打印 第四章 紅外輻射源

1、 紅外技術及應用紅外技術及應用1第四章 紅 外 輻 射 源 紅外技術及應用紅外技術及應用2 2用Gouffe公式( )計算：當腔體為球形，材料選用表面發(fā)射率為0.8的不銹鋼，要求直徑為20cm的圓形開口時，若要求有效發(fā)射率達到0.998，應如何設計腔長？SsSsSs)1 ()(1 (1 0 紅外技術及應用紅外技術及應用34.1 黑體型輻射源黑體型輻射源 4.1.1 空腔輻射理論 基爾霍夫定律證明密閉空腔內的輻射就是黑體的輻射。 腔體輻射理論是制作黑體源所涉及的基礎，主要有哥福（Gouff）理論、德法斯（Devos）理論等。 Gouff在1954年提出了一個計算開孔空腔有效發(fā)射率的表達式。 De

2、vos在1954年給出了黑體輻射源腔孔有效發(fā)射率的計算公式。 紅外技術及應用紅外技術及應用44.1.2 黑體輻射源 黑體型輻射源作為標準輻射源，廣泛地用做紅外設備的絕對標準。然而，黑體是一種理想化的概念，在自然界并不存在絕對的黑體。因此，我們也就不可能制作出一個絕對黑體。由前面的討論可知，開有小孔的空腔很接近黑體，所以通常就把開有小孔的空腔叫做黑體輻射源（或標準黑體輻射源）。它可以作為一種標準來校正其他輻射源或紅外系統(tǒng)。 紅外技術及應用紅外技術及應用5 典型的實用黑體型輻射源的構造如圖4-1所示 圖4-1 三種典型的腔體結構 紅外技術及應用紅外技術及應用6 如按輻射腔口的口徑尺寸來分類，則可把

3、黑體型輻射源分為以下三類： 大型：100mm； 中型：30 mm； 小型：10 mm。 如按工作溫度的范圍來分類，則可把黑體型輻射源分為以下三類： 高溫：30002000K； 中溫：900500K； 低溫：400200K。 紅外技術及應用紅外技術及應用7在設計制造黑體型輻射源時，應考慮以下幾個問題。 1 1腔形的選擇 2 2對腔芯材料加熱的要求 3 3腔體的等溫加熱 4 4腔體的溫度控制和測量 5 5降低黑體前表面的輻射 紅外技術及應用紅外技術及應用8黑體視場的示意圖 圖4-2 黑體視場的示意圖 紅外技術及應用紅外技術及應用94.2 其它紅外輻射源其它紅外輻射源 下面主要介紹實驗室和光譜儀器中

4、常用的紅外輻射源，如能斯脫燈、硅碳棒、鎢絲（帶、管）燈、氙燈、汞燈和各種氣體放電燈等等。 紅外技術及應用紅外技術及應用104.2.1 電熱固體輻射源電熱固體輻射源 1能斯脫燈能斯脫燈 能斯脫燈常作為紅外分光光度計中的紅外輻射源。它有壽命長，工作溫度高，黑體特性好和不需要水冷等特性。管子兩端繞有鉑絲，以作為電極與電路的連接。 由于能斯脫燈都是細長的圓柱形，因而對分光光度計狹縫的照明特別有用。能斯脫燈的主要缺點是機械強度低，稍受壓，就會損壞。 典型能斯脫燈的各項參數(shù)如下：功率消耗為45W、工作電流為0.1A；工作溫度為1980K；尺寸為3.1mm（直徑）12.7mm（長度）。 紅外技術及應用紅外技

5、術及應用11 2. 硅碳棒硅碳棒 硅碳棒是用碳化硅（SiC）做成的圓棒。一般硅碳棒的直徑為650 mm，長度為5100cm。在空氣中的工作溫度一般在12001400K，壽命約為250h。 硅碳棒的主要缺點是最高工作溫度較低，需要鎮(zhèn)流的電源設備。同時，由于碳化硅材料的升華效應，會使材料粉末沉積在光學儀器表面上，因此它不能靠近精密光學儀器附近工作。另外，工作時需要水冷裝置，耗電量較大等 紅外技術及應用紅外技術及應用12 3 鎢絲燈、鎢帶燈和鎢管燈鎢絲燈、鎢帶燈和鎢管燈 鎢絲燈是近紅外測量中常用的輻射源。但由于玻璃泡透過區(qū)域的限制，這種燈的輻射波長通常在3m以下。 鎢帶燈是將鎢帶通電加熱而使其發(fā)光的

6、光源。鎢帶常做成狹長的條形，寬約為2mm，厚度約為0.05mm左右。 鎢管燈是由一根在真空或氬氣中通電加熱的鎢管做成的。真空燈的溫度可達1100，充氬燈的溫度可達2700。 紅外技術及應用紅外技術及應用13 4乳白石英加熱管乳白石英加熱管 乳白石英加熱管是一種新型紅外加熱元件。 乳白石英加熱管是以天然水晶為原料，在以石墨電極為坩堝發(fā)熱體的真空電阻爐中熔融（1740）拉制而成的。在熔融過程中，使氣體在熔體中形成大量的小氣泡，故外觀呈乳白色。乳白石英玻璃材料耐熱性能好（可耐2001300高溫），熱膨脹系數(shù)低，有優(yōu)良的抗熱震性能和電絕緣性能，此外，還具有很好的化學穩(wěn)定性，但機械強度和耐沖擊性能較差。

7、 紅外技術及應用紅外技術及應用144.2.2 氣體放電輻射源氣體放電輻射源 當電流通過氣體媒質時，會產生放電現(xiàn)象，利用這種放電現(xiàn)象可制作輻射源。 1水銀燈 2氙氣 3碳弧 紅外技術及應用紅外技術及應用15輝光放電與弧光放電的區(qū)別從現(xiàn)象來看，弧光放電要比輝光放電劇烈的多，輝光是出現(xiàn)玫瑰色的柔和光，沒有大量熱產生，而弧光放電卻是是耀眼的白光，有大量熱產生。輝光放電一般發(fā)生在低壓氣體中，當外加電場很強時候，自然存在的電子便會加速碰撞氣體分子，產生二次電子，同時伴隨輝光的發(fā)生,一般電流密度不大。而且，這個過程是不能持續(xù)進行的，如果電壓稍有降低，二次電子數(shù)量減少，輝光就會熄滅。弧光放電則可以在常壓下發(fā)生

8、，而且此時氣體中多數(shù)已經(jīng)比電離，由于體系的溫度已經(jīng)相當高，電子，氣體分子熱運動相互碰撞產生的二次電子速度足以超過電子與正離子結合速度，所以，及時降低電壓弧光也能維持下去。當然，此時外加電壓提供的能量就是供給弧光放電以及熱運動的,當電壓降低到某個程度時候，體系溫度下降，弧光也會消失。 紅外技術及應用紅外技術及應用16日光燈與水銀燈的區(qū)別 日光燈：燈管內也充有微量的惰性氣體（如：氬）和稀薄的汞蒸氣，兩個燈絲之間的氣體導電時發(fā)出紫外線，激發(fā)涂在管壁上的熒光粉發(fā)出柔和的可見光。也可發(fā)出紅外光，取決于熒光粉。 水銀燈：水銀蒸汽直接發(fā)光。1. 水銀燈 紅外技術及應用紅外技術及應用172. 氙燈 除利用金屬

9、蒸氣放電制作輻射派(如水銀燈)之外，還可利用情性氣體的放電現(xiàn)象制成輻射源。超高壓下的氬、氪、氙等情性氣體在紫外和可見光區(qū)域具有連續(xù)光譜，而在紅外波段則有明顯的線光譜疊加在連續(xù)光譜上。在惰性氣體中，以氙氣放電最為常用，由它制成的輻射源叫做氙燈。 紅外技術及應用紅外技術及應用18氙燈與水銀燈對比 氙燈與水銀燈不同，后者在啟動之前蒸氣壓不高，而前者在啟動之前的常溫下就一直存在有很高的氣壓，所以要點燃惰性氣體放電燈需要有輔助裝置觸發(fā)器。 紅外技術及應用紅外技術及應用19短弧氙燈的光譜分布 紅外技術及應用紅外技術及應用203. 碳弧 前面的各種放電燈均采用密封的泡殼，放電在其中進行。碳弧則是開放式放電，

10、電弧發(fā)生在大氣中的兩個碳棒之間。 為使電弧保持穩(wěn)定，陽極做成有芯結構，一般它由外殼和燈芯形成，采用純碳素材料，碳黑，石墨，焦炭制作，只是燈芯材料較軟。 放電時，陽極大量放熱，造成碳的蒸發(fā)，而燈芯的蒸發(fā)比外殼厲害得多，因此便在陽極中心形成穩(wěn)定的噴火口（弧坎）。碳弧的輻射90是從陽極弧坎發(fā)出，其中主要是熱輻射。 紅外技術及應用紅外技術及應用21碳弧的光譜分布 紅外技術及應用紅外技術及應用224.2.3 紅外激光器紅外激光器 激光器是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型光源。與普通光源相比，激光具有方向性好、亮度高、單色性和相干性好等特性。激光器的出現(xiàn)從根本上突破了以往普通光源的種種局限性（如亮度低、

11、方向性和單色性差等），賦予古老光學技術以新的生命力，產生了許多新的分支學科，如全息照相、光信息處理、非線性光學等。本節(jié)將簡單介紹激光的特性及常用的紅外激光器。 紅外技術及應用紅外技術及應用23 激光與普通光源相比，有如下三個特點。 1激光的方向性好 2激光光束具有高亮度 3單色性和相干性好 紅外技術及應用紅外技術及應用24 任何種類的激光器，其基本結構必然包括以下三個主要組成部分： （1）工作物質：用來在特定能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產生受激發(fā)射。 （2）抽運（泵浦）裝置：用來激勵工作物質，使其產生并維持特定能級間的粒子數(shù)反轉和相應的受激發(fā)射。 （3）光學諧振腔：其作用是保證受激發(fā)射光子在腔內產生

12、持續(xù)的激光振蕩，此外還對振蕩光子的特征（頻率、方向等）加以限制，以保證激光輸出的高定向性和高單色性。 紅外技術及應用紅外技術及應用25 激光就是由受激輻射產生的被放大了激光就是由受激輻射產生的被放大了的相干光。的相干光。激光的英文名為激光的英文名為“ight amplification by stimulated emission of radiation”第一個字母的縮寫。第一個字母的縮寫。Laser 紅外技術及應用紅外技術及應用26梅曼和第一只紅寶石激光器梅曼和第一只紅寶石激光器 紅外技術及應用紅外技術及應用27一、激光的特性一、激光的特性1. 方向性好方向性好 紅外技術及應用紅外技術及應

13、用282. 單色性好單色性好 紅外技術及應用紅外技術及應用29 在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準器在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準器的氪燈（的氪燈（K186）；它的譜線寬度為）；它的譜線寬度為4.710-3納米，納米，而激光譜線寬為而激光譜線寬為10-9納米，為氪燈譜線寬度的納米，為氪燈譜線寬度的5萬分萬分之一。采用穩(wěn)頻等技術還可以進一步提高激光的單之一。采用穩(wěn)頻等技術還可以進一步提高激光的單色性。色性。 計量工作的計量工作的標準光源、激光標準光源、激光通訊等利用了單通訊等利用了單色性好的特點。色性好的特點。光纜光纜 紅外技術及應用紅外技術及應用303. 能量集中能量集中4.

14、相干性好相干性好空間高度集中：空間高度集中：亮度比太陽表面高亮度比太陽表面高 倍。倍。時間高度集中：時間高度集中：功率峰值為功率峰值為 瓦。瓦。 10101210 紅外技術及應用紅外技術及應用31時間和空間相干性時間和空間相干性激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 普通光源的相干長度約為普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，毫米至幾十厘米，激光可達幾十公里。激光可達幾十公里。 全息照相、全息全息照相、全息存儲等就利用了相干存儲等就利用了相干性好的特點。性好的特點。全息照相全息照相 紅外技術及應用紅外技術及應用32（1）時間相干性：波場中同一點不同時刻光波場特性的相關）時間相干性：波場

15、中同一點不同時刻光波場特性的相關性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。描述時間相干性描述時間相干性的等效物理量：的等效物理量：相干時間：相干時間：c相干長度：相干長度：cL譜線寬度：譜線寬度：1ccLcc（2）空間相干性：波場中不同點在同一時刻光波場特性的）空間相干性：波場中不同點在同一時刻光波場特性的相關性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。相關性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。 紅外技術及應用紅外技術及應用33相干體積相干體積Vc：若在空間體積：若在空間體積Vc內各點的光波場都具有明顯的內各點的光波場都具有明顯的相干性，則相干性，則Vc

16、稱為相干體積。稱為相干體積。cAcALAVcccccc相干面積相干面積:cAxRPS1S2zPLx事例事例:雙縫干涉實驗中的條紋雙縫干涉實驗中的條紋可見度要高可見度要高,必須要求光波有必須要求光波有明顯的相干性明顯的相干性,即要滿足即要滿足:xLRx物理意義物理意義:光源的線度光源的線度 不能大于不能大于 !xxLR 紅外技術及應用紅外技術及應用34二、輻射與躍遷二、輻射與躍遷躍遷：躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。吸收躍遷：吸收躍遷： 低低吸收能量吸收能量高高12hEE 輻射躍遷：輻射躍遷：高高輻射能量輻射能量低低（自發(fā)輻射）（自發(fā)

17、輻射） 紅外技術及應用紅外技術及應用35自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射2E1E發(fā)光前發(fā)光前h發(fā)光后發(fā)光后21hEE 紅外技術及應用紅外技術及應用36普通光源普通光源（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程（白熾燈、日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同振動方向、相位不一定相同為為非相干光非相干光。自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）：自發(fā)躍遷幾率（自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)）：21A211SA 原子在能級原子在能級 的平均壽命的平均壽命2

18、E只與原子本身性質有關，與輻射場無關只與原子本身性質有關，與輻射場無關 紅外技術及應用紅外技術及應用372. 受激吸收受激吸收2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后21hEE 受激吸收躍遷幾率：受激吸收躍遷幾率：1212WB 12B：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)：受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質有關只與原子本身性質有關與原子本身性質和輻射場能量密度有關與原子本身性質和輻射場能量密度有關 紅外技術及應用紅外技術及應用382E1E發(fā)光前發(fā)光前hh發(fā)光后發(fā)光后h21hEE 3. 受激輻射受激輻射當外來光子的頻率滿足當外來光子的頻率滿足 時，使原子中處于高時，使原子中處于高能級的電子在外來光子的激發(fā)下

19、向低能級躍遷而發(fā)光。能級的電子在外來光子的激發(fā)下向低能級躍遷而發(fā)光。21hEE 21B：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)：受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)只與原子本身性質有關只與原子本身性質有關受激輻射躍遷幾率：受激輻射躍遷幾率：2121WB 與原子本身性質和輻射場能量密度有關與原子本身性質和輻射場能量密度有關 紅外技術及應用紅外技術及應用39 愛因斯坦三系數(shù)愛因斯坦三系數(shù) 的相互關系的相互關系212112ABB、熱平衡狀態(tài)：熱平衡狀態(tài)：輻射率輻射率 吸收率吸收率 （輻射場總光子數(shù)保持不變）（輻射場總光子數(shù)保持不變）玻爾茲曼統(tǒng)計分布：玻爾茲曼統(tǒng)計分布：221221112n An Bn B各能級上的原子數(shù)密度（

20、集居數(shù)密度）各能級上的原子數(shù)密度（集居數(shù)密度）123nnn、 、21()2211EEKTnfenf 12ff、能級能級 和和 的簡并度，的簡并度， 或稱統(tǒng)計權重或稱統(tǒng)計權重1E2E 紅外技術及應用紅外技術及應用40常用激光器由三部分組成：常用激光器由三部分組成： 工作物質工作物質 泵浦源泵浦源 光學諧振腔光學諧振腔激光激光工作物質工作物質激勵能源激勵能源諧振腔諧振腔1M2M激光器結構示意圖激光器結構示意圖三、激光工作條件三、激光工作條件 紅外技術及應用紅外技術及應用41受激輻射光放大簡稱為受激輻射光放大簡稱為激光。激光。粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉 在溫度為在溫度為 T 的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高

21、、低的平衡態(tài)下，原子中的電子處于高、低兩個能級上的數(shù)目之比為兩個能級上的數(shù)目之比為kTEkTEEeeNN/)(1212/ 討論討論正常分布：正常分布：N1N2。光吸收比光輻射占優(yōu)勢。光吸收比光輻射占優(yōu)勢。 粒子數(shù)反轉：粒子數(shù)反轉：N2N1。光通過物質得到光放大。光通過物質得到光放大。 紅外技術及應用紅外技術及應用42粒子數(shù)反轉必須具備的條件：粒子數(shù)反轉必須具備的條件： 能量的供應過程能量的供應過程激勵（光泵浦）激勵（光泵浦）工作物質內必須存在工作物質內必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級亞穩(wěn)態(tài)能級 亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，亞穩(wěn)態(tài)不如基態(tài)穩(wěn)定，但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。但比激發(fā)態(tài)穩(wěn)定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有等具有

22、亞穩(wěn)態(tài)，可實現(xiàn)粒子數(shù)亞穩(wěn)態(tài)，可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉反轉。hhh亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)E2基態(tài)基態(tài)E1激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)E3三能級系統(tǒng)示意圖三能級系統(tǒng)示意圖hEE12E1與與E2之間產生以之間產生以受受激輻射為主的躍遷激輻射為主的躍遷激勵激勵無輻射躍遷無輻射躍遷 紅外技術及應用紅外技術及應用43光學諧振腔光學諧振腔使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強，其它方向、使某一方向、某一頻率的輻射不斷得到加強，其它方向、其它頻率的輻射受到抑制的裝置其它頻率的輻射受到抑制的裝置全反射鏡全反射鏡M1部分反射鏡部分反射鏡M2激光激光工作物質工作物質作用作用選擇激光的方向選擇激光的方向選擇激光的頻率選擇激光的頻率激勵能源激勵能源 紅

23、外技術及應用紅外技術及應用44He-Ne激光器的工作原理激光器的工作原理激光器的基本構成及激光的形成激光器的基本構成及激光的形成具有亞穩(wěn)態(tài)能級結構的工作物質、激勵系統(tǒng)和光學諧振腔具有亞穩(wěn)態(tài)能級結構的工作物質、激勵系統(tǒng)和光學諧振腔 光束在諧振腔內來回震蕩，在工作物質中的傳播使光得以光束在諧振腔內來回震蕩，在工作物質中的傳播使光得以放大，并輸出激光。放大，并輸出激光。反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡陽極陽極陰極陰極布儒斯特窗布儒斯特窗毛細管毛細管工作物質：工作物質：氦氣氦氣輔助物質：輔助物質：氖氣氖氣激勵方式：激勵方式：直流氣體放電直流氣體放電 紅外技術及應用紅外技術及應用45按輸出方式分：按輸出方式分：

24、單單(連續(xù)連續(xù))脈沖輸出脈沖輸出連續(xù)輸出連續(xù)輸出半導體激光器半導體激光器按工作物質分按工作物質分 ：氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器液體激光器液體激光器自由電子激光器自由電子激光器激光器的分類激光器的分類激光器的組成和常見激光器激光器的組成和常見激光器Q開關輸出開關輸出 紅外技術及應用紅外技術及應用46紅外發(fā)光二極管 紅外技術及應用紅外技術及應用47一、一、P-NP-N結基本原理結基本原理1 P-N1 P-N結的形成與少子注入發(fā)光結的形成與少子注入發(fā)光內建電場內建電場空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)P PN N空穴空穴電子電子擴散擴散漂移漂移 紅外技術及應用紅外技術及應用48 利用正向偏置利用正向

25、偏置PNPN結中電子與空穴的輻射復合發(fā)光結中電子與空穴的輻射復合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產生粒的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產生粒子數(shù)反轉分布，也不需要光學諧振腔，發(fā)射的是非相子數(shù)反轉分布，也不需要光學諧振腔，發(fā)射的是非相干光。干光。 P-AIP-AIx xGaGa1-x1-xAsAsN-AIN-AIy yGaGa1-y1-yAsAsP- GaAsP- GaAs光輸出光輸出雙異質結半導體發(fā)光二極管的結構示意圖雙異質結半導體發(fā)光二極管的結構示意圖 紅外技術及應用紅外技術及應用492LED的效率的效率半導體中注入電能轉換成所希望的輻射能取決于三個因素：非平衡少子的激發(fā)

26、；這些載流子的輻射復合；將產生的光從晶體中引出。因此功率轉變效率可以寫成三部分效率的積 ：xgpint 紅外技術及應用紅外技術及應用50v 發(fā)光二極管的光發(fā)射來源于發(fā)光二極管的光發(fā)射來源于P-NP-N結少數(shù)載流子注入，若注結少數(shù)載流子注入，若注入的非平衡載流子復合后產生光子就出現(xiàn)光發(fā)射。但是入的非平衡載流子復合后產生光子就出現(xiàn)光發(fā)射。但是非平衡載流子未必一定能復合，而且復合后可能成為光非平衡載流子未必一定能復合，而且復合后可能成為光輻射也可能產生非輻射形式的能量。所以好的發(fā)光二極輻射也可能產生非輻射形式的能量。所以好的發(fā)光二極管應該使注入的非平衡載流子產生盡量多的光子。為了管應該使注入的非平衡

27、載流子產生盡量多的光子。為了描述這一特性，引入描述這一特性，引入內量子效率內量子效率intint為復合產生的光子為復合產生的光子數(shù)數(shù)N NT T和注入的電子空穴對數(shù)和注入的電子空穴對數(shù)G G之比之比, ,在穩(wěn)定態(tài)時，電子空在穩(wěn)定態(tài)時，電子空穴對數(shù)的激發(fā)率應等于非平衡載流子的復合率穴對數(shù)的激發(fā)率應等于非平衡載流子的復合率 GNTint 紅外技術及應用紅外技術及應用51v 載流子復合后產生的光子不一定能射出器件之外，有載流子復合后產生的光子不一定能射出器件之外，有一部分在半導體內被吸收，或者一部分在表面處被反一部分在半導體內被吸收，或者一部分在表面處被反射回器件等等，所以作為一種發(fā)光器件，我們所關

28、心射回器件等等，所以作為一種發(fā)光器件，我們所關心的是射出器件外的光子數(shù)有多少。表征這一特性的參的是射出器件外的光子數(shù)有多少。表征這一特性的參數(shù)叫數(shù)叫外量子效率外量子效率exex，定義為，定義為v 內量子效率高的器件不一定外量子效率就高。內、外內量子效率高的器件不一定外量子效率就高。內、外量子效率數(shù)量上的關系表征了器件結構的光學性能，量子效率數(shù)量上的關系表征了器件結構的光學性能，我們稱內外量子效率之比為光學效率。內量子效率與我們稱內外量子效率之比為光學效率。內量子效率與外量子效率之間還有一個簡單的關系式外量子效率之間還有一個簡單的關系式 GNTex)(1intATaVaVex 紅外技術及應用紅外

29、技術及應用52v 功率效率功率效率是指輸出的光功率與輸入的激發(fā)功率之比。與是指輸出的光功率與輸入的激發(fā)功率之比。與量子效率相比，載流子數(shù)和光子數(shù)都是微觀參量，不可量子效率相比，載流子數(shù)和光子數(shù)都是微觀參量，不可能用宏觀測量手段直接獲得，而功率是可以用宏觀手段能用宏觀測量手段直接獲得，而功率是可以用宏觀手段測量的，所以功率效率是從宏觀上描述發(fā)光器件性能的測量的，所以功率效率是從宏觀上描述發(fā)光器件性能的參數(shù)。參數(shù)。 IVPP0 紅外技術及應用紅外技術及應用53二、發(fā)光二、發(fā)光LEDLED的外形與結構的外形與結構常見發(fā)光二極管外形常見發(fā)光二極管外形 按功率可分為小按功率可分為小(100mw)、中、中

30、(幾百幾百mw)、大、大(數(shù)數(shù)w)三三種，功率不同，外形也不同。小功率管多采用全塑封裝，種，功率不同，外形也不同。小功率管多采用全塑封裝，也有部分采用金屬或陶瓷底座，頂端用玻璃或樹脂透鏡封也有部分采用金屬或陶瓷底座，頂端用玻璃或樹脂透鏡封裝。中大功率管一般采用有螺紋的底座以便于安裝在散熱裝。中大功率管一般采用有螺紋的底座以便于安裝在散熱片或金屬底座上。片或金屬底座上。 LED的的P-N結采用三結采用三-五族元五族元素，折射率比空氣大，為防止素，折射率比空氣大，為防止全反射，在表面鍍抗反射膜，全反射，在表面鍍抗反射膜，前端有聚光鏡可提高亮度。前端有聚光鏡可提高亮度。 紅外技術及應用紅外技術及應用

31、54 有源區(qū)有源區(qū) 圓形金屬觸圓形金屬觸點點SiO2SiO2絕緣絕緣層層SiO2SiO2絕緣層絕緣層金屬化層金屬化層熱沉熱沉雙異質結雙異質結層層襯襯底底限制限制層層接合材料接合材料金屬化層金屬化層光纖光纖圓形蝕刻圓形蝕刻孔孔L球透鏡球透鏡環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂P P層層有源層有源層N N層層發(fā)光區(qū)發(fā)光區(qū)面發(fā)光二極管的結構示意圖面發(fā)光二極管的結構示意圖 紅外技術及應用紅外技術及應用55 金屬化層金屬化層( (用于電接觸用于電接觸) )SiOSiO2 2絕緣層絕緣層雙異質結雙異質結熱沉熱沉襯底襯底導光層導光層金屬化層金屬化層( (用于電接觸用于電接觸) )條形接觸條形接觸( (確定有源區(qū)確定有源區(qū)) )

32、有源區(qū)有源區(qū)邊發(fā)光型邊發(fā)光型LED的結構示意圖的結構示意圖 紅外技術及應用紅外技術及應用561. 1. 發(fā)光光譜發(fā)光光譜三、發(fā)光三、發(fā)光LEDLED的特性參數(shù)的特性參數(shù) 紅外技術及應用紅外技術及應用572. 2. 溫度特性溫度特性 v LEDLED的光學參數(shù)與的光學參數(shù)與PNPN結溫度有很大的關系。一般工作在結溫度有很大的關系。一般工作在小電流小電流I10mAI10mA，或者，或者101020mA20mA長時間連續(xù)點亮長時間連續(xù)點亮LEDLED溫升溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，不明顯。若環(huán)境溫度較高，LEDLED的主波長的主波長p p就會向長波就會向長波長漂移，長漂移，L L也會下降，大體上是溫

33、度每上升一度，發(fā)光也會下降，大體上是溫度每上升一度，發(fā)光效率就會相應的減少效率就會相應的減少1 1。 v LEDLED的主波長隨溫度關系可表示為的主波長隨溫度關系可表示為 CnmTTTgP/1 . 0)()(00 紅外技術及應用紅外技術及應用58 通常發(fā)光二極管的外部發(fā)通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。光效率均隨溫度上升而下降。右圖表示右圖表示GaPGaP（綠色）、（綠色）、GaPGaP（紅色）、（紅色）、GaAsPGaAsP三種發(fā)光二三種發(fā)光二極管的相對光亮度極管的相對光亮度L Le,re,r與溫與溫度度t t的關系曲線。的關系曲線。 紅外技術及應用紅外技術及應用593. 3.

34、 發(fā)光亮度與電流的關系發(fā)光亮度與電流的關系 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L L是單位是單位面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在生在P P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L L與電子與電子擴散電流擴散電流i idndn之間的關系為之間的關系為 ReiLdn式中，式中，是載流子輻射復合壽命是載流子輻射復合壽命R R和和非輻射復合壽命非輻射復合壽命NRNR的函數(shù)的函數(shù) 如圖所示為如圖所示為GaAsGaAslxlxP Px x、GaGalxlxAlAlx xAsAs和和GaP(GaP(綠色綠色) )發(fā)光二極管的發(fā)光發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關系

35、曲線。這些亮度與電流密度的關系曲線。這些LEDLED的亮度與電流密度近似成線的亮度與電流密度近似成線性關系，且在很大范圍內不易飽和。性關系，且在很大范圍內不易飽和。 紅外技術及應用紅外技術及應用604. 4. 最大工作電流最大工作電流 若工作電流較小，若工作電流較小，LEDLED發(fā)光效率隨發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增大電流的增加而明顯增加，但電流增大到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。右圖所示為發(fā)紅光的右圖所示為發(fā)紅光的GaPGaP發(fā)光二極管內發(fā)光二極管內量子效率量子效率inin的相對值與電

36、流密度的相對值與電流密度J J及及溫度溫度T T的關系。隨著電流密度的增加，的關系。隨著電流密度的增加，pnpn結溫度升高，將導致熱擴散，使發(fā)結溫度升高，將導致熱擴散，使發(fā)光效率降低。光效率降低。 紅外技術及應用紅外技術及應用615. 5. 伏安特性伏安特性 LED LED的伏安特性如圖所示，它與的伏安特性如圖所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓一超過開啟點就顯示出歐姆導通特壓一超過開啟點就顯示出歐姆導通特性。這時，正向電流與電壓的關系為性。這時，正向電流與電壓的關系為 i ii io oe

37、xp(eV/mkT)exp(eV/mkT)式中，式中，m m為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流i i0.1mA0.1mA時，時，通過結內深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時通過結內深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時m m2 2。電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時，電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時，m m1 1。因而實際測得的。因而實際測得的m m值大小值大小可以標志器件發(fā)光特性的好壞?？梢詷酥酒骷l(fā)光特性的好壞。 紅外技術及應用紅外技術及應用626. 6. 壽命壽命 LEDLED的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二的壽命定義

38、為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cmlA/cm2 2時，一般可達時，一般可達10106 6h h，最長可達最長可達10109 9h h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關。隨著電流密度的加大，老化變快，化的快慢與工作電流密度有關。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。壽命變短。 7. 7. 響應時間響應時間 在快速顯示時，標志器件對信息反應速度的物理量叫響應時在快速顯示時，標志器件對信息反應速度的物理量叫響應時間，即指器件啟

39、亮間，即指器件啟亮( (上升上升) )與熄滅與熄滅( (衰減衰減) )時間的延遲。實驗證明，二時間的延遲。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應時間一極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應時間一般是很短的，如般是很短的，如GaAsGaAs1-x1-xP Px x僅為幾個僅為幾個nsns，GaPGaP約為約為100ns100ns。在用脈沖電。在用脈沖電流驅動二極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應時間許可的流驅動二極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應時間許可的范圍內。范圍內。 紅外技術及應用紅外技術及應用63LDLD和和LEDLED的一般性能比較的一般性能比較