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1第7章光电式传感器7.1光源7.2光电器件7.3光纤传感器7.4光栅式传感器27.1光源（发光器件）光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。光电式传感器对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。常用的光源可分为四大类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光器件等。3光谱光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106nm波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。4远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为ν的单位为Hz，λ的单位为cm。νλ=3×1010cm/s5一、热辐射光源热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者保持真空，钨丝被电加热到白炽状态而发光。白炽灯的寿命取决于很多因素，包括供电电压等，在经济成本下寿命可以达到几千小时。卤钨灯是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃制作，能够耐3500K的高温，灯泡内充以卤素元素，通常是碘，卤素元素能够与沉积在灯泡内壁上的钨发生化学反应，形成卤化钨，卤化钨扩散到钨丝附近，由于温度高而分解，钨原子重新沉积到钨丝上，这样弥补了灯丝的蒸发，大大延长了灯泡的寿命，同时也解决了灯泡因钨的沉积而发黑的问题，光通量在整个寿命期中始终能够保持相对稳定。白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1~1.5mm，因此可用作近红外光源。对于更远的红外区域，可选用其他热辐射光源，例如硅碳棒或者能斯脱灯等，它们工作在较低的温度下，峰值波长更长。热辐射光源输出功率大，但对电源的响应速度慢，调制频率一般低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。6钨丝白炽灯：用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。7二、气体放电光源电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电灯发出某一特定波长或者某一范围的波长，照明日光灯就是一个典型的例子。在需要线光源或面光源的情况下，在同样的光通量下，气体放电光源消耗的能量仅为白炽灯1/2～1/3。气体放电光源发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。短弧氙灯的电弧长几毫米，是高亮度的点光源。但氙灯的电源系统复杂，需用高电压触发放电。8气体放电灯：定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。9三、电致发光器件——发光二极管LED（LightEmittingDiode）固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。10电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。则gEhcgEchgEh普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.6╳10-19J。hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。可见光的波长λ近似地认为在7×10-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于hc/λ=1.8eV普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。11通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使λ在550～900nm间变化，它已经进入红外区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350表4.1-1LED材料12发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。U/VI/mA注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。-10-5012GaAsP(红)GaAsP(绿)13发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长λp。除峰值波长λp决定发光颜色之外，峰的宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度，Δλ越小，其光色越纯。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性λ/nm相对灵敏度14发光二极管的发光效率很大程度上取决于有多少光能够逸出二极管表面，因为大多数半导体材料折射率较高，到达二极管表面的光线大部分将被反射回去。发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流范围约在几十毫安之内，进一步增加会引起发光二极管输出光强饱和直至损坏器件，使用时常串联电阻使发光二极管的电流不会超过允许值。发光二极管具有体积小、寿命长（106~109h）、工作电压低（1~2V）、响应速度快（几个纳秒至几十纳秒）的优点，在实践中得到了广泛的应用。15四、激光器激光器是“光受激辐射放大”的缩写。某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收），如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。激光器的突出优点是单色性好、方向性好和亮度高，不同激光器在这些特点上又各有不同的侧重。激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。16激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。17（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。18（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。19氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激光的能力。它能够输出从红外的3.3mm到可见光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感器的要求。氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和514.5nm等,氪离子发出的是红光（647.1~752.5nm），它们连续输出的功率可以达到几瓦的数量级，适用于对光源的功率要求比较大的场合，例如光纤分布式温度传感器等。二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6mm,连续输出方式功率可达几瓦，脉冲方式达到几千瓦，是远红外的重要光源。许多气体和有机物在红外区域有吸收谱线，二氧化碳激光器可用作物质分析的光源。在紫外区域气体激光器更是一枝独秀，其它类型激光器还不能工作于这一区域，比较典型的氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能够工作在紫外的还有一些准分子激光器，目前能够提供从353nm到193nm的激光输出。由于包括污染物在内的许多物质在紫外区域有独特的吸收特征，随着激光器小型化技术的发展，这类激光器在化学分析、环境保护等方面有很好的应用前景。20（3）半导体激光器与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。半导体激光器除了具有一般激光器的特点