10-第8章光电传感器探析.ppt

第八章 光电式传感器;8.1 概 述;光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为ν的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为 h——普朗克常数，6.626×10-34J·s； ν——光的频率（单位s-1）。 可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。;8.2.2 光源（发光器件）;2. 气体放电光源;低压汞灯、氢灯、钠灯、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，可被用作单色光源。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，气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3;低压汞灯：主要应用于医院,餐饮业及纯净水等行业的消毒、杀菌、净化空气 高压汞灯：光效高，寿命长，是道路照明的首选光源，能在-40℃启动。 高压钠灯：广泛应用于道路照明、隧道照明、建筑物泛光、广场码头照明、植物栽培照明等。 ;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。 当PN结上加有正向电压时，电子和空穴扩散的过程中发生复合，复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。; 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。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;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，一般不能做发光二极管使用。; 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. 如红色光中:700nm - 深红色;660nm - 红色;645nm - 鲜红色;630nm - 620nm - 橙红;发光二极管的光谱特性; 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/V;4、激光器 激光??20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将日光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了激光原理，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。 ;激光器是能够产生激光束的机器。激光束是一细束光能，它不象普通光束，它只由一种颜色的光组成，因此也不象普通光那样分散。 在医院里，外科医生应用激光束做一些高难度的手术，如用激光器做眼科手术;一个光盘只读存储器的驱动器是一个小激光器。激光束识别出光盘上微小凹痕的格式，驱动器把他们转变为计算机能识别的数字另外,大功率的激光束能够切割金属板。;我国自主知识产权首台大功率二氧化碳激光器 ;激光器种类繁多，按产生激光的物质分类： 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;（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。它的工作物质是以刚玉（或称白宝石）单晶为基质，掺入金属铬离子为激活粒子所组成的晶体激光材料。呈淡红色，其掺杂波度一般为0.05％（重量）。 它是一种输出波长为694.nm（红光）的脉冲器件。目前已广泛应用于打孔划片、信息存储等方面 ;;（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以及二氧化碳激光器等，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。氦氖激光器则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。  ;（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，导弹制导。其缺点是输出功率较小。;（4）液体激光器 常用的是染料激光器，采用有机染料作为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。;半导体光电效应是半导体束缚电子在吸收光子后产生的电学效应,它是各类光敏器件工作的基本原理. 半导体光电效应分为外光电效应和内光电效应.其中内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。;