光源特征与技术应用

濮荣强，余红英，曹玉娜

(芜湖职业技术学院 信息工程系，安徽 芜湖 241000)

光源特征与技术应用

濮荣强，余红英，曹玉娜

(芜湖职业技术学院 信息工程系，安徽 芜湖 241000)

从发光二极管的辐射特征出发，在与白炽灯、气体放电灯等热光源相比较基础上，指出LED冷光源辐射不含红外光谱，具有低能耗、寿命长等技术特征，具体计算其作为MZI调制器光源实现调制信号光功率输出，重点阐述激光光源在透镜衍射成像与相干全息成像的特色应用.

光通信 ；冷光源 ；激光光源

1 发光二极管的特征及热敏特性

1.1 发光二极管的特征

发光二极管(light-emitting diode，LED)由半导体材料制成，其PN结具有正向导通、反向截止、击穿特性，在正向电压下，注入的电子和空穴被移动到厚0.1～0.3 μm的有源层内，只需微弱的外激励电流，就可以使电子和空穴复合而产生自发辐射光，因有源层的折射率比两侧限制层P区与N区的折射率高，因此产生的发光被限制在有源层内而电/光转换效率很高；砷化镓GaAs二极管发R红光、峰值波长λp为650 nm，磷化镓GaP二极管发G绿光、峰值波长λp 为530 nm，氮化镓GaN二极管发B蓝光、峰值波长λp为465 nm.

周期结构光子晶体存在绝对禁带，发光二极管作为光源可与其集成构造光子功能回路与光子阵列回路复合，实现信息处理全光化[1].

1．2 发光二极管热敏特性

1.2.1 发光二极管输出特性

正面发光型LED与侧面发光型LED的输出光功率特性如图1所示.在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈朗伯分布P(θ)=P0cosθ，半功率点辐射角θ≈120°；由于θ较大而使发光二极管的电/光转换效率ηd＜10%；驱动电流I较小，则I-I曲线的线性较好；由于PN结发热产生饱和现象，I过大使P-I曲线的斜率减小.通常LED工作电流为50～100 mA，输出光功率单位为mW，因为光束辐射角大，入纤光功率单位只有μW[2].

1.2.2 发光二极管频带特性

式中：f为调制频率；P(f)为调制频率f的输出光功率；τe为电子的寿命；定义fc为发光二极管的截止频率，当f=fc=1/(2πτe)时，|H ( fc)|=12，最高调制频率应低于截止频率，见图2.

图1 发光二极管输出功率特性

图2 发光二极管的频带特性

2 LED冷光源的调制应用

采用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制备的光调制器，铌酸锂晶体的折射率n和外加电场E的关系为n=n0+αE+βE2，其中n0为E=0时晶体的折射率，α和β是张量，称为电光系数，其值与晶体快轴、偏振面的方向有关，外加电场所引起的材料折射率的变化效应，称为电光效应，当β=0时，所用介质折射率n的变化是电场强度的一次函数而称为Pockel效应，当α=0时，介质折射率n的变化是外加电场强度的二次函数而称为Kerr效应，这里的光调制器是采用Pockel电光效应实现.

图3 输入光作为MZI光调制器的光源

将输入光分成两路相等的信号分别进入马赫-曾德尔调制器的两个光支路，可变电压施加在其一波导的两侧，见图3.这两个光支路采用的材料是Pockel电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小而变化.光支路的折射率变化将使传输光的波矢K发生变化|Δ K =ΔnK，从而使传输光产生附加相移|Δφ =ΔnKL，L为传输光在调制电极的长度，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号已是强度大小变化的干涉信号，从而实现了电信号对光强度的调制.

设输入电调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率

在Ub=2 V、Uπ=4 V、Us=0.85～2.05 V条件下，计算调制信号的光功率输出，见图4.这里Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，Uπ为光功率变化半个周期(相位为0～π)所需的外加半波电压.由此可看出，当Us+Ub=Uπ时，P=0；当Us＋Ub=0时，P=2为最大.

图4 调制信号的光功率输出

3 无带外辐射的冷光源

自爱迪生发明电灯以来，光源经历白炽灯、气体放电灯到LED灯的三次重大突破，特别是LED光源为使用半导体材料制成的无灯丝光源，具有把发光能量转为可见光、不含红外光谱特征而属冷光源. LED光源的能量转化效率高，而其本身也不含有害物质，避免了荧光灯管破裂后溢出汞的二次污染，同时又没有干扰辐射，其亮度可通过调节LED电流来控制，而负载的电阻可随所加负载的不同而变化[3].

白炽灯的螺旋状钨丝架在芯柱上，泡内抽真空通电后钨丝发热发光，其发光效率为12～24 lm/W；气体放电灯的荧光灯两端有预热灯丝、管内有汞蒸气、管壁涂有荧光粉，灯丝发射电子撞击荧光粉而发光，其发光效率50～70 lm/W；霓虹灯两端有电极，充有不同惰性气体的玻璃管，两端加上千伏交流电压击穿管内气体而导电，按所充的气体不同而发出不同颜色的光，其发光效率为90～140 lm/W，而大部分的耗电变成红外热量辐射.

LED属冷光源，单管采用直流驱动电压1.5～3.5 V、驱动电流15～18 mA、辐射功率0.03～0.06 W；其因自发辐射发光而热量低、无眩光，也不含汞元素等有害元素、可安全触摸；LED灯的发光效率通过改进可达50～200 lm/W，且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光；在LED装饰灯具内置微处理器可控制光型、发光角度与柔和光色.

LED冷光源不仅环保节能且光谱色域更宽、色彩饱和度也更高、发光上升时间仅为60 ns、其使用寿命可长达数万小时，能彻底解决普通光源寿命短的问题.尤其发光角度在120°左右、完全不需反射就可将光直接传到被照面上而明显提高了照明效率.LED坚固不易损坏、对于家庭照明属永久灯源，因此在智能家居照明系统、移动设备背光源、建筑亮化装饰灯具、公共视频广告屏、体育场馆计时计分牌、剧院舞台灯光系统、汽车尾灯与交通系统指示灯等方面应用广泛[4].

4 激光光源的技术应用

原子可认为是电偶极子，正负电荷不断振动辐射发光，但原子发光过程为自发辐射，各个原子的辐射都是自发地、独立地进行，因此辐射光是一个个波列，光波列之间是没有固定的振动和相位关系，不同波列之间不具备空间相干性.

激光光源具有纯单色性、高相干性、同方向性的技术特征，其亮度可比普通光源高出上百倍也是最亮的人工光源.激光的纯单色性是因受激辐射产生的光子频率相同；而激光的高相干性则为受激辐射产生的光子相位一致，通过谐振腔的选模使激光束横截面上各点间有固定的相位关系；同方向性是指其产生的激光基本准直平行[5]，因此激光光源在透镜衍射成像与相干全息成像有出色的技术应用.

4.1 作为透镜衍射成像的光源

时域与频域是信号的两个观察面，时域分析是以时间轴为坐标，反映与动态信号的关系，而频域分析是以频率轴为坐标，反映与动态信号的关系，傅里叶变换通过线性组合积分建立了时域与频域之间的联系.透镜衍射4f相干光成像系统见图5，图像可认为是由不同方位、不同空间密度的光栅构成，将正透镜放在图像后1f处，当纯单色性、高相干性、同方向性激光光源产生的光波照射图像上，就被分解成沿不同方位、不同偏角的各种衍射光波，不同方位的衍射波将汇聚到2f处的傅里叶变换频谱面上不同位置，频谱面光屏中央处出现很亮的大斑点是未被图像衍射、传播方向未改变的0级谱项也就是直流分量，频谱面光屏上的其他亮斑与衍射光的某一部分相对应，代表图像上某种方位与空间密度的光栅分布，频谱面亮斑分布服从傅里叶变换；运用透镜的傅里叶变换效应，在傅里叶变换频谱面上，对其产生图像的空间频谱进行光栅滤波或卷积处理，可提高有用的图像信号、抑制无益的图像噪声，再通过3f处的透镜进行二次傅里叶变换、在输出面4f处得到滤波后的倒像.

4.2 作为相干全息成像的光源

全息成像是采用相干光记录物体振幅与相位的光波信息、再通过衍射重现物体三维图像的技术.其工作过程是首先让被摄物体在激光照射下形成反射式的物体光、作为与激光同源分路的参考光在全息片上叠加产生了点面对应的相干图样，再按图6装置采用本参考光通过全息图片衍射而重现物体三维图像，全息图片可衍射出0级衍射光、-1级虚像衍射光、与虚像对称的+1级实像衍射光；因再现的-1级虚像衍射光保留了物体光振幅与相位的全部信息，故再现虚像与原物体有着完全相同的三维特性，相干全息成像与人双眼视差产生的三维立体感完全不同，用户不需戴立体眼镜，可在不同的角度裸眼观看立体成像.

图5 激光透镜衍射4f成像系统

图6 相干光源的全息成像系统

5 结论

同步辐射指速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时辐射出电磁脉冲，同步辐射光具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高准直、高极化、特性可控等优良性能，可任选择所需要的波长且连续可调，已成为在基础科学研究广泛应用的工具光源.

LED冷光源与白炽灯、荧光灯同比，省电效率可以达到50%以上、同亮度LED冷光源的耗电量仅为普通白炽灯的1/10、荧光灯管的1/2，其采用LED直流驱动、无频闪、无带外辐射、显色性高且具有强的发光方向性、调光性能好、色温变化不会产生视觉误差、可安全触摸，这些都是白炽灯和荧光灯达不到的；能提供令人舒适的光照空间，也是保护视力的环保型光源.

2014年诺贝尔物理学奖授予日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们发明的蓝色发光二极管；蓝光二极管的出现可补齐三基色，同时也让采用崭新方式创造白光成功：在白光LED的封装外有层荧光剂，这里白光LED实发蓝光、蓝光激发荧光剂产生黄光、然后蓝光和黄光混色产生白光；但此方式创造的白光缺相而少了红橙绿青紫光谱，显色性指数约为80、没有白炽灯色彩分辨高，使人的视觉感到不舒服；另单管LED辐射功率低、因散射使光照距离也较短，为获得1 W的大功率白光需大量LED并联使用，致使其市场价格过高、一次性投入较大.相信随着LED技术的发展，人类完全可以开发出更持久、更高效的LED光源，使得LED光源的应用范围进入更广的境界.

[1] 濮荣强，余红英，沈林放.二维介质柱正方复合周期结构光子晶体的禁带研究[J].量子电子学报，2013，29(6)：738-739.

[2] 刘增基，周洋溢，胡辽林，等.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[3] 周太明，宋贤杰，周伟 .LED—21世纪照明新光源[J].照明工程学报，2001，12(4)：37-40.

[4] 百度百科.LED光源［EB/OL］.(2011-02-11)[2015-12-13].http：//baike.baidu.com/view/1468011.htm?fr=aladdin．.

[5] 百度百科.激光光源［EB/OL］.(2013-03-14)[2015-12-13].http：//baike.baidu.com/link?url=mXs7q3CYX-BsIRSdIgFFlkYSQ9XJ55QzNp 6gqrbrzU8IB4gmR7kbK2dqB55pgxSHwHIWubMcU1PtKy0Xt7qNV_.

(责任编辑：李 华)

The Characteristics and Application of Light Source

PU Rong-qiang，YU Hong-ying，CAO Yu-na
(Department of Information Engineering，Wuhu Institute of Technology，Wuhu 241000，China)

Based on the characteristics of light-emitting diode’s radiation and its comparison with other lightemitting sources including incandescent lights and gas discharge lamp， this paper points out that LED cold light source， without infrared spectrum， enjoys such technical advantages as lower energy consumption and a longer life. The optical power output of the modulated signal is calculated by MZI modulator. The paper also delves into the application of laser light source in lens diffraction and coherent holography.

optical communication；cold light source；laser

TN249

A

1008-5475(2016)04-0002-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.04.001

2016-03-17；

2016-04-15

安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A759)；芜湖职业技术学院自然科学研究项目(WZYZR201319)；芜湖职业技术学院教授科研启动基金资助项目(JSGC201609)

濮荣强(1962-)，男，安徽马鞍山人，教授，硕士，主要从事信息通信技术研究.

濮荣强，余红英，曹玉娜.光源特征与技术应用[J].苏州市职业大学学报，2016，27(4)：2-5.