光与光源的认识

光与光源的认识

光与光源的认识

一、光的产生

1、光的辐射

光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物质。因为实物是由大量的带电粒子组成的，粒子在不断地运动，当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。

我们用比较简单的孤立原子来说明这个问题。原子内有若干电子围绕原子核不断运动，其运动有多种可能状态，都是稳定的且有一定的能量。不同运动状态的电子具有不同能量，常用“能级”一词来代表电子绕原子核的运动状态。在原子内，这些能级的能量是不连续的，或者说是一系列分立的能级，能量大的称为高能级，小的则为低能级，最低能级称为“基态”。如果有外来的激励，把适合的能量传给电子，电子就可能从低能级进入较高的能级。这个过程是瞬时完成的，称它为“跃迁”。电子受激励“跃迁”到较高能级（激发态）只能维持很短的一段时间，很快就要回到低能级。这个从激发态向下回到低能级的过程中，必然释放出多余的能量。在极大多数情况下，释放的能量是以光子的形式发射出来的。

下图代表电子的两个运动状态

E0为基态，电子受激获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态时，能量E1从变到E0，此时发射光子的频率为：

式中h为普朗克常数，h= 6.62 X 10-27尔格·秒=4.13 X 10-15电子伏·秒。因为原子中有很多可能的能级，因此原子受激后可发射出多种频率的光。这些频率是分立的，分立的线光普称为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。

为“原子光谱”，其中每一条谱线代表一个频率的光。

气体或汽态物质可看成是由许多孤立原子组成，每个原子受激后都可能发射出光子。各个原子发射光子过程基本上是互相独立的，即使是完全相同的两个能级之间的跃迁，光子发射的时间也有先后，发射的方向也不尽相同，电场振动的方向也有各种可能，即光子发射的时间、方向、电场相位和偏振方向都是随机的，这样的光就是非连续的“自然光”。

在固体中，情况就不同了，固体包含着大量互相紧密连系的原子，原子之间相互作用使能级发生迁移。从整体上看，固体中电子的能级是一片能量连续的能带。电子在两个能量连续的能带之间的跃迁，其跃迁能量也必然是连续的。所以固体受激后发射出来的光具有连续的光谱，而不是分离的谱线。同样，固体发射出来的光也是风非相干的自然光。

激发发光可概括为两个过程：激励和复合。激励就是在外界作用下，粒子吸收能量，电子由低能态跃迁到高能态的过程，常称受激吸收。此时受激物体处于非平衡状态。复合是指电子由高能态回复到低能态，释放能量的过程。从不稳定的高能态自发的回到低能态是自发跃迁，它释放能量的形式有两种，一是变成粒子热运动的动能（温升）；一是以光的形式辐射出来，产生自发辐射。被激发到高能态的电子也可以在外作用下（如入射光子）跃迁到低能级，称受激跃迁，这个过程发出的光为受激辐射。一般光源均属自发辐射，激光属于受激辐射。

2、光的产生方法

激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可以有多种方式，常用的有以下几种方法：

（1）、电致发光

物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光，发光二极管所产生的光就是电致发光。

（2）、光致发光

物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。如荧光、示波管、显像管等中荧光物质的余辉，短波长的紫外光照射到杂质上发出波长较长的可见荧光均属于光致发光。其原理是当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用（吸收、动量传递等），引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射，日光灯是光致发光的例子之一。

（3）、化学发光

由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。例如磷在空气中缓慢氧化而发光。

（4）、热发光

物体被加热到一定温度而发光，称热发光。热发光只能在达到一定温度才能发光。

实际上，物质受激而发光有时是很复杂的过程，有些发光现象同时属几种受激过程。

二、光源种类

1、发光二极管

发光二极管简称LED（Light Emiting Diode），是一种固态P-N结器件，属冷光源。其发光机理是电致发光，当P-N结上有正向电流时即可发光，它是直接把电能转换成光能的器件，没有热交换过程。由于它发光面小，故可视为点光源。

?发光二极管的特点

●工作电压低（1.5V～2V），耗电少。

●可通过调节电流或电压来对发光亮度进行调节，响应速度快，可直流驱动。

●比普通光源的单色性好。

●发光亮度和发光效率均较高。

●体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长。

（2）LED发光机理

在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。当给发光二极管的P-N结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P 区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光机理。可见，结型发光二极管的发光区为P区。

电子和空穴复合时放出能量的大小，即光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度Eg（Eg=E1-E0），放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短，即

式中c为光速，h为普朗克常数。

电子跃迁图

电子跃迁图

（3）LED的特性参数

表示二极管性能的参数有电学方面的，也有光学方面的，常用的主要性能有：伏安特性、发光亮度、时间响应、光谱特性和放光效率等。

●伏安特性

伏安特性即电流-电压特性，是发光二极管的基本特性。LED的伏安特性曲线形状和普通二极管的伏安特性曲线相似（见下图）。

发光二极管伏安特性曲线

发光二极管伏安特性曲线

电压很低时，几乎没有电流，当电压大于阈值电压时，电流随电压增加迅速增大，发光二极管开始发光。不同材料的二极管正向开启电压不同，这是因为不同半导体材料P-N结的内建势垒电场不同，只有当外加正向电场平衡了内建势垒电场的作用时，才使得N区的电子经过势垒区注入到P区，与P区的多数载流子空穴复合，相当于由高能级跃迁到低能级而发光。随后，流过发光二极管的电流与电压呈指数关系。

当发光二极管加反向电压时，外加电场与内建势垒电场方向相同，便阻止多数载流子的扩散运动，所以只要很小的反向电流流过管子，但是，当反向电压加大到一定程度时，P-N结在内外电场的作用下，把晶格中的电子强拉出来参与导电，因而此时反向电流突然增大，出现反向击穿现象。

●发光亮度与电流密度

发光二极管的发光亮度基本上与正向电流密度呈线性关系。一下给出了几种发光二极管的正向电流密度iF与发光亮度L之间的关系曲线。

发光亮度L与电流密度iF iF

因为发光二极管具有一定的正向电阻，当电流流过时也有一定的功率损耗，此功耗应小于管子允许的极限耗散功率，否则管子会烧毁，使用时应控制正向电流密度iF。

发光亮度还受到环境温度的影响。环境温度越高，所允许的耗散功率越小，允许的工作电流也就越小，发光亮度下降；坏境温度越高，结温升高，是电子与空穴的复合几率下降，发光度下降。下图表示了发光二极管的相对亮度与环境温度的关系。

相对亮度与环境温度关系

相对亮度与环境温度关系

●响应时间

发光二极管的响应时间指其发光和熄灭时对输入脉冲电流的延迟时间。它反映了发光对引起发光电流信号响应快慢的能力。实验证明，发光二极管的上升时间随电流增加而近似指数变化，它的响应时间一般很短。做高频调制光源使用时必须考虑响应时间。

●光谱特性

发光二极管往往具有连续波普，光谱曲线一般仅有一个峰值，其峰值波长由禁带宽度决定。

发光二极管光谱曲线

GaAs发光二极管光谱曲线

●辐射效率

发光二极管的辐射效率一般在百分之几到百分之十几，同样也受到环境温度的影响。

辐射功率Фe=IUe

式中：I为注入器件的总电流，Ue为将在P-N结上的电压。

热功率P=I2R

式中：R为材料和接触区的总电阻。

则辐射效率

(4)驱动电路

发光二极管可工作在直流状态、交流状态和脉冲状态，交变频率可达1MHz。LED的供电电路中一般要加限流电阻以限定其最大工作电流。

2、激光光源

激光技术兴起于60年代，激光（Laser）这个词是英文Light Amplification by stimulated of Radiation的字头缩写。意思是辐射的受激发射光放大。

（1）、激光的特点

与普通光源相比，激光具有高亮度、方向性、单色性和相干性好等特点。

●激光的方向性和高亮度

任何光源总是通过一个发光面向外发光。激光器的发光面和光发射散角很小，例如一般氦氖激光器发光面半径仅是分之几毫米，发光散角2θ≈0.18°。下图为用立体角表示光束发射的情况。

光锥光束

光锥光束

求面积S对球心O点所张开的立体角为ω，等于这块面积S与球半径R的平方之比，即

当θ角很小时，其立体角为

当θ=10-3时，ω=10-6。这就说明，一般激光器只向着数量级约10-6的立体角范围内输出激光光束，与普通光源朝着空间各个方向发光的情况很不相同。由此可见，激光的方向性比普通光源发出的光好得多。

由于激光在空间方向集中，即使与普通光源的辐射功率相差不多，亮度也比其它光源高很多倍。再者，激光的发光时间可以很短，因此光功率可以很高。

●激光的单色性

同一种原子从一个高能级跃迁到一个低能级，总要发出一条频率为v的光谱线。实际上光谱线的频率不是单一的，总有一定的频率宽度△v，这是由于原子激发态所处能级有一定宽度及其它种种原因引起的。下图中曲线f（v）表示一条光谱线内光的相对强度按频率v分布的情况。f（v）称为光谱线的线性函数。不同的光谱线可以有不同形式的f（v）。

光谱线的线性函数

光谱线的线性函数

令v0为f（v）的中心频率，当v= v0时，f（v）为极大值，即f（v0）= f max（v）；当f（v）=1/2 f max（v）时，对应的两个频率v2和v1之差的绝对值作为光谱线的频率宽度△v，或称带宽。

△v=|v2- v1|

与这个频率宽度相对应的波长宽度△λ有

一般来说，△λ和△v越小，光的单色性越好。例如，在普通光源中，同位素86Kr灯发出波长λ0=6057埃的光谱线，在低温条件下，其宽度△λ=0.0047埃。而单模稳频氦氖激光器发出的波长λ0=6328埃的激光，其△λ=10-7埃。可见激光具有很好的单色性，它是理想的单色光源。

●激光的相干性

普通光源所发出光子彼此是独立的，很难有稳定的位相差，因而难以获得很好的相干光。激光发出的光子是相关的，可以在较长时间内具有恒定的位相差，因而具有很好的相干性。

根据光学知识，相干时间

式中L为相干长度，也是最大光程差。可见，由于激光具有良好的单色性，△λ很小，所以相干长度L很大，相干时间t很长。说明激光既具有很好的时间相干性，又具有较高的空间相干性。氦氖激光器的相干长度可达几十公里。

3、激光的形成

物质受激后可能发光，一般为自发辐射。当光子入射到一定的工作物质，作用于其中某粒子的光子能量恰好满足hv=E2-E1时，若该粒子处低能态，就会受激吸收；若该粒子处于高能态，就会受激辐射，发出一个与入射光子完全相同的光子来，包括频率、相位、偏振态和传播方向都完全一样，所以受激辐射是相干的。然而，工作物质在热平衡状态下，高能态的粒子数远少于低能态的粒子数，室温下粒子几乎全部处于基态。也就是说，受激吸收远比受激辐射强，即受激吸收占主导地位，总的表现在入射光被衰减。但只有受激辐射强于受激吸收才可能产生激光，宏观上看入射光被增强，这一点是产生激光的前提。为此必须设法使工作物质中的高能态粒子数多于低能态粒子数，即把正常的粒子能态分布翻转过来，通常称为“粒子数反转”。

?粒子数反转

为了获得粒子数反转，就需要用外界足够能量将基态（或低能态）的粒子激发到高能态，因此所有的激光器都有外界激励源。

●固体激光器常用光激发，光能把粒子从低能态激发到高能态，就像水泵将水从低处打到高处，故称光泵。

●各种气体激光器常用电激发，它是利用气体放电，电子在电场作用下加速并获得足够的动能去碰撞工作物质的粒子，使粒子跃迁到高能态。除光、电激发外还有热激发、化学激发、核激发等。

粒子数反转过程

粒子数反转过程

激光的产生在时间上、空间上都是随机的。为了得到相干性好、方向性强的激光，实现光子的反复引发，提高增益，必须借助于光学谐振腔。

?光学谐振腔的共振作用

激励源对激活介质的作用实现粒子反转，自发辐射的光子引发产生受激辐射，受激辐射的光子也可引发另一粒子受激辐射同样的光子。这样的相干光子的数目可以一变二，二变四的增加下去，出现雪崩式的光放大作用。由于这些相干光子很快就会跑出激活介质，雪崩式光放大作用也就很快停止。

下图表示在激活介质两端加两块相互平行的反射镜构成的光学谐振腔。这样，在激活介质中产生的相干光子只要有传播方向与反射镜垂直的，就不会跑出介质，而且会在反射镜间来回反复引发，从而获得最充分的光放大。

激光谐振腔

激光谐振腔

相干光子的频率取决于激活介质，但谐振腔也有选频作用。因为光线被腔镜反射后，传播方向相反，就必然会形成入射波和反射波的叠加。根据光驻波形成的条件，只有谐振腔内的光学长度等于光波半波长的整数倍时，才能形成稳定的光驻波。这就是维持光波在腔内形成稳定振荡的必要条件。

即谐振条件：

式中n为激活介质的折射率，l为谐振腔轴向长度，k为整数。

凡不符合谐振条件的光波均会很快的衰减。激光具有高单色性，谐振器对振荡频率的选择是其重要条件。

?激光形成的阈值条件

一般的激光器都具备激活介质、谐振器和激励能源三个部分。利用激励能源使激活介质内部的一种粒子在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成激光的前提。谐振腔则是形成稳定振荡产生激光的必要条件。但这些还不够，还必须使光在谐振腔内来回一次所获得的增益等于或大于它所遭受的各种损耗之和，即满足阈值条件。这是激光形成的决定性条件。

光在激光器内的损耗大致可分为两类：

●在激活介质内部的损耗。介质内部存在的各种不均匀性造成一部分光折射或散射，导致光偏离腔的轴线方向，并从介质侧面逸出。此外，介质不均匀而存在某种合适能级的粒子吸收激光频率的光子。

如果光在激活介质内部的单位传播距离内，由于上述因素而减少的光强百分比为α，称为内部损耗系数，则介质光强随距离z 的变化为

其中G为激活介质的增益系数，I0为增益介质内z=0处的光强。

●在谐振腔两个镜面上的损耗。光射到谐振腔两个镜面上时，有下列三种情况：

①一部分光返回腔内，两镜子的反射率分别为r1和r2。

②一部分光从两反射镜透射出去，透射率分别为t1和t2。这部分光是通过镜面上的微小孔透射出去的，实际上就是输出的激光束，但对谐振器内的光来讲是一种损耗。

③光通过输出小孔的衍射，两反射镜的散射等都将造成损耗。分别用α1和α2表示。

显然，对应两反射镜应分别有：

r1+t1+α1=1

r2+t2+α2=1

在介质中光强随距离指数规律变化。光若经过谐振腔一次光强由I0增加到I0e G1，仅考虑反射镜的反射损耗，则经过腔镜一次反射光强减少到r1I0e G1，再回到介质到达另一反射镜前，光强增加到r1I0e2G1，经另一反射镜反射后光强为r1r2I0e2G1，这时，光在增益介质中正好来回一次，要使其产生的增益足以补偿损耗，必须保证

则阈值条件可以写成

4、激光的模式

（1）激光的纵模

由谐振条件写成频率形式为，可以看出，光波在谐振腔中多次反射相位完全相同而得到最有效加强的频率v k，即谐振频率原则上有无限多个，每一种谐振频率的振荡代表一种振荡方式，称为一种“模式”。由于是轴向传播的振荡，故称“轴向模式”，简称“纵模”或“轴模”。

任意两个相邻纵模间的频率间隔为

△v k与谐振腔的光学长度nl成反比，与纵模的模序数k无关，在频谱图上呈现为等间隔的分立谱线（见下图）。

激光的纵模

激光的纵模

其中一系列分立频率只是谐振腔允许的谐振频率。但每种激活介质都有特定的光谱曲线（或增益曲线），加之腔内从在透射、衍射和散射等各种损耗，所以只有在增益曲线范围内且满足阈值条件的那些频率才能形成激光。下图中示出了只有v k-2到v k2五个频率既落在增益曲线范围内又满足阈值条件，即有五个纵模，其它频率的光波都不能形成激光振荡。这就是谐振腔的选频作用。

（2） 激光的横模

激光的纵模多少决定谐振腔中纵向不同的稳定的光场分布。光场在横向不同的稳定分布，通常观察到的光斑及其强弱分布被称为横模。下图是各种横模的图像，通常激活介质的横截面是圆形的，所以横模图像应该是旋转对称的。

激光的横模

激光的横模

由于介质不均匀或其它原因，常出现轴对称的横模。更复杂的横模只是几个基本模式叠加的结果。

横模与纵模之间是有联系的。它们各自从一个侧面反映了谐振腔内稳定的光场分布。只有同时用纵模和横模概念才能全面反映腔内光场分布。一般用TEMmnp表示模式情况，其下标q为纵模序数，m、n为横模序数。TEMoo为基模，其它为高阶模。

不同的纵模、横模，都各自对应不同的光场分布和频率。对不同纵模，其光场分布差异甚少，肉眼观察不到，只能用频率的差异来区分。横模情况与纵模刚好相反，很容易从光斑图形来区分。