Джерела випромінювання

Для генерації оптичного випромінювання використовуються два механізми: теплове випромінювання нагрітих до високої температури (більш 2000 К) тіл, або один з різновидів люмінесценції. Під люмінесценцією звичайно розуміють нетеплове електромагнітне випромінювання, що зберігається протягом деякого часу після закінчення збудження .

Прилади, основані на перетворенні теплової енергії в енергію випромінювання (наприклад, мініатюрні лампочки розжарювання), мають дуже широкий спектр, повну відсутність спрямованості випромінювання, низький ККД, високу інерційність, низьку стійкість до механічних впливів і невеличкий термін служби. Крім того, вони не сумісні з інтегральною технологією, тому застосовуються в оптоелектроніці обмежено.

Фізичні процеси, що лежать в основі люмінесценції, визначають дві важливі особливості: вузький спектр випромінювання і можливість використання великого числа способів збудження. Найбільше застосування в оптоелектроніці знайшли електролюмінесценція, а також фото- і катодолюмінесценція. Спрощено механізм генерації електромагнітних хвиль може бути поданий таким чином. У люмінісцерувальній речовині за рахунок енергії зовнішнього впливу частина електронів із нижніх рівноважних рівнів W1 переходить на рівні з більшою енергією W3, а потім, у результаті швидких переходів без випромінювання опиняється на метастабільному рівні збудження W2. При поверненні цих електронів із рівня W2 на рівень W1 відбувається випромінювання фотонів із довжиною хвилі, яка визначається співвідношенням

image002. (2.9.2)

Якщо перехід електронів із збудженого рівня на рівноважний відбувається спонтанно, тобто довільно для кожного атома, то джерело генерує природне випромінювання. Але, коли вплив на збуджені атоми світлової хвилі має частоту, що відповідає резонансній частоті переходу DW = W2 – W1, може виникнути такий процес, при якому всі збуджені атоми практично одночасно випромінюють фотони. У цьому випадку випромінювання всіх осциляторів узгоджено по частоті, фазі і напрямку поляризації. Подібне джерело називають когерентним, а його випромінювання — вимушеним або індуційованим.

Поширеними джерелами випромінювання в оптоелектроніці є напівпровідникові світлодіоди. Переваги цих приладів — великий ККД, відносно вузький спектр випромінювання і хороша діаграма спрямованості, висока швидкодія і невелика напруга живлення, це забезпечує зручність узгодження з інтегральними мікросхемами, високу надійність, довговічність і технологічність.

Як елементи оптоелектроніки світлодіоди описуються двома групами параметрів: оптичними й електричними.

До оптичних відносяться: характеристика випромінювання — залежність відносного значення потоку випромінювання від прямого току Ф/Фном= f(I); спектральна характеристика, що показує зміну відносного значення потоку з довжиною хвилі Ф/Фmах = f(l); діаграма спрямованості випромінювання (залежність відносного значення потоку або сили світла від напрямку поширення Ф/Фmах = f(j) або In/Inmax = f(j); довжина хвилі випромінювання lmах (тобто довжина хвилі, на якій значення потоку максимальне); потужність випромінювання Рвип (для світлодіодів ІЧ — діапазону); сила світла In або яскравість (для приладів видимого діапазону).

До електричних параметрів світлодіодів відносять вольт-амперну характеристику I =f(U); час вмикання і вимикання або граничну частоту; максимально припустимі пряму й зворотну напруги; максимально припустимий прямий струм.

Як зазначалося, для одержання когерентного випромінювання в оптоелектроніці застосовують лазери. Залежно від типу середовища, в якому відбувається генерація оптичних коливань, лазери підрозділяються на газові, твердотільні і напівпровідникові.

У газових лазерах для збудження атомів використовується розряд у газі, що пов’язано з великими габаритами, високовольтним живленням, низькими ККД і стійкістю до механічної дії. Проте ці прилади забезпечують найкращу когерентність і спрямованість випромінювання, що дуже важливо в оптичних запам’ятовувальних пристроях.

Найбільш поширеним типом газового лазера є гелій-неоновий, у якому вдалося забезпечити хороші оптичні параметри при відносно невеликих габаритах. Розряд у газі викликає збудження атомів гелію, які при співударі передають енергію атомам неону, що забезпечують генерацію випромінювання з l = 0,633 мкм. У ряді випадків знаходять застосування іонні газові лазери з аргоновим (l = 0,488 мкм і l = 0,515 мкм), криптоновим (l = 0,568 мкм), CO2 (l =10,6 мкм) і СО (l = 5,06 мкм) наповненням.

У твердотільних лазерах активною речовиною служить кристалічний або аморфний діелектрик, що містить центри люмінесценції. В оптоелектроніці найбільш поширені прилади на іттрієво-алюмінієвому гранаті (Y3Al5O12), скорочено ІАГ: Nd-лазер.

Основу ІАГ: Nd-лазера складає стержень активної речовини зі старанно відполірованими дзеркальними торцями, для збудження якого використовується система оптичного накачування (ксенонові лампи, відбивачі, фільтри, волоконно-оптичні світловоди, світлодіоди) (рис. 2.9.2).

image004

Рис. 2.9.2. Пристрій твердотільного лазера з оптичним накачуванням:

1 — світлодіод; 2 — ІАГ: Nd-стержень; 3 -фіксійна оправа: 4 — тепловідвід.

Незаперечними перевагами твердотільних лазерів є велика потужність, температурна і радіаційна стійкість, механічна міцність, більш високий, ніж у газових лазерів, ККД; довжина хвилі випромінювання (l = 1,06 мкм) вдало поєднується зі смугою прозорості волоконно-оптичних ліній зв’язку. Ширина спектра ІАГ: Nd-лазерів відносно невелика, що поряд із незначною розбіжністю променя забезпечує можливість їх застосування в голографічних запам’ятовувальних пристроях.

Генерація когерентного оптичного випромінювання може бути досягнута й у напівпровідникових структурах за умови, що електрони, які інжектуються (збуджуються), одержать достатні порції енергії, що визначаються співвідношенням:

image006, (2.9.3)

де UPN — прикладена до РN — переходу пряма напруга; q — заряд електрона.

До основних переваг напівпровідникових лазерів, особливо лазерів з гетероструктурою, можна віднести високий ККД (до 50%); швидкодію (до 10-11 с); зручність збудження; можливість генерації випромінювання з необхідною довжиною хвилі за рахунок підбору напівпровідника з заданою DW (від 0,2 до 20 мкм); малі габарити (до 10 мкм); технологічну сумісність з елементами оптичних інтегральних схем.

Але такі суттєві недоліки, як невисокий ступінь когерентності випромінювання по довжині хвилі і кутовій розбіжності променя а також низька довговічність у значній мірі обмежують застосування напівпровідникових лазерів, особливо в оптичних запам’ятовувальних пристроях.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье