几何光学-第五章-光源

第五章光源§1 概述任何把其它形式能量转化为光能并发射出来的物体叫做光源，可分为被动和主动发光的光源，因此，光源这个题目太大，如图5－1示，现只介绍在光学实验室里经常使用的光源，例如，热辐射类型和非热辐射类型。

图5－1 光源的分类热辐射类型光源就是将热能转化为光能的器件，从热辐射的量子理论，温度处于绝对零度的物体都可能辐射，即为温度辐射，已知黑体是完全的温度辐射体，其它的辐射体发射的能量在同一温度时少于黑体，理论和实验研究得出不同绝对温度下黑体的辐射亮度与光波长的关系曲线如图5-2示，绝对温度决定辐射的最大波长值，它们成反比关系，叫做维恩定律：λm＝A／T，其中A是常数（A=2.896×10-3m.K）,可见随着温度增高光波长的峰值移向短波方向。

非热辐射类型可能是电致发光，光致发光，化学发光或生物发光等等光源，使用者可视具体需求和可能选用某种光源。

我们只介绍常用的光源，如钨灯，钠灯，汞灯和激光器等。

图5－3和5－4分别给出卤素灯和氙气灯的发射谱线，它们来自产品广告资料。

图5－2黑体辐射图5－3 卤素灯光谱图5－4 氙灯光谱§2 连续光谱灯根据上述热辐射理论，光波长与温度满足一定的规律。

加热铁、碳或钨等物体，可以发射出连续光谱而成为光源。

常见的为钨制成的灯，因为钨具有蒸发速率较小、发光效率较高，灯的寿命较长等特点，钨可制成丝或带状，叫做钨丝灯或钨带灯。

钨的辐射本领见图5－5示，可见它发射的是连续谱线。

在灯泡内充氩或氮等惰性气体时，它们发射可见光波和近红外光波，构成连续谱线，图5－6中的a 表示光栅光谱仪测绘的白炽灯谱线，看起来颜色白里含黄红色。

钨灯工作电压用交流或直流电压，电压大小或功率大小可视需要选择。

灯泡里充有溴、碘、或其它卤元素时，是溴钨灯、碘钨灯、或卤钨灯。

溴钨灯也发射连续光谱（图5－6的c ），但更近白色，因为里边短波长成份比白炽灯发射的多。

图5－6的b 是钨带灯发射的谱线。

溴钨灯工作电压一般在几十伏以内，交流或直流电均可，由于工作电压不同，加热钨丝产生的温度也不同，对应的的光波长也不同，图5－7表示钨带灯在不同电流加热时，测量其温度变化的情况。

实验室使用它们时要保持恒流或恒压，同时还加有风冷，目的在于保持稳定的工作温度，以保证在长时间点燃它们时，其发射谱线形状和强度不发生变化或相对变化较小。

顺便提一下，钨的熔点高达3665Κ，采用熔化拉丝成型很难，因此，一般是将钨粉与粘合剂混合，挤压成带状或细丝，高温烧结固化，去掉粘合剂，得到钨丝或钨带，钨丝很脆，易断。

最后，还要进入玻璃工艺流程，才能制成钨灯。

200300400500600700800200400600800I (a .u .)λ (nm )ab c1.4 1.6 1.82.0 2.2 2.4220023002400250026002700280029003000T (K )I (A)图5－6 三种钨灯谱线 图5－7钨带灯温度与电流关系图5-5 钨灯图5-5 钨灯§3 常用灯光谱汞灯和钠灯等是金属蒸气在电场激发下，辉光或弧光放电发光的，其发射光谱很丰富多彩，但在实验室中往往只使用部分谱线。

钠灯的谱线在可见波段，一般有很强的589.00 nm 和589.59 nm 双黄线。

必须指出，有的参考书刊给出钠黄光波长是589.30 nm ，实际该谱线并不存在，是两条强谱线的平均值。

较弱的有616.07 nm 和615.42 nm ， 568.89 nm 和568.26 nm ， 515.37 nm 和514.91 nm ， 498.29 nm 和497.86 nm ， 475.19 nm 和474.80 nm ， 466.86 nm 和466.47 nm 等几组双线。

图5-8 表示实验室钠灯谱线。

2003004005006007008002004006008001000I (a .u .)(n m )图5-8 钠灯谱线汞灯的光谱如图5-9所示，谱线比较多，高压汞灯和低压汞灯的较强的谱线参见表5-1和图5-10。

表里有标识的十三条谱线常被认为标准波长值而用来标定单色仪。

图5－9 汞灯光谱表5－1 高压汞灯主要谱线2005-5-2020图5－10 低压汞灯主要谱线实验室常用的汞灯或钠灯的工作电压为20伏，功率为20瓦。

由于电场激发，产生辉光或弧光放电，它具有负阻特性。

为了稳定工作点，一定要配备电感线圈制作的镇流器，因此，通电后要等待10分钟左右，才能正常工作，发射出光波。

相对应的是灯突然熄灭后，要等待几分钟，冷却以后才能重新工作。

还应指出的是，灯泡的材料是有选择的，例如，汞灯灯泡用玻璃材料时，将吸收紫外线只透过可见光，而用石英制备灯泡，则能得到紫外光谱线。

请注意，氙气灯（图5－4），氦气灯，氢灯（图5－11）和氖灯等等，是在高压条件下工作，气体辉光放电发光，起辉高压达到5千伏，工作一般在2千伏以下，工作电流在10毫安左右，属于高压、低电流工作的光源，使用时一定要注意安全。

而弧光放电多在低压、大电流条件下工作。

30040050060070080002004006008001000I (a .u .)图5－11 氢灯谱线顺便提一句，在透镜制备工艺流程里，通常用红、黄、蓝三种色为可见波段的参考标准，准确地讲，它们是夫琅和费谱线，如表5－2示。

红色是H 的656.2816 nm ，黄色的是 He 的 587.5618 nm ，蓝色的是 H 的486.1327 nm ，它们也叫做C 线，D3(d)线和F 线。

必须说明，这与色度学研究所用的三基色：红(700.0 nm ），绿(546.1 nm)和蓝(435.8 nm)不相同。

表5－2 常用的标准谱线波长 (nm)图5－12§4 激光器（１） 简述在基础光学实验室现使用的激光光源有氦氖激光器，半导体激光器和半导体激光泵浦的固体激光器，现略加介绍。

自从1960年第一台红宝石激光器面世以来，现在可以讲激光主导了光学领域。

激光器主要由三部分组成：谐振腔和增益介质以及激励机制。

前者具备选择和正反馈的功能，选定某种固定传播方向，频率和偏振态的光波模式，对它们进行正反馈，共振放大，再输出光波。

增益介质内具备与腔选定的频率相等的共振跃迁频率，通过受激发射向确定的光波模式提供能量，产生具有很高简并度的光波，即激光。

因为简并度表示相同的波型或模式，或者说具有相同状态的光子数目，激光因此有很好的单色性、方向性、相干性和高亮度。

①单色性可看谱线的线宽δλ或δν的大小（图5－12）。

②方向性是看光束的发散角2θ＝λ/d 的值，其中d 是激光器出射孔径。

③相干性可从相干时间τ和相干长度分析，相干时间τ用迈克耳孙干涉仪可以测量，根据同一光源的光波在不同时刻分为两束，迭加，产生相干，测定相干长度ΔL ，再除光速c 得出相干时间：τ=ΔL/c 。

④高亮度主要是定向亮度，它与光子简并度成正比，激光具很高简并度必然有高亮度。

此外，激光还有普通光源没有的特点，例如，它的光束可被压缩成超短的脉冲等等。

激光器有多种分类观点，或从工作介质、或从工作方式、或从用途进行分类。

例如，从工作介质区分，有气体激光器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器和自由电子激光器等等，而且每一类又可分为许多类型。

图5－13 氦氖激光器（２）氦氖激光器●结构形式。

它是最典型的中性原子激光器，工作介质是在放电毛细管内充有一定比例的氦气和氖气，谐振腔是由两端一对高反射率、相互平行的反射镜组成，反射镜镀上多层介质膜，一端全反射，另一端为输出激光的部分反射镜，反射镜有用凹透镜、平凹透镜和平面镜。

从反射镜与毛细管的相对位置将氦氖激光器分为内腔式，半内腔式和外腔式，如图5－13示，它们的区别在于是否有布儒斯特窗片。

反射镜或布儒斯特窗片一定与毛细管真空密封。

图5－14是北京大学物理学院的产品的内部结构图。

图5－14 氦氖激光器内部结构图●工作原理。

氦氖激光跃迁发生在氖原子的不同激发态之间，如图5－15示，在外加电场下，氦气放电电离，内部电子碰撞激发跃迁，在激发态发生共振并将能量转移给与激发态相近的氖原子的某些激发态的能级，使后者之间产生粒子数反转分布，在一定条件时发生受激跃迁，再经谐振腔的作用，最终输出激光。

图5－15 氦氖能级图●性能指标。

氦氖激光器作为产品，一般给出型号和相应的主要性能指标，例如，波长，工作模式，功率及其稳定性，光束直径，发散角，偏振程度，寿命等等，表5－3给出北京大学物理学院的632.8nm氦氖激光器产品一些资料。

表5－3●几点说明。

氦氖激光器使用时要一些注意问题，例如，工作电压为1～5千伏，工作电流为4～20毫安；要达到正常工作状态必须预热一些时间，一般约半小时左右；长期不用时应当在一定时候点燃它；现在工艺水平已能保证产品质量，一般毛细管较短的氦氖激光器输出功率小，但是单模输出，其谱线宽度达到2×10-3nm，即相干长度为约20厘米，其谱线较锐。

还应指出，输出的激光束是高斯光束，如图5－16示，在扩束、压缩或变换时必须充分考虑此特性。

图5－16（３）半导体激光器★工作原理。

从根本上讲，半导体激光器产生激光有两个条件：粒子数反转和阈值条件，这与别的激光器一样，但是半导体激光器工作原理仍有其特点，能带理论指出，半导体内有导带和价带，它们之间是禁带，能带由许多密集的能态组成（图5－17），带电粒子占有能态几率服从费米－狄拉克统计分布规律。

要实现粒子数反转，要构造谐振腔，还要令受激发射超过受激吸收，克服谐振腔内的损耗才可能输出激光束，因此，用具有高简并度的P型材料和N型材料制成PN结，其能带图如图5－18示。

利用半导体晶体具有解理面的结构特性，制备法布里－泊洛谐振腔，制成一个半导体二极管（图5－19）。

当PN 结两端加上正向电压时，改变能带图，在PN结的耗尽层内实现粒子反转，此时，它具备对内部和外部的光子进行谐振放大的能力或具有正增益。

继续增加工作电流，增多注入载流子，使增益达到某定值时将输出激光，这定值叫阈值。

它的输出功率与工作电流的关系曲线见图5－20。

图5－17 半导体能带图5－18图5－19半导体激光器结构图5－20★性能指标。

半导体激光器相比别的激光器来讲，其能量转换效率高，体积小，重量轻，可靠性好，可直接调制。

特别是能与其它半导体元器件一起大规模集成的突出特点，加上制备工艺流程的进步，从LPE到MOCVD或MBE的成熟，使半导体激光器快速发展，现在已经达到相当高的水平，越来越多的半导体材料用于制备半导体激光器。

主要性能指标：首先是阈值大小，这从输出功率与注入电流曲线可一目了然。

再就是转换效率，一般外微分量子效率可高达30%。

第三是激光的模式，如图5－21示，由于发光区几何尺寸不对称，远场是椭圆形状，即半导体激光束也是高斯光束。