306060工作电流工作电流I/mAI/mA 5050150 1001
30、50 100150150输出功率输出功率P/mWP/mW 5 510 510 510 10 1 15 15 13 3入入纤功率纤功率P/mWP/mW 1 13 13 13 30.10.10.3 0.10.3 0.10.20.2 调制带宽调制带宽B/MHzB/MHz5005002000 5002000 50010001000 5050150 30150 30100100辐射角辐射角/()2030 20502030 2050 30120 3012030120 30120寿命寿命t/ht/h10106 610107 7 10105 510106 610108 8 10107 7工作温度工作温度 /-
31、20-2050 -2050 -205050 -20-2050 -2050 -205050第50页,此课件共67页哦51四、红外发光四、红外发光LEDLED的驱动的驱动1.1.单个发光二极管的驱动电路单个发光二极管的驱动电路第51页,此课件共67页哦522.2.多个发光二极管的驱动多个发光二极管的驱动 第52页,此课件共67页哦53思考:这两种电路思考:这两种电路连接方式是否合适连接方式是否合适?第53页,此课件共67页哦543.3.发光发光LEDLED的交流驱动方式(模拟调制)的交流驱动方式(模拟调制)第54页,此课件共67页哦554.4.脉动电流调制与数字调制脉动电流调制与数字调制在在规规定
32、定的的直直流流正正向向工工作作电电流流下下,对对发发光光二二极极管管进进行行脉脉动动电电流流驱驱动动或或进进行行数数字字脉脉冲冲调调制制,便便可可实实现现对对输输出出光光功功率率的的现现行行数数字字调调制。制。第55页,此课件共67页哦565.5.红外光束脉冲编码与发射效率红外光束脉冲编码与发射效率第56页,此课件共67页哦57第57页,此课件共67页哦58六六.红外光探测红外光探测/遥控系统的基本结构与控制方式遥控系统的基本结构与控制方式1 1 单通道红外遥控开关单通道红外遥控开关第58页,此课件共67页哦59第59页,此课件共67页哦602 2 双光束红外探测遥控方式双光束红外探测遥控方式第60页,此课件共67页哦613 3 多通道红外探测遥控方式多通道红外探测遥控方式第61页,此课件共67页哦62第62页,此课件共67页哦63七七.基本基本IREDIRED电路举例电路举例第63页,此课件共67页哦64第64页,此课件共67页哦65第65页,此课件共67页哦66第66页,此课件共67页哦67第67页,此课件共67页哦